阅读材料　硬水及其软化

一、硬水

水是日常生活和生产中不可缺少的物质。水质的好坏对生产和生活影响很大。天然水长期与空气、土壤、矿物质接触，都不同程度地溶有无机盐、某些可溶性有机物以及气体杂质等。天然水中溶解的无机盐有钙、镁的酸式碳酸盐、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐等，即含有Ca2+、Mg2+等阳离子和HC、C、Cl-、S等阴离子。各地的天然水中含有这些离子的种类和数量不尽相同。例如，溶有CO2气体的水，遇到主要成分是CaCO3的岩石时，会使难溶的CaCO3逐渐变为可溶的Ca（HCO3）2。

CaCO3+CO2+H2O Ca（HCO3）2

这种水就含有Ca2+和HC。

通常把溶有较多Ca2+和Mg2+的天然水称为硬水，只含少量或不含Ca2+和Mg2+的水称为软水。

1.暂时硬水

如果水的硬度是由Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2所引起的，这种硬水叫做暂时硬水。由于酸式碳酸盐的热稳定性差，因此，暂时硬水可以用煮沸的方法降低水的硬度。

2.永久硬水

如果水的硬度是由CaSO4、MgSO4或CaCl2、MgCl2所引起的，这种硬水叫做永久硬水。永久硬水用煮沸的方法不能降低水的硬度，只能用蒸馏或化学净化等方法进行处理。

二、硬水的危害

一般硬水可以饮用，并且由于Ca（HCO3）2的存在而有一种醇厚的新鲜味道。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）中水的硬度用总硬度表示，并规定生活饮用水的总硬度（以CaCO3计）的限值为450mL·L-1。但在化工生产、蒸汽动力工业、纺织、印染、医药等部门，使用硬水会给生产和产品质量造成不良影响。例如，锅炉若长期使用硬水，锅炉内壁会结有坚实的锅垢［主要成分为CaSO4、CaCO3、Mg（OH）2和部分铁、铝盐］。由于锅垢的传热不良，不但浪费燃料，而且会使炉管局部过热，当超过金属允许的温度时，炉管将变形或损坏，严重时还会引起锅炉爆炸。

［演示实验2-6］　取硬水和去离子水各5mL于两支试管中，各加入少量肥皂水，振荡试管，观察现象。

通过实验，可看到，硬水中加入肥皂水振荡时，泡沫很少，溶液变浑浊，而去离子水泡沫很多。

硬水也不宜用于洗涤。因为肥皂中的可溶性脂肪酸遇Ca2+、Mg2+等离子，生成不溶性沉淀，不仅浪费肥皂，而且污染衣物。

硬水用于印染时，织物上因沉积有钙、镁盐会使染色严重不匀，且易褪色。

长期饮用硬度过高的水，对人的健康也不利。

三、硬水的软化

硬水在使用之前应进行处理，以减少或除去硬水中的Ca2+、Mg2+，降低水的硬度，这一过程叫做硬水的软化。其方法通常有以下几种：

1.煮沸法

煮沸法可以将暂时硬水软化。暂时硬水经煮沸后，水中的Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2分解为难溶的CaCO3和MgCO3沉淀。

当继续加热煮沸时，MgCO3水解生成更难溶的Mg（OH）2。

这样，溶解在水中的Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2就转化为CaCO3和Mg（OH）2沉淀，从水中析出，从而使水的硬度降低。

天然水中常常既是暂时硬水，又是永久硬水，仅用煮沸的方法不能将水的硬度完全消除。常用的软化方法有化学试剂法和离子交换法。

2.化学试剂法

化学试剂法是在水中加入某些化学试剂，使水中溶解的钙盐、镁盐成为沉淀析出。常用石灰、纯碱来软化硬水，故又叫做石灰-纯碱法。反应如下：

Ca（HCO3）2+Ca（OH）2 2CaCO3↓+2H2O

Mg（HCO3）2+2Ca（OH）2 Mg（OH）2↓+2CaCO3↓+2H2O

MgSO4+Ca（OH）2 Mg（OH）2↓+CaSO4↓

CaSO4+Na2CO3 CaCO3↓+Na2SO4

MgSO4+Na2CO3 MgCO3↓+Na2SO4

石灰-纯碱法成本低，但效果较差。适用于处理大量的硬度较大的水，如发电厂、电热站等一般采用此法将硬水进行初步软化。

3.离子交换法

离子交换法是用离子交换剂来软化硬水的方法。工业上广泛使用的离子交换剂有沸石［组成为Na2Al2（SiO4）2·xH2O，简写为Na2Z］、磺化煤或离子交换树脂。前两种物质可以将Ca2+、Mg2+等除去。

Na2Z+Ca2+ CaZ+2Na+

Na2Z+Mg2+ MgZ+2Na+

当沸石上的Na+基本被Ca2+、Mg2+所代替后，它就失去了软化水的能力，这时可用质量分数为8%～10% NaCl溶液对其进行浸泡，通过Na+与Ca2+的交换，又重新生成Na2Z，使失效的沸石又恢复软化水的能力，这个过程叫做沸石的再生。这样沸石可以重新使用。

目前常用的是离子交换树脂，它是一种带有可交换离子的高分子化合物，分为阴离子交换树脂（用R'OH表示）和阳离子交换树脂（用RH表示）。用离子交换树脂可以将水中的各种杂质离子全部除去，从而得到去离子水。如图2-4所示。

2HR+Ca2+ CaR2+2H+

2R'OH+S R'2SO4+2OH-

离子交换树脂用过一段时间以后，会失去软化硬水的能力，因此，也需再生，即用质量分数为5%的HCl处理阳离子交换树脂， 用质量分数为5%的NaOH溶液处理阴离子交换树脂，使其恢复交换能力。

CaR2+2H+ 2RH+Ca2+

R'2SO4+2OH- 2R'OH+S

实际上再生反应是离子互换反应的逆过程。

用离子交换树脂法比化学试剂法效果好，设备简单，操作简便，占地面积小，是目前工业生产和实验室中常用的方法。