图文|自来水博士
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贮水式电热水器
电热水器讲究安全和节能两大功能，不过现阶段的电热水器都能够较好地满足民众们这两方面的需求。随着生活条件的提高、消费观念的升级，电热水器不断普及，大家开始关注健康舒适型消费，电热水器也需要更智能和健康。
电热水器结垢会影响健康
然而，电热水器的电加热管结垢却是一件烦人的事情，甚至会影响电热水器正常使用。结垢不仅会大大缩短电加热管的使用寿命，同时也可能影响了人们的洗浴体验和用水健康。随着电加热器的热胀冷缩，垢层不断脱落，堆积在内胆的底部，造成细菌的滋生。水垢在这种环境中长时间积累，还会造成水中有害物质超标。
长满水垢的热水器加热管
另外，电加热管上结垢之后，因垢层导热不佳，会导致散热不良，热阻增加，继而导致电加热管表面温度升高，促进点蚀的发生和发展，严重时会出现因腐蚀穿孔漏水而引发电击的安全隐患。
尽管电热水器的材料名目繁多，但实际上电热水器主要有不锈钢电加热管和搪瓷电加热管两种。家里有电热水器的网友会发现，不锈钢的电热水器容易结垢、需要定期清洗，而搪瓷的不生锈也不结垢。这是为什么呢？
热水器加热管上清理下来的水垢
结垢是如何形成的？
其实，电热水器结垢的成因和我们用自来水烧开水时产生水垢的原理是一样的。结垢的形成是一个复杂的物理化学反应过程，结垢的出现与我们使用的自来水有关系。
自来水中不可避免地会含有一定量的钙离子和镁离子，尤其是在我国北方，自来水硬度较高，钙镁离子含量大。我们看下面这张表格1，北方城市山东德州市自来水TDS值高达526mg/L，而上海只有212mg/L，不到一半。TDS测量的是自来水中的总溶解性固体，比如说钙离子、镁离子。从表可以看出，TDS越大，自来水越硬，热水器的使用时间越短。
各地自来水TDS值
电热水器在加热的过程中，水温不断升高，水中钙盐和镁盐随着温度升高而降低，因而水温越高，电加热器的积垢速率越快。当水温超过60℃，水中钙盐和镁盐浓度大大超过了它们的溶解度，从而达到过饱和状态，这些钙盐和镁盐就会从过饱和的热水中结晶，并以固体析出，在电加热管上结垢。大家看看下面这张水温与结垢率的图，可以看到当热水器的温度超过50℃，结垢率开始出现显著增加。
水温与结垢率的关系
热水器工作时，电加热管外管温度可达90-120℃，水中碳酸氢钙和碳酸氢镁会受热分解，放出二氧化碳，变成难溶解的碳酸钙和氢氧化镁固体，在电加热管产生结垢。结垢过程中可能存在以下6个化学反应。都是中学化学反应，不记得的话，快点再温习一下吧。
结垢过程中的化学反应
电加热管表面为什么会结垢？
电热水器主要有内胆、内胆涂层、电加热管等组成。由于电加热管表面温度高，自来水中的钙离子和镁离子容易粘附在其上面，为钙盐和镁盐的结晶析出提供了条件。很多网友可能会问一个问题，为什么只出现在电加热管表面结垢，而不会在热水器的内胆形成结垢？
上文提到了，由于电加热管表面温度较高，在加热过程中会产生气泡，导致局部钙盐和镁盐浓度过高（大多是碳酸钙和氢氧化镁）从而析出在电加热管表面，形成严重的结垢。这种情况属于非均匀成核，也就是钙盐和镁盐在容器壁或加热管表面形成水垢析出。
