水质软化

第一部分：水的硬度一、硬水的定义水的硬度是指溶解在水中的盐类物质的含量，即钙盐与镁盐含量的多少。含量多的硬度大，反之则小。硬度又分为暂时性硬度和永久性硬度。由于水中含有重碳酸钙与重碳酸镁而形成的硬度，经煮沸后可把硬度去掉，这种硬度称为暂时性硬度，又叫碳酸盐硬度，水中含硫酸钙和硫酸镁等盐类物质而形成的硬度，经煮沸后不能去除的硬度，称为永久性硬度。以上两种硬度合称为总硬度。二、硬水的由来当水在大气中凝聚时，它溶解了空气中的二氧化碳，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。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。三、软硬水的判断1、判断方法软水和硬水的判断，通常必须使用化学分析方法才能决定，无法用肉眼直接判断。由于硬度离子的碳酸盐都是沉淀的，所以在传统化学上的定量分析中，只有使用碳酸盐法才能使所有的硬度离子都被沉淀出来。硬度也因此通常以碳酸盐表示，又因钙硬度占总硬度中绝大部分，因此在国际上特别以碳酸钙（CaCO3）的量来表示硬度。但使用碳酸钙（CaCO3）的量来表示硬度，在传统化学上的定量分析中，其结果可能会有一些操作上的误差，如果能再经过进一步的焙烧处理，让碳酸钙（CaCO3）变成氧化钙（CaO），就可以更准确获得分析结果。2、表示方法（1）GH：是指水体中所有硬度离子，即钙、镁、铁、锰、铜离子等的浓度，主要考虑的是金属阳离子。（2）KH：是指酸式碳酸根（HCO3－）的浓度值。因为碳酸氢根是水质中最主要的缓冲物质，它可以中和水质中任何增加或减少的游离CO2，以及亦能抑制氢离子的波动，以维持恒定的pH值，因此KH的控制被视为水质管理不可缺的手续。如果KH过低，表示水中天然的缓冲系统已经失去平衡，水质将趋酸性化，很容易受到中酸性物质的影响，使pH值急遽降低。反之如果KH过高，水质将趋碱性化，很容易受到中碱性物质的影响，使pH值急遽升高。这些现象势必对水族生物生长产生不良反应。KH硬度完全针对水质中的阴离子（HCO3-）含量的表示法，这种表示法是以100ml水中含有1毫克的HCO3-称为1度，并标记为1度KH。它与CaCO3硬度完全针对水质中的阳离子（Mg2+、Ca2+）含量表示法完全不同。至于KH硬度要多少才适当？这个问题并没有一定的答案。因为它得含量必须与水中的CO2的含量相配好才能决定，而且两者浓度的平衡关系又深受pH值的影响，使得KH硬度、CO2浓度与pH值三者之间形成三角互动关系。换句话说，在不同的CO2浓度以及pH值之下，将会有一个最适的对应KH值。只有KH值被控制在越接近这个最适KH值之下，才能表现出最佳缓冲作用的能力。不过就一般而言，淡水的KH硬度通常介于5-10度之间，海水则介于5-12度之间。四、水的硬度对人体健康的影响水的硬度的高低与人体的关系极大。高硬度的水中的钙、镁离子能与硫酸根结合，使水产生苦涩味，还会使人的胃肠功能紊乱，出现暂时的腹胀、排气多、腹泻等现象。我国北方不少地方饮用硬度较高的地下水，所以久居南方的人初到北方，开始一段时间会出现所谓“水土不服”的现象，时间长了，胃肠渐渐适应后，这种现象就会随之消失。但硬水也不是好毫无益处。美、英等国家的一些科学家根据调查发现，人类的某些血管病，像高血压和动脉硬化性心脏病的死亡率，与饮水的硬度成反比关系，水的硬度低，死亡率反而高。实验证明，缺镁可引起大白鼠的心肌坏死和心血管内膜钙盐沉积，摄入较多量的镁可预防胆固醇所引起的动脉粥样硬化。生活在山区的人通常比较健康长寿，除其它各种因素外，和他们长期饮用矿物质含量比较高的山泉水有重要关系。当然，生活用水的硬度也并非越高越好，硬度太硬的水除了水味不好、对人体健康不利之外，还会使肥皂大大降低去污能力，会使水壶内生成水垢，而增加的消耗等。硬度高的水对人毕竟是弊多利少，因此世界各国制定的饮用水质量标准中，都对硬度作了明确规定。