Жесткая вода определение. Системы умягчения

Жесткая вода. Это словосочетание прочно засело в наше сознание. Но что мы о ней знаем? Что стирать в ней очень трудно – порошок не мылится, а ткань становится неприятной на ощупь. Еще мы знаем, что вода с повышенным уровнем жесткости вредна для кожи и волос. Она вызывает сухость и шелушения. Также мы слышали, что она становится причиной образования накипи на электрических приборах и выхода из строя. Но откуда берется жесткость, каково ее влияние на здоровье человека и самое главное – как с ней бороться? Сегодня мы поможем в этом разобраться.

Какую воду называют жесткой

Жесткость – характеристика воды, которая означает уровень солей жесткости растворенных в ней. В основном это соли кальция и магния.

Термин «жесткая вода» активно используется в повседневной жизни. Однако не все до конца понимают значение. Он не указывает на непосредственные свойства воды. Мы не можем на ощупь определить жесткость или мягкость. Этот термин возник он из-за того, что ткани, которые стираются в такой воде, становятся менее мягкими и податливыми. Причина – пористая структура ткани, которая способна присоединять соли, образованные во время стирки.

Откуда берется повышенная жесткость воды

Хоть мы и привыкли связывать экологические проблемы с деятельностью человека, к жесткости природной воды из источников она отношения не имеет. Причина лежит под землей. А если точнее, в залежах пород: гипса, известняка, доломитов. Подземные воды растворяют в себе эти породы. В воде появляются катионы кальция и магния и других металлов, которые вступают в реакцию с анионами и непосредственно влияют на жесткость.

Поэтому в подземных источниках и в скважине жесткая вода. Пресная вода в поверхностных источниках мягче подземных. Однако большую жесткость поверхностные воды имеют в зимний период. Но наступлением весны в них поступают талые воды и снижают жесткость.

Виды жесткости воды

Общая жесткость выражает суммарное количество солей в воде. В свою очередь она подразделяется на две разновидности: временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную). Видимое отличие – в образовании осадка при нагревании. Соли временной жесткости выпадают в осадок, а постоянные наоборот. Временная жесткость особенная содержанием гидрокарбонатных или бикарбонатных соединений, которые при кипячении распадаются и образуют воду, углекислый газ и карбонат кальция. Поэтому временная жесткость полностью или частично устраняется кипячением.

Иначе дело обстоит с постоянной жесткостью. Она возникает из-за содержания в солях хлоридов, сульфатов, фосфатов, нитратов и прочих элементов. От нее невозможно избавится при помощи нагревания воды. Вещества не распадаются и не образуют осадок. А в чрезмерных количествах они вредят здоровью человека. Очищая воду, важно уделить внимание временной и постоянной жесткостям.

В чем измеряется жесткость воды

На территории РФ ее измеряют градусами жесткости. Приведу сравнительную таблицу измерения в разных странах:

В разных городах европейских стран показатель жесткости существенно отличается. Для сравнения приведу таблицу:

Качество жесткой воды

Показатель жесткости существенно влияет на вкусовые качества питьевой воды. Она приобретает неприятный горький привкус. Однако однозначных требований касательно допустимого уровня жесткости нет. Все зависит от конкретной местности проживания. Для некоторых потребителей существует одна допустимая норма, а для других она может быть в 2 раза выше.

Всемирная Организация Здравоохранения в ряде своих материалов указывает на связь жесткости и некоторых заболеваний. Однако по мнению специалистов этих данных недостаточно для установления допустимого показателя. Согласно государственному стандарту РФ, жесткость питьевой воды не должна превышать 7 мг-экв/л. А вот для отопления и водонагревательных приборов свойства жесткой воды большое значение. Ведь чем она выше, тем вероятнее образование шлаков и накипи в трубах, бойлерах и чайниках. Поэтому наиболее приемлемый показатель – менее 4 мг-экв/л.

Существенный недостаток жесткой воды – слабое вспенивание моющих веществ. Это становится причиной значительного перерасхода. А после высыхания на поверхности белья, сантехники, вымытых поверхностей, и даже коже и волосах человека образуется невидимый налет.

При этом слишком мягкая вода с показателем менее 2 мг-экв/л обладает низкой щелочностью. Это влечет за собой повышенную способность к коррозии водопроводных труб. Поэтому важно соблюдать правильный баланс между жесткостью и мягкостью.

