简介
在水处理行业拥有超过42年的经验，其中36位是专业工程师和顾问，我见过各种各样的治疗技术，这些技术与治疗问题的出现相吻合。有许多治疗方案可用于解决许多情况。也就是说，必须预期一些工作比其他工作更好，取决于应用，水类型和测试结果。

个人见解

我们深入挖掘之前，我想提出关于水的一些个人见解治疗。首先，重要的是要意识到所有供水都含有污染物。世界上没有两种水源含有完全相同种类和浓度的污染物。同样重要的是要理解，几乎不可能去除所有水性污染物。现在我们拥有分析专业知识来测量浓度低至万亿分之一（ppt）范围（相当于35，000年内约一秒），我们知道没有水这样的东西绝对没有污染物。这一切都凸显了它是多么复杂的去除污染物的挑战可能是如何难以完全理解如何（以及如何好）具体治疗技术的工作原理。也就是说，地球上的一切都必须遵守某些物理和化学定律。这些被称为热力学基本定律的定律都与能量的守恒和消耗有关。

了解这些法律并不意味着我们可以完全理解所有技术的运作方式。举例来说，RO膜的盐排斥。我们毫无疑问地知道离子污染物被排斥并且排斥程度与电荷强度（多价>单价）有关，但确切的机制仍然是备受争议的主题。

两个光滑表面之间的纳米薄水层在极端压力下没有被挤出的现象尚未完全了解。阿克伦大学的研究现在表明，表面之间自然产生的电荷会捕获水并赋予它类似冰的性质，从而显着减少表面之间的摩擦，这是基于科学的发现的一个例子，可能提供有趣的发展为未来。

另一个似乎挑战科学的现象的例子是简单的逻辑告诉我们冷水比热水更快地冻结; 然而，一些测试显示恰恰相反。1969年，一位名叫Mpemba的坦桑尼亚高中生（现在称为Mpemba效应）向现代科学界介绍了这种自然的怪癖，但在一些对照实验中已经观察到，但仍未完全理解。诸如冷却的温水的特定特性，其质量变化，溶解的空气含量以及甚至由冷却设备产生的对流的因素可能起作用。这些因素都是基于科学原理，在解释这一有趣现象之前，这只是时间和精力的问题（不违反任何物理和化学定律）。冷冻水。

它真的有效吗？

该行业拥有大量基于垃圾科学，错误垃圾，无意义的拍手陷阱等技术的传播者。最重要的是，这些奇迹机制中的绝大多数并非基于合理的科学原理而且不起作用。从这一点开始，我将使用第一个人称代词，因为这篇文章很大程度上是基于我在水处理方面的经验。由于我不是医生，我将远离针对这些产品的（通常是荒谬的）健康声明，并专注于去除特定水性污染物和一般水质改善的声明。

本演示中的奇迹机制的主题通常被称为物理水设备（PWD），非化学设备（NCD）和许多其他不适合出版的名称; 我将使用通用术语物理水处理器（PWC）。（这些设备以某种形式自20世纪30年代开始上市销售，实际上，1890年为一个这样的系统授予了美国专利。）在本文中，我将讨论一个主要的共同治疗问题，其中有多个选项：不那么精彩的水垢世界。

背景

水无疑是地球上研究最多的物质，但显而易见的是，即使是科学家也很难理解水。例如，化学家仍然无法就水分子如何将自身排列成液滴达成一致。水是宇宙中第二丰富的分子，仅次于氢。在我们的身体中，水分子比其他所有分子组合多一百倍。纯水是仅由两个氢原子和一个氧（H 2O）组成的化合物。它非常稳定且难以分解。根据其化学式，水应该作为气体而不是液体存在它是少数已知物质之一，其固体形式（冰）的稠度低于其液体形式。这就是为什么冰漂浮在水面上，管道在冻结时爆裂的原因。

水分子

水分子的一个非常不寻常的特性是它的形状。而不是存在于每端具有氢原子和中间氧原子的直线（例如杠铃）中，该分子是V形的，氢原子彼此成104.5°的角度（见图1） ）。这有助于水的独特性质：一侧略微为负，另一侧略微为正，这赋予极性并影响每个分子与其邻居的反应方式。的液体水结构类似于与氢原子和氧原子不断突破和重新连接非常迅速（在皮秒）之间的键永动机凝胶。

通常被称为通用溶剂，水想要溶解它接触的每种物质。该物质的特殊特性以及水本身的性质（pH，纯度，温度等）影响这一方面。对于大多数微生物而言，水也是一种极好的生长介质，包括一些致病的，影响人类健康的极少数微生物。如果水中的这些污染物是不合需要的，出于某种原因，必须对水进行处理以除去它们或减轻它们的影响。图1列出了水性污染物的类别。这些类别由化学状态定义，这在很大程度上决定了治疗技术的选择。

