环境科学与工程专业英语第三版钟理课文翻译4.20

环境科学与工程专业英语第三版钟理课文翻译4.204.20水的硬度及其处理

水的硬度是一个在环境科学与工程领域中备受关注的重要特性。它主要与水中钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）等离子的存在相关。硬度的概念对于理解水的性质以及确定合适的水处理方法至关重要。

硬度的定义基于水中这些阳离子对肥皂等物质的影响。当含有钙和镁离子的水与肥皂接触时，会发生化学反应，导致肥皂的去污能力下降，形成不溶性的钙皂或镁皂沉淀。这种现象在日常生活中很常见，例如在硬水中洗衣服时，会发现肥皂泡沫较少，衣物上容易残留污垢。

硬度的分类硬度通常分为暂时硬度和永久硬度。

暂时硬度是由水中的碳酸氢钙（Ca(HCO₃)₂）和碳酸氢镁（Mg(HCO₃)₂）引起的。加热含有暂时硬度的水时，碳酸氢盐会分解，产生碳酸钙（CaCO₃）和碳酸镁（MgCO₃）沉淀。反应式如下：Ca(HCO₃)₂→CaCO₃↓+H₂O+CO₂↑Mg(HCO₃)₂→MgCO₃↓+H₂O+CO₂↑

永久硬度则是由水中的硫酸盐、氯化物等钙、镁盐类引起的，如硫酸钙（CaSO₄）、硫酸镁（MgSO₄）、氯化钙（CaCl₂）和氯化镁（MgCl₂）等。这些盐类在加热时不会分解，不会像暂时硬度那样通过加热去除。

硬度的表示方法硬度有多种表示方法，常见的有以下几种：

1.以碳酸钙（CaCO₃）计这是最常用的表示方法。将水中各种钙、镁离子的含量都换算成碳酸钙的含量来表示硬度。例如，如果水中含有1mmol/L的钙离子（Ca²⁺），相当于含有100mg/L的碳酸钙（因为碳酸钙的摩尔质量为100g/mol）。同样，对于镁离子（Mg²⁺），如果含量为1mmol/L，也相当于100mg/L的碳酸钙。这样就可以方便地统一表示水的硬度。

2.德国度（°d）1德国度表示1L水中含有10mg的氧化钙（CaO）。换算关系为：1mmol/L的硬度相当于2.8°d。例如，若硬度为5mmol/L，则换算成德国度为5×2.8=14°d。

3.毫克当量/升（meq/L）1毫克当量是指能与1mg氢或能提供1mg氢的物质的量。钙的当量为20（因为钙的相对原子质量为40，其化合价为+2），镁的当量为12（镁的相对原子质量为24，化合价为+2）。所以，如果水中钙离子含量为40mg/L，换算成毫克当量为40÷20=2meq/L；镁离子含量为24mg/L，换算成毫克当量为24÷12=2meq/L。总硬度就是钙、镁离子毫克当量之和。

硬度对环境和工业的影响1.对管道系统的影响硬水在管道中流动时，钙、镁离子会逐渐在管道内壁沉积，形成水垢。水垢的积累会降低管道的输水能力，增加水流阻力，导致能耗增加。长期下来，还可能会引起管道堵塞，影响正常供水。例如，在一些工业循环水系统中，由于硬水的长期使用，管道内壁的水垢会越来越厚，严重时甚至需要停产清理管道。

2.对工业生产的影响在许多工业过程中，硬水会带来一系列问题。例如，在纺织印染行业，硬水会使织物染色不均匀，影响产品质量。在造纸工业中，硬水会与造纸原料中的某些成分发生反应，降低纸张的强度和白度。在锅炉中使用硬水，会导致水垢大量生成。水垢的导热性很差，会降低锅炉的热效率，浪费能源，甚至可能引发安全事故，如局部过热导致锅炉爆炸等。

3.对环境的影响硬水排放到自然环境中，会改变水体的化学性质，影响水生生物的生存。过高的硬度可能会使水体中的藻类过度繁殖，导致水体富营养化。同时，硬水的存在也会影响水中其他物质的溶解度和化学反应，对整个水生生态系统产生不利影响。

水的硬度处理方法针对水的硬度问题，有多种处理方法可供选择，以下是一些常见的方法：

1.加热法（石灰软化法）加热法主要用于去除暂时硬度。如前面所述，加热含有暂时硬度的水时，碳酸氢钙和碳酸氢镁会分解产生沉淀。实际应用中，通常会加入适量的石灰（CaO），石灰与水反应生成氢氧化钙（Ca(OH)₂）。氢氧化钙会与水中的碳酸氢钙和碳酸氢镁发生反应：Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂→2CaCO₃↓+2H₂OMg(HCO₃)₂+2Ca(OH)₂→2CaCO₃↓+Mg(OH)₂↓+2H₂O

