[科普中國]-硬水

由來

當(dāng)水在大氣中凝聚時(shí)，它與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，形成了叫做碳酸的弱酸。該酸最終隨雨落到地上，然后流過土壤上部到達(dá)巖石層，碳酸溶解了石灰（碳酸鈣和碳酸鎂），中和，并同時(shí)變硬。一些地區(qū)的溶洞和溶洞附近的硬水就是這樣形成的。硬水有暫時(shí)性及永久性之分，暫時(shí)硬水通常關(guān)系到鈣和鎂的碳酸鹽和碳酸氫鹽，這類結(jié)晶可長期存在水中，直到氣壓或溫度出現(xiàn)變化，使水份變成超飽和，造成沉淀物，附在熱表面或粗糙表面上，例如管道和熱交換器內(nèi)，即形成硬水垢；永久性硬水主要關(guān)系到硫酸鈣及硫酸鎂，是不會受到熱和氣壓變化影響，但如水份被蒸發(fā)，依然會留下并形成硬水垢。

工業(yè)硬水是管道中的鈣、鎂等礦物質(zhì)會否沉積的工業(yè)專有名詞，硬度越高，鈣質(zhì)越容易沉淀，造成水管、鍋爐等設(shè)備阻塞，由于設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用日益增加，水的硬度已作為生產(chǎn)成本的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。

性質(zhì)水是一種很好的溶劑，能有效去除污物雜質(zhì)。純水--無色、無味、無臭，被稱作是"通用溶劑"，在平時(shí)沒提到具體是什么溶劑時(shí)，都會把溶劑默認(rèn)成水。當(dāng)水和二氧化碳結(jié)合生成微量的碳酸時(shí)，水的溶解效果更好。當(dāng)水流過土地和巖石時(shí)，它會溶解少量的礦物質(zhì)成分，鈣和鎂就是其中最常見的兩種成分，也就是它們使水質(zhì)變硬。水中含鈣、鎂等礦物質(zhì)成分越多，水的硬度越大。即便是在硬水質(zhì)地區(qū)，只要水中的飽和指數(shù)未被超過，水管中就會結(jié)水垢。若在飽和指數(shù)以下或正好在飽和的臨界點(diǎn)上，都不會有水垢生成。反之，軟水質(zhì)中也會生水垢，如果超出了飽和指數(shù)的話。

飽和指數(shù)由水的酸堿度決定。眾所周知，酸堿度是通過PH測試來測定的：

PH值越低，水中的酸性越強(qiáng)，飽和指數(shù)越高，所能溶解的礦物質(zhì)成分也就越多；

PH值越高，水中的堿性越強(qiáng)，飽和指數(shù)越低，所能溶解的礦物質(zhì)成分也就越少。

對水加熱、水壓降低（如打開水龍頭等）、在水中添加化學(xué)品劑等都會導(dǎo)致PH值升高。隨著PH值升高，水能溶解礦物質(zhì)成分的能力減低，這些礦物質(zhì)成分（碳酸鈣為主）也就沉淀出來，成了水垢。

循環(huán)系統(tǒng)（如冷卻塔、蒸汽鍋爐、循環(huán)水處理系統(tǒng)等）工作中，壓力和溫度長期處在變化中，造成水中PH值升高和過度飽和。

當(dāng)硬水中的鈣和鎂主要以碳酸氫鹽形式【Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2】存在時(shí)，這些鹽在水被煮沸時(shí)便會發(fā)生分解，變成堿式碳酸鹽沉淀析出而除去。因此，這種硬水稱為暫時(shí)硬水。如果硬水中的鈣和鎂主要以硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽的形式存在，當(dāng)水煮沸時(shí)，這些鹽不會沉淀，無法除去，這種硬水稱為永久硬水。

硬水中的鈣鹽和鎂鹽能與肥皂的主要成分硬脂酸鈉作用，生成不溶性的硬脂酸鈣或鎂，使一部分肥皂白白地消耗掉，等于降低了肥皂的去污能力。如果將未經(jīng)過軟化處理的硬水直接注入鍋爐，則當(dāng)加熱鍋爐時(shí)，鈣、鎂離子便形成堿式碳酸鹽沉淀析出，在鍋爐內(nèi)壁及管道中積成水垢，降低鍋爐熱導(dǎo)率，增加能耗，嚴(yán)重者會引起鍋爐爆炸和管道堵塞，因此鍋爐用水應(yīng)當(dāng)經(jīng)過軟化處理，硬水易與肥皂產(chǎn)生浮渣。

