軟水法

水質的硬度是由水質中鈣鹽和鎂鹽的含量而定的。如果水質的硬度大則是由於接觸地質岩層，使水質中的鈣鹽和鎂鹽（碳酸鹽、硫酸鹽、氯化鹽等的含量增加。如果水質過硬會對人體造成傷害，所以需要軟化水質，而軟水法則是軟化水質的方法，通常分為石灰-碳酸鈉軟水法和離子交換軟水法等。

基本介紹

• 中文名：軟水法
• 外文名：water-softing
• 科目：土木工程
• 方法：離子交換法等
• 對象：水
• 套用：火車、飛機用水

水質軟化

水的硬度多由於接觸地質岩層，使水質中增加了鈣鹽和鎂鹽(碳酸鹽、硫酸鹽、氯化鹽等)的含量。水的硬度可分為碳酸鹽硬度(暫時硬度)及非碳酸鹽硬度(永久硬度) 兩種。兩種硬度之和為水的總硬度。碳酸鹽硬度系指水中含有鈣、鎂的碳酸鹽及碳酸氫鹽形成的硬度。當水經煮沸，水中碳酸氫鹽放出二氧化碳變成碳酸鹽而沉澱，使硬水軟化。非碳酸鹽硬度則指水中含有硫酸鹽、硝酸鹽、氯化鹽等鹽類形成的硬度。非碳酸鹽硬度不能用煮沸法去除。

人們能接受的水硬度隨各地個人的習慣而不同。中等硬度的水一般為60～120mg/L，有些人對150mg/L的水就不能接受，而另一些人則認為300～500mg/L是硬度的最高接受限額。用硬度高的水洗衣服浪費肥皂，而使用合成洗滌劑則不受硬度影響。此外，硬水能使煮水的壺底結水垢，減低壺的導熱性；熱水管內結水垢後，能使管內水流不暢，為了避免鍋爐內結水垢，造成經濟損失，其用水必須預先軟化。

軟化水質主要用化學軟化劑，即向水中投加石灰和碳酸鈉以去除溶解於水中的鈣和鎂，石灰同時有殺菌、除鐵作用和協助澄清水質的作用。軟化水質的另一種方法是離子交換法，將硬水通過某種陽離子交換劑濾層，使水中鈣、鎂離子與交換劑中鈉離子交換而使水軟化。

石灰-碳酸鈉軟水法

常用軟水劑有石灰、碳酸鈉、苛性鈉等。生石灰一般含90%的氧化鈣(CaO)和少量的氧化鎂等雜質。使用時先將生石灰熟化為漿狀熟石灰，調成約含5%氫氧化鈣的石灰乳向水中投加，碳酸鈉的純度一般可達98%。水中投加的熟石灰與水中鈣鹽或鎂鹽作用變為碳酸鈣或氫氧化鎂等難溶解的鹽類，再用沉澱池和過濾池處理。

水中投加的苛性鈉與重碳酸鹽硬度起化學反應，變為碳酸鹽，在反應過程中所產生的碳酸鈉，又可與一部分非碳酸鹽硬度相互作用，最後對難溶解的鹽類再用沉澱池和過濾池處理。水中含有非碳酸鹽的鎂鹽時，可同時投加碳酸鈉和熟石灰處理。投加熟石灰能使水的pH值增加到10左右，從而水中的鈣離子得到有效地去除。鎂離子的去除則要求水的pH值更高一些，同時水中將出現多餘的熟石灰。用石灰軟化後的水還含有少量能結為水垢的物質。因此，根據用水情況，有時對經石灰法軟化過的水進行再度碳化處理，以減輕其潛在的結垢性。方法是投加二氧化碳以中和水中多餘的熟石灰，成為碳酸鈣而下沉。用壓縮泵把二氧化碳直接送至水池底部經小孔射出。反應池中水的pH值應在9.5以上。

