为什么石灰软化不能去除非碳酸盐硬度？

为什么石灰软化不能去除非碳酸盐硬度？

石灰软化法是水处理中用于降低水质硬度的常用方法，但它只能有效去除碳酸盐硬度（又称“暂时硬度”），而对非碳酸盐硬度（又称“永久硬度”）基本无效。这背后的原因与水中的离子组成及石灰所引发的化学反应密切相关，其核心在于石灰（Ca(OH)?）提供的氢氧根离子（OH?）无法与非碳酸盐硬度对应的阴离子形成沉淀。

1. 理解两类硬度

（1）碳酸盐硬度： 主要由钙和镁的碳酸氢盐构成，如 Ca(HCO?)? 和 Mg(HCO?)?。这部分硬度在加热煮沸时会分解生成碳酸钙/氢氧化镁沉淀而被去除（这也是“暂时”名称的由来）。

（2）非碳酸盐硬度： 主要由钙和镁的硫酸盐、氯化物、硝酸盐等构成，如 CaSO?, CaCl?, MgSO?, MgCl? 等。这部分硬度在加热煮沸时不会沉淀析出（故称“永久”）。

 

 

 

2. 石灰软化的核心反应

石灰软化主要依靠投加熟石灰 Ca(OH)?。其主要目标是：

去除碳酸盐硬度：与镁的碳酸氢盐反应 (需要两步)：

第一步： Mg(HCO?)? 2Ca(OH)? → Mg(OH)?↓ (沉淀) 2CaCO?↓ (沉淀) 2H?O
或者更常见的是：

碳酸氢镁首先被转化为碳酸镁： Mg(HCO?)? Ca(OH)? → MgCO? CaCO?↓ 2H?O

但碳酸镁 (MgCO?) 溶解度相对较高，需要进一步与石灰反应生成更难溶的氢氧化镁沉淀： MgCO? Ca(OH)? → Mg(OH)?↓ (沉淀) CaCO?↓ (沉淀)

关键点： 以上反应能够发生并生成沉淀，是因为石灰提供的 OH? 能与 HCO?? 结合，或者与 Mg?? 结合形成溶解度极低的化合物（CaCO? 和 Mg(OH)?）。

与钙的碳酸氢盐反应：

Ca(HCO?)? Ca(OH)? → 2CaCO?↓ (沉淀) 2H?O

这个反应将溶解的 Ca(HCO?)? 转化为不溶的碳酸钙 (CaCO?) 沉淀，通过沉淀过滤即可去除水中的钙离子 (Ca??) 和对应的碳酸氢根 (HCO??)。

去除游离二氧化碳 (CO?)：
CO? Ca(OH)? → CaCO?↓ H?O
这步很重要，因为 CO? 会干扰后续的沉淀反应。

3. 为何无法去除非碳酸盐硬度？

非碳酸盐硬度对应的盐类主要是钙和镁的硫酸盐、氯化物、硝酸盐等。当向含有这些盐的水中加入石灰 Ca(OH)? 时：

钙的非碳酸盐硬度 (如 CaSO?, CaCl?)：
CaSO? Ca(OH)? → ... 没有沉淀生成！
CaCl? Ca(OH)? → ... 没有沉淀生成！
反应无法向右进行。因为石灰本身溶解提供的阳离子就是 Ca??，而 CaSO? 和 CaCl? 中的阴离子 SO??? 和 Cl? 无法与 Ca?? 或 OH? 结合生成溶解度更低的沉淀物。硫酸钙 (CaSO?) 本身溶解度就不算很低（石膏），氯化钙 (CaCl?) 则完全可溶。加入 OH? 后，溶液中只是多了一些 Ca?? 和 OH? 离子，原有的 CaSO? 或 CaCl? 仍然稳定存在于溶液中，钙离子的总量甚至可能因为石灰的加入而增加。

镁的非碳酸盐硬度 (如 MgSO?, MgCl?)：
MgSO? Ca(OH)? → Mg(OH)?↓ (沉淀) CaSO?
MgCl? Ca(OH)? → Mg(OH)?↓ (沉淀) CaCl?

镁的非碳酸盐硬度似乎可以被去除？ 从反应式看，镁离子 (Mg??) 确实被转化成了氢氧化镁 (Mg(OH)?) 沉淀而去除。但是！这个反应虽然去除了镁离子 (Mg??)，但同时生成了等量的钙的硫酸盐或氯化物 (CaSO? 或 CaCl?)。这些新生成的 CaSO? 或 CaCl? 正是钙的非碳酸盐硬度。

因此，总的非碳酸盐硬度（以 CaCO? 计）并未降低。水中只是用一种硬度离子（Mg??）置换了另一种硬度离子（Ca??），而钙的非碳酸盐硬度依然存在。

4. 总结

石灰软化去除碳酸盐硬度的本质是利用 OH? 与 HCO?? 反应生成 CO???，或者直接与 Mg?? 反应，形成溶解度极低的 CaCO? 和 Mg(OH)? 沉淀。

对于非碳酸盐硬度：

钙的非碳酸盐硬度： 加入石灰（Ca(OH)?）无法引入能与之形成沉淀的阴离子（如 CO???）。石灰中的 OH? 对 SO???、Cl?、NO?? 等阴离子无效。反应无法发生，硬度无法去除。

镁的非碳酸盐硬度： 虽然可以通过生成 Mg(OH)? 沉淀去除 Mg??，但同时等量地产生了钙的非碳酸盐硬度。净效果是水中总硬度（以 CaCO? 计）不变，只是硬度成分发生了转化（Mg 硬度 → Ca 硬度）。