还有另一种情况是均匀形核，就是钙盐和镁盐在水溶液中，钙盐/镁盐分子和钙盐/镁盐分子相互结合，形成大的水垢析出。非均匀成核与均匀形核最大区别就是非均匀成核有一个可以依附的表面，比如说加热管表面，这个表面有助于结垢，而均匀形核因为没有一个可以依附的表面，结垢的形成要变得非常困难。这就个可以依附的表面，其实有点像房子的地基，地基好，房子盖起来容易且稳定；而均匀形核没有地基，要想把房子盖好，难度很大。
所以，非均匀形核的形核功比均匀形核的形核功小得多，简而言之就是非均匀形核需要的能量少。我们看下面这张非均匀形核与均匀形核的形核功对比图，非均匀形核的形核功要小太多了。这也就是为什么结垢多出现在电加热管表面结垢，内胆不结垢是因为它不能加热、温度不高。因此，我们需要定期对电加热管表面的结垢进行清洗。
红线为均匀形核功，黑线为非均匀形核功
搪瓷电加热管自净不结垢
用过搪瓷电热水器的网友可能知道，结垢大大减少了。电热水器的研究人员特地做了一组实验，分别对不锈钢和搪瓷热水器进行加热。实验发现，在通电加热30和50小时之后，不锈钢电加热管结垢情况比搪瓷电加热管结垢情况更加严重。
持续加热二天后，搪瓷电加热表面的结垢开始自动剥落，而不锈钢电加热表面的结垢逐渐积累，厚度变厚且更加致密，基本上布满整个电加热管的热端。使用硬水较高的水时，不锈钢电加热管的热端有一层致密且不易去除的水垢；搪瓷电加热管的热端在电加热运行过程中也会有结垢依附，但是结垢和搪瓷层几乎没有结合力，结垢在电加热运行过程中就可以自动脱落，所以搪瓷电加热管似乎有一种自净的能力。
搪瓷杯
搪瓷电加热管为什么能不结垢？
搪瓷是将无机玻璃质材料通过熔融凝于金属基体上，并能够和金属基体牢固结合在一起的一种复合材料。简单说，搪瓷就是一种瓷化或玻璃化的无机涂层，以加热熔化的方法，附着于金属表面，所以搪瓷的主要成分其实与玻璃一致，就是石英（即是二氧化硅）。搪瓷表面致密、光滑、无孔，不容易残留污迹、油迹等，细菌难以附着、无法繁殖。大家肯定知道搪瓷杯，它是搪瓷材料的最好代表，干净、光滑、不留污渍。
那么，搪瓷电加热管为何能自净、不结垢呢？而不锈钢却结垢严重？这与搪瓷和不锈钢材料的表面能有关系。
从化学的角度讲，结垢就是盐类从溶液中结晶析出。电热水器的加热管上结垢的产生，是水中碳酸钙和氢氧化镁等盐类从水中结晶析出的一个过程。根据结晶动力学，结晶分为产生晶核和晶核再生长成微晶粒两个阶段。微晶粒在水中热运动，微晶粒与微晶粒不断碰撞，这就是我们上文提到的均匀形核；微晶粒与电加热管表面也会不断发生碰撞，这就是非均匀成核。由于非均匀成核所需能量大，所以晶体微粒最终在电加热管表面形成碳酸钙结垢。
结垢严重的电加热管
影响结垢的关键因素是材料的表面能，表面能低的材料可以减轻污染物的黏附，起到阻垢的效果。搪瓷的表面能（12-25dyn/cm）比不锈钢材料的表面能（37-46dyn/cm）低，在加热时搪瓷电加热管不利于黏附结垢晶粒，导致结垢的诱导期长，结垢的起始阶段开始较晚，所以污垢更难附着，结垢率慢。
同时，搪瓷电加热管表面光滑，产生的结垢疏松且不容易附着，在加热过程中其表面不断产生微小的水蒸气气泡，能够让结垢剥落。因此，搪瓷层本身具有自净、不结垢的性能。
参考资料
陈昌中, 谭德强, 黄开东. 热水器用电加热管阻垢及防腐蚀研究. 加点科技, 2019, 3.
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