[科普中国]-硬水

由来

当水在大气中凝聚时，它与空气中的二氧化碳反应，形成了叫做碳酸的弱酸。该酸最终随雨落到地上，然后流过土壤上部到达岩石层，碳酸溶解了石灰（碳酸钙和碳酸镁），中和，并同时变硬。一些地区的溶洞和溶洞附近的硬水就是这样形成的。硬水有暂时性及永久性之分，暂时硬水通常关系到钙和镁的碳酸盐和碳酸氢盐，这类结晶可长期存在水中，直到气压或温度出现变化，使水份变成超饱和，造成沉淀物，附在热表面或粗糙表面上，例如管道和热交换器内，即形成硬水垢；永久性硬水主要关系到硫酸钙及硫酸镁，是不会受到热和气压变化影响，但如水份被蒸发，依然会留下并形成硬水垢。

工业硬水是管道中的钙、镁等矿物质会否沉积的工业专有名词，硬度越高，钙质越容易沉淀，造成水管、锅炉等设备阻塞，由于设备维护的费用日益增加，水的硬度已作为生产成本的判断标准之一。

性质水是一种很好的溶剂，能有效去除污物杂质。纯水--无色、无味、无臭，被称作是"通用溶剂"，在平时没提到具体是什么溶剂时，都会把溶剂默认成水。当水和二氧化碳结合生成微量的碳酸时，水的溶解效果更好。当水流过土地和岩石时，它会溶解少量的矿物质成分，钙和镁就是其中最常见的两种成分，也就是它们使水质变硬。水中含钙、镁等矿物质成分越多，水的硬度越大。即便是在硬水质地区，只要水中的饱和指数未被超过，水管中就会结水垢。若在饱和指数以下或正好在饱和的临界点上，都不会有水垢生成。反之，软水质中也会生水垢，如果超出了饱和指数的话。

饱和指数由水的酸碱度决定。众所周知，酸碱度是通过PH测试来测定的：

PH值越低，水中的酸性越强，饱和指数越高，所能溶解的矿物质成分也就越多；

PH值越高，水中的碱性越强，饱和指数越低，所能溶解的矿物质成分也就越少。

对水加热、水压降低（如打开水龙头等）、在水中添加化学品剂等都会导致PH值升高。随着PH值升高，水能溶解矿物质成分的能力减低，这些矿物质成分（碳酸钙为主）也就沉淀出来，成了水垢。

循环系统（如冷却塔、蒸汽锅炉、循环水处理系统等）工作中，压力和温度长期处在变化中，造成水中PH值升高和过度饱和。

当硬水中的钙和镁主要以碳酸氢盐形式【Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2】存在时，这些盐在水被煮沸时便会发生分解，变成碱式碳酸盐沉淀析出而除去。因此，这种硬水称为暂时硬水。如果硬水中的钙和镁主要以硫酸盐、氯化物、硝酸盐的形式存在，当水煮沸时，这些盐不会沉淀，无法除去，这种硬水称为永久硬水。

硬水中的钙盐和镁盐能与肥皂的主要成分硬脂酸钠作用，生成不溶性的硬脂酸钙或镁，使一部分肥皂白白地消耗掉，等于降低了肥皂的去污能力。如果将未经过软化处理的硬水直接注入锅炉，则当加热锅炉时，钙、镁离子便形成碱式碳酸盐沉淀析出，在锅炉内壁及管道中积成水垢，降低锅炉热导率，增加能耗，严重者会引起锅炉爆炸和管道堵塞，因此锅炉用水应当经过软化处理，硬水易与肥皂产生浮渣。

特征

★ 含有钙、镁、钾、钠等丰富矿物质；

★ 硬水与水中的矿物质含量成正比；

★ 硬水与软水不应作为“是否有益健康的生活和饮用水指标”。

生活注意事项硬水并不对健康造成直接危害。实际上 根据英国国家研究院（the National Research Council）的研究，硬水质的饮用水富含人体所需矿物质成分，是人们补充钙、镁等成分的一种重要渠道。进一步的研究指出：当某一地区水中的矿物质溶量很高的时候，饮用水将成为人们吸收钙等成分的主要来源：溶于水中的钙是最易为人体吸收的。

软水因为硬度低对婴儿身体负担较轻，作为冲泡奶粉的用水被人们所看好。奶粉因为本身含有蛋白质和矿物等营养成分，加上高硬度的硬水的冲泡会加重对宝宝身体的负担。婴儿的内脏还未发育完全，矿物成分过量摄入可能会引起消化不良，所以矿物成分含量较低的软水更适合冲泡奶粉。