Приведу таблицу показателей жесткости и классификацию:

Влияние жесткой воды на организм человека

Жесткая вода содержит элементы, переизбыток которых негативно влияет на здоровье. При этом это влияние имеет видимые и невидимые последствия. Рассмотрим их подробно.

Реакция кожи на жесткую воду наиболее заметна и проявляется практически сразу. Соли жесткости вступают в реакцию с веществами в шампуне и прочими косметическими средствами и образуют особую пену, которая сложно смывается. После ее высыхания на поверхности кожи появляется пленка.

Главный вред жесткой воды и этого осадка заключается в уничтожении естественной сальной пленки, которая всегда присутствует на кожных покровах здорового человека. Она – защитный механизм кожи и противостоит микробам и агрессивным проявлениям внешней среды. Жесткая вода сушит кожу, способствует появлению шелушений и аллергий. Из-за нее беспокоит перхоть, избавится от которой не помогают даже специальные шампуни. Исчезновение защитной жировой пленки способствует появлению морщин и быстрому старению кожи.

Менее заметным оказывается влияние жесткой воды на пищеварительную систему. Чаще мы приписываем эти последствия съеденной еде. Однако свойства жесткой воды нередко вызывают нарушение работы желудка и кишечника. Они образуют соединения с животными белками из пищи и накапливаются в органах пищеварения, оседая на стенках. Соли способны нарушить ферментацию и поспособствовать накоплению токсинов.

Жесткая вода вредит сердцу и сосудам. Переизбыток кальция и магния ведет к нарушению работы сердечной мышцы. Однако и недостаток этих элементов грозит проблемами с сердечно-сосудистой системой. Фильтры для очистки жесткости воды помогают избежать этих проблем. Они способствуют нормальному балансу жесткости воды. Проблемы с опорно-двигательным аппаратом. Подвижность нашего тела обеспечивается благодаря синовиальной жидкости, которая служит смазкой для суставов. Употребление воды с повышенной жесткостью способствует накоплению минеральных веществ, которые значительно затрудняют двигательные способности организма. Возникают боли при сгибании и разгибании суставов.

До недавнего времени жесткой воде приписывали появления камней в почках и желчных путях. Однако исследования ученых развеяли это заблуждение. На самом деле камни появляются не при переизбытке, а при нехватке кальция. Если организм не получает достаточного количества этого элемента из пищи, то он начинает брать кальций из костей. Большая часть не усваивается и образует камни во внутренних органах и шпоры на костях. При этом переизбыток магния в воде не дает правильно усваиваться кальцию и вытесняет его из организма. Поэтому частично жесткая вода – причина появления камней.

Как определить повышенную жесткость воды в домашних условиях

Внешне вода с повышенной жесткостью совершенно не отличается от обычной. Зачастую она не имеет специфического запаха или мутности. И точное содержание солей жесткости покажет только анализ. Однако есть несколько признаков, которые безошибочно укажут на ее наличие и помогут избежать вреда жесткой воды.

Методы умягчения воды

Умягчением воды называют устранение или сведение до минимума солей жесткости в составе. Для определения необходимости этого процесса для проводится анализ воды. Только по результатам делаются выводы о показателе жесткости воды. Для умягчения используются такие методы:

• термическая обработка;
• химическая обработка;
• физические методы;
• мембранный метод;
• ионный обмен.

Термическая обработка

Простым языком – кипячение. Этот способ один из самых распространенных для умягчения воды дома. Как мы говорили ране, при нагревании гидрокарбонатные соединения (которые становятся причиной жесткой воды) распадаются и образуют осадок. Таким способом возможно частичное устранение жесткой воды.

К достоинствам метода относится простота реализации, невысокая стоимость и возможность умягчения воды дома. Он не требует дополнительного оборудования и материалов. Недостатки способа:

• малый объем полученной очищенной воды;
• необходимо ждать пока она остынет;
• образование накипи на посуде для кипячения;
• неполное устранение солей жесткости.

Химическая обработка

Этот метод подразумевает извлечение солей жесткости с применением химических реакций. В воду добавляют специальные вещества – реагенты. Их задача заключается в нейтрализации ионов кальция и магния. Это происходит благодаря выпадению осадка. Реагенты выбираются на основании исходного состава воды. Ими могут выступать: известь, едкий натр, кальцинированная и пищевая сода, синтетические реагенты. Давайте рассмотрим способы и случаи, в которых они применяются.

