硬水軟化

所謂"硬水"是指水中存在溶解的礦物質成分，尤其是鈣和鎂。所謂“硬水”是指水中所溶的礦物質成分多，尤其是鈣和鎂。硬水並不對健康造成直接危害，但是會給生活帶來好多麻煩，比如用水器具上結水垢、肥皂和清潔劑的洗滌效率減低等。

硬水中含鹽量通常以硬度表示。硬度單位是度，1度相當於每升水中含10毫克的氧化鈣。硬度在8以上者通常稱為硬水，地下水（如井水、泉水）的含鹽量較多，屬於硬水。在硬水中，鈣鹽和鎂鹽以碳酸氫鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽的形式存在。

硬水在工業上會造成極大的危害甚至危險，例如造成工業鍋爐積垢傳熱不良浪費能源，甚至因傳熱不勻可能引起爆炸。

水在蒸發及降雨過程中吸收溶解大氣中的污染物； 降水落到地面，溶解地面上的污物； 地面水滲入地下或匯入江河的過程中，不斷溶解所接觸到的礦物質，化學物質等。 水在水循環中溶解了所接觸到的鈣（Ca），鎂（Mg）離子，形成了水的硬度。

水的硬度一般是指水裏鈣鎂離子濃度總和，單位為毫摩爾每升（mmol/L）。通常，如果1L水裏含有10mg CaO或相當於10mg CaO的物質，例如7.1mg MgO，那麼這樣的水的硬度稱為1度。

通常硬度在0-4度稱為很軟水，4-8度稱為軟水，8-16度稱為中硬水，16-30度稱為硬水，30度以上稱為很硬水。

若水的硬度是暫時硬度，這種水經過煮沸以後，水裏所含的碳酸氫鈣或碳酸氫鎂就會分解成不溶於水的碳酸鈣和難溶於水的氫氧化鎂沉澱。這些沉澱物析出，水的硬度就可以降低，從而使硬度較高的水得到軟化。

若水的硬度是永久硬度，往往使用以下幾種方法。

1）離子交換法：採用特定的陽離子交換樹脂，以鈉離子將水中的鈣鎂離子置換出來，由於鈉鹽的溶解度很高，所以就避免了隨温度的升高而造成水垢生成的情況。這種方法是最常用的標準方式。主要優點是：效果穩定準確，工藝成熟。可以將硬度降至0。採用這種方式的軟化水設備一般也叫做“離子交換器”（由於採用的多為鈉離子交換樹脂，所以也多稱為“鈉離子交換器”）、軟水機、軟水器。

2）膜分離法：納濾膜（NF）及反滲透膜（RO）均可以攔截水中的鈣鎂離子，從而從根本上降低水的硬度。這種方法的特點是，效果明顯而穩定，處理後的水適用範圍廣；但是對進水壓力有較高要求，設備投資、運行成本都較高。一般較少用於專門的軟化處理。

3）石灰法：向水中加入石灰，主要是用於處理大流量的高硬水，只能將硬度降到一定的範圍。

4）電磁法：採用在水中加上一定的電場或磁場來改變離子的特性，從而改變碳酸鈣（碳酸鎂）沉積的速度及沉積時的物理特性來阻止硬水垢的形成。其特點是：設備投資小，安裝方便，運行費用低；但是效果不夠穩定性，沒有統一的衡量標準，而且由於主要功能僅是影響一定範圍內的水垢的物理性能，所以處理後的水的使用時間、距離都有一定侷限。多用於商業（如中央空調等）循環冷卻水的處理，不能應用於工業生產及鍋爐補給水的處理（同時由於該種設備的機理並未得到真正的理論證實）。

5）加藥法：向水中加入專用的阻垢劑，可以改變鈣鎂離子與碳酸根離子結合的特性，從而使水垢不能析出、沉積。現工業上可以使用的的阻垢劑很多。這種方法的特點是：一次性投入較少，適應性廣；但水量較大時運行成本偏高，由於加入了化學物質，所以水的應用受到很大限制，一般情況下不能應用於飲用、食品加工、工業生產等方面。在民用領域中也很少應用。

水的暫時硬度是由碳酸氫鈣或碳酸氫鎂引起的，這種水經過煮沸以後，水裏所含的碳酸氫鈣或碳酸氫鎂就會分解成不溶於水的碳酸鈣和難溶於水的碳酸鎂沉澱。 ^[1] 

除去或減少自然水中的鈣鹽或鎂鹽等的過程叫做硬水軟化。軟化的方法主要有藥劑軟化法和離子交換法。

①石灰軟化法 將生石灰加水調成石灰乳加入水中則可消除水的暫時硬度，反應為

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂→2CaCO₃↓+2H₂O

Mg(HCO₃)₂+2Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓+2CaCO₃↓+2H₂O

同時石灰乳能使鎂、鐵等離子從水中沉澱出來，促使膠體粒子凝聚，但此法不能使水徹底軟化，它只適用於碳酸鹽硬度較高而不要求高度軟化的情況，也可作為其他方法的預處理階段。

②石灰純鹼軟化法 即用石灰乳和純鹼的混合液作為水的軟化劑。純鹼能消除水的永久硬度，如

CaCl₂+Na₂CO₃→CaCO₃↓+2NaCl

MgSO4+Na₂CO₃→MgCO₃↓+Na₂SO₄

③綜合軟化法 以石灰乳和純鹼作為基本軟化劑，以少量磷酸三鈉為輔助軟化劑。磷酸三鈉能與造成暫時硬度及永久硬度的鹽類生成難溶鹽使之沉澱。

離子交換法可以認為是一種特殊的吸附過程。鈉型陽離子交換劑能從溶液中吸附多種陽離子，而把本身的鈉離子放入溶液中，從而達到軟化的目的。交換劑種類很多。無機離子交換劑交換容量較小，工業上應用較多的磺化煤也趨於淘汰，普遍使用的是有機高分子聚合物，又叫離子交換樹脂。離子交換樹脂由有機高聚物本體和能進行交換的陽離子或陰離子構成，分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂（參見“離子交換樹脂”）。陽離子交換樹脂又因所帶交換基的不同分為鈉型（R—Na）、氫型（R—H）、銨型（R—NH₄）等。離子交換是一種可逆過程，當硬水流過鈉型交換樹脂時，Ca，Mg等離子按下式被交換：

2R-Na+Ca²⁺=CaR₂+2Na

隨着反應的進行，交換速度越來越慢，繼而停止交換。此時必須用食鹽水沖洗交換劑，使反應向左進行，交換劑得以再生。實際應用中的操作過程： ①交換 欲處理的水流過離子交換劑層，進行交換，直至交換劑失效； ②反衝洗 使水逆向流過已失效的離子交換劑，除去交換時聚集的懸浮物和破碎的交換劑，並鬆動交換劑層； ③加入再生劑 使之進行再生反應，並將交換下來的Ca，Mg等離子帶出，恢復交換劑的能力；④正洗 使水流經交換劑層，去除所有的再生劑。 ^[2]