2.7　原水軟化與阻垢技術［24］

原水中鈣、鎂離子在電滲析、蒸餾等淡化操作過程中，由于海水溫度、pH、離子濃度等的變化，可能生成碳酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物沉淀，從而堵塞膜孔，產生鍋垢，由此降低膜透水率或降低蒸發效率。因此在淡化前需設法去除鈣和鎂離子，這一過程稱為水質軟化處理。

水質軟化處理法有化學反應沉淀軟化法、離子交換法、酸化法和加入鈣、鎂絡合劑掩蔽法等方法。

2.7.1　化學反應沉淀軟化法［3］

25℃時CaCO3和MgCO3的溶度積分別為0.87×10-8和2.6×10-5，Mg（OH）2在18℃時溶度積為1.8×10-11，因此可通過生成CaCO3、Mg（OH）2沉淀法去除。

（1）石灰軟化法　對于硬度高、堿度高的水采用石灰軟化法。該法是將生石灰（CaO）加水消化后制成熟石灰［Ca（OH）2］，然后投入原水中，與水體中CO2、Ca（HCO3）2反應生成CaCO3、Mg（OH）2沉淀，過濾去除。

石灰加入量（mg/L）可按下式估算：

式中，56.08為CaO的摩爾質量；［CO2］、［Ca（HCO3）2］、［Mg（HCO3）2］分別為其在原水中的濃度，mmol/L；ε1為工業石灰純度，％；a為石灰過剩量，mmol/L，一般取0.1～0.2mmol/L。

（2）石灰-純堿軟化法　對于硬度高、堿度低的水可采用石灰-純堿法軟化原水，其化學反應為：

用此法軟化水殘留硬度可降至0.3～1mmol/L。

石灰用量按下式估算：

純堿用量（mg/L）按下式估算：

式中，M總為原水總堿度，mmol/L；HMg為原水鎂硬度，mmol/L；H水為原水永久硬度，mmol/L；β為純堿過剩量，mmol/L（一般取0.5～0.7mmol/L）；ε2為工業純堿純度，％；106為Na2CO3摩爾質量。

（3）熱法石灰-純堿-磷酸鹽軟化法　該法先用石灰-純堿軟化法在加熱到80～100℃的水中進行初步沉淀處理，然后用磷酸三鈉沉淀，其反應為：

此法可使殘留硬度降到0.35～0.7mmol/L。

2.7.2　離子交換法

原水經化學反應沉淀軟化處理后，水中硬度、堿度往往不能滿足淡化法處理要求，還要通過離子交換法進一步軟化處理。通常用鈉離子、氫離子等陽離子交換樹脂，通過陽離子交換反應去除水中的鈣和鎂離子。

水中碳酸鹽硬度（暫時硬度）軟化過程：

水中非碳酸鹽硬度（永久硬度）軟化過程：

氫離子交換樹脂軟化反應為：

以上反應式中，R是陽離子交換樹脂的本體，即磺化交聯的聚苯乙烯。

可見原水經鈉離子交換樹脂反應后，水中硬度被去除，但堿度未變，只是碳酸氫鈣和碳酸氫鎂轉變成碳酸氫鈉，同時水中含鹽量增加，水質呈堿性。原水經氫離子交換劑時，水中陽離子與交換劑中的氫離子進行交換而被去除，使水得到軟化處理，水質呈酸性。

如果將經氫離子型離子交換器的酸性出水同經鈉離子型離子交換器的堿性出水以一定比例相混合，就會發生酸堿中和反應：

中和后產生的CO2用除碳器去除。這樣處理后的水既降低了堿度，又消除了硬度，且使水的含鹽量降低。工業上離子交換軟化水處理法，是將離子交換樹脂裝在圓柱形容器中，原水在其中流過，這種處理方式稱為固定床式離子交換柱。根據水處理需要，固定床式離子交換裝置可分為單床法、多床法、復床法等方法。