硬度

实际上，全世界所有的淡水供应都含有至少一些硬度（钙和镁）化合物。特别是，碳酸钙非常不溶于水（~15mg / L）。因此，作为任何浓缩事件（例如蒸发）的结果，形成这种不溶性化合物，称为氧化皮。此外，它违反了正常的化学定律，因为当水被加热时，它变得溶解性较差（逆行溶解性）并且在表面上沉积水垢。这就解释了为什么热水器在硬水中如此容易扩展。

当产生硬度 标度时，它呈晶体形式。在碳酸钙的情况下，可以产生两种单独的晶体（方解石和文石）。尽管与硬水相关的水垢可能含有许多其他离子（镁，铁，锰，二氧化硅，硫酸盐等），但主要元凶是结晶形式的碳酸钙。晶体通常在超饱和溶液中形成，其中已超过碳酸钙的溶解度。必须存在某种成核位点以使晶体开始生长。最常见的是，这些部位是管道，容器，加热元件的湿润表面为了使事情变得更加复杂，这种规模可以是软的也可以是硬的 - 这背后的机制尚不完全清楚。

方解石是最常见的不溶性碳酸钙形式。它是三角形，六边形，偏三角面体晶体，可以是白色，无色，灰色甚至黄色或绿色。（有点琐事：在第二次世界大战中，高级透明方解石晶体被用作枪瞄准具。）文石是另一种形式的碳酸钙，通常由生物过程产生，并具有更多的柱状（针状）晶体形式。据说它不会像方解石一样容易附着在表面上。由于其逆行溶解性，在较高水温下碳酸钙晶体生长速率增加。在降低的压力下，发生更多的生长，以及在升高的pH水平下。在传热表面上缩放（加热元件，冷却塔等）显着减少了热传递并增加了运行成本。在住宅应用中，结垢被认为是热水器故障的主要原因。与另一种相对不溶的普通水垢相反，硫酸钙，碳酸钙易于被酸溶解。

硬水供应的普遍存在，导致结垢，染色，肥皂浮渣等问题，已经为水软化（减少规模 ）技术创造了巨大的市场。住宅应用中最实用的处理方法称为钠离子交换，利用含有附着钠原子的特殊阳离子树脂进行软化。当硬水通过树脂时，钙和镁离子取代钠离子并吸附在树脂上 ，基于称为离子选择性的化学现象。当树脂达到其吸附能力时，必须将柔软剂脱线以进行再生。通过树脂运行高浓度的氯化钠（或氯化钾）使树脂再生。这种高离子强度剥离钙和镁离子，用钠（或钾）取代它们并使树脂返回使用。

2009年由水质研究基金会委托并由Battelle纪念研究所进行的一项科学研究比较了用软化和未软化水供应的燃气和电动住宅热水器的规模积累。该研究的结果总结在图2中。

软水市场

北美住宅用水软化剂市场估计为785,000单位/年。与颗粒状或粒状氯化钠（盐）相关的成本和处理问题，以及由高浓度排出的氯化物（废再生剂）引起的潜在再利用并发症，可能导致许多无化学品，防垢剂的流入。技术，其中大部分从未经过科学验证。除住宅应用外，还要求软化水延伸到商业（酒店，餐馆等），机构（医院，护理设施，学校）和工业制造业，其中特别关注硬水规模。冷却塔也需要软化/不含钙的水，其利用水蒸发来降低再循环水的温度。当然，这种蒸发过程会引起明显的降水和结垢问题。

商业/工业软化剂的市场潜力超过60,000单位/年。水处理行业被指控操纵水，使其可以接受的特定用途。大量污染物，每种污染物都具有独特的性质，再加上许多处理技术（受不断变化的水质应用要求和其他因素的影响），使这项活动极为复杂和具有挑战性。不幸的是，大多数消费者和许多负责购买处理技术的商业和工业决策者既没有技术背景也没有经验来确定哪种技术最好，甚至根本不可行。

