碳酸鹽垢（主要成分為碳酸鈣CaCO?和碳酸鎂MgCO?）的形成是一個涉及化學(xué)、物理和流體動力學(xué)的綜合過程,，以下是其形成機制的詳細(xì)說明：

一,、化學(xué)形成原理

1. 水源中的離子基礎(chǔ)

• 天然水（如地下水、地表水）中含有溶解的鈣鎂離子（Ca2?,、Mg2?）和碳酸氫根（HCO??）,，尤其是硬水中濃度較高。

• 關(guān)鍵反應(yīng)：

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

  高溫下,，碳酸氫鹽分解生成碳酸鹽沉淀,，同時釋放CO?氣體。

2. 溶解度與溫度的關(guān)系

• 碳酸鹽的溶解度隨溫度升高而顯著降低,。例如,，常溫下碳酸鈣溶解度約為0.01 g/100mL，但80℃以上時幾乎不溶,。

• 當(dāng)水被加熱（如鍋爐,、熱水器），溶解的Ca2?,、Mg2?與HCO??結(jié)合生成沉淀,。

二、熱力學(xué)與蒸發(fā)濃縮

1. 蒸發(fā)濃縮效應(yīng)

• 在封閉或循環(huán)水系統(tǒng)中（如鍋爐）,，水因蒸發(fā)或持續(xù)加熱導(dǎo)致體積減少,，離子濃度升高（如Ca2?、HCO??富集）,。

• 當(dāng)離子濃度超過溶度積（Ksp）時,，碳酸鹽結(jié)晶析出。

2. 溫度梯度的影響

• 受熱面（如鍋爐內(nèi)壁,、管道彎頭）溫度最高,，局部水域形成“過飽和”狀態(tài)，加速沉淀,。

• CO?因溫度升高從水中逸出,，進(jìn)一步打破HCO??的平衡,，促進(jìn)反應(yīng)向右進(jìn)行。

三,、水動力學(xué)與沉積位置

1. 低流速區(qū)的沉積

• 水流緩慢處（如管道拐角,、水箱底部）無法及時沖刷沉淀物，垢層逐漸增厚,。

• 湍流區(qū)（如泵入口）可能因剪切力抑制垢形成,，但后續(xù)流動減緩時仍會沉積。

2. 結(jié)晶核心的作用

• 金屬表面腐蝕產(chǎn)物（如鐵銹）,、雜質(zhì)顆?；蛟泄笇涌勺鳛榻Y(jié)晶核，誘導(dǎo)碳酸鹽定向生長,。

四,、水質(zhì)影響因素

1. 硬度與堿度

• 硬度（Mg2?）和暫時硬度（Ca2?）直接決定垢的傾向性。

• 高堿度（HCO??或CO?2?）加速碳酸鹽沉淀,，尤其在pH>7時更顯著,。

2. pH變化

• 中性或弱堿性環(huán)境（pH 7-9）利于碳酸鈣沉淀；強酸性或強堿性可能抑制垢形成,。

• CO?流失（如曝氣）會提高pH,，促進(jìn)HCO??轉(zhuǎn)化為CO?2?，加劇結(jié)垢,。

五,、典型場景示例

1. 鍋爐水垢

• 反復(fù)加熱導(dǎo)致蒸發(fā)濃縮，Ca2?,、Mg2?與HCO??濃度升高,，CO?逸出，生成堅硬的碳酸鹽垢,。

• 垢層導(dǎo)熱性差,，進(jìn)一步加劇局部過熱，形成惡性循環(huán),。

2. 冷卻水系統(tǒng)

• 水溫升高降低碳酸鹽溶解度,，同時蒸發(fā)濃縮離子濃度，導(dǎo)致管道或換熱面結(jié)垢,。

六,、預(yù)防與控制措施

1. 軟化水處理：通過離子交換或反滲透去除Ca2?、Mg2?,。

2. 酸化處理：加CO?或弱酸降低pH,，抑制碳酸鹽沉淀。

3. 阻垢劑：添加聚磷酸鹽,、膦酸鹽等分散劑,，干擾結(jié)晶過程,。

4. 定期排污：降低濃縮倍數(shù),，控制離子濃度,。

5. 物理清洗：高壓水射流或機械清理去除頑固垢層。

總結(jié)

碳酸鹽垢的形成是水中鈣鎂離子與碳酸氫根在高溫,、蒸發(fā),、低流速等條件下共同作用的結(jié)果。通過控制水質(zhì),、調(diào)節(jié)溫度和流速,、使用阻垢劑等方法，可有效預(yù)防或減緩垢的形成,。