碳酸盐垢如何形成？

碳酸盐垢（主要成分为碳酸钙CaCO₃和碳酸镁MgCO₃）的形成是一个涉及化学、物理和流体动力学的综合过程，以下是其形成机制的详细说明：

一、化学形成原理

1. 水源中的离子基础

• 天然水（如地下水、地表水）中含有溶解的钙镁离子（Ca²⁺、Mg²⁺）和碳酸氢根（HCO₃⁻），尤其是硬水中浓度较高。

• 关键反应：

  $${\text{Ca}}^{2+}+2{\text{HCO}}_3^{-}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }{\text{CaCO}}_3\downarrow +{\text{CO}}_2\uparrow +{\text{H}}_2\text{O}$$

  高温下，碳酸氢盐分解生成碳酸盐沉淀，同时释放CO₂气体。

2. 溶解度与温度的关系

• 碳酸盐的溶解度随温度升高而显著降低。例如，常温下碳酸钙溶解度约为0.01 g/100mL，但80℃以上时几乎不溶。

• 当水被加热（如锅炉、热水器），溶解的Ca²⁺、Mg²⁺与HCO₃⁻结合生成沉淀。

二、热力学与蒸发浓缩

1. 蒸发浓缩效应

• 在封闭或循环水系统中（如锅炉），水因蒸发或持续加热导致体积减少，离子浓度升高（如Ca²⁺、HCO₃⁻富集）。

• 当离子浓度超过溶度积（Ksp）时，碳酸盐结晶析出。

2. 温度梯度的影响

• 受热面（如锅炉内壁、管道弯头）温度最高，局部水域形成“过饱和”状态，加速沉淀。

• CO₂因温度升高从水中逸出，进一步打破HCO₃⁻的平衡，促进反应向右进行。

三、水动力学与沉积位置

1. 低流速区的沉积

• 水流缓慢处（如管道拐角、水箱底部）无法及时冲刷沉淀物，垢层逐渐增厚。

• 湍流区（如泵入口）可能因剪切力抑制垢形成，但后续流动减缓时仍会沉积。

2. 结晶核心的作用

• 金属表面腐蚀产物（如铁锈）、杂质颗粒或原有垢层可作为结晶核，诱导碳酸盐定向生长。

四、水质影响因素

1. 硬度与碱度

• 硬度（Mg²⁺）和暂时硬度（Ca²⁺）直接决定垢的倾向性。

• 高碱度（HCO₃⁻或CO₃²⁻）加速碳酸盐沉淀，尤其在pH>7时更显著。

2. pH变化

• 中性或弱碱性环境（pH 7-9）利于碳酸钙沉淀；强酸性或强碱性可能抑制垢形成。

• CO₂流失（如曝气）会提高pH，促进HCO₃⁻转化为CO₃²⁻，加剧结垢。

五、典型场景示例

1. 锅炉水垢

• 反复加热导致蒸发浓缩，Ca²⁺、Mg²⁺与HCO₃⁻浓度升高，CO₂逸出，生成坚硬的碳酸盐垢。

• 垢层导热性差，进一步加剧局部过热，形成恶性循环。

2. 冷却水系统

• 水温升高降低碳酸盐溶解度，同时蒸发浓缩离子浓度，导致管道或换热面结垢。

六、预防与控制措施

1. 软化水处理：通过离子交换或反渗透去除Ca²⁺、Mg²⁺。

2. 酸化处理：加CO₂或弱酸降低pH，抑制碳酸盐沉淀。

3. 阻垢剂：添加聚磷酸盐、膦酸盐等分散剂，干扰结晶过程。

4. 定期排污：降低浓缩倍数，控制离子浓度。

5. 物理清洗：高压水射流或机械清理去除顽固垢层。

总结

碳酸盐垢的形成是水中钙镁离子与碳酸氢根在高温、蒸发、低流速等条件下共同作用的结果。通过控制水质、调节温度和流速、使用阻垢剂等方法，可有效预防或减缓垢的形成。