PWCS

一般而言，PWC以下列类别之一运营：

• 磁性    
• 催化    
• 静电的
• 电磁    
• 机械

磁性PWC使用一个或多个连接在水管外部或内部的永磁体。电磁PW利用通过螺线管的交流或脉冲电流产生磁场。据称这两类产生的磁场都会影响碳酸钙晶体的形成，产生文石而不是方解石晶体。声称文石不会粘在表面上。据推测，一些磁性和电磁式PWC起作用是因为流动水中的盐在磁通线中产生阴离子和阴极区。声称这些区域会产生电化学腐蚀（在没有不同金属的情况下），导致形成颗粒作为成核位点。另一种声称用于这些的机制是铁 “被电荷激发”并且据称其自身充当成核位点。该权利要求对正常的非酸性水供应中的铁形成不溶性氢氧化物或氧化物化合物并立即沉淀的化学事实进行了折扣。机械装置设计用于破坏流动水的流动和/或压力，从而以某种方式改变其化学性质。催化装置来在许多配置中，但主要是填充有赋予一种专利材料壳体规模 -减少（或其它）特性的处理过的水。

实际上满足其性能要求（据我所知）的唯一催化装置是模板辅助结晶（TAC）介质。这一过程于1998年出现，似乎可以在不需要再生或利用离子交换的情况下最大限度地减少结垢。TAC使用聚合物珠粒，与传统水软化剂中的离子交换 树脂不同。然而，这些珠子含有微观成核位点，这些位点导致钙和镁晶体在该位置形成并最终从树脂上脱离作为不溶性颗粒进入水中。这些胶体大小的颗粒不附着在表面上并与水一起进行。其结果是，虽然TAC实际上不除去硬度，但它确实减少比例附着到表面上。该过程不需要动力，化学添加或反洗。树脂的寿命通常为约三年。它已经过可信的第三方机构的彻底测试，并且已被证明通常表现为声称的; 然而，当地的水化学似乎对性能有影响。例如，已证明TAC对二氧化硅的去除无效。当然，与离子交换技术一样，TAC树脂也很容易受到影响犯规。这强调要求审查总安装细节并要求对每个应用进行完整的水分析。

静电PWCS通常利用充有从直流电源的高电压的两个电极，而是用小电流 流动。水流动经过带电电极之间。与磁性装置一样，据称碳酸钙在悬浮液中成核，因此减少了表面结垢。换句话说，虽然形成了鳞片，但它不会粘在表面上。

几乎所有这些设备的共同主题是，碳酸钙的化学性质被永久改变，并且因为在文石形式的碳酸钙将认为不会粘到表面上，以引发形成所需的成核位点的规模是在悬浮液中（如与表面相对）因此，解决了缩放问题。许多人声称他们的技术也将有效地消除规模已经附着在表面上，通过去角质或其他一些未公开的机制。与我们今天认为理所当然的许多新技术一样，普通人既没有学术培训，也没有具体的技术经验来完全理解它们的工作方式，甚至不知道如何制作设备。我们必须依靠可靠的第三方测试，以及基于此测试的性能声明。测试组织需要全面，科学准确且可重复的测试协议。该协议应由合格的个人开发，并基于仔细分析和合理的科学。

随着数以百计的厂商谁也提供了数千台设备的行业，多年来，这是很难做出包罗万象的陈述。在这样做的风险，我的结论是，与上述TAC外，没有PWC设备实际上已经存活严谨，第三方，科学可信的测试，以支持特定规模 - 降低了它提出的要求。也就是说，在精心控制的实验室实验中，已经注意到对碳酸钙结垢形成的一些影响; 然而，效果是轻微的，不可预测的，显然是无法控制的，因此始终不可再现。

验证测试

关于住宅热水器结垢，管道和机械官员的国际协会（IAPMO）正在编写一个这样的协议，过程IAPMO / BSR Z601-2016 规模 减少设备，现在是ANSI公众审查文件草案。如果获得批准，它将构成美国国家标准，并作为测试协议提供给合格的测试组织。这个协议描述来评价方法规模 还原技术和证明其有效性。试验水具有代表性分析，含有450±50mg / L（26±2gpg）的硬度并且可以使用罐式热水器（气体或电动）和无槽热水器。包括控制在内的四个单元在10天内进行测试。对于被认为可接受的技术，在加热表面上积累的比例（通过酸溶解和化学分析测量）必须小于控制单元中产生的比例的30％（可能有变化，待审查）。仅量化沉积在元素上的实际比例。

结论

事实上，所有PWC设备制造商声称他们改变了水垢的特性，使其在水中形成不附着在表面上的自由浮动颗粒。如果确实如此，应该可以使用微 滤膜技术来测试特定制造商索赔的准确性。例如，紧密的MF 膜，比如0.05μ 孔径，应该浓缩这些颗粒，与未暴露于设备的水流相比，可以进行简单的分析测试以验证其浓度。除了对规模的影响的形成，许多PWCS权利要求其他的好处，包括微生物还原，生物膜预防/移除，在水中改变粘度，上有益的效果冰生产/形成和减少总的溶解固体（TDS）。这些索赔将在第2部分中解决。