1. Известь. Применяется для умягчения воды с высокой карбонатной жесткостью и невысокой некарбонатной. Помимо извести добавляются реагенты-коагулянты.
2. Известь и сода. Комбинирование этих веществ дает возможность получить мягкую воду с показателем жесткости до 1,4-1,8 мг-экв/л.
3. Если в воде значительно выражена карбонатная жесткость, то используется содо-натриевый реагент.
4. Синтетические реагенты. Это коктейль из веществ, которые эффективно справляются с жесткостью в воде. К примеру, капсулы и таблетки для посудомоечных и стиральных машин.

Использование реагентов для смягчения воды позволяют значительно сократить жесткость и убрать взвеси. Однако у такого подхода есть несколько недостатков:

• появление отходов, которые требуют дальнейшей утилизации;
• точный расчет дозы вещества. В противном случае получается непригодная и даже токсичная вода;
• после использования реагентов, вода становится пригодной только для бытовых целей. Использовать для питья и для приготовления пищи нельзя. Исключением является только пищевая сода. Однако недостаток – в частичной очистке воды.
• реагенты требуют особых условий хранения.

Физические методы

Объединяют несколько способов очистки воды от солей жесткости, основой которых являются физические процессы:

1. Электродиализ. Заключается в движении ионов к электродам. Таким образом металлы, входящие в состав солей жесткости, задерживаются.
2. Магниты. Вода проходит через магнитные поля разной направленности. В процессе этого пути образуются крупные соединения, выпадающие в осадок.
3. Магнитно-ионизационный метод. Схож с предыдущим, однако для лучшего результата применяют ионизацию.
4. Ультразвук. Принцип действия напоминает магнитный метод. Также образуются крупные частицы.
5. Электромагнитное излучение. Метод, который начал применятся не так давно. Под влиянием электромагнитных волн определенной частоты, ионы металлов теряют возможность создавать накипь и оседать. Такой способ борьбы с жесткостью хорош как для предотвращения накипи, так и для отслоения существующих наслоений.

Мембранный метод

Основной инструмент – высокое давление, под которым вода пропускается через полупрозрачную пленку (мембрану). Она задерживает примеси и пропускает только молекулы воды. По своим свойствам полученная вода схожа с дистиллированной. Это практически идеальный метод, который дает высокое качество получаемой жидкости.

Однако есть несколько существенных недостатков:

• требуется большое давление;
• вода очищается, но для ее употребления требуется дополнительная минерализация;
• дорогостоящее оборудование и материалы.

Ионный обмен

Этот метод умягчения основан на обмене ионов жесткости в воде (кальций и магний) с ионами фильтрующих материалов (натрий). Фильтрующими материалами выступают специальные мелкозернистые смолы.

Постоянный обмен ионами приводит к исчезновению ионов из загрузки, поэтому требуется замена или восстановление. С заменой все ясно. Но что такое восстановление? Это процесс, когда через отработанную смолу пропускают специальный раствор. Чаще всего в фильтрах для очистки жесткой воды используется обыкновенная поваренная соль. Она отдает ионы натрия загрузке, а ионы жестких металлов замещаются и устраняются.

Есть несколько типов фильтров, которые работают с помощью данного метода:

• с временными картриджами, которые требуют замены;
• колба с загрузкой, которая требует замены;
• фильтры с возможностью восстановления. Особенность – в наличии дополнительного оборудования с очищающей загрузкой.

Ионный обмен – метод, который позволяет получить хорошо умягченную воду в короткий срок. Еще одна особенность – долгий срок службы. Однако есть несколько недостатков:

• фильтры без восстановления требуют замены загрузки или картриджей.
• цена оборудования.

Комбинированный подход

Каждый метод выбирается исходя из некоторых особенностей: исходного содержания жесткости, наличия дополнительных примесей, источника воды, объекта для размещения оборудования. В некоторых случаях для достижения максимально умягченной воды используют несколько методов одновременно.

Вместо выводов

Умягчение воды – важная ступень в очистке. Жесткая вода способна вывести из строя котлы и чайники, привести к образованию накипи внутри труб отопления. Также она обладает низкими вкусовыми качествами, непригодна для питья и может вызывать проблемы со здоровьем.