離子交換軟水法

將硬度較高的水通過一個由陽離子交換劑所組成的過濾池，陽離子交換劑中的Na、H+或NH₄離子與水中Ca、Mg等形成硬度的離子交換，使硬度較高的水變為硬度較低的水。當濾池中離子交換劑的可交換離子耗盡後，可用含高濃度原有離子的再生溶液通過濾層，補充被消耗的離子，使之恢復原有的交換能力。

軟化水質的陽離子交換劑有海綠石、含矽膠體沸石和聚苯乙烯等樹脂。天然海綠石經過加工和化學處理，成為一種墨綠色的無機化合物，有較持久的離子交換性能。合成含矽膠體沸石可在乾燥後壓碎成顆粒狀，製成柱狀濾床，用以軟化水質。近來上述兩種軟化水質的材料使用逐漸減少，而主要被聚苯乙烯樹脂代替，人工合成的樹脂多製成0.5mm直徑的圓形顆粒，使用方便，效果良好。離子交換軟水過程中的化學反應見“離子交換”條。軟化水質的離子交換過程中，處理的水量一般為每立方米離子交換劑每小時處理硬水16～48m。在反衝再生時可用80～320mg/L的鹽水反衝25～45min，反衝速度一般為204～224L/m。

作用機理

電去離子軟化法是一種利用電來除去水中部分離子雜質Ca、Mg等達到水軟化的新方法。這種軟水新方法將電滲析與離子交換有機地結合在一起，使水部分脫鹽，並達到深度軟化，用它可代替口前廣泛使用的鈉離子交換軟水法。
電滲析是在直流電場的作用下，利用離子交換膜對溶液中離子的選擇透過性，將水中的電解質溶質分離出來的一種膜分離脫鹽方法。電滲析脫鹽法在水中含鹽量過低時，因發生極化現象和逆向泄漏等，脫鹽不徹底。用電滲析脫鹽一般能除去原水含鹽量的6000~9500，而在電滲析器出水殘餘鹽分中，鈣鎂離子鹽分仍占有一定的比例，結果使經電滲析處理的水的硬度依然超過低壓鍋爐水質標準（GB1576-1996 ）所規定的水質硬度標準，所以經電滲析處理後的水，不能作為低壓鍋爐的補給水使用，必須採用離子交換法作進一步的軟化處理。在低壓鍋爐化學補給水處理中，一般單獨採用Na型陽離子交換處理;或在高含鹽量、高硬度的原水的情況下，用它作為電滲析的後續處理。後者，Na型離子交換與電滲析這種外表的串聯結合只起延長離子交換器的工作周期，減少再生次數，大幅度降低再生劑消耗總量，從而降低制水成本的作用。但這不是電去離子軟化處理。
電去離子軟化法從外表上看，兩者變成一體，要將離子交換劑填充於淡水室內，為此，國內稱該法為填充床電滲析法。從本質上看，這種結合使內在過程發生本質的變化，這是由於電滲析和離子交換相互作用，激發和抑制某些過程進行的結果。

電去離子軟化器是由普通的電滲析器填裝了陽離子交換劑（顆粒、纖維或編織物）構成。在運行時，電滲析與離子交換同在這一個容器中進行。此時，兩者由於相互影響，出現許多變化，這些變化有如下方面：

(1)從電滲析方而看，極化現象減弱，極限電流提高，從而能達到深度軟化。這是由於純水中離子交換劑的導電能力比所接觸的水要高2 -3個數量級，由於交換劑顆粒不斷發生吸附一解析作用，構成了“離子通道”，結果使電滲析淡水室（溶液、交換劑和膜）體系的電導率大大增加。同時，淡水室中裝填了離子交換劑，使液流速度提高，而且交換劑本身起攪拌作用，促進離子擴散，改善水力學狀態，從而也導致淡水室體系電導率增大。
(2)從離子交換方而看，發生水電離產生H對陽離子交換劑的自再生作用。在純水中離子濃度極低使運行電流超過極限電流時，膜和樹脂附近的界而層會發生極化，它促進水的電離，產生OH和H。這些離子，除一部分被遷移至濃水室外，其中部分H使淡水室中陽離子交換劑再生，恢復其交換能力。同時，離子交換劑的水解作用也會使其本身得到部分再生。離子交換劑的自再生作用，不僅使電去離子軟水器中一部分交換劑得到自行再生，底層交換劑一直保持Na型（由於水中Na量>Cat量，Na置換H所致），使出水得到深度軟化，而且再也沒有中斷運行來再生的必要，使電去離子軟化器自動連續運行，不必再有人去看管，為此，國外稱這類電去離子淨水處理為連續去離子處理。

