石灰軟化の本質は、石灰を添加することによって水の硬度を下げることであり、石灰は水中の一時的および永続的な硬度と化学反応して、不溶性の炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムの沈殿物を形成します。
主な化学反応が推定の基礎となります。
1. 炭酸塩硬度の除去 (CO₂ および Ca(HCO₃)₂ との反応):
CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
2. マグネシウム硬度の除去 (Mg(HCO₃)₂ および Mg²⁺ との反応):
Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + Mg(OH)₂↓ + 2H₂O
Mg²⁺ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + Ca²⁺ (この反応により等モル量のカルシウムイオンが導入されます)
3. 過剰な添加: OH- を提供し、HCO3- と反応して CO32- を生成し、pH を 10.3 以上に維持して Mg(OH)2 を完全に沈殿させるには、追加の石灰が必要です。
全硬度 (TH)、カルシウム硬度 (Ca-H)、マグネシウム硬度 (Mg-H)、および全塩基度 (TA) を考慮すると、添加する石灰の量 (100% 純粋な CaO に基づく) は次の部分に分類できます。
1. 遊離 CO₂ (L₁) を中和するのに必要な石灰:
化学量論比: 1 mol CO₂ : 1 mol CaO
L₁=[CO₂] (単位は一貫しています。すべて CaCO₃ mg/L で表される場合、値は等しいです。)
2. 炭酸塩硬度 (L₂) を除去するために必要な石灰:
この部分では、塩基性に対応する硬度について説明します。化学量論比: 2 mol HCO₃- (つまり、1 mol Ca(HCO3)₂) : 1 mol CaO
L₂=[TA] (どちらも CaCO₃ として計算されるため、変換後のモル質量は数値的に同じです。)
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3. マグネシウムの硬度を除去するために必要な石灰の量 (L₃):
マグネシウムの沈殿には 2 部の OH⁻ が必要で、反応後に同量のカルシウムイオンが水に入ります。化学量論比: 1 mol Mg²⁺ : 2 mol CaO
L₃=2 × [Mg - H] (CaCO3 を仮定すると、質量比係数は (56/100) × 2 ≈ 1.12 ですが、より一般的にはモル関係を使用して直接計算する、つまり値を 2 倍にします。ここで、[Mg - H] は、除去する必要があるマグネシウム硬度の部分、つまり元の水マグネシウム硬度からマイナスした部分を指します。目標の許容残留マグネシウム硬度。
4. 過剰な石灰の投与量 (L₄):
完全な反応、特にマグネシウムの沈殿を確実に行うには、通常、pH 10 ～ 11 を維持する必要があり、これには過剰な石灰の添加が必要です。通常、過剰値は経験的に約 25 ～ 50 mg/L (CaCO3 として) と推定されます。より高度な軟化を行う場合は、超過値が大きくなる場合があります。
5. 理論上の石灰投与量 (100% に基づく) (CaO に基づく):
L_理論値=L₁ + L₂ + L₃ + L₄=[CO₂] + [TA] + 2 × [除去する Mg-H] + 過剰値
市販の石灰 (生石灰または消石灰) は 100% 純粋ではありません。実際の投与量 (kg/m3 または g/L)=L_理論値 / 市販の石灰の純度 (%)
たとえば、L_理論値が 200 mg/L CaO で、純度 85% の市販の生石灰が使用される場合、実際の投与量は=200/0.85 ≈ 235 mg/L となります。