2.7　原水软化与阻垢技术［24］

原水中钙、镁离子在电渗析、蒸馏等淡化操作过程中，由于海水温度、pH、离子浓度等的变化，可能生成碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物沉淀，从而堵塞膜孔，产生锅垢，由此降低膜透水率或降低蒸发效率。因此在淡化前需设法去除钙和镁离子，这一过程称为水质软化处理。

水质软化处理法有化学反应沉淀软化法、离子交换法、酸化法和加入钙、镁络合剂掩蔽法等方法。

2.7.1　化学反应沉淀软化法［3］

25℃时CaCO3和MgCO3的溶度积分别为0.87×10-8和2.6×10-5，Mg（OH）2在18℃时溶度积为1.8×10-11，因此可通过生成CaCO3、Mg（OH）2沉淀法去除。

（1）石灰软化法　对于硬度高、碱度高的水采用石灰软化法。该法是将生石灰（CaO）加水消化后制成熟石灰［Ca（OH）2］，然后投入原水中，与水体中CO2、Ca（HCO3）2反应生成CaCO3、Mg（OH）2沉淀，过滤去除。

石灰加入量（mg/L）可按下式估算：

式中，56.08为CaO的摩尔质量；［CO2］、［Ca（HCO3）2］、［Mg（HCO3）2］分别为其在原水中的浓度，mmol/L；ε1为工业石灰纯度，％；a为石灰过剩量，mmol/L，一般取0.1～0.2mmol/L。

（2）石灰-纯碱软化法　对于硬度高、碱度低的水可采用石灰-纯碱法软化原水，其化学反应为：

用此法软化水残留硬度可降至0.3～1mmol/L。

石灰用量按下式估算：

纯碱用量（mg/L）按下式估算：

式中，M总为原水总碱度，mmol/L；HMg为原水镁硬度，mmol/L；H水为原水永久硬度，mmol/L；β为纯碱过剩量，mmol/L（一般取0.5～0.7mmol/L）；ε2为工业纯碱纯度，％；106为Na2CO3摩尔质量。

（3）热法石灰-纯碱-磷酸盐软化法　该法先用石灰-纯碱软化法在加热到80～100℃的水中进行初步沉淀处理，然后用磷酸三钠沉淀，其反应为：

此法可使残留硬度降到0.35～0.7mmol/L。

2.7.2　离子交换法

原水经化学反应沉淀软化处理后，水中硬度、碱度往往不能满足淡化法处理要求，还要通过离子交换法进一步软化处理。通常用钠离子、氢离子等阳离子交换树脂，通过阳离子交换反应去除水中的钙和镁离子。

水中碳酸盐硬度（暂时硬度）软化过程：

水中非碳酸盐硬度（永久硬度）软化过程：

氢离子交换树脂软化反应为：

以上反应式中，R是阳离子交换树脂的本体，即磺化交联的聚苯乙烯。

可见原水经钠离子交换树脂反应后，水中硬度被去除，但碱度未变，只是碳酸氢钙和碳酸氢镁转变成碳酸氢钠，同时水中含盐量增加，水质呈碱性。原水经氢离子交换剂时，水中阳离子与交换剂中的氢离子进行交换而被去除，使水得到软化处理，水质呈酸性。

如果将经氢离子型离子交换器的酸性出水同经钠离子型离子交换器的碱性出水以一定比例相混合，就会发生酸碱中和反应：

中和后产生的CO2用除碳器去除。这样处理后的水既降低了碱度，又消除了硬度，且使水的含盐量降低。工业上离子交换软化水处理法，是将离子交换树脂装在圆柱形容器中，原水在其中流过，这种处理方式称为固定床式离子交换柱。根据水处理需要，固定床式离子交换装置可分为单床法、多床法、复床法等方法。

钠离子交换树脂的再生可用NaCl、电渗析的浓水等处理，其再生反应式为：

氢离子交换树脂的再生，可用工业H2SO4或工业HCl处理，以用盐酸为佳。其再生反应式为：

再生操作简单，只需将一定量的5％左右的稀盐酸或稀硫酸，以5m/h以下的流速通过交换层，然后用水清洗去除剩余的酸，即可重复使用。

磺化煤也具有离子交换性能，其价格便宜，也用于软化水处理，称磺化煤软化器。磺化煤离子交换达到饱和后也需再生处理，其再生药剂为NaCl或电渗析浓水。

2.7.3　酸化法

通过加硫酸或盐酸，通常是加硫酸，调节水pH<6.0可防止电渗析过程中生成碳酸盐沉淀或Mg（OH）2沉淀。可向电渗析浓水和极水中加酸，向浓水加酸调整pH值至4～6，调整阴极水的pH值至2～3，都可防止沉淀生成。

因此水中加少量酸，可促使反应向左进行，碳酸氢盐趋于稳定，同时足量酸使碳酸氢盐分解且防止CaCO3沉淀。

2.7.4　加入阻垢分散剂法［3］

向原水中加入聚磷酸盐（主要有六偏磷酸钠和三聚磷酸钠）、有机膦酸［主要有氨基三亚甲基膦酸（ATMP）、乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMP）、羟基亚乙基二膦酸（HEDP）、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸（DTPMP）等］、膦基聚羧酸［如膦基聚丙烯酸和马来酸酐-丙烯酰胺共聚物（MA）］等，这些物质在水体中与钙、镁离子以及其他金属离子有很强的螯合或络合性能，使其不易沉淀，阻止水垢的形成，已沉淀的金属离子经螯合作用可重新分散到水中，达到软化效果。有资料报道，当浓水中Ca2+的浓度达到900mg/L时，加入聚磷酸盐，可阻止硫酸钙的沉淀。表2-28所列为一些典型阻垢剂、分散剂的使用条件和加药量。

2.7.5　纳滤法膜软化［17，18，25，26］

纳滤膜技术（Nanofiltration，简称NF）是一种低压反渗透技术，介于反渗透（RO）和超滤膜技术（UF）之间的一种新型压力驱动膜分离技术。纳滤膜的孔径介于反渗透膜和超滤膜之间，孔径范围在1～5nm，截留相对分子质量范围在200～1000之间，对二价Ca2+、Mg2+，糖类，解离酸有较好的截留率，而对单价离子去除率相对较低，已广泛应用于水软化，包括海水的软化。它不仅能降低水体硬度，还可以除去悬浮物、色度和其他有机物；无需离子交换法的再生操作，减少再生液对环境的污染；不会产生像石灰软化法的淤泥等；占地面积小，操作劳动强度低，并可完全自动化；在投资、操作、维修及价格等方面接近常规方法。一般膜软化法（NF）可去除水中总硬度的90％左右，可广泛应用于常规水脱硬、工业用水软化、锅炉给水处理、凝结处理、海岛苦咸水软化、海水脱硬、脱TDS，从而提高海水反渗透淡化器的操作压力和回收率，保证膜组件运行的安全。关于NF作为海水预处理的技术，沙特阿拉伯的SWCC已申请专利［25］。

表2-29为杭州水处理技术研究开发中心NF膜软化高硬度海岛苦咸水性能。

影响膜软化主要因素有进料水质、渗透水质和回收率。膜软化基本工艺流程参见2.12.1节的图2-20。膜软化不仅软化水而且能去除90％～95％的色度、80％～85％的TOC、90％～95％的THMFP（三卤甲烷前驱物），参见表2-30。

THMFP是加氯消毒时的副产物，三卤甲烷的中间体，TOXFP为总有机卤前驱物，均为致癌物质。纳滤膜可有效去除THMFP、TOXFP、低分子有机物、农药、合成洗涤剂、砷等，极大提高了饮用水的水质。