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一、鈣、鎂離子與水硬度的關系

1. 硬度的定義與分類

• 總硬度：水中鈣、鎂離子的總濃度，通常以 ** 碳酸鈣（CaCO?）的質量濃度（mg/L）** 表示，反映水中離子的綜合致硬能力。

• 暫時硬度（碳酸鹽硬度）：主要由鈣、鎂的碳酸氫鹽（如 Ca (HCO?)?、Mg (HCO?)?）形成，加熱時會分解為碳酸鹽沉淀（如 CaCO?、MgCO?），可通過煮沸去除。
  

2. 鈣、鎂離子的致硬能力差異

• 鈣離子：對硬度的貢獻更大。

• 1 mg/L 的 Ca2? 相當于 2.5 mg/L 的 CaCO?（換算因子：CaCO?/Ca2? = 100/40 = 2.5）。

• 鎂離子：致硬能力約為鈣離子的 1.7 倍（因鎂的摩爾質量更小，相同質量下離子數更多）。

• 1 mg/L 的 Mg2? 相當于 4.12 mg/L 的 CaCO?（換算因子：CaCO?/Mg2? = 100/24.3 ≈ 4.12）。

• 總硬度計算公式：
  

二、鈣、鎂離子對水質與應用的影響

1. 工業生產

• 鍋爐用水：

• 鈣、鎂離子易形成水垢（主要成分為 CaCO?、Mg (OH)?），阻礙傳熱，導致能耗增加甚至鍋爐爆炸。

• 需通過軟化處理（如離子交換樹脂去除 Ca2?、Mg2?）控制硬度（工業鍋爐水硬度通常要求＜0.03 mg/L CaCO?）。

• 化工與制藥：

• 高硬度水可能干擾化學反應或污染產品（如制藥用水要求近乎無鈣鎂）。

2. 日常生活

• 飲用水：

• 適度的鈣、鎂離子對人體無害（甚至是礦物質來源），但硬度太高會導致口感苦澀、肥皂起泡減少（鈣鎂與肥皂反應生成難溶物）。

• 世界衛生組織（WHO）建議飲用水總硬度＜500 mg/L CaCO?，我國《生活飲用水衛生標準》（GB 5749）規定≤450 mg/L CaCO?。

• 洗滌與清潔：

• 硬水會降低洗滌劑效率，增加用量，且殘留的鈣鎂皂可能附著在衣物上，導致衣物變硬。

3. 農業與生態

• 灌溉用水：

• 高硬度水可能與土壤中的鈉離子作用，破壞土壤結構（形成板結），影響作物生長。

• 水生生物：

• 鈣、鎂是水生生物（如貝類、藻類）的重要營養元素，但濃度過高可能影響滲透壓平衡，威脅生物生存。

三、鈣、鎂離子的檢測與硬度控制

1. 檢測方法

• 滴定法（如 EDTA 絡合滴定）：利用鈣、鎂離子與指示劑（如鉻黑 T）的顯色反應，通過 EDTA 標準溶液滴定計算濃度。

• 儀器法（如離子電極法、原子吸收光譜法）：直接測量離子濃度，適用于高精度檢測（如實驗室場景）。

2. 硬度降低方法

• 化學沉淀法：加入石灰（Ca (OH)?）和純堿（Na?CO?），使鈣、鎂離子生成沉淀去除，適用于高硬度工業廢水。

• 離子交換法：通過陽離子交換樹脂（如 Na?型樹脂）置換水中的 Ca2?、Mg2?，廣泛用于家庭凈水器和鍋爐軟化。

• 膜分離法：反滲透（RO）膜可截留鈣、鎂離子，產出低硬度水，適用于飲用水深度處理。