環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)英語(yǔ)第三版鐘理課文翻譯4.20?4.20水的硬度及其處理

水的硬度是一個(gè)在環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域中備受關(guān)注的重要特性。它主要與水中鈣（Ca2?）、鎂（Mg2?）等離子的存在相關(guān)。硬度的概念對(duì)于理解水的性質(zhì)以及確定合適的水處理方法至關(guān)重要。

硬度的定義基于水中這些陽(yáng)離子對(duì)肥皂等物質(zhì)的影響。當(dāng)含有鈣和鎂離子的水與肥皂接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致肥皂的去污能力下降，形成不溶性的鈣皂或鎂皂沉淀。這種現(xiàn)象在日常生活中很常見(jiàn)，例如在硬水中洗衣服時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)肥皂泡沫較少，衣物上容易殘留污垢。

硬度的分類硬度通常分為暫時(shí)硬度和永久硬度。

暫時(shí)硬度是由水中的碳酸氫鈣（Ca(HCO?)?）和碳酸氫鎂（Mg(HCO?)?）引起的。加熱含有暫時(shí)硬度的水時(shí)，碳酸氫鹽會(huì)分解，產(chǎn)生碳酸鈣（CaCO?）和碳酸鎂（MgCO?）沉淀。反應(yīng)式如下：Ca(HCO?)?→CaCO?↓+H?O+CO?↑Mg(HCO?)?→MgCO?↓+H?O+CO?↑

永久硬度則是由水中的硫酸鹽、氯化物等鈣、鎂鹽類引起的，如硫酸鈣（CaSO?）、硫酸鎂（MgSO?）、氯化鈣（CaCl?）和氯化鎂（MgCl?）等。這些鹽類在加熱時(shí)不會(huì)分解，不會(huì)像暫時(shí)硬度那樣通過(guò)加熱去除。

硬度的表示方法硬度有多種表示方法，常見(jiàn)的有以下幾種：

1.以碳酸鈣（CaCO?）計(jì)這是最常用的表示方法。將水中各種鈣、鎂離子的含量都換算成碳酸鈣的含量來(lái)表示硬度。例如，如果水中含有1mmol/L的鈣離子（Ca2?），相當(dāng)于含有100mg/L的碳酸鈣（因?yàn)樘妓徕}的摩爾質(zhì)量為100g/mol）。同樣，對(duì)于鎂離子（Mg2?），如果含量為1mmol/L，也相當(dāng)于100mg/L的碳酸鈣。這樣就可以方便地統(tǒng)一表示水的硬度。

2.德國(guó)度（°d）1德國(guó)度表示1L水中含有10mg的氧化鈣（CaO）。換算關(guān)系為：1mmol/L的硬度相當(dāng)于2.8°d。例如，若硬度為5mmol/L，則換算成德國(guó)度為5×2.8=14°d。

3.毫克當(dāng)量/升（meq/L）1毫克當(dāng)量是指能與1mg氫或能提供1mg氫的物質(zhì)的量。鈣的當(dāng)量為20（因?yàn)殁}的相對(duì)原子質(zhì)量為40，其化合價(jià)為+2），鎂的當(dāng)量為12（鎂的相對(duì)原子質(zhì)量為24，化合價(jià)為+2）。所以，如果水中鈣離子含量為40mg/L，換算成毫克當(dāng)量為40÷20=2meq/L；鎂離子含量為24mg/L，換算成毫克當(dāng)量為24÷12=2meq/L?？傆捕染褪氢}、鎂離子毫克當(dāng)量之和。

硬度對(duì)環(huán)境和工業(yè)的影響1.對(duì)管道系統(tǒng)的影響硬水在管道中流動(dòng)時(shí)，鈣、鎂離子會(huì)逐漸在管道內(nèi)壁沉積，形成水垢。水垢的積累會(huì)降低管道的輸水能力，增加水流阻力，導(dǎo)致能耗增加。長(zhǎng)期下來(lái)，還可能會(huì)引起管道堵塞，影響正常供水。例如，在一些工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中，由于硬水的長(zhǎng)期使用，管道內(nèi)壁的水垢會(huì)越來(lái)越厚，嚴(yán)重時(shí)甚至需要停產(chǎn)清理管道。