Свойства жесткой воды не позволяют полноценно ее использовать для бытовых нужд. Поэтому обязательно уделите внимание умягчению. А компания Prof Water готова вам в этом помочь. Мы проведем бесплатный анализ воды на жесткость и определим уровень. И поможем подобрать оборудование, которое подойдет для вашей скважины или колодца чтобы вы и ваши близкие наслаждались только качественной водой.

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней растворенных солей кальция и магния. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость.

Общей жесткостью (Жо) называется суммарная концентрация ионов Ca 2+ и Mg 2+ в воде, выраженная в моль/м 3 или ммоль/дм 3 .Общая жесткость воды (Ж О) равна сумме карбонатной и некарбонатной жесткости.

Ж О = [Са 2+ ] + = Ж К + Ж НК ; (ммоль/дм 3)

Количественно жесткость воды определяется суммой молярных концентраций эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 дм 3 воды (ммоль/дм 3 , мг - экв/дм 3).

Карбонатная (временная) жесткость (Ж К) обусловлена содержанием в воде преимущественно гидрокарбонатов (и карбонатов при рН > 8,3) солей кальция и магния: Ca(НСО 3 ) 2 , Мg(НСО 3 ) 2 , (МgСО 3).

Н екарбонатная жесткость воды (Ж НК) обусловлена присутствием в воде сульфатов и хлоридов солей кальция и магния: СаSO 4 , MgSO 4 , СаС1 2 , MgС1 2 . Некарбонатная жесткость – часть общей жесткости, равная разности между общей и карбонатной жесткостью:

Жнк = Жо – Жк

По величине жесткости природную воду делят на: очень мягкую - до 1,5 ммоль/дм 3 ; мягкую - от 1,5 до 4 ммоль/дм 3 ; средней жесткости - от 4 до 8 ммоль/дм 3 ; жесткую - от 8 до 12 ммоль/дм 3 ; очень жесткую - свыше 12 ммоль/дм 3 .

В зависимости от конкретных требований производства допускаемая жесткость воды может быть различной. Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 ммоль/дм 3 (мг-экв/дм 3).

4.2. Пример решения индивидуального задания

Пример.

Дано:

m (Са 2+) = 80 г = 80 000 мг

m (Mg 2+) = 55 г = 55 000 мг

m (HCO 3 -) = 415 г = 415 000 мг

V(Н 2 О) = 1 м 3 = 1000 дм 3

Жо -? Жк - ? Жнк - ?

Решение

1). Жесткость общую рассчитывают по формуле:

Жо =[Са 2+ ] + = +
; мг – экв/дм 3

где: [Са 2+ ], – концентрация ионов в мг-экв/дм 3 ;

m (Са 2+), m (Mg 2+) – содержание ионов Са 2+ и Mg 2+ в мг;

V(Н 2 О) – объем воды, дм 3 ;

Э (Са 2+), Э (Mg 2+) – эквивалентная масса ионов Са 2+ и Mg 2+ , которая равна:

Э (Са 2+ ) =

Э(Mg 2+ ) =

Жо = [Са 2+ ] + =
=3,99 + 4,52 = 8,5 мг-экв/дм 3

2). Рассчитываем жесткость карбонатную (Жк) по формуле:

Жк = [НСО 3 - ] =

где: [НСО 3 - ] - концентрация в мг-экв/дм 3 ;m (НСО 3 -) – содержание иона НСО 3 - в мг; V(Н 2 О) – объем воды, дм 3 ; Э (НСО 3 -) – эквивалентная масса иона НСО 3 - , которая равна:

Э (НСО 3 - ) =

Жк = [НСО 3 - ] =

3). Рассчитываем жесткость некарбонатную (Жнк), как разность между жесткостью общей и карбонатной:

Жнк = Жо – Жк = 8,5 – 6,8 = 1,7 мг-экв/дм 3

4). Результаты расчетов приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Показатели жесткости исследуемой воды

О том, что водопроводная вода слишком жесткая, приходиться слышать постоянно. Чем же измеряется «твердость» жидкости? И как рассчитывается жесткость воды.

