硬水

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

工業硬水是管道中的鈣、鎂等礦物質會否沉積的工業專有名詞，硬度越高，鈣質越容易沉澱，造成水管、鍋爐等設備阻塞，由於設備維護的費用日益增加，水的硬度已作為生產成本的判斷標準之一。

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

飽和指數由水的酸鹼度決定。眾所周知，酸鹼度是通過PH測試來測定的：

PH值越低，水中的酸性越強，飽和指數越高，所能溶解的礦物質成分也就越多；

PH值越高，水中的鹼性越強，飽和指數越低，所能溶解的礦物質成分也就越少。

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

循環系統（如冷卻塔、蒸汽鍋爐、循環水處理系統等）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。

當硬水中的鈣和鎂主要以碳酸氫鹽形式【Ca（HCO）、Mg（HCO）】存在時，這些鹽在水被煮沸時便會發生分解，變成鹼式碳酸鹽沉澱析出而除去。因此，這種硬水稱為暫時硬水。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，當水煮沸時，這些鹽不會沉澱，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，等於降低了肥皂的去污能力。如果將未經過軟化處理的硬水直接注入鍋爐，則當加熱鍋爐時，鈣、鎂離子便形成鹼式碳酸鹽沉澱析出，在鍋爐內壁及管道中積成水垢，降低鍋爐熱導率，增加能耗，嚴重者會引起鍋爐爆炸和管道堵塞，因此鍋爐用水應當經過軟化處理，硬水易與肥皂產生浮渣。

特徵

★ 含有鈣、鎂、鉀、鈉等豐富礦物質；

★ 硬水與水中的礦物質含量成正比；

★ 硬水與軟水不應作為“是否有益健康的生活和飲用水指標”。

硬水並不對健康造成直接危害。實際上 根據英國國家研究院（the National Research Council）的研究，硬水質的飲用水富含人體所需礦物質成分，是人們補充鈣、鎂等成分的一種重要渠道。進一步的研究指出：當某一地區水中的礦物質溶量很高的時候，飲用水將成為人們吸收鈣等成分的主要來源：溶於水中的鈣是最易為人體吸收的。

軟水因為硬度低對嬰兒身體負擔較輕，作為沖泡奶粉的用水被人們所看好。奶粉因為本身含有蛋白質和礦物等營養成分，加上高硬度的硬水的沖泡會加重對寶寶身體的負擔。嬰兒的內臟還未發育完全，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：

1.和肥皂反應時產生不溶性的沉澱，降低洗滌效果。（利用這點也可以區分硬水和軟水）

2.常飲用硬水會增加人體過濾系統結石的得病率

3.工業上，鈣鹽鎂鹽的沉澱會造成鍋垢，妨礙熱傳導，嚴重時還會導致鍋爐爆炸。由於硬水問題，工業上每年因設備、管線的維修和更換要耗資數千萬元。

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”；用硬水烹調魚肉、蔬菜，會因不易煮熟而破壞或降低食物的營養價值；用硬水泡茶會改變茶的色香味而降低其飲用價值；用硬水做豆腐不僅會使產量降低、而且影響豆腐的營養成分。硬水常常給人們帶來許多危害。硬水在加熱的情況下，會沉澱出碳酸鈣和碳酸鎂，由於碳酸鈣、碳酸鎂不溶於水，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僵硬，多次洗滌后顏色黯淡；

3、熱水器、增濕器等設備管路阻塞、流量減小、壽命縮短；

4、潔白的浴缸或坐便器等設備泛黃；

5、龍頭、淋噴頭結滿水垢、滋生細菌、鍍鉻的表面水漬斑斑；

6、洗澡后皮膚乾燥、粗糙、發癢；

7、頭髮乾枯、打結，不易梳理，只能用專用洗髮膏；

8、水質發黃，有鐵鏽；

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

10、瀰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《生活用水衛生標準》中規定，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"，就是這個意思。如用硬水烹調魚肉、蔬菜，常因不易煮熟而破壞或降低營養價值。而硬水泡茶會改變茶的色香味而降低飲用價值。用硬水做豆腐不僅使產量降低、而且會影響豆腐的營養成分。硬水問題也使工業上因設備和管線的維修和更換每年耗資數千萬元。

硬水（未處理過）中的鈣離子很輕易結成固體碳酸鈣（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、頭髮凌亂無光澤、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。

