Жорстка вода
«Жорстка» вода - одна з найпоширеніших проблем, причому як у заміських будинках з автономним водопостачанням, так і в міських квартирах із централізованим водопроводом. Ступінь жорсткості залежить від наявності у воді солей кальцію та магнію (солі жорсткості) та вимірюється в міліграм – еквіваленті на літр (мг-екв/л). За американською класифікацією (для питної води) при вмісті солей жорсткості менше 2 мг-екв/л вода вважається «м'якою», від 2 до 4 мг-екв/л – нормальною (повторюємо, для харчових цілей!), від 4 до 6 мг -екв/л – жорсткої, а понад 6 мг-екв/л – дуже жорсткої.
Для багатьох застосувань жорсткість води не відіграє суттєвої ролі (наприклад, для гасіння пожеж, поливу городу, збирання вулиць та тротуарів). Але в деяких випадках жорсткість може створити проблеми. При прийнятті ванни, миття посуду, пранні, миття машини жорстка вода набагато менш ефективна, ніж м'яка. І ось чому:
- При використанні м'якої води витрачається вдвічі менше миючих засобів;
- Жорстка вода, взаємодіючи з милом, утворює «мильні шлаки», які не змиваються водою та залишають малосимпатичні розлучення на посуді та поверхні сантехніки;
«Мильні шлаки» також не змиваються з поверхні людської шкіри, забиваючи пори і покриваючи кожне волосся на тілі, що може стати причиною появи висипу, роздратування, сверблячки; - При нагріванні води, що містяться в ній, солі жорсткості кристалізуються, випадаючи у вигляді накипу. Накип є причиною 90% відмов водонагрівача. Тому до води, що піддається нагріванню в котлах, бойлерах і т.п., пред'являються на порядок суворіші вимоги щодо жорсткості;
- Багато промислових процесах солі жорсткості можуть вступити у хімічну реакцію, утворивши небажані проміжні продукти.
Концепція жорсткості
Жорсткість води прийнято пов'язувати з катіонами кальцію (Са2+) та меншою мірою магнію (Mg2+). Насправді, всі двовалентні катіони тією чи іншою мірою впливають на жорсткість. Вони взаємодіють з аніонами, утворюючи з'єднання (солі жорсткості), здатні випадати в осад. Одновалентні катіони (наприклад, натрій Na+) такою властивістю не мають.
У цій таблиці наведені основні катіони металів, що викликають жорсткість, та головні аніони, з якими вони асоціюються
Катіони | Аніони |
Кальцій (Ca2+) | Гідрокарбонат (HCO3-) |
Магній (Mg2+) | Сульфат (SO42-) |
Стронцій (Sr2+) | Хлорид (Cl-) |
Залізо (Fe2+) | Нітрат (NO3-) |
Марганець (Mn2+) | Силікат (SiO32-) |
На практиці стронцій, залізо і марганець мають на жорсткість такий невеликий вплив, що ними, як правило, нехтують. Алюміній (Al3+) і тривалентне залізо (Fe3+) також впливають на жорсткість, але при рівнях рН, що зустрічаються в природних водах, їх розчинність і, відповідно, «вклад» у жорсткість мізерно малі. Аналогічно, не враховується і незначний вплив барію (2+).
Види жорсткості
Загальна твердість. Визначається сумарною концентрацією іонів кальцію та магнію. Являє собою суму карбонатної (тимчасової) та некарбонатної (постійної) жорсткості.
Карбонатна твердість. Обумовлена наявністю у воді гідрокарбонатів та карбонатів (при рН>8.3) кальцію та магнію. Цей тип жорсткості майже повністю усувається при кип'ятінні води і тому називається тимчасовою жорсткістю. При нагріванні води гідрокарбонати розпадаються з утворенням вугільної кислоти та випаданням в осад карбонату кальцію та гідроксиду магнію.
Некарбонатні жорсткість. Обумовлена присутністю кальцієвих та магнієвих солей сильних кислот (сірчаної, азотної, соляної) та при кип'ятінні не усувається (постійна жорсткість).
