L'essenza dell'addolcimento della calce è ridurre la durezza dell'acqua aggiungendo calce, che reagisce chimicamente con la durezza temporanea e permanente dell'acqua per formare precipitati insolubili di carbonato di calcio e idrossido di magnesio.
Le principali reazioni chimiche costituiscono la base per la stima:
1. Rimozione della durezza carbonatica (reazione con CO₂ e Ca(HCO₃)₂):
CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
2. Rimozione della durezza del magnesio (reazione con Mg(HCO₃)₂ e Mg²⁺):
Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + Mg(OH)₂↓ + 2H₂O
Mg²⁺ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + Ca²⁺ (Questa reazione introduce una quantità equimolare di ioni calcio)
3. Aggiunta eccessiva: è necessaria ulteriore calce per fornire OH⁻, che reagisce con HCO₃⁻ per produrre CO₃²⁻ e per mantenere il pH sopra 10,3 per garantire la completa precipitazione di Mg(OH)₂.
Data la durezza totale (TH), la durezza del calcio (Ca-H), la durezza del magnesio (Mg-H) e la basicità totale (TA), la quantità di calce da aggiungere (basata su CaO puro al 100%) può essere suddivisa nelle seguenti parti:
1. Calce necessaria per neutralizzare la CO₂ libera (L₁):
Rapporto stechiometrico: 1 mol CO₂ : 1 mol CaO
L₁=[CO₂] (Le unità sono coerenti; se tutte sono espresse come CaCO₃ mg/L, i valori sono uguali.)
2. Calce necessaria per eliminare la durezza carbonatica (L₂):
Questa parte affronta la durezza corrispondente alla basicità. Rapporto stechiometrico: 2 mol HCO₃⁻ (ovvero, 1 mol Ca(HCO₃)₂): 1 mol CaO
L₂=[TA] (Poiché entrambi sono calcolati come CaCO₃, la massa molare è numericamente uguale dopo la conversione.)
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3. Quantità di calce (L₃) necessaria per rimuovere la durezza del magnesio:
La precipitazione del magnesio richiede due parti di OH⁻ e una quantità equivalente di ioni calcio entra nell'acqua dopo la reazione. Rapporto stechiometrico: 1 mol Mg²⁺ : 2 mol CaO
L₃=2 × [Mg - H] (Supponendo CaCO₃, il coefficiente del rapporto di massa è (56/100) × 2 ≈ 1,12, ma è più comunemente calcolato direttamente utilizzando le relazioni molari, ovvero raddoppiando il valore. Qui, [Mg - H] si riferisce alla porzione di durezza del magnesio che deve essere rimossa, ovvero la durezza originale del magnesio dell'acqua meno la durezza target durezza residua ammissibile del magnesio.
4. Dosaggio di calce in eccesso (L₄):
Per garantire una reazione completa, in particolare la precipitazione del magnesio, è solitamente necessario mantenere un pH compreso tra 10 e 11, che richiede l'aggiunta di calce in eccesso. Il valore in eccesso è solitamente stimato empiricamente a circa 25~50 mg/L (come CaCO₃). Per un ammorbidimento più avanzato, il valore in eccesso potrebbe essere maggiore.
5. Dosaggio teorico della calce (basato sul 100%) (basato su CaO):
L_teorico=L₁ + L₂ + L₃ + L₄=[CO₂] + [TA] + 2 × [Mg-H da rimuovere] + Valore in eccesso
La calce commerciale (calce viva o calce spenta) non è pura al 100%. Dosaggio effettivo (kg/m³ o g/L)=L_teorico / Purezza della calce commerciale (%)
Ad esempio, se L_teorico è 200 mg/L CaO e viene utilizzata calce viva commerciale con purezza dell'85%, il dosaggio effettivo è=200/0,85 ≈ 235 mg/L.