碳酸鹽垢（主要成分為碳酸鈣CaCO?和碳酸鎂MgCO?）的形成是一個(gè)涉及化學(xué)、物理和流體動(dòng)力學(xué)的綜合過(guò)程，以下是其形成機(jī)制的詳細(xì)說(shuō)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(shí)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(shí)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(guò)溶度積（Ksp）時(shí)，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(guò)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(dòng)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(wú)法及時(shí)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(dòng)減緩時(shí)仍會(huì)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(zhǎng)。

四、水質(zhì)影響因素

1. 硬度與堿度

• 硬度（Mg2?）和暫時(shí)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(shí)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(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性可能抑制垢形成。

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

五、典型場(chǎng)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(jiān)硬的碳酸鹽垢。

• 垢層導(dǎo)熱性差，進(jìn)一步加劇局部過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(jī)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(guò)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。