特征

★ 含有鈣、鎂、鉀、鈉等豐富礦物質(zhì)；

★ 硬水與水中的礦物質(zhì)含量成正比；

★ 硬水與軟水不應(yīng)作為“是否有益健康的生活和飲用水指標(biāo)”。

生活注意事項(xiàng)硬水并不對健康造成直接危害。實(shí)際上 根據(jù)英國國家研究院（the National Research Council）的研究，硬水質(zhì)的飲用水富含人體所需礦物質(zhì)成分，是人們補(bǔ)充鈣、鎂等成分的一種重要渠道。進(jìn)一步的研究指出：當(dāng)某一地區(qū)水中的礦物質(zhì)溶量很高的時(shí)候，飲用水將成為人們吸收鈣等成分的主要來源：溶于水中的鈣是最易為人體吸收的。

軟水因?yàn)橛捕鹊蛯雰荷眢w負(fù)擔(dān)較輕，作為沖泡奶粉的用水被人們所看好。奶粉因?yàn)楸旧砗械鞍踪|(zhì)和礦物等營養(yǎng)成分，加上高硬度的硬水的沖泡會加重對寶寶身體的負(fù)擔(dān)。嬰兒的內(nèi)臟還未發(fā)育完全，礦物成分過量攝入可能會引起消化不良，所以礦物成分含量較低的軟水更適合沖泡奶粉。

硬水有許多缺點(diǎn)：

1.和肥皂反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生不溶性的沉淀，降低洗滌效果。（利用這點(diǎn)也可以區(qū)分硬水和軟水）

2.常飲用硬水會增加人體過濾系統(tǒng)結(jié)石的得病率

3.工業(yè)上，鈣鹽鎂鹽的沉淀會造成鍋垢，妨礙熱傳導(dǎo)，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致鍋爐爆炸。由于硬水問題，工業(yè)上每年因設(shè)備、管線的維修和更換要耗資數(shù)千萬元。

4.硬水的飲用還會對人體健康與日常生活造成一定的影響。沒有經(jīng)常飲硬水的人偶爾飲硬水，會造成腸胃功能紊亂，即所謂的“水土不服”；用硬水烹調(diào)魚肉、蔬菜，會因不易煮熟而破壞或降低食物的營養(yǎng)價(jià)值；用硬水泡茶會改變茶的色香味而降低其飲用價(jià)值；用硬水做豆腐不僅會使產(chǎn)量降低、而且影響豆腐的營養(yǎng)成分。 硬水常常給人們帶來許多危害。硬水在加熱的情況下，會沉淀出碳酸鈣和碳酸鎂，由于碳酸鈣、碳酸鎂不溶于水，所以對健康生活影響如下：