硬水有许多缺点：

1.和肥皂反应时产生不溶性的沉淀，降低洗涤效果。（利用这点也可以区分硬水和软水）

2.常饮用硬水会增加人体过滤系统结石的得病率

3.工业上，钙盐镁盐的沉淀会造成锅垢，妨碍热传导，严重时还会导致锅炉爆炸。由于硬水问题，工业上每年因设备、管线的维修和更换要耗资数千万元。

4.硬水的饮用还会对人体健康与日常生活造成一定的影响。没有经常饮硬水的人偶尔饮硬水，会造成肠胃功能紊乱，即所谓的“水土不服”；用硬水烹调鱼肉、蔬菜，会因不易煮熟而破坏或降低食物的营养价值；用硬水泡茶会改变茶的色香味而降低其饮用价值；用硬水做豆腐不仅会使产量降低、而且影响豆腐的营养成分。 硬水常常给人们带来许多危害。硬水在加热的情况下，会沉淀出碳酸钙和碳酸镁，由于碳酸钙、碳酸镁不溶于水，所以对健康生活影响如下：

1、镜面布满水渍；

2、全棉衣服或毛巾板结僵硬，多次洗涤后颜色黯淡；

3、热水器、增湿器等设备管路阻塞、流量减小、寿命缩短；

4、洁白的浴缸或坐便器等设备泛黄；

5、龙头、淋喷头结满水垢、滋生细菌、镀铬的表面水渍斑斑；

6、洗澡后皮肤干燥、粗糙、发痒；

7、头发干枯、打结，不易梳理，只能用专用洗发膏；

8、水质发黄，有铁锈；

9、形成锅垢，阻碍加热器的传热，锅垢太厚时，会使锅炉局部过热，引起锅炉破裂而造成事故，有时还会引起锅炉爆炸；

10、弥漫着消毒水的难闻气味；

11、制出的冰块颜色混浊，有异味。

中国《生活用水卫生标准》中规定，水的总硬度不能过大。如果硬度过大，饮用后对人体健康与日常生活有一定影响。如果没有经常饮硬水的人偶尔饮硬水，则会造成肠胃功能紊乱，即所谓"水土不服"，就是这个意思。如用硬水烹调鱼肉、蔬菜，常因不易煮熟而破坏或降低营养价值。而硬水泡茶会改变茶的色香味而降低饮用价值。用硬水做豆腐不仅使产量降低、而且会影响豆腐的营养成分。硬水问题也使工业上因设备和管线的维修和更换每年耗资数千万元。

硬水（未处理过）中的钙离子很轻易结成固体碳酸钙（即水垢），它会给生活带来好多麻烦，比如用水器具上结出的水垢斑块、肥皂和清洁剂的洗涤效率减低、洗浴后皮肤粗糙、头发凌乱无光泽、洗出来的衣服暗黑僵硬等。其中以对皮肤和衣物的伤害为甚。1

硬水的软化处理沉淀法用石灰、纯碱等软水剂处理，使水中Ca2+、Mg2+生成沉淀析出，过滤后即得软水，其中的锰、铁等离子也可除去。

常用软水剂

（1）磷酸钠： 3CaSO4+2Na3PO4→Ca3(PO)4↓+3Na2SO4

（2）六偏磷酸钠： Na4[Na2(PO3)6]+Ca2+→Na4[Ca(PO3)6]+2Na+

（3）胺的醋酸衍生物（EDTA）：与Ca2+、Fe2+、Cu2+等离子生成螯合物

煮沸法（只适用于暂时硬水）煮沸暂时硬水时的反应：

Ca(HCO3)2=CaCO3 ↓+H2O+CO2↑

Mg(HCO3)2=MgCO3↓ +H2O+CO2↑

由于CaCO3不溶，MgCO3 微溶，所以碳酸镁在进一步加热的条件下还可以与水反应生成更难溶的氢氧化镁：

MgCO3+H2O =Mg(OH)2↓+CO2↑

由此可见水垢的主要成分为CaCO3和Mg(OH)22

石灰——纯碱法在这种方法中，暂时硬度加入石灰就可以完全消除，HCO3-都被转化成CO32-。而镁的永久硬度在石灰的作用下会转化为等物质的量的钙的硬度，最后被去除。反应过程中，镁都是以氢氧化镁的形式沉淀，而钙都是以碳酸钙的形式沉淀。

Ca2+(aq) --石灰-苏打法--> CaCO3(s)

Mg2+(aq)--石灰-苏打法--> Mg(OH)2(s)