На фото: "пострадавший" от солей жесткости нагревательный элемент

Если свести к минимуму научные рассуждения о совокупности свойств жидкости, то жесткостью воды можно считать суммарное количество растворенных солей щелочноземельных металлов (преимущественно кальция и магния). С химической точки зрения все двухвалентные катионы в той или иной степени способны связываться с анионами, образуя соли, способные выпадать в осадок. Однако на практике количество растворенного в воде стронция, бария и марганца сведено к минимуму, а алюминий и железо переходят в солевые комплексы только при определенном уровне кислотности среды (рН меньше 7), который в природе практически не встречается. Мы уже писали про то, как определить жесткость в домашних условиях .

Таблица 1. Катионы и анионы, обуславливающие жесткость

Формула жесткости воды

Карбонатная жесткость – количественное содержание в воде гидрокарбонатов и карбонатов магния и кальция (MgHCO3, CaHCO3). Данный тип загрязнителей легко устраняется при кипячении с образование угольной кислоты и осадка:

Ca 2+ + 2HCO 3 - (при нагревании)= CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

Некарбонатная (постоянная) жесткость обусловлена присутствием магниевых и кальциевых соединений сильных кислот (азотной, соляной, серной). При кипячении соли такого типа не распадаются.

Формула для расчета общей жесткости воды: H общ =Н карб +Н некарб

Единицы измерения

Единицы измерения в России – градусы (°Ж), может быть выражена в объемной или массовой доле. 1 градус жесткости численно равен 0,5 мольной концентрации щелочноземельного элемента, выраженной в мг/куб. дм. (1°Ж=1 мг-экв/л.)

Единицы измерения в системе СИ – моль/куб.метр. Однако на практике чаще всего используют мг-экв./л. Концентрация, отнесенная к единице массы, оправдывает себя в тех случаях, когда необходим анализ воды в ином агрегатном состоянии (с измененной плотностью).

Для тех, кому химия на уроках давалась нелегко, следует повторить:

Один мг-экв/л соответствует 20,04 миллиграммам ионов Ca 2+ или 12,16 миллиграммам ионов Mg 2+ (отношение атомной массы и валентности элемента).

Нормы жесткости

По величине жесткости воду можно разделить на три категории:

Мягкая (до 2 °Ж),

Средней жесткости (2-10 °Ж),

Очень жесткая (более 10 °Ж).

Нормы жесткости в России не позволяют превышать 7 мг-экв/л. Согласно стандартам Евросоюза, ПДК общей жесткости воды не может быть больше 1,2 мг-экв/л. Путем несложных расчетов можно сделать вывод о том, что в Европе вода почти в 6 раз мягче, чем в России.

Таким образом, численно подтвержденная необходимость установки систем очистки в России уже не вызывает сомнений. Кроме того, согласно принятым во всем мире нормативам, употребляемая нашими соотечественниками вода, нуждается в многоступенчатом умягчении и глубокой фильтрации.

Теперь разберемся, как устранить чрезмерное содержание солей в воде:

Используемая литература:

1. ГОСТ 2874-82
2. ГОСТ Р 52029-2003 | НАЦИОНАЛЬНЫЕ СТАНДАРТЫ
3. Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2. С. 145.

Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой.

Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации - моль на кубический метр (моль/м 3), однако, на практике для измерения жёсткости чаще используется миллимоль на литр (ммоль/л). В России для измерения жёсткости чаще используется нормальная концентрация ионов кальция и магния, выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре воды 20,04 миллиграмм Ca 2+ или 12,16 миллиграмм Mg 2+ (атомная масса делённая на валентность). По величине общей жёсткости различают воду мягкую (до 2 мг-экв/л), средней жесткости (2-10 мг-экв/л) и жёсткую (более 10 мг-экв/л).
Жесткость бывает временной и постоянной. Временная обусловлена присутствием в воде растворимых солей, например, бикарбоната кальция Са(НСО 3) 2 , она легко удаляется простым кипячением. При этом выпадают в осадок в виде накипи нерастворимые карбонаты кальция и магния.