1、鏡面布滿水漬；

2、全棉衣服或毛巾板結(jié)僵硬，多次洗滌后顏色黯淡；

3、熱水器、增濕器等設(shè)備管路阻塞、流量減小、壽命縮短；

4、潔白的浴缸或坐便器等設(shè)備泛黃；

5、龍頭、淋噴頭結(jié)滿水垢、滋生細(xì)菌、鍍鉻的表面水漬斑斑；

6、洗澡后皮膚干燥、粗糙、發(fā)癢；

7、頭發(fā)干枯、打結(jié)，不易梳理，只能用專用洗發(fā)膏；

8、水質(zhì)發(fā)黃，有鐵銹；

9、形成鍋垢，阻礙加熱器的傳熱，鍋垢太厚時(shí)，會使鍋爐局部過熱，引起鍋爐破裂而造成事故，有時(shí)還會引起鍋爐爆炸；

10、彌漫著消毒水的難聞氣味；

11、制出的冰塊顏色混濁，有異味。

中國《生活用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，水的總硬度不能過大。如果硬度過大，飲用后對人體健康與日常生活有一定影響。如果沒有經(jīng)常飲硬水的人偶爾飲硬水，則會造成腸胃功能紊亂，即所謂"水土不服"，就是這個(gè)意思。如用硬水烹調(diào)魚肉、蔬菜，常因不易煮熟而破壞或降低營養(yǎng)價(jià)值。而硬水泡茶會改變茶的色香味而降低飲用價(jià)值。用硬水做豆腐不僅使產(chǎn)量降低、而且會影響豆腐的營養(yǎng)成分。硬水問題也使工業(yè)上因設(shè)備和管線的維修和更換每年耗資數(shù)千萬元。

硬水（未處理過）中的鈣離子很輕易結(jié)成固體碳酸鈣（即水垢），它會給生活帶來好多麻煩，比如用水器具上結(jié)出的水垢斑塊、肥皂和清潔劑的洗滌效率減低、洗浴后皮膚粗糙、頭發(fā)凌亂無光澤、洗出來的衣服暗黑僵硬等。其中以對皮膚和衣物的傷害為甚。1

硬水的軟化處理沉淀法用石灰、純堿等軟水劑處理，使水中Ca2+、Mg2+生成沉淀析出，過濾后即得軟水，其中的錳、鐵等離子也可除去。

常用軟水劑

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

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

（3）胺的醋酸衍生物（EDTA）：與Ca2+、Fe2+、Cu2+等離子生成螯合物

煮沸法（只適用于暫時(shí)硬水）煮沸暫時(shí)硬水時(shí)的反應(yīng)：

Ca(HCO3)2=CaCO3 ↓+H2O+CO2↑

Mg(HCO3)2=MgCO3↓ +H2O+CO2↑

由于CaCO3不溶，MgCO3 微溶，所以碳酸鎂在進(jìn)一步加熱的條件下還可以與水反應(yīng)生成更難溶的氫氧化鎂：

MgCO3+H2O =Mg(OH)2↓+CO2↑

由此可見水垢的主要成分為CaCO3和Mg(OH)22

石灰——純堿法在這種方法中，暫時(shí)硬度加入石灰就可以完全消除，HCO3-都被轉(zhuǎn)化成CO32-。而鎂的永久硬度在石灰的作用下會轉(zhuǎn)化為等物質(zhì)的量的鈣的硬度，最后被去除。反應(yīng)過程中，鎂都是以氫氧化鎂的形式沉淀，而鈣都是以碳酸鈣的形式沉淀。

Ca2+(aq) --石灰-蘇打法--> CaCO3(s)

Mg2+(aq)--石灰-蘇打法--> Mg(OH)2(s)

離子交換法（1）原理：用無機(jī)或者有機(jī)物組成一混合凝膠，形成交換劑核，四周包圍兩層不同

電荷的雙電層，水通過后可發(fā)生離子交換。

陽離子交換劑：含H+、Na+固體與Ca2+、Mg2+離子交換

陰離子交換劑：含堿性物質(zhì)，能與水中陰離子交換

（2）常用交換劑：

a. 泡沸石：水化硅酸鈉鋁

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.離子交換樹脂

電滲析法

用直流電源作動力，使水中的離子選擇性地透過離子交換膜而獲得軟水。2

區(qū)別分級

通常我們所說的"硬水"與"軟水"，主要是指碳酸鈣和碳酸鎂的含量，以“毫克碳酸鈣/公升 水”或“ppm”來表示，稱為水的硬度。

一般將水的硬度分為4個(gè)等級：

1. 軟水：0-60ppm

2. 稍硬水：60-120ppm

3. 硬水：120-180ppm

4. 極硬水：181ppm以上

食用水硬度要求

水的硬度太高時(shí)喝起來不可口，水中容易產(chǎn)生白色沉淀的水垢，水垢如附在加熱容器或加熱器上,會延長加熱的時(shí)間，浪費(fèi)能源。水的硬度高時(shí)，肥皂也不太容易起泡沫，需浪費(fèi)較多的清潔劑。水垢進(jìn)入人體后，無法被吸收，是健康的大敵。

