软化水工作原理简介

我们都知道,普通的水中含有多种可溶解的化合物，有些物质的溶解度随着温度的变化有较明显的变化，其中的碳酸钙、碳酸镁类的物质，其溶解度随着温度的升高 而下降。当温度升高时，原来溶解于水中的碳酸钙、碳酸镁析出形成沉淀物，这些沉淀物可以是以絮状、粉末状，或沉积在容器、管道表面，形成水垢。
　　用来衡量钙镁离子总量的指标是硬度，总的说来，水的硬度主要由钙(Ca2 +)、镁(Mg2+)离子构成的，其具体指标是同类离子折合为碳酸钙来计时的数值，目前标准单位是mmol/L(毫摩尔每升)。传统的单位有mgN/L (毫克当量每升)、德国度、美制(英制)等，目前在国内常用的硬度单位是mg/L(毫克每升)、mmol/L(毫摩尔每升)、mgN/L(毫克当量每 升)，偶尔会有用户使用德国度，用德国度除以2.8即可换算为国标的数值mmol/L(毫摩尔每升)，如果采用美制的Grain/Gallon(格令每加 仑)，需要对单位进行多次算换，此处不细讲。
　　钙镁离子含量较多的水称为硬水，钙镁离子含量较少的水称为软水。硬水与软水只是通俗上的叫法，并没有标准的量的概念，在生活 中，行内一般把硬度低于3mmol/L的水称为较软的水，3-6称为普通水，6-8称为较硬的水，10以上称为高硬水。
　　(工业上采用截然不同的标准，工业上一般只有硬度<1的水称作软水，1-10之间都经常笼统地称为硬水，硬度>10的水也多称为高硬水)
　　北京地区的普通情况是(以市政供水及常见自备井为例)：

城中、城北、城西(五环以内)地区：大部分地区硬度在6-8之间；
城东北部(水源较好的使馆及周边地区)：硬度多在4-6之间；
城南(南三环以南)、城西南：硬度约在8-12间，部分地区硬度为10-15左右。
周边地区：南部、西部、北部山区硬度较高，多数在8以上，
东部及北部非山区多数在6-9之间。
(上述只是大概情况，清华曾有个自备井，硬度高达15之多)

　　由于水垢的沉积对人们的生活及生产均有很明显的影响，所以生产用水和生活用水均对硬度指标有一定的要求,特别是锅炉用水中若含有硬度盐类，会在锅炉 受热面上生成水垢，从而降低锅炉热效率、增大燃料消耗，甚至因金属壁面局部过热而损伤部件、引起爆炸。因此对于低压锅炉要进行水的软化处理；对于中、高压 锅炉要进行水的软化与脱盐处理。

　　采用某种方法降低水的硬度的过程叫做“软化”(一般是指采用设备)，相应的设备叫“软水器”(或叫“软水机、软化器”等)。

常用的软化方法

　　将硬水软化，避免水垢的沉积有很多种方法，经常使用的方法有：
　　1)离子交换法：采用特定的阳离子交换树脂，以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，所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成 的情况。这种方法是目前最常用的标准方式。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。
　　4)加药法：向水中加入专用的阻垢剂，可以改变钙镁离子与碳酸根离子结合的特性，从而使水垢不能析出、沉积。目前工业上可以使用的的阻垢剂 很多。这种方法的特点是：一次性投入较少，适应性广；但水量软大时运行成本偏高，由于加入了化学物质，所以水的应用受到很大限制，一般情况下不能应用于饮 用、食品加工、工业生产等方面。在民用领域中也很少应用。由于加药法只是从化学原理上阻止水垢的生成，并没有降低水的硬度，所以一般不归入软化方法中，而是称为阻垢。
　　5)电磁法：采用在水中加上一定的电场或磁场来改变离子的特性，从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止硬水垢的形 成。其特点是：设备投资小，安装方便，运行费用低；但是效果不够稳定性，没有统一的衡量标准，而且由于主要功能仅是影响一定范围内的水垢的物理性能，所以 处理后的水的使用时间、距离都有一定局限。多用于商业(如中央空调等)循环冷却水的处理，不能应用于工业生产及锅炉补给水的处理(同时由于该种设备的机理并未得到真正的理论证实)。另外，此种方法与加药法类似也是阻止水垢的生成，而不是降低硬度，所以一般不应归入软化方式中，而是应该称为防垢或阻垢。

　　根据实际使用经验及特点，在工业锅炉及工业生产中最常用的方式是离子交换法(目前基本上是标准设备)，普通情况下所说的“软水器”一般均指这种设备。
　　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。
　　小型热水锅炉、换热器等应用中，多采用加药法。
　　商业领域的中央空调及工业上温度较低(最高温度在60度左右)的冷却循环水,多采用电磁法进行全流量处理，即对所有循环水进行处理，同时多数情况下配合补充水采用离子交换法处理或循环水采用加药方法以保证效果。

离子交换法的工作原理

　　为了使大家易于理解接受，以下的说法是尽量通俗的说法，与标准工具书的说法可能不尽一致(但不会出现技术性错误)。
　　离子交换树脂是一种聚合物，带有相应的功能基团。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，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生”。
　　由于实际工作的需要， 软化水设备的标准工作流程主要包括：
　　工作(有时叫做产水，下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接 近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。
　　反洗：工作一段时间后的设备，会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物，把这些污物除去后，离子交换树脂才能完全曝露出来，再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入，从顶部流出，这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般需要5-15分钟左右。
　　吸盐(再生)：即将盐水注入树脂罐体的过程，传统设备是采用盐泵将盐水注入，全自动的设备是采用专用的内置喷射器将盐水吸入(只要进水有一定的压力即 可)。在实际工作过程中，盐水以较慢的速度流过树脂的再生效果比单纯用盐水浸泡树脂的效果好，所以软化水设备都是采用盐水慢速流过树脂的方法再生，这个过 程一般需要30分钟左右，实际时间受用盐量的影响。
　　慢冲洗(置换)：在用盐水流过树脂以后，用原水以同样的流速慢慢将树脂中的盐全部冲洗干净的过程叫慢冲洗，由于这个冲洗过程中仍有大量的功能基团上的钙镁 离子被钠离子交换，根据实际经验，这个过程中是再生的主要过程，所以很多人将这个过程称作置换。这个过程一般与吸盐的时间相同，即30分钟左右。
　　快冲洗：为了将残留的盐彻底冲洗干净，要采用与实际工作接近的流速，用原水对树脂进行冲洗，这个过程的最后出水应为达标的软水。一般情况下，快冲洗过程为5-15分钟。