五、水的硬度对水草的影响硬度离子中的钙及镁离子是水草的必要养分（次要营养元素），铁、锰、铜等离子也是微量营养元素，由此看来，硬度对水草养分的获得，应该具有正面的助益。但水体中的各种养分如果存在比例不均衡，会发生相互拮抗作用，已知钙有阻止水草对水分之吸收而有利于养分吸收之作用，适与钾之作用相反，故钙与钾必须要有适当比例，否则钙与钾之间必会发生拮抗作用，让水草只能吸收钙或钾，不能吸收钾或钙，对水草的生长一定有极不良的后遗症。硬度对水草的影响，主要是建立在养分相互之间的拮抗作用，尤其是钙与钾之间的拮抗作用之上。水草无法生活在GH＝0的水中，也不可以生活在硬度极高的水中，所以GH是水草育成的基本条件，一般以GH介于软水至适度硬水较为适当。作为碳酸根或重碳酸根（HCO3－）的浓度值KH，不是水草育成的条件本身对水草生长无太大关系，但它会影响水体的pH值，以及当水草缺乏CO2来源时，供作光合作用所需要的无机碳源，对水草的育成有密切的关系。因此，水草可以生活在KH＝0的水中（但必须输入CO2及预防pH值过低），也可以生活在KH＝25°KH以上的水中（但必须预防pH值过高），不过一般以4-10°KH最适当，因为在这范围之内，水体的pH值较为稳定，同时水体也能涵容适当的无机碳源供水草进行光合作用之用。六、硬水的不利影响1、对人的影响：上面第四项已经介绍了硬水对人的影响，在此就不详说了。2、对纺织、印染业的影响：硬水用于洗涤纺织品时会造成纺织品污点，影响美观与强度。3、对饮食业的影响：用硬水加工食品，会造成蛋白质沉淀，较难煮熟；在酿酒中，如果水质较硬，酒浑浊且味道不好。4、对农业的影响：硬水对农药也有影响，它会与乳化剂生成沉淀，降低药效，甚至产生药害。5、对锅炉的影响：锅炉内结成坚硬的水垢后，锅炉内的水不直接跟炉壁接触，使热量不能很快被吸收，炉壁温度可达1000℃以上，外表会形成易脱落的氧化膜，发生严重的氧化腐蚀，致使锅炉寿命大大减短。另外当水垢分解时，会放出大量CO2，使水垢局部爆裂脱落；当炉壁在高温下，一旦有水从缝中渗入，炉壁骤热冷却，就易发生炸裂。硬水还浪费燃料，当锅炉内壁产生1mm厚水垢时，就要多消耗煤碳3%～5%。另外，硬水对热交换器也有影响，在交换器管道中，硬水会产生水垢阻碍水流通、热交换效果差并且容易产生垢而腐蚀管壁，致使管道穿孔、损坏，物料泄漏等。第二部分：硬度测定原理及方法一、硬度测定原理在测定水硬度时，EDTA络合滴定法是国际国内规定的标准分析方法，适用于生活饮用水、锅炉用水、冷却水、地下水及没有严重污染的地表水。下面就详细说一下这个方法。水的硬度主要是指水中所含的钙镁浓度。而钙离子（Ca2＋）和镁离子（Mg2＋）能与EDTA①形成稳定的络合物，我们只要了解将钙镁离子完全络合的EDTA的总量，就可以计算出钙镁离子的浓度，从而得到水的硬度。考虑到EDTA受酸效应的影响，将溶液的pH值控制为10。所以该实验的主要内容就是在pH10的氨性缓冲溶液中，以铬黑T②为指示剂，用EDTA标准溶液进行滴定。由于铬黑T与Mg2＋的络合物较Ca2＋的稳定，如果水样中没有或极少有Mg2＋时，终点变色不够敏锐，这时应加入少量的MgNa2Y③溶液，或改用酸性铬蓝K④作指示剂。二、主要试剂1、EDTA标准溶液，＝；2、氨-氯化铵缓冲溶液⑤（Ph=10）；3、铬黑T指示剂；4、三乙醇胺⑥。三、实验流程1、取100mL冷却循环水样于锥形瓶中；2、加2mL（1+2）三乙醇胺；3、加入5mL氨-氯化铵缓冲溶液；4、滴取3－5滴铬黑T，此时可见溶液变为紫红色（酒红色）；5、向滴定管中倒入一些EDTA标准溶液，记下溶液下液面的刻度值；6、右手不断摇动锥形瓶，左手控制滴定管缓缓加入EDTA标准溶液；7、溶液颜色接近蓝色时，要慢滴多摇，直至颜色彻底变成蓝色为止；8、记下此时EDTA溶液下液面的刻度值，并用步骤4记下的刻度值减去它取差值，该值便是EDTA溶液消耗的体积。四、计算水样的硬度＝＝式中＝——取＝为基本单元时标准溶液的浓度，mol/L；——滴定时消耗的标准溶液的体积，mL；——所取水样的体积，mL。