軟水化

軟水化とは、硬水中のカルシウム、マグネシウム、その他の金属陽イオンを除去することです。軟水化によって得られる軟水では、カルシウムイオンと結合して石鹸が無駄にならないため、同じ洗浄力で石鹸の使用量が減ります。また、軟水化により、パイプや継手内のスケールの蓄積が軽減または除去されるため、配管の寿命が延びます。軟水化は通常、石灰軟化剤またはイオン交換樹脂を使用して行われますが、ナノ濾過膜または逆浸透膜を使用して実現されることが増えています。

水中にカルシウムやマグネシウムなどの特定の金属イオンが、主に重炭酸塩、塩化物、硫酸塩として存在すると、さまざまな問題を引き起こします。^[1]

硬水は石灰の蓄積を招き、配管を汚したり、ガルバニック腐食を促進したりする可能性があります。^[2]工業規模の軟水化プラントでは、再生プロセスからの排水がスケールを沈殿させ、下水道に支障をきたす可能性があります。^[3]

軟水で洗ったときに感じるヌルヌル感は、水からミネラル分が除去されると、石鹸と水のイオンとの引き合いが弱くなるために生じます。人間の皮膚の表面は軽い電荷を帯びており、石鹸がそこにくっつく傾向があるため、落とすのにより多くの労力と大量の水が必要になります。^[4]硬水にはカルシウムイオンやマグネシウムイオンが含まれており、石鹸と反応して不溶性の塩を形成し、浴槽やシャワーの表面に不溶性のステアリン酸塩の膜を残します。これは一般に石鹸カスと呼ばれます。 ^{[4] [5]}

水の硬度を除去する最も一般的な方法は、イオン交換樹脂または逆浸透に依存しています。その他のアプローチには、流動床ペレット軟化法などの沈殿法^[6]やキレート剤の添加による隔離法などがあります。蒸留と逆浸透は、最も広く使用されている2つの非化学的な軟水化方法です。

家庭用の従来の軟水化装置は、イオン交換樹脂に依存しており、その中で「硬度イオン」（主にCa ²⁺とMg ^{2+ ）が}ナトリウムイオンと交換されます。^[7] NSF / ANSI規格44 に記載されているように、^{[8]イオン交換装置は、マグネシウムとカルシウム（Mg 2+}とCa ²⁺）をナトリウムまたはカリウムイオン（Na ⁺とK ⁺ ）に置き換えることで硬度を低下させます。

イオン交換樹脂は、一価カチオン（Na ⁺）よりも二価カチオン（Ca ²⁺）が強く結合する陰イオン官能基を含む有機ポリマーです。ゼオライトと呼ばれる無機材料もイオン交換特性を示します。これらの鉱物は洗濯用洗剤に広く使用されています。樹脂は、吸収された炭酸イオン、重炭酸イオン、硫酸イオン、および樹脂から放出される水酸化物イオンを除去するためにも使用できます。^[9]

利用可能なNa ⁺イオンがすべてカルシウムイオンまたはマグネシウムイオンに置き換えられたら、使用する樹脂の種類に応じて塩化ナトリウムまたは水酸化ナトリウムの溶液を使用してCa ²⁺イオンとMg ²⁺イオンを溶出することにより、樹脂を再充填する必要があります。 ^{[10]アニオン性樹脂の場合、再生には通常、水酸化ナトリウム（}苛性ソーダ）または水酸化カリウムの溶液が使用されます。イオン交換カラムから溶出された不要なカルシウム塩とマグネシウム塩を含む廃水は、通常、下水道に排出されます。^[3]

再充電は通常次の手順で行われます。^[11]

• 逆洗: 水は通常の流れと逆方向に樹脂に流され、排出物は排水口に送られて廃棄されます。この 10 分間のプロセスにより、固形物が洗い流され、樹脂層が拡張されます。
• 塩水引き込み：水はジェットポンプに導かれ、塩水タンクから塩水を引き込み、水と塩水が樹脂層を通過する前に、並流の場合は通常方向に、向流の場合は逆方向に通過します。^[12] この通常30分間のプロセスの出力は、排水ホースから廃棄されます。
• すすぎ: 塩水の引き込みは止まりますが、水は入口から出口まで流れ続け、徐々に樹脂床から塩水を洗い流します。洗い流し水は数分間ゆっくりと流れ、その後 1 時間ほど速い速度で流れます。ある時点で、塩水タンクは真水で満たされます。

