Жесткая вода
«Жесткая» вода – одна из самых распространенных проблем, причем как в загородных домах с автономным водоснабжением, так и в городских квартирах с централизованным водопроводом. Степень жесткости зависит от наличия в воде солей кальция и магния (соли жесткости) и измеряется в миллиграммах – эквиваленте на литр (мг-экв/л). По американской классификации (для питьевой воды) при содержании солей жесткости менее 2 мг-экв/л вода считается «мягкой», от 2 до 4 мг-экв/л – нормальной (повторяем, для пищевых целей!), от 4 до 6 мг –экв/л – жесткой, а более 6 мг-экв/л – очень жесткой.
Для многих применений жесткость воды не играет важную роль (например, для тушения пожаров, полива огорода, сбора улиц и тротуаров). Но в некоторых случаях ужесточение может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мойке машины жесткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. И вот почему:
- При использовании мягкой воды тратится вдвое меньше моющих средств;
- Жесткая вода, взаимодействуя с мылом, образует мыльные шлаки, которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;
«Мыльные шлаки» также не смываются с поверхности человеческой кожи, забивая поры и покрывая каждые волосы на теле, что может стать причиной появления сыпи, раздражения, зуда; - При нагревании содержащейся в ней воды соли жесткости кристаллизуются, выпадая в виде накипи. Накипь является причиной 90% отказов водонагревателя. Поэтому к воде, подвергающейся нагреванию в котлах, бойлерах и т.п., предъявляются на порядок более строгие требования по жесткости;
- Многие промышленные процессы соли жесткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.
Концепция жесткости
Жесткость воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). На самом деле 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 этой таблице приведены основные катионы металлов, вызывающих жесткость и главные анионы, с которыми они ассоциируются.
Катионы | Анионы |
Кальций (Ca2+) | Гидрокарбонат (HCO3-) |
Магний (Mg2+) | Сульфат (SO42-) |
Стронций (Sr2+) | Хлорид (Cl-) |
Железо (Fe2+) | Нитрат (NO3-) |
Марганец (Mn2+) | Силикат (SiO32-) |
На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость такое небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трехвалентное железо (Fe3+) 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 (2+).
Виды жесткости
Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.
Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Этот тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и потому называется временной жесткостью. При нагревании воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.
Некарбонатная жесткость. Обусловлена наличием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).
Единицы измерения
В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3).
Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (1/2 Ca2+) 20.04 г/м3 и ионов магния (1/2Mg2+) 12.153 г/м3. Числовое значение жесткости, выраженное в молях на кубический метр равночислового значения жесткости, выраженном в миллиграмм-эквивалентах на литр (иликубический дециметр), т.е.
Кроме того, в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.
Соотношение этих единиц жесткости представлено в таблице:
Единицы жесткости воды | ||||
Моль/м3(мг-экв/л) | Немецкий градус, do | Французский градус, fo | Американский градус | ppm мг/дм3 СаСО3 |
1.000 | 2.804 | 5.005 | 50.050 | 50.050 |
Примечание:
Один германский градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.
Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде.
Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.
Происхождение жесткости
Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), 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 других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут быть также микробиологические процессы, протекающие в почвах площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды разных предприятий.
Жесткость воды колеблется в пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости.
Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) 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 подземных вод. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период наводнения, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3)
Влияние жесткости
С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно изменяться 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 еще 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 оказывает негативное влияние на органы пищеварения.
Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям воздействия на здоровье. В материалах ВОЗ говорится, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные недостаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом однозначно не доказано, что мягкая вода негативно влияет на баланс минеральных веществ в организме человека.
В то же время, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. 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 известно многим). Главным негативным влиянием этих шлаков на человека является то, что они разрушают природную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия характерен скрип чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражения чувство «милкости» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже целая и неповрежденная. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, смягчающие и увлажняющие кремы и другие уловки для восстановления той защиты кожи, которую нас и так обеспечила матушка Природа.
В то же время 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 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.