2.對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響在許多工業(yè)過(guò)程中，硬水會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。例如，在紡織印染行業(yè)，硬水會(huì)使織物染色不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在造紙工業(yè)中，硬水會(huì)與造紙?jiān)现械哪承┏煞职l(fā)生反應(yīng)，降低紙張的強(qiáng)度和白度。在鍋爐中使用硬水，會(huì)導(dǎo)致水垢大量生成。水垢的導(dǎo)熱性很差，會(huì)降低鍋爐的熱效率，浪費(fèi)能源，甚至可能引發(fā)安全事故，如局部過(guò)熱導(dǎo)致鍋爐爆炸等。

3.對(duì)環(huán)境的影響硬水排放到自然環(huán)境中，會(huì)改變水體的化學(xué)性質(zhì)，影響水生生物的生存。過(guò)高的硬度可能會(huì)使水體中的藻類過(guò)度繁殖，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。同時(shí)，硬水的存在也會(huì)影響水中其他物質(zhì)的溶解度和化學(xué)反應(yīng)，對(duì)整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

水的硬度處理方法針對(duì)水的硬度問(wèn)題，有多種處理方法可供選擇，以下是一些常見(jiàn)的方法：

1.加熱法（石灰軟化法）加熱法主要用于去除暫時(shí)硬度。如前面所述，加熱含有暫時(shí)硬度的水時(shí)，碳酸氫鈣和碳酸氫鎂會(huì)分解產(chǎn)生沉淀。實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)加入適量的石灰（CaO），石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣（Ca(OH)?）。氫氧化鈣會(huì)與水中的碳酸氫鈣和碳酸氫鎂發(fā)生反應(yīng)：Ca(HCO?)?+Ca(OH)?→2CaCO?↓+2H?OMg(HCO?)?+2Ca(OH)?→2CaCO?↓+Mg(OH)?↓+2H?O

生成的碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀可以通過(guò)沉淀、過(guò)濾等方法去除，從而降低水的暫時(shí)硬度。這種方法適用于硬度較高且主要以暫時(shí)硬度為主的水的初步處理。

2.離子交換法離子交換法是一種廣泛應(yīng)用的硬度處理方法。它利用離子交換樹(shù)脂與水中的鈣、鎂離子進(jìn)行交換反應(yīng)。離子交換樹(shù)脂通常分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂。在處理硬水時(shí)，一般使用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。

當(dāng)硬水通過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂柱時(shí)，樹(shù)脂上的氫離子（H?）會(huì)與水中的鈣、鎂離子發(fā)生交換：Ca2?+2RH→R?Ca+2H?Mg2?+2RH→R?Mg+2H?

經(jīng)過(guò)離子交換后的水，鈣、鎂離子被去除，而氫離子被交換到水中，從而降低了水的硬度。隨著交換過(guò)程的進(jìn)行，樹(shù)脂上的鈣、鎂離子逐漸增多，當(dāng)樹(shù)脂的交換能力下降時(shí)，需要對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生。再生通常使用氯化鈉（NaCl）溶液，通過(guò)逆向沖洗樹(shù)脂柱，使樹(shù)脂上的鈣、鎂離子與氯化鈉中的鈉離子（Na?）進(jìn)行交換，恢復(fù)樹(shù)脂的交換能力，反應(yīng)式如下：R?Ca+2NaCl→2RNa+CaCl?R?Mg+2NaCl→2RNa+MgCl?

離子交換法可以有效地去除水中的鈣、鎂離子，得到硬度很低的軟化水，適用于各種規(guī)模的水處理，無(wú)論是家庭用水軟化還是工業(yè)大規(guī)模的水軟化處理。

3.藥劑軟化法藥劑軟化法是向水中加入化學(xué)藥劑，使鈣、鎂離子形成沉淀而去除。常用的藥劑有石灰（CaO）、純堿（Na?CO?）等。石灰可以去除水中的暫時(shí)硬度，而純堿可以去除永久硬度。

