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、物理和流體動力學的綜合過程，以下是其形成機制的詳細說明：

一、化學形成原理

1. 水源中的離子基礎

• 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。

• 關鍵反應：

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

  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。

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

二、熱力學與蒸發濃縮

1. 蒸發濃縮效應

• 在封閉或循環水系統中（如鍋爐），水因蒸發或持續加熱導致體積減少，離子濃度升高（如Ca2?、HCO??富集）。

• 當離子濃度超過溶度積（Ksp）時，碳酸鹽結晶析出。

2. 溫度梯度的影響

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

• CO?因溫度升高從水中逸出，進一步打破HCO??的平衡，促進反應向右進行。

三、水動力學與沉積位置

1. 低流速區的沉積

• 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（如泵入口）可能因剪切力抑制垢形成，但后續流動減緩時仍會沉積。

2. 結晶核心的作用

• 金屬表面腐蝕產物（如鐵銹）、雜質顆粒或原有垢層可作為結晶核，誘導碳酸鹽定向生長。

四、水質影響因素

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HCO??轉化為CO?2?，加劇結垢。

五、典型場景示例

1. 鍋爐水垢

• 反復加熱導致蒸發濃縮，Ca2?、Mg2?與HCO??濃度升高，CO?逸出，生成堅硬的碳酸鹽垢。

• 垢層導熱性差，進一步加劇局部過熱，形成惡性循環。

2. 冷卻水系統

• 水溫升高降低碳酸鹽溶解度，同時蒸發濃縮離子濃度，導致管道或換熱面結垢。

六、預防與控制措施

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，干擾結晶過程。

4. 定期排污：降低濃縮倍數，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

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