生成的碳酸钙和氢氧化镁沉淀可以通过沉淀、过滤等方法去除，从而降低水的暂时硬度。这种方法适用于硬度较高且主要以暂时硬度为主的水的初步处理。

2.离子交换法离子交换法是一种广泛应用的硬度处理方法。它利用离子交换树脂与水中的钙、镁离子进行交换反应。离子交换树脂通常分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。在处理硬水时，一般使用强酸性阳离子交换树脂。

当硬水通过阳离子交换树脂柱时，树脂上的氢离子（H⁺）会与水中的钙、镁离子发生交换：Ca²⁺+2RH→R₂Ca+2H⁺Mg²⁺+2RH→R₂Mg+2H⁺

经过离子交换后的水，钙、镁离子被去除，而氢离子被交换到水中，从而降低了水的硬度。随着交换过程的进行，树脂上的钙、镁离子逐渐增多，当树脂的交换能力下降时，需要对树脂进行再生。再生通常使用氯化钠（NaCl）溶液，通过逆向冲洗树脂柱，使树脂上的钙、镁离子与氯化钠中的钠离子（Na⁺）进行交换，恢复树脂的交换能力，反应式如下：R₂Ca+2NaCl→2RNa+CaCl₂R₂Mg+2NaCl→2RNa+MgCl₂

离子交换法可以有效地去除水中的钙、镁离子，得到硬度很低的软化水，适用于各种规模的水处理，无论是家庭用水软化还是工业大规模的水软化处理。

3.药剂软化法药剂软化法是向水中加入化学药剂，使钙、镁离子形成沉淀而去除。常用的药剂有石灰（CaO）、纯碱（Na₂CO₃）等。石灰可以去除水中的暂时硬度，而纯碱可以去除永久硬度。

具体反应如下：CaSO₄+Na₂CO₃→CaCO₃↓+Na₂SO₄MgCl₂+Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓+CaCl₂CaCl₂+Na₂CO₃→CaCO₃↓+2NaCl

通过加入适量的药剂，并控制反应条件，使钙、镁离子以沉淀的形式从水中分离出来，从而达到降低硬度的目的。这种方法操作相对简单，但需要准确控制药剂的投加量，以避免药剂过量带来的新问题，如增加水中的盐分含量等。

4.电渗析法电渗析法是利用离子交换膜对离子的选择性透过性，在直流电场的作用下，使水中的离子定向迁移，从而实现水的淡化和硬度去除。

在电渗析器中，交替排列着阳离子交换膜和阴离子交换膜。当硬水通过电渗析器时，阳离子会向阴极方向迁移，通过阳离子交换膜进入相邻的浓水室；阴离子会向阳极方向迁移，通过阴离子交换膜进入相邻的浓水室。而淡水室中的水由于离子的迁出，硬度降低，从而得到软化水。

电渗析法具有能耗较低、设备占地面积小等优点，适用于处理含盐量较高且硬度也较高的水，尤其在一些海水淡化与硬度去除相结合的应用场景中具有独特的优势。

5.反渗透法反渗透法是一种借助半透膜在压力作用下对水进行分离的技术。半透膜只允许水分子通过，而阻止其他离子和分子的通过。

当硬水在高压下通过反渗透膜时，水分子透过膜进入另一侧，而水中的钙、镁离子等杂质被截留在膜的一侧，从而得到几乎不含硬度离子的纯水。反渗透法对硬度的去除效果非常显著，可以达到很高的脱盐率和硬度去除率。

这种方法广泛应用于各种对水质要求较高的领域，如电子工业超纯水制备、制药行业用水等。但其设备投资较高，运行成本也相对较高，需要定期更换反渗透膜。

硬度处理技术的比较与选择在实际应用中，选择合适的硬度处理方法需要综合考虑多个因素。

1.水质情况包括水的硬度类型（暂时硬度和永久硬度的比例）、含盐量、酸碱度等。例如，如果水中主要以暂时硬度为主，加热法可能是一个较为经济有效的选择；如果硬度较高且含有较多的永久硬度成分，离子交换法或药剂软化法可能更合适；对于含盐量较高的水，电渗析法或反渗透法可能更具优势。

2.处理规模小规模的家庭用水软化，离子交换法相对简单易行，设备成本较低；而对于大规模的工业用水处理，如大型工厂的锅炉用水软化或循环水系统处理，可能需要考虑更高效、自动化程度更高的方法，如离子交换法的大型化设备或反渗透法等。

3.成本因素成本是选择处理方法的重要考虑因素之一。加热法和药剂软化法的设备成本相对较低，但运行成本可能较高，如药剂的消耗等；离子交换法的设备成本适中，运行成本主要包括树脂的再生费用；电渗析法和反渗透法的设备投资较大，但长期运行成本在某些情况下可能相对较低，尤其是对于对水质要求极高且水量较大的应用场景。

4.环保要求一些处理方法可能会产生二次污染问题。例如，药剂软化法可能会增加水中的盐分含量，如果排放不当可能会对环境造成影响；而离子交换法、电渗析法和反渗透法等相对较为环保，但也需要妥善处理树脂再生废液、浓水排放等问题。

总之，