Постоянная жесткость воды вызвана присутствием сульфатов и хлоридов все тех же кальция и магния. При нагревании они не выпадают в осадок. В открытых водоемах этот показатель часто зависит от времени года и даже от погоды.
Виды и показатели жесткости:

1. общая жесткость . Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости;
2. карбонатная жесткость . Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8,3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния;
3. некарбонатная жесткость . Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Влияние жесткости на здоровье человека

Питьевая вода по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий, о чем можно узнать на водопроводной станции. Порог вкуса для ионов кальция лежит (в пересчете на мг-экв) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жескость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная организация здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные недостаточны для выводов о причинном характере этой связи. Однако не доказано, что и мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Тем не менее, при использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств. Ионы кальция, взаимодействуя с мылом, образуют соли, которые не смываются водой и оставляют разводы на посуде и поверхности сантехники. Эти соли также не смываются с поверхности человеческой кожи, забивая поры и покрывая каждый волос на теле.
При нагревании воды содержащиеся в ней соли жесткости кристаллизуются, выпадая в виде накипи. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах, предъявляются более строгие требования по жесткости.

Как уменьшить жесткость?

Для умягчения воды есть специальные фильтры-умягчители. Наибольшее распространение имеют варианты с ионообменными материалами, которые «вытягивают» из воды ионы кальция и магния. Более эффективен способ очистки от солей жесткости с помощью обратно-осмотических мембран. Еще один простой и доступный способ - вскипятить воду. При этом содержащаяся в ней известь осядет на стенках посуды в виде известкового налета. Это очень эффективный метод, но если речь идет о большом количестве воды, то он требует больших затрат сил и энергии. Для умягчения небольших количеств воды в бытовых условиях можно использовать обычную соду.

Жёсткость воды вспоминается в первую очередь с накипью и умягчителем воды — прибором, который должен справляться с жёсткой водой и препятствовать образованию накипи.

Подробнее про жёсткость воды мы поговорим про жёсткость воды с точки зрения химии, разновидности жёсткости воды, единицы измерения жёсткости воды (в том числе в разных странах). Рассмотрим, откуда берётся жёсткость воды и как влияет жёсткость на качество воды.

Для начала немного про термины. В статье часто упоминаются слова «катионы» и «анионы». Катионы и анионы — это положительно и отрицательно заряженные ионы. Ион (др.-греч. ἰόν - идущее) - электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. Соответственно, если потеря — то заряд частицы положительный. Если присоединение — то заряд частицы отрицательный (поскольку электрон имеет однозначно отрицательный заряд).

Жёсткость воды с точки зрения химии

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са 2+) и в меньшей степени магния (Mg 2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na +) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они обЪединяются.

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние , что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al 3+) и трехвалентное железо (Fe 3+) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы . Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва 2+).

Разновидности жесткости воды.

Различают следующие разновидности жёсткости воды:

Общая жесткость . Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость . Определяется наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость . Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Единицы измерения жёсткости воды.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м 3). На Украине используется как моль/м 3 , так и мг-экв/л (миллиграмм эквивалент на литр). Численно эти значения совпадают. Кстати, л и дм 3 — это одно и тоже, литр и дециметр кубический.

Кроме этого в различных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (d o , dH), французский градус (f o), американский градус, ppm CaCO 3 .

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:

Примечание:

1. Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм 3 СаО или 17.86 мг/дм 3 СаСО 3 в воде.
2. Один французский градус соответствует 10 мг/дм 3 СаСО 3 в воде.
3. Один американский градус соответствует 1 мг/дм 3 СаСО 3 в воде.

Чтобы не заморачиваться пересчётами вручную, можно создать табличку пересчёта единиц жёсткости. Которую, кстати сказать, вы можете скачать по ссылке Таблица пересчёта единиц измерения жёсткости воды .

Откуда берётся жёсткость воды

Ионы кальция (Ca 2+) и магния (Mg 2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Ниже в таблице приведены целых четыре примера классификации. Две классификации из российских источников — из справочника «Гидрохимические показатели состояния окружающей среды» и учебника для вузов «Водоподготовка». A две — из иностранных: нормы жесткости немецкого института стандартизации (DIN 19643) и классификация, принятая Агентством по охране окружающей среды США (USEPA) в 1986.

Таблица наглядно иллюстрирует гораздо более «жесткий» подход к проблеме жесткости за границей. И не без причины, о чём — ниже.

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са 2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg 2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах — десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм 3).

Как влияет жёсткость на качество воды

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано , что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе водопровода отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование «мыльных шлаков» в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство «жестких» волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры.

Признаком такого негативного воздействия является характерный «скрип» чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство «мылкости» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила природа.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

Вот мы и узнали подробнее про жёсткость воды. Осталось определиться со способами борьбы 🙂