工作過程

依據我們提出的描述電去離子過程的反應疊加實用模型，再來討論原水通過電去離子軟水器的過程，從而可看出電滲析與離子交換各自的和共同的作用，進而可更深刻地理解電去離子軟化的原理。
1)電滲析起真正去除離子的作用，在電滲析後期離子交換劑構成的“離子通道”，促使軟化徹底。淡水室中Ca和部分Na通過陽離子交換膜遷移至濃水室而被除去，部分Cl則通過陰離子交換膜而被除去。

2)陽離子交換劑起截留住硬度Ca離子的作用，而在穩定工況下離子交換本身僅僅起去離子的中間過渡作用，離子交換劑是轉運離子的中間體。
3)在穩定工況下，建立離子交換層譜，只要有保護層存在，就能保證出水水質，不發生硬度離子穿透現象。
4)在穩定工況下，只要進入淡水室中的離子都能靠電滲析遷移到濃水室除去，不斷進入，不斷除去，達到平衡狀態，就不發生離子交換劑的再生。
5)利用停止進水，使得有充分的時間來進行電滲析除去離子，或提高電壓，加速電滲析離子遷移過程，從而使淡水室某些部分水中的離子濃度很低而發生極化時，發生水電離產生H，實現離子交換劑的自再生。再生後離子交換劑轉為H型，在運行時很快就建立起失效層、工作層和保護層的正常離子交換層譜，並由於水中Na十離子濃度很高，保護層轉為Na型。

套用

電去離子軟水法是電去離子淨水法中的一種，它們都是一種精處理方法。在電去離子軟水過程中，電滲析與離子交換的相互激發和抑制作用，在水中離子濃度很低時才體現出來。為充分利用電去離子軟化水的特點，建議採用將它與電滲析或反滲透（特別是納濾）組合使用，這也解決了電滲析或反滲透不能單獨用於鍋爐補給水處理的問題。

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、距離都有一定局限。多用於商業（如中央空調等）循環冷卻水的處理，不能套用於工業生產及鍋爐補給水的處理。

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。如今工業上可以使用的阻垢劑很多。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，所以水的套用受到很大限制，一般情況下不能套用於飲用、食品加工等方面。在民用領域中也很少套用。

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。

膜分離法是利用一種特殊的半透膜把溶液隔開，使溶液中的某些溶質或水滲透出來，從而達到分離溶質的目的。凡是把溶液中一種或幾種成分不能透過，而其他成分能透過的膜，都叫作半透膜。

膜分離法的共同優點是：可在一般溫度下操作；不消耗熱能，沒有相的變化；設備可工廠化生產；較易操作等。缺點是處理能力小；除擴散滲析外，均需消耗相當的能量；對預處理要求高。

在廢水處理領域中，膜分離法是用特殊的薄膜對水中污染物進行選擇性分離，從而使廢水得到淨化的技術。目前膜分離法主要包括電滲析、反滲透、超濾等分離技術。這些方法使用的膜各不相同，膜的功能也不同。

石墨軟水法與磺化煤軟水法相比

石墨軟水法與磺化煤軟水法相比有如下優點：
1.效果好，顯著地減輕了爐壁結垢。
2.操作簡便，在自來水硬度變化不大的情況下，每班按一定數量投入石墨即可。
3.檢修、除垢方便，用磺化煤軟水仍免不了有結垢，每次清垢時須進爐內操作，且非得用鐵器敲打才能下來，現用石墨軟水後，只需沖洗或打掃即能解決問題。
4.套用範圍廣，石墨軟水設施簡單，操作容易，大企業能用，小單位也適用。
5.節省大量人力、物力、財力。