具體反應(yīng)如下：CaSO?+Na?CO?→CaCO?↓+Na?SO?MgCl?+Ca(OH)?→Mg(OH)?↓+CaCl?CaCl?+Na?CO?→CaCO?↓+2NaCl

通過(guò)加入適量的藥劑，并控制反應(yīng)條件，使鈣、鎂離子以沉淀的形式從水中分離出來(lái)，從而達(dá)到降低硬度的目的。這種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要準(zhǔn)確控制藥劑的投加量，以避免藥劑過(guò)量帶來(lái)的新問(wèn)題，如增加水中的鹽分含量等。

4.電滲析法電滲析法是利用離子交換膜對(duì)離子的選擇性透過(guò)性，在直流電場(chǎng)的作用下，使水中的離子定向遷移，從而實(shí)現(xiàn)水的淡化和硬度去除。

在電滲析器中，交替排列著陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜。當(dāng)硬水通過(guò)電滲析器時(shí)，陽(yáng)離子會(huì)向陰極方向遷移，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入相鄰的濃水室；陰離子會(huì)向陽(yáng)極方向遷移，通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入相鄰的濃水室。而淡水室中的水由于離子的遷出，硬度降低，從而得到軟化水。

電滲析法具有能耗較低、設(shè)備占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理含鹽量較高且硬度也較高的水，尤其在一些海水淡化與硬度去除相結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

5.反滲透法反滲透法是一種借助半透膜在壓力作用下對(duì)水進(jìn)行分離的技術(shù)。半透膜只允許水分子通過(guò)，而阻止其他離子和分子的通過(guò)。

當(dāng)硬水在高壓下通過(guò)反滲透膜時(shí)，水分子透過(guò)膜進(jìn)入另一側(cè)，而水中的鈣、鎂離子等雜質(zhì)被截留在膜的一側(cè)，從而得到幾乎不含硬度離子的純水。反滲透法對(duì)硬度的去除效果非常顯著，可以達(dá)到很高的脫鹽率和硬度去除率。

這種方法廣泛應(yīng)用于各種對(duì)水質(zhì)要求較高的領(lǐng)域，如電子工業(yè)超純水制備、制藥行業(yè)用水等。但其設(shè)備投資較高，運(yùn)行成本也相對(duì)較高，需要定期更換反滲透膜。

硬度處理技術(shù)的比較與選擇在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的硬度處理方法需要綜合考慮多個(gè)因素。

1.水質(zhì)情況包括水的硬度類型（暫時(shí)硬度和永久硬度的比例）、含鹽量、酸堿度等。例如，如果水中主要以暫時(shí)硬度為主，加熱法可能是一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)有效的選擇；如果硬度較高且含有較多的永久硬度成分，離子交換法或藥劑軟化法可能更合適；對(duì)于含鹽量較高的水，電滲析法或反滲透法可能更具優(yōu)勢(shì)。

2.處理規(guī)模小規(guī)模的家庭用水軟化，離子交換法相對(duì)簡(jiǎn)單易行，設(shè)備成本較低；而對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)用水處理，如大型工廠的鍋爐用水軟化或循環(huán)水系統(tǒng)處理，可能需要考慮更高效、自動(dòng)化程度更高的方法，如離子交換法的大型化設(shè)備或反滲透法等。

3.成本因素成本是選擇處理方法的重要考慮因素之一。加熱法和藥劑軟化法的設(shè)備成本相對(duì)較低，但運(yùn)行成本可能較高，如藥劑的消耗等；離子交換法的設(shè)備成本適中，運(yùn)行成本主要包括樹(shù)脂的再生費(fèi)用；電滲析法和反滲透法的設(shè)備投資較大，但長(zhǎng)期運(yùn)行成本在某些情況下可能相對(duì)較低，尤其是對(duì)于對(duì)水質(zhì)要求極高且水量較大的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.環(huán)保要求一些處理方法可能會(huì)產(chǎn)生二次污染問(wèn)題。例如，藥劑軟化法可能會(huì)增加水中的鹽分含量，如果排放不當(dāng)可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響；而離子交換法、電滲析法和反滲透法等相對(duì)較為環(huán)保，但也需要妥善處理樹(shù)脂再生廢液、濃水排放等問(wèn)題。

總之，