五、注意事项1、如果要测定冷冻循环水和软化水的硬度，则用酸性铬蓝K代替铬黑T，其它实验流程和计算方法不变。2、冷却水的总硬度应控制在12mmol/L以内，如果超过则说明水质不合格。3、这一项与原理没关系，而是语文问题。铬黑T的“铬”经常被我们的工作人员读成“luò”，而它的正确发音应该是“gè”。铬（Cr），原子序数24，原子量51.9961，属周期系ⅥB族；英文写法是“chromium”，源于希腊文的“chromos”，意思是“颜色”，因为铬能形成多种颜色的化合物。第三部分：水的软化一、软化设备种类所谓水的软化就是将水的硬度降低，让水软化的设备称为软水机或软化器。目前国内常用的软化水设备主有以下几种类型：1、手动型这种方式是传统的标准方式,主要有顺流和无顶压逆流两种形式。这种软化水设备主要特点是：流程简单易懂，易于操作，成本低，可以适用于流量很大的需要；但是技术落后，占地大，运行消耗也大，实际操作时强度较大，盐泵的腐蚀较重及维护成本高。2、国产组合自动型由于手动设备的使用过于复杂，国内又出现了一种以组合式集成阀为核心的新型设备。这种设备与传统的手动设备相比，占地小了很多，自动化程度高。但是由于控制方式采用时间控制，运行时控制精度较低。受设计思路、加工工艺及材料的限制，目前多数设备采用的平面集成阀容易磨损，一旦磨损后修复的可能性很小。3、进口全自动型随着工业技术的发展，逐渐发展出与国内多通阀不一样的多路阀和集成阀，以多路阀为主，主要材料有工程塑料和无铅黄铜两种。由于国外工业技术水平发展较好，所以这类设备已经发展得相当完善，产品规格从家用的0.2t/h到工业用70t/h左右均有，控制器自动化程度高。4、分立阀全自动型分立阀一般是采用进口的全自动隔膜阀或电磁阀，并采用与传统手动方式相类似的结构，配合专用的全自动控制器(单片机或PLC)来组成软化水设备。全自动型设备主要用于流量较大的场合，也可以用于传统手动设备的改造，可以在不改动原设备管路的情况下将传统的手动设备改造成自动化设备。从而降低操作劳动强度，降低设备消耗。二、软化方法种类1、离子交换法这种方法是目前最常用的标准方式。它采用特定的阳离子交换树脂，用钠离子将水中的钙镁离子置换出来。由于钠盐的溶解度很高，从而避免了随温度升高而造成水垢生成的情况。在餐饮、食品、化工、医药等领域、空调、工业循环水等应用中,也多采用离子交换法对补水进行处理。这种方法的主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟，可以将硬度降至0。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”，由于采用的多为钠离子交换树脂，所以也多称为钠离子交换器。2、膜分离法纳滤膜(NF)及反渗透膜(RO)均可以拦截水中的钙镁离子，从而从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是：效果明显而稳定，处理后的水适用范围广。但是对进水压力有较高要求，设备投资、运行成本都较高。一般较少用于专门的软化处理。3、石灰法向水中加入石灰，主要是用于处理大流量的高硬水，只能将硬度降到一定的范围。三、离子交换法的工作原理由于离子交换法是最常用的一种软化水方法，所以下面我来详细介绍一下该方法的工作原理。离子交换树脂是一种由化工原料苯乙烯和二乙烯基苯人工合成的高分子聚合物，表面有一层活性的磺酸基团。一般情况下，常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。当水中的钙镁离子含量高时，离子交换树脂可以释放出钠离子，功能基团与钙镁离子结合，这样水中的钙镁离子含量降低，水的硬度下降。硬水就变为软水，这是软化水设备的工作过程。当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会