石灰軟化法は、硬水に石灰を加えて軟水にするプロセスです。イオン交換法に比べていくつかの利点がありますが^{（さらに説明が必要）}、主に商業的な処理用途に適しています。^[13]

キレート剤は化学分析や水軟化剤として使用され、シャンプーや食品保存料など多くの市販製品の成分となっています。クエン酸は石鹸、パーソナルケア製品、洗濯用洗剤で水を軟化させるために使用されます。一般的に使用されている合成キレート剤はエチレンジアミン四酢酸（EDTA）で、四ナトリウム塩または二ナトリウム塩として存在します。家庭用品やパーソナルケア製品でのEDTAの広範な使用に関する環境毒性と水生毒性の懸念から、フィチン酸ナトリウム/フィチン酸、グルタミン酸二酢酸四ナトリウム、エチレンジアミン二コハク酸三ナトリウムなどの代替品がより広く使用されています。

この方法では、計算された量の洗濯ソーダ(Na ₂ CO ₃ ) で水を処理し、カルシウムとマグネシウムの塩化物と硫酸塩をそれぞれの炭酸塩に変換して沈殿させます。

CaCl ₂ + Na ₂ CO ₃ → CaCO ₃ + 2NaCl

MgSO ₄ + Na ₂ CO ₃ → MgCO ₃ + Na ₂ SO ₄

Ca ²⁺とMg ^2+は非揮発性塩として存在するため、水を蒸留することで除去できます。蒸留は他の軟水化方法に比べて高価でエネルギー効率が悪いです。雨水が軟水なのは、蒸発、凝縮、降水という水循環の過程で自然に蒸留されるからです。^[14]

逆浸透は、半透膜に圧力勾配を適用して浸透圧を克服し、硬度イオンを含む溶液から水分子を除去します。膜には水分子が通過できる大きさの孔があり、Ca ²⁺や Mg ²⁺などの硬度イオンは孔を通過できません。その結果得られる軟水には硬度イオンが含まれず、他のイオンも追加されません。膜は、定期的な洗浄または交換メンテナンスを必要とするタイプの水フィルターです。

ナノ濾過は半透膜を使用する点で逆浸透に似たプロセスですが、フィルター膜の孔径が10ナノメートル以下である点が異なります。ナノ濾過だけでは化学的な水処理方法ほど効果的ではなく、コストもかかるため、このプロセスは逆浸透濾過と組み合わせて使用​​されることが多いです。^[15]

一部のメーカーは、自社の電気機器がミネラルと水の相互作用に影響を与え、ミネラルが表面に付着しないようにできると主張しています。これらのシステムは従来の軟水装置のようにイオン交換によって機能するわけではないため、ユーザーにはシステムに塩を追加する必要がないという利点があるとされています。このようなシステムは水自体からミネラルを取り除くわけではありません。むしろ、ミネラルを含む水が本来持つであろう下流への影響を変えることしかできません。これらのシステムは「軟水化」という用語には当てはまらず、「水質調整」という用語に当てはまります。^[要出典]

磁気水処理に関する同様の主張は有効とはみなされていない。例えば、そのような磁気装置を科学的にテストしたところ、スケール形成の減少は見られなかった。^[16]

硬水中のミネラルを除去または置換することを水軟化といいます。代替の水処理は水調整と呼ばれ、ミネラルは水中に残りますが、スケールを形成しないように変更されます。米国には水中のミネラルを測定するための基準がありますが、水のスケール形成能力を測定するための基準はありません。代わりに、米国の研究者はドイツのDVGW-W512プロトコルを使用しています。^[17]

雨水には大気から取り込まれた二酸化炭素が溶解しています。溶解した二酸化炭素の一部は水と反応して炭酸を形成し、溶液中に残ります。カルシウムとマグネシウムを含むミネラルは炭酸にさらされると可溶性の重炭酸塩を形成します。これらのミネラルを含む水は「硬水」として知られています。^[要出典]

硬水が配管システム内で加熱されると、二酸化炭素が溶解しなくなり、重炭酸塩が炭酸塩になりますが、炭酸塩は溶解度がはるかに低くなります。炭酸塩は配管の表面に結合して種結晶となり、さらに結晶が成長して、硬いスケールとして蓄積されます。^{[引用が必要]}