离子交换法（1）原理：用无机或者有机物组成一混合凝胶，形成交换剂核，四周包围两层不同

电荷的双电层，水通过后可发生离子交换。

阳离子交换剂：含H+、Na+固体与Ca2+、Mg2+离子交换

阴离子交换剂：含碱性物质，能与水中阴离子交换

（2）常用交换剂：

a. 泡沸石：水化硅酸钠铝

Na2O·Z+Ca(HCO3)2→CaO·Z+2NaHCO3

Na2O·Z+CaSO4→CaO·Z+Na2SO4

b.磺化煤：

2Na(K)+CaSO4→Ca(K)2+NaSO4

2H(K)+CaSO4→Ca(K)2+NaSO4

c.离子交换树脂

电渗析法

用直流电源作动力，使水中的离子选择性地透过离子交换膜而获得软水。2

区别分级

通常我们所说的"硬水"与"软水"，主要是指碳酸钙和碳酸镁的含量，以“毫克碳酸钙/公升 水”或“ppm”来表示，称为水的硬度。

一般将水的硬度分为4个等级：

1. 软水：0-60ppm

2. 稍硬水：60-120ppm

3. 硬水：120-180ppm

4. 极硬水：181ppm以上

食用水硬度要求

水的硬度太高时喝起来不可口，水中容易产生白色沉淀的水垢，水垢如附在加热容器或加热器上,会延长加热的时间，浪费能源。水的硬度高时，肥皂也不太容易起泡沫，需浪费较多的清洁剂。水垢进入人体后，无法被吸收，是健康的大敌。

在这污染日趋严重的工业社会中，水的问题不单是硬度或总溶解固体量多寡，水中污染物质计有：细菌、微生物、氯和有机物质等。市面上已有多种滤水器可帮助我们除掉污染物，但由于处理水质的方法不同，去除的能力也不同。

已知处理饮用水的方法计有：蒸馏法、煮沸法、逆渗透法、离子交换法、活性碳过滤法和臭氧杀菌法等。这些方法有的只能单纯的杀菌，有的可以去除细菌、微生物和悬浮固体，有的能除去三氯甲烷、有机物和恶臭。现在只有RO逆渗透式的水处理技术，才可称得上最先进的、实用的水处理技术。并且可以直接进入家庭、办公室，这为改变我们的用水状态有着革命性的意义。

寻找一个理想的净化水质方法，对改善生活品质，促进健康是相当重要的。我们应该有个共识，净化水质的目标就是软化硬度、除去水中对健康有影响的污染物质。

硬水含有钙盐和镁盐的天然水

通常，地下水如井水、泉水含盐量较大，地面水如河水、湖水含盐量较小。在硬水中，钙、镁可以以碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物和硝酸盐等形式存在。当硬水中钙和镁主要以碳酸氢盐，如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2形式存在时，称为暂时硬水，当这种硬水加热煮沸时，碳酸氢盐会分解成碳酸盐而沉淀除去如果硬水中钙和镁主要以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在，则称为永久硬水，它们不能用煮沸的方法除去。硬水中的钙盐和镁盐能与肥皂(硬脂酸钠)作用，生成不溶性的硬脂酸盐，降低肥皂的去污能力。如果锅炉内使用硬水，当加热时钙盐和镁盐会在锅炉内壁上结成水垢。降低锅炉的热导率，增加能耗，甚至缩短锅炉的使用寿命，有时还会堵塞管道。因此，锅炉用水必须经过软化处理。

硬水中含盐量通常以硬度来表示。硬度单位常用“度”表示，1度相当于每升水中含10mg的CaO，生活饮用水的总硬度要求小于25度。

软水只含少量可溶性钙盐和镁盐的天然水

或是经过软化处理的硬水。天然软水一般指江水、河水、湖（淡水湖）水。经软化处理的硬水指钙盐和镁盐含量降为 1.0～50 毫克/升后得到的软化水。虽然煮沸就可以将暂时硬水变为软水，但在工业上若采用此法来处理大量用水，则是极不经济的。

测试在一份水样中加入 pH=10.0 的氨性缓冲溶液和少许铬黑T指示剂，溶液呈红色；用EDTA 标准溶液滴定时， EDTA 先与游离的Ca2+配位，再与Mg2+配位；在计量点时， EDTA 从MgIn-中夺取Mg2+，从而使指示剂游离出来，溶液的颜色由红变为纯蓝，即为终点。

当水样中Mg2+极少时，由于CaIn- 比 MgIn- 的显色灵敏度要差很多，往往得不到敏锐的终点。为了提高终点变色的敏锐性，可在 EDTA标准溶液中加入适量的 Mg2+（在EDTA 标定前加入，这样就不影响EDTA与被测离子之间的滴定定量关系），或在缓冲溶液中加入一定量的Mg—EDTA 盐。

水的总硬度可由EDTA 标准溶液的浓度cEDTA 和消耗体积 V（ml）来计算。以CaO 计，单位为 mg/L。