硬水的软化方法的研究进展
刘洁；郭育硕；陈锡煜；张正旺；王士栋
（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541006）
【摘要】：硬水的使用不仅会影响日常的工业生产，更会影响人类的正常生活，严重时危机人类身体健康。硬水软化已成为当下水资源短缺世界环境下的焦点问题。为此，文章介绍了多种现有的软化技术及其各自的特点，分析了目前硬水软化技术存在的问题，并对日后的研究方向提出建议与期望。旨在为今后的、水处理过程中硬水的软化提供资料参考。
【关键词】：硬水软化；水处理；研究进展
1、硬水的危害
硬水中含有大量的钙离子和镁离子。它的危害主要体现在两个方面，首先是在工业上，工业锅炉的积垢不仅浪费了能源，而且会造成传热效果不佳，严重时会造成爆炸，为此，我国每年用于设备、管线的维护管理的费用要过千万[1]。在生活中，不仅管道、家用水壶等会因硬水的长时间使用而结水垢，而且硬水中的钙、镁离子会和肥皂和清洁剂的主要成分发生化学反应，形成絮状沉淀，这不仅浪费了肥皂，使得洗涤效果不佳，而且还有可能破坏衣服的纤维。长期饮用软水的人偶尔喝一次硬水，可能会导致自身的肠胃功能紊乱；茶叶的色香味还会因被硬水的沏泡而变差，茶叶的饮用价值也会随之降低；长时间的使用硬水也将使车辆散热器和水套内积垢，严重影响发动机的散热和使用寿命。我国已在《生活用水卫生标准》明确规定，生活饮用水的总硬度不可超过４５０ｍｇ／Ｌ。
2、研究进展
2.1煮沸、蒸馏法
暂时硬水中主要存在钙离子、镁离子、碳酸氢根离子。其通过加热煮沸后，其温度变化，伴随着碳酸氢根离子受热分解，与镁离子与钙离子结合，因此，钙离子和镁离子可以形成沉淀而析出，经过滤后即可得到软水。而永久硬水中除含有钙离子、镁离子之外，还含有硫酸根离子、硝酸根离子以及氯离子，加热煮沸后并不能形成沉淀。因此，煮沸法仅适用于处理少量的暂时硬水软化处理。
然而，蒸馏法可以将硬水中可溶性的MgCl₂、CaCl₂、MgSO₄蒸馏出来，并收集在蒸馏烧瓶中，所以蒸馏法不仅适用于暂时硬水，同时也适用于永久硬水的软化处理。但这两种方法处理能力有限，在现阶段均不可以实现大规模的应用。
2.2药剂软化法
药剂软化法又称石灰纯碱法、化学沉淀法，是目前较为成熟的硬水软化技术[2]。该方法是将石灰、纯碱等软水剂加入到硬水中去，水中的钙离子、镁离子会和软水剂发生化学反应生成沉淀并析出，过滤后就能得到软水[3]。该方法具有适应性强、成本低等优点，但该方法的软化效果具有局限性，流量大且硬度较高的水宜采用该方法。但是，最近伴随着回收利用和技术以及零排放技术的不断发展，现阶段越来越多的工程对与永久性硬度的要求有所提高，所以石灰-纯碱应用更为广泛，但是，相比之下纯碱-烧碱法费用相对较高，但是其利用率也相对较高，对污泥的产量更低并且效果更好。
陆洲等[4]对于基于结晶反应的药剂软化法，采用 Fe3O4 诱导结晶进行高硬水的软化，不会引起出水的PH值和体系总结晶率的明显变化，并且可以降低结晶体系的微晶产率，这得益于Fe3O4诱导结晶可以抑制均相结晶，Fe3O4诱导结晶可以显著降低结晶体系悬浊液浊度，进而提高软化效果。
2.3离子交换法
离子交换法可以是离子交换树脂、磺化煤等含有氢离子、钠离子的固体离子交换剂。离子交换法该方法的核心是交换树脂，其原理是利用钠离子来置换水中的钙、镁离子，并且因钠盐的较高的溶解度，所以不会生成水垢。但是由于钙、镁会留在该树脂内，因此经长期的使用会导致该树脂软化硬水的功能逐渐变差，需要用8%-10%的食盐溶液进行浸泡处理，通过控制浓度来使反应逆转，该过程称为阳离子交换树脂的再生。但这种独特的再生方法是基于盐水浸泡，再生不均匀，如果回收废液不及时排放，会影响后续树脂的再生，最终导致树脂的再生不完整。因此，这类方法可能会导致以后的硬水的软化处理。
离子交换法永久硬水和暂时硬水均适用，且离子交换树脂可以通过重复再生利用。但其耗盐量过大，且需要频繁的再生离子交换树脂，并伴随着大量废液的产生，该含盐废水较容易引起管道腐蚀，可能会造成环境污染，风险性较高。此外，由于该方法处理后的水中含有较多的钠离子，会导致饮用者的血压升高，危害人们的身体健康，因而并不十分适合饮用水的软化[5]。
2.4膜分离法
纳滤，反渗透和其他膜分离技术能够将水中的 钙离子和镁离子截留，使得水的硬度降低。膜分离法的原理是以压力作为动力，利用纳滤膜(NF)或反渗透膜(RO)的截留作用来阻止截钙、镁离子的进入，从本质上降低了水的硬度，Rajabzadeh S 等 [15] 使用在聚醚砜中空纤维超滤膜上逐层沉积聚合物电解质的方法，制备了用于低压水软化的纳滤膜，并研究了过滤膜的硬水软化性能，并且发现了纳滤膜法对钙离子和镁离子的抑制率达到90%。 李巧云等[14] 研究表明，在无机地质聚合物薄膜中使用偏高岭土、改性水玻璃等材料，可以去除饮用水中99%以上的钙、镁离子，效果对于钙离子的截留能力更强。