用石灰、純鹼等軟水劑處理，使水中Ca、Mg生成沉澱析出，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： 3CaSO+2NaPO→Ca3(PO)↓+3NaSO

（2）六偏磷酸鈉： Na[Na(PO)]+Ca→Na[Ca(PO)]+2Na

（3）胺的醋酸衍生物（EDTA）：與Ca、Fe、Cu等離子生成螯合物

（只適用於暫時硬水）煮沸暫時硬水時的反應：

Ca(HCO)=CaCO ↓+H2O+CO↑

Mg(HCO)=MgCO↓ +H2O+CO↑

由於CaCO不溶，MgCO 微溶，所以碳酸鎂在進一步加熱的條件下還可以與水反應生成更難溶的氫氧化鎂：

MgCO+HO =Mg(OH)↓+CO↑

由此可見水垢的主要成分為CaCO和Mg(OH)

在這種方法中，暫時硬度加入石灰就可以完全消除，HCO都被轉化成CO。而鎂的永久硬度在石灰的作用下會轉化為等物質的量的鈣的硬度，最後被去除。反應過程中，鎂都是以氫氧化鎂的形式沉澱，而鈣都是以碳酸鈣的形式沉澱。

Ca(aq) --石灰-蘇打法--> CaCO(s)

Mg(aq)--石灰-蘇打法--> Mg(OH)(s)

（1）原理：用無機或者有機物組成一混合凝膠，形成交換劑核，四周包圍兩層不同

電荷的雙電層，水通過後可發生離子交換。

陽離子交換劑：含H+、Na+固體與Ca2+、Mg2+離子交換

陰離子交換劑：含鹼性物質，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

NaO·Z+Ca(HCO)→CaO·Z+2NaHCO

NaO·Z+CaSO→CaO·Z+NaSO

b.磺化煤：

2Na(K)+CaSO→Ca(K)+NaSO

2H(K)+CaSO→Ca(K)+NaSO

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。

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

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

在這污染日趨嚴重的工業社會中，水的問題不單是硬度或總溶解固體量多寡，水中污染物質計有：細菌、微生物、氯和有機物質等。市面上已有多種濾水器可幫助我們除掉污染物，但由於處理水質的方法不同，去除的能力也不同。

已知處理飲用水的方法計有：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，有的可以去除細菌、微生物和懸浮固體，有的能除去三氯甲烷、有機物和惡臭。現在只有RO逆滲透式的水處理技術，才可稱得上最先進的、實用的水處理技術。並且可以直接進入家庭、辦公室，這為改變我們的用水狀態有著革命性的意義。

尋找一個理想的凈化水質方法，對改善生活品質，促進健康是相當重要的。我們應該有個共識，凈化水質的目標就是軟化硬度、除去水中對健康有影響的污染物質。

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。當硬水中鈣和鎂主要以碳酸氫鹽，如Ca(HCO)、Mg(HCO)形式存在時，稱為暫時硬水，當這種硬水加熱煮沸時，碳酸氫鹽會分解成碳酸鹽而沉澱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。如果鍋爐內使用硬水，當加熱時鈣鹽和鎂鹽會在鍋爐內壁上結成水垢。降低鍋爐的熱導率，增加能耗，甚至縮短鍋爐的使用壽命，有時還會堵塞管道。因此，鍋爐用水必須經過軟化處理。

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

軟水只含少量可溶性鈣鹽和鎂鹽的天然水

或是經過軟化處理的硬水。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硬水變為軟水，但在工業上若採用此法來處理大量用水，則是極不經濟的。

在一份水樣中加入 pH=10.0 的氨性緩衝溶液和少許鉻黑T指示劑，溶液呈紅色；用EDTA 標準溶液滴定時， EDTA 先與遊離的Ca配位，再與Mg配位；在計量點時， EDTA 從MgIn中奪取Mg，從而使指示劑遊離出來，溶液的顏色由紅變為純藍，即為終點。

當水樣中Mg極少時，由於CaIn比 MgIn的顯色靈敏度要差很多，往往得不到敏銳的終點。為了提高終點變色的敏銳性，可在 EDTA標準溶液中加入適量的 Mg（在EDTA 標定前加入，這樣就不影響EDTA與被測離子之間的滴定定量關係），或在緩衝溶液中加入一定量的Mg—EDTA 鹽。

水的總硬度可由EDTA 標準溶液的濃度cEDTA 和消耗體積 V（ml）來計算。以CaO 計，單位為 mg/L。