物理的水処理（PWT）装置は、微細な鉱物結晶を形成し、水とともに流れる際に浮遊したままにし、さらに結晶成長の種として作用する。水が加熱されると、ミネラルは配管システムではなくこれらの種の上に結晶化する。溶解したミネラルは不溶性の固体粒子となって浮遊し、配管表面に付着することなくシステムを通過していく。^[18]

イオン交換水軟化剤の代替品は存在します。下の表を参照してください。

冷たい硬水は、小さなポリマービーズが入ったタンクを通過します。このビーズの表面には、二酸化炭素ガスの小さな泡の核形成を可能にします。硬水が井戸を流れるときに、ビール瓶の蓋が開いたときのように、圧力が下がることで、ガス泡の最初の核形成が発生する可能性があります。二酸化炭素が液体から出ると、すぐに化学反応が起こり、泡の表面に炭酸カルシウムの結晶が形成されます。これらの種子の上で結晶が成長すると、流れの中で微視的サイズのまま壊れます。これらの小さな粒子が給湯器を通過すると、温度の上昇により二酸化炭素のさらなる溶解が起こり、給湯器ではなく粒子上で新しい結晶の成長が発生します。水中に方解石が発生すると、結晶上の利用可能な結合と、水中の方解石表面の近さと数により、新しい方解石は古い方解石の上に形成される傾向があります。^{[引用が必要]}

このプロセスは、テンプレート支援結晶化 (TAC) または核形成支援結晶化 (NAC) と呼ばれます。ポリマービーズは、サイズが 0.5 ～ 2.0 μm のポリリン酸です。 ^{[引用が必要]}また、一部にはセラミックコーティングが施されています。アリゾナ大学でのテストでは、スケール形成の低減に最も効果的だったのは TAC で、それに続いてイオン交換がわずかに効果的でした (上のグラフを参照)。磁場や電場を適用してイオンを隔離しようとするアプローチよりも効果的です。TAC タンクの利点は、シンプルさ、メンテナンスの手間がかからないこと、有毒な流出物 (塩素など) がないこと、飲料水中の栄養素としてカルシウムを利用できることです。欠点は、方解石結晶が回避または水から除去されないため、水が蒸発する場所には依然として堆積物が残ることです。メーカーは、方解石は表面ではなく種結晶上に形成されるため、これらの堆積物は洗浄しやすいと主張しています。^{[引用が必要]}

英国の国民保健サービスは、塩分摂取量の上限を6gと推奨しているが、実際の現在の摂取量は8.1gである。米国CDCは、 1日の総ナトリウム摂取量を2,300mgに制限することを推奨しているが^[21]、平均的な米国人は1日3,500mgを摂取している。^[22] 飲料水に含まれるナトリウムの量は、軟水化後であっても、人の1日のナトリウム摂取量の大きな割合を占めないため、米国EPAは飲料水中のナトリウムが健康に悪影響を及ぼす可能性は低いと考えている。^[23]

ある研究によると、軟水に含まれるナトリウムの平均濃度は 278 mg/L でした。^[24]成人の平均的な飲料水として通常推奨される量である 2 リットルの水に含まれるナトリウムの量は、米国 CDC が推奨するナトリウム摂取量の約 22% に相当し、ナトリウム摂取量を大幅に制限する必要がある人にとっては大きな違いとなる可能性があります。 ^[要出典]ナトリウム制限食を摂取している人は、飲料水や調理水に逆浸透システムを使用すると、ナトリウムだけでなく、存在する可能性のあるその他の不純物も除去できます。^[要出典]塩化カリウムも塩化ナトリウムの代わりに再生剤として使用できますが、コストは高くなります。ただし、腎機能障害のある人の場合、カリウム濃度の上昇、つまり高カリウム血症により、不整脈などの合併症を引き起こす可能性があります。^[要出典]

家庭内の水の硬度が高いことも、幼少期のアトピー性皮膚炎（湿疹）の発症と関連している可能性があるが^[25]、実際の関係は現時点では相関関係にあり、因果関係を確立するにはさらなる研究が必要である。しかし、アトピー性皮膚炎がすでに発症しているときに軟水器を使用しても、症状の重症度は軽減されない。^{[26] [27]}

カルシウムとマグネシウムが部分的にナトリウムに置き換えられた軟水（残留炭酸ナトリウム指数として測定）は、アルカリ土壌の形成を引き起こす傾向があるため、灌漑用には適していません。^[28]この用途では、従来の軟水化装置の代わりに非化学的な装置が使用されることが多いです。

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