但反渗透膜对于压力的要求较高，并且能耗较大，且其截留性能过于优秀，在拦截钙、镁离子的同时还会把大部分有益的无机离子去除掉,长时间饮用这种水会使人的体内缺乏某种微量元素，增加致病风险，对人体健康产生不利影响，所以，该方法并不适合作为饮用水厂的硬水软化处理工艺。膜分离法适用于硬度高、有机物含量较多、浊度低的原水处理，因此该方法宜于处理地下水。此外，尽管该方法处理效果较好，但其投资成本高，并且膜具有结垢堵塞的风险[6]
2.5电磁法
该方法的原理是对水加电场或磁场以改变离子的性质，进而盖面碳酸钙的沉积速度及其沉积时的物理性质，从而防止积垢现象的发生。
该方法的原理是对水施加电场或磁场以改变离子的，从而改变碳酸钙的沉积速率和沉积物的物理性质，从而防止结垢的发生。
Bali等[7]构建了磁处理装置，证明该方法可以抑制水垢的产生。
该方法的优点是投资小、安装方便、运行费用较低，但是他处理的效果不稳定、没有统一的衡量标准、目前阶段由于磁化功能还未获得相关的认证，因此该方法的可行性与实效性仍有待考究。
2.6沸石软化法
沸石分子筛是一种拥有较大比表面积、离子交换、吸附性能良好的微孔材料。陈琪等［8］通过实验发现，3A沸石分子筛对钙离子、镁离子的吸附有较强的吸附作用［9］，因此其硬水软化的能力也十分优异。陈建平等[10]发现，改性沸石的耐碱性和热稳定性均有所提高，对于地下水中钙离子、镁离子的吸附效果较好，软化硬水的能力较好，且其成本较低、可再生，保护环境，是一种实用的硅酸盐矿物材料。张亚峰等[6]利用废玻璃和铝渣制备沸石，发现该种人工沸石对于水中的钙离子的去除具有良好的效果。研究表明，废玻璃和铝渣人工沸石对钙离子的吸附和传统商用沸石相当，可以较好地去除钙离子，对硬水的软化能力得已显现。张硕等[11]通过研究钠离子活化斜发沸石吸附典型钙离子实验中，发现热水温度体系中有利于斜发沸石吸附钙离子，伴随着温度的变化，其对钙离子的最大吸附量的应相对较小，但是在30-70℃热水环境中，对钙离子有较强的吸附作用。由于沸石取材广泛、成本低[11]等优点，因此被广泛采用在硬水的软化的应用上。
2.7高分子材料软化硬水
除了阳离子交换树脂外，吸水树脂、吸附树脂均是处理硬水的良好材料。
吸水树脂是一种含有功能性亲水基团的三维网络聚合物，它具有亲水性基团酰胺基、羟基、羧基等，现在已经广泛地应用于卫生用品当中，但是。因此，吸水树脂由于其自身的独特结构，保水性优异，即使吸水后对其进行加压，该树脂也不会发生脱水，由于其吸水后会变成水凝胶,并拥有弹性凝胶的基本特点[12]。
吸附树脂是一类多配位型亲水凝胶，它可以通过它所具有的功能基和金属离子结合形成一种环状螯合物，经过一系列的反应形成络合物，吸附树脂对金属离子的吸附性能与选择性能均较普通离子交换树脂更好，因此它可以做到定量的吸附某类指定的金属离子[5]。其中，对于壳聚糖的研究已经相对成熟，由于其优异的吸附性生物降解性，可以去除硬水中的钙、镁离子，对于铜离子、三价铬离子、锌离子[13]等。并且，在一定范围内‚树脂用量越多‚原液中金属离子的去除率越大‚但用量 太多则造成了树脂的浪费。金属离子浓度在一定范围内‚浓度越大树脂单位吸附量越多但超过一定浓 度后吸附量不变‚原液中金属离子去除率降低。但是，其在酸性条件下，对金属离子的吸附作用较差。在其他条件相同的情况下，其吸附作用还受金属离子半径的影响。总体而言，其对人体健康有危害的重金属离子也具有良好的吸附效果。
2.8微生物燃料电池法
张吉强等[1]研制出了成本相对较低的微生物燃料电池（MFC），其原理是在有微生物的作用的条件下，电池内发生氧化还原反应并产电，为保持生物电池内电荷平衡，钙、镁等离子会因外电路电子的转移而从硬水中分离出来［张吉强８－９］，从而实现软化硬水。此外，MFC还能够同时进行产电与污水处理等，MFC的产电能力伴随着污染物的变化而逐渐变化，因此我们要注意配备比例使燃料的浓度与硬水能力相当 。综上可知，通过MFC的方法实现硬水的软化，一举三得，具有强大发展的潜力。
3、结束语
目前，世界各国均在高速发展，但同时共同面临着一个严重的环境问题——水资源短缺。硬水的软化已成为当下世界环境下的焦点问题，刻不容缓。面对越来越高的工，业要求，使用传统的硬水软化技术很难适应社会发展，不能得到经济切高效的软化效果。因此，传统工艺需不断的改良、更替。例如，统一电磁法软化硬水的标准，将其与其他方法结合使用，使其处理效果保持在稳定的状态；或研究更新型、适应性更强、选择性更优、价格更低的新型高分子材料。将单一的方法转变为多种方法灵活巧妙的组合起来，相互取长补短，获得更加优良的处理效果来发展应用，造福社会。
参考文献
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