鈉離子交換樹脂的再生可用NaCl、電滲析的濃水等處理，其再生反應式為：

氫離子交換樹脂的再生，可用工業H2SO4或工業HCl處理，以用鹽酸為佳。其再生反應式為：

再生操作簡單，只需將一定量的5％左右的稀鹽酸或稀硫酸，以5m/h以下的流速通過交換層，然后用水清洗去除剩余的酸，即可重復使用。

磺化煤也具有離子交換性能，其價格便宜，也用于軟化水處理，稱磺化煤軟化器。磺化煤離子交換達到飽和后也需再生處理，其再生藥劑為NaCl或電滲析濃水。

2.7.3　酸化法

通過加硫酸或鹽酸，通常是加硫酸，調節水pH<6.0可防止電滲析過程中生成碳酸鹽沉淀或Mg（OH）2沉淀。可向電滲析濃水和極水中加酸，向濃水加酸調整pH值至4～6，調整陰極水的pH值至2～3，都可防止沉淀生成。

因此水中加少量酸，可促使反應向左進行，碳酸氫鹽趨于穩定，同時足量酸使碳酸氫鹽分解且防止CaCO3沉淀。

2.7.4　加入阻垢分散劑法［3］

向原水中加入聚磷酸鹽（主要有六偏磷酸鈉和三聚磷酸鈉）、有機膦酸［主要有氨基三亞甲基膦酸（ATMP）、乙二胺四亞甲基膦酸（EDTMP）、羥基亞乙基二膦酸（HEDP）、二亞乙基三胺五亞甲基膦酸（DTPMP）等］、膦基聚羧酸［如膦基聚丙烯酸和馬來酸酐-丙烯酰胺共聚物（MA）］等，這些物質在水體中與鈣、鎂離子以及其他金屬離子有很強的螯合或絡合性能，使其不易沉淀，阻止水垢的形成，已沉淀的金屬離子經螯合作用可重新分散到水中，達到軟化效果。有資料報道，當濃水中Ca2+的濃度達到900mg/L時，加入聚磷酸鹽，可阻止硫酸鈣的沉淀。表2-28所列為一些典型阻垢劑、分散劑的使用條件和加藥量。

2.7.5　納濾法膜軟化［17，18，25，26］

納濾膜技術（Nanofiltration，簡稱NF）是一種低壓反滲透技術，介于反滲透（RO）和超濾膜技術（UF）之間的一種新型壓力驅動膜分離技術。納濾膜的孔徑介于反滲透膜和超濾膜之間，孔徑范圍在1～5nm，截留相對分子質量范圍在200～1000之間，對二價Ca2+、Mg2+，糖類，解離酸有較好的截留率，而對單價離子去除率相對較低，已廣泛應用于水軟化，包括海水的軟化。它不僅能降低水體硬度，還可以除去懸浮物、色度和其他有機物；無需離子交換法的再生操作，減少再生液對環境的污染；不會產生像石灰軟化法的淤泥等；占地面積小，操作勞動強度低，并可完全自動化；在投資、操作、維修及價格等方面接近常規方法。一般膜軟化法（NF）可去除水中總硬度的90％左右，可廣泛應用于常規水脫硬、工業用水軟化、鍋爐給水處理、凝結處理、海島苦咸水軟化、海水脫硬、脫TDS，從而提高海水反滲透淡化器的操作壓力和回收率，保證膜組件運行的安全。關于NF作為海水預處理的技術，沙特阿拉伯的SWCC已申請專利［25］。

表2-29為杭州水處理技術研究開發中心NF膜軟化高硬度海島苦咸水性能。

影響膜軟化主要因素有進料水質、滲透水質和回收率。膜軟化基本工藝流程參見2.12.1節的圖2-20。膜軟化不僅軟化水而且能去除90％～95％的色度、80％～85％的TOC、90％～95％的THMFP（三鹵甲烷前驅物），參見表2-30。

THMFP是加氯消毒時的副產物，三鹵甲烷的中間體，TOXFP為總有機鹵前驅物，均為致癌物質。納濾膜可有效去除THMFP、TOXFP、低分子有機物、農藥、合成洗滌劑、砷等，極大提高了飲用水的水質。