在這污染日趨嚴(yán)重的工業(yè)社會中，水的問題不單是硬度或總?cè)芙夤腆w量多寡，水中污染物質(zhì)計(jì)有：細(xì)菌、微生物、氯和有機(jī)物質(zhì)等。市面上已有多種濾水器可幫助我們除掉污染物，但由于處理水質(zhì)的方法不同，去除的能力也不同。

已知處理飲用水的方法計(jì)有：蒸餾法、煮沸法、逆滲透法、離子交換法、活性碳過濾法和臭氧殺菌法等。這些方法有的只能單純的殺菌，有的可以去除細(xì)菌、微生物和懸浮固體，有的能除去三氯甲烷、有機(jī)物和惡臭。現(xiàn)在只有RO逆滲透式的水處理技術(shù)，才可稱得上最先進(jìn)的、實(shí)用的水處理技術(shù)。并且可以直接進(jìn)入家庭、辦公室，這為改變我們的用水狀態(tài)有著革命性的意義。

尋找一個(gè)理想的凈化水質(zhì)方法，對改善生活品質(zhì)，促進(jìn)健康是相當(dāng)重要的。我們應(yīng)該有個(gè)共識，凈化水質(zhì)的目標(biāo)就是軟化硬度、除去水中對健康有影響的污染物質(zhì)。

硬水含有鈣鹽和鎂鹽的天然水

通常，地下水如井水、泉水含鹽量較大，地面水如河水、湖水含鹽量較小。在硬水中，鈣、鎂可以以碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽等形式存在。當(dāng)硬水中鈣和鎂主要以碳酸氫鹽，如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2形式存在時(shí)，稱為暫時(shí)硬水，當(dāng)這種硬水加熱煮沸時(shí)，碳酸氫鹽會分解成碳酸鹽而沉淀除去如果硬水中鈣和鎂主要以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在，則稱為永久硬水，它們不能用煮沸的方法除去。硬水中的鈣鹽和鎂鹽能與肥皂(硬脂酸鈉)作用，生成不溶性的硬脂酸鹽，降低肥皂的去污能力。如果鍋爐內(nèi)使用硬水，當(dāng)加熱時(shí)鈣鹽和鎂鹽會在鍋爐內(nèi)壁上結(jié)成水垢。降低鍋爐的熱導(dǎo)率，增加能耗，甚至縮短鍋爐的使用壽命，有時(shí)還會堵塞管道。因此，鍋爐用水必須經(jīng)過軟化處理。

硬水中含鹽量通常以硬度來表示。硬度單位常用“度”表示，1度相當(dāng)于每升水中含10mg的CaO，生活飲用水的總硬度要求小于25度。

軟水只含少量可溶性鈣鹽和鎂鹽的天然水

或是經(jīng)過軟化處理的硬水。天然軟水一般指江水、河水、湖（淡水湖）水。經(jīng)軟化處理的硬水指鈣鹽和鎂鹽含量降為 1.0～50 毫克/升后得到的軟化水。雖然煮沸就可以將暫時(shí)硬水變?yōu)檐浰?，但在工業(yè)上若采用此法來處理大量用水，則是極不經(jīng)濟(jì)的。

測試在一份水樣中加入 pH=10.0 的氨性緩沖溶液和少許鉻黑T指示劑，溶液呈紅色；用EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定時(shí)， EDTA 先與游離的Ca2+配位，再與Mg2+配位；在計(jì)量點(diǎn)時(shí)， EDTA 從MgIn-中奪取Mg2+，從而使指示劑游離出來，溶液的顏色由紅變?yōu)榧兯{(lán)，即為終點(diǎn)。

當(dāng)水樣中Mg2+極少時(shí)，由于CaIn- 比 MgIn- 的顯色靈敏度要差很多，往往得不到敏銳的終點(diǎn)。為了提高終點(diǎn)變色的敏銳性，可在 EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入適量的 Mg2+（在EDTA 標(biāo)定前加入，這樣就不影響EDTA與被測離子之間的滴定定量關(guān)系），或在緩沖溶液中加入一定量的Mg—EDTA 鹽。

水的總硬度可由EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度cEDTA 和消耗體積 V（ml）來計(jì)算。以CaO 計(jì)，單位為 mg/L。