Одиниці виміру
У світовій практиці використовується кілька одиниць виміру жорсткості, вони певним чином співвідносяться друг з одним. В Росії Держстандартом як одиниця жорсткості води встановлено моль на кубічний метр (моль/м3).
Один моль на кубічний метр відповідає масовій концентрації еквівалентів іонів кальцію (1/2 Ca2+) 20.04 г/м3 та іонів магнію (1/2Mg2+) 12.153 г/м3. Числове значення жорсткості, виражене в молях на кубічний метр рівночислового значення жорсткості, вираженому в міліграм-еквівалентах на літр (ілікубічний дециметр), тобто 1моль/м3=1ммоль/л=1мг-экв/л=1мг-экв/дм3.
Крім цього, у зарубіжних країнах широко використовуються такі одиниці жорсткості, як німецький градус (do, dH), французький градус (fo), американський градус, ppm CaCO3.
Співвідношення цих одиниць жорсткості представлено в таблиці:
Одиниці жорсткості води | ||||
Моль/м3(мг-екв/л) | Німецький градус, do | Французький градус, fo | Американський градус | ppm мг/дм3 СаСО3 |
1.000 | 2.804 | 5.005 | 50.050 | 50.050 |
Примітка:
Один німецький градус відповідає 10 мг/дм3 СаО чи 17.86 мг/дм3 СаСО3 у воді.
Один французький градус відповідає 10 мг/дм3 СаСО3 у воді.
Один американський градус відповідає 1 мг/дм3 СаСО3 у воді.
Походження жорсткості
Іони кальцію (Ca2+) та магнію (Mg2+), а також інших лужноземельних металів, що зумовлюють жорсткість, присутні у всіх мінералізованих водах. Їх джерелом є природні поклади вапняків, гіпсу та доломітів. Іони кальцію та магнію надходять у воду в результаті взаємодії розчиненого діоксиду вуглецю з мінералами та при інших процесах розчинення та хімічного вивітрювання гірських порід. Джерелом цих іонів можуть бути також мікробіологічні процеси, які у грунтах площі водозбору, в донних відкладах, і навіть стічні води різних підприємств.
Жорсткість води коливається у межах і існує безліч типів класифікацій води за рівнем її жорсткості.
Зазвичай у маломінералізованих водах переважає (до 70%-80%) жорсткість, зумовлена іонами кальцію (хоча в окремих випадках магнієва жорсткість може досягати 50-60%). Зі збільшенням ступеня мінералізації води вміст іонів кальцію (Са2+) швидко падає та рідко перевищує 1 г/л. А вміст іонів магнію (Mg2+) у високомінералізованих водах може досягати кількох грамів, а в солоних озерах — десятків грамів на один літр води
В цілому, жорсткість поверхневих вод, як правило, менша за жорсткість вод підземних. Жорсткість поверхневих вод схильна до помітних сезонних коливань, досягаючи зазвичай найбільшого значення наприкінці зими і найменшого в період повені, коли рясно розбавляється м'якою дощовою та талою водою. Морська та океанська вода мають дуже високу жорсткість (десятки та сотні мг-екв/дм3)
Вплив жорсткості
З точки зору застосування води для питних потреб, її прийнятність за ступенем жорсткості може суттєво змінюватись в залежності від місцевих умов. Поріг смаку для іона кальцію лежить (у перерахунку на мг-еквівалент) у діапазоні 2-6 мг-екв/л, залежно від відповідного аніону, а поріг смаку для магнію ще нижче. У деяких випадках для споживачів прийнятна вода із твердістю вище 10 мг-екв/л. Висока жорсткість погіршує органолептичні властивості води, надаючи їй гіркуватий смак і негативно впливає на органи травлення.
Всесвітня Організація Охорони Здоров'я не пропонує будь-якої рекомендованої величини жорсткості за показаннями впливу на здоров'я. У матеріалах ