化学的軟化は、特定の化学物質を水に添加して硬化するカルシウムイオンとマグネシウムイオンを不溶性化合物に変換し、その後沈殿と濾過によって除去するプロセスです。これは古典的で効果的な硬化除去技術です。
I. 析出-溶解平衡の変化
この方法の理論的基礎は溶解度積の原理です。つまり、水に化学薬品を添加すると、カルシウムイオンやマグネシウムイオンとともに不溶性の沈殿物を形成する陰イオン（CO3^2-、OH-、PO4^3-など）の濃度が増加し、イオン積が溶解度積定数を超えて沈殿が生成されます。
主な沈殿反応には次のものがあります。
1. 炭酸塩硬度の除去:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ->2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O
石灰は、OH- イオンを提供して重炭酸イオンを炭酸イオンに変換し、pH を上昇させて水酸化マグネシウムの沈殿物を形成します。
2. 非-炭酸塩硬度（カルシウム）の除去:
CaSO4 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ->CaCO3↓ + 2NaCl
ソーダ灰は CO3^2- イオンを生成し、これがカルシウムイオンと結合して炭酸カルシウム沈殿物を形成します。
3. 非-炭酸塩硬度（マグネシウム）の除去:
MgSO4 + Ca(OH)2 ->Mg(OH)2↓ + CaSO4
生成された CaSO4 は、ソーダ灰によってさらに除去する必要があります。石灰は、OH- イオンを提供して、より小さな溶解度積の水酸化マグネシウム沈殿物を形成するために使用されます。
II.一般的に使用される化学試薬とその機能
1. 石灰：主成分はCa(OH)2です。
炭酸塩硬度（炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウム硬度を含む）を除去し、高pH環境を提供します。投与量は正確に計算する必要があります。過剰な添加は無駄であるだけでなく、マグネシウムイオンの再溶解や新たな硬度の導入につながる可能性があります。
2. ソーダ灰: その主成分は Na2CO3 です。
水から非炭酸塩硬度（カルシウム硬度）を除去します。-新たな硬度イオンを導入することなく水自体に溶解しますが、むしろNa+を導入するため、水質への影響は比較的小さいです。
3. 水酸化ナトリウム: NaOH。
石灰の部分的な代替品として使用されることもあり、OH- イオンが生成され、操作が簡単になりますが、コストは高くなります。反応は石灰と同様です。
4. リン酸塩：トリポリリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウムなど。
この方法は従来の沈殿法ではなく、分散コロイドを生成したり、カルシウムイオンとマグネシウムイオンを錯体化することによってスケールの形成を防ぎます。これは「隠れた方法」または「閾値効果」であり、補助的な治療や要件が低い状況でよく使用されます。
Ⅲ．古典的なプロセス フロー: 石灰-ソーダ灰法
最も代表的な化学軟化処理であり、その流れは以下の通りです。
1. 反応タンク/軟化タンク:
原水はまず反応タンクに入り、計算された投与量に従って石灰スラリーとソーダ灰溶液が追加されます。タンクには機械的撹拌装置が装備されており、試薬の完全な混合と反応を確実にし、沈殿形成に十分な時間と条件を提供します。
上で述べたすべての核となる化学反応がここで完了し、大量の CaCO3 および Mg(OH)2 の凝集沈殿物が生成されます。
2.沈殿槽/清澄槽:
反応水は沈殿槽に流入し、流速が低下します。 CaCO3 は重い沈殿物であるため、自然にすぐに沈殿します。 Mg(OH)2 は軽い綿状の沈殿物ですが、よりゆっくりと沈降します。通常、凝集剤 (PAM など) は、凝集の成長を促進し、沈降を促進するために添加されます。浄化された上部は次の工程に進み、下部のスラッジは定期的に除去されます。
3.濾過タンク:
沈殿後の水にはまだ微小な浮遊粒子が含まれている可能性があるため、残留微細な沈殿物を除去し、流出水の濁度が基準を満たしていることを確認するために、マルチメディア フィルター（無煙炭や珪砂など）による精密ろ過が必要です。{0}
4. pH調整タンク：
石灰で処理された水は pH が非常に高く (通常 10 以上)、腐食性が高く、その後の使用や排出には適していません。
したがって、ろ過後に酸 (硫酸や塩酸など) または CO2 を加えて pH を中和し、中性範囲 (たとえば 6.5 ～ 8.5) に戻す必要があります。 「再炭酸」としても知られる CO2 の導入方法では、少量の溶解カルシウムイオンを炭酸カルシウムに変換してさらに除去することもできます。
IV.技術的特徴
利点:
1. 重要で信頼性の高い結果: この技術は成熟しており、硬度を低いレベルまで下げることができます (残留硬度は 0.5 ～ 1.0 mmol/L に達する可能性があります)。
2. 他の不純物の同時除去: 硬度を除去するプロセスでは、水中のアルカリ度、シリコン含有量、一部の重金属、浮遊物質も効果的に減らすことができます。
3. 低い処理コスト: 使用される試薬 (石灰、ソーダ灰) は広く入手可能であり、比較的安価です。
短所と制限:
1. 大量のスラッジの生成: 大量の化学スラッジ (主に炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムで構成される) が生成され、このスラッジの処理と処分は追加のコストと環境圧力を増加させます。
2. 複雑な操作・管理：原水の水質変化に応じて試薬の投与量を正確に計算・調整する必要があり、高度な熟練オペレーターが必要となります。
3. 限られた排水品質: 深度軟化の極端に低い硬度要件を達成することは困難です (例:<0.03 mmol/L), and the residual hardness is still higher than that of advanced treatment processes such as ion exchange.
4. 設置面積が大きい：装置には反応、沈殿、濾過設備などの一連の構造が必要となり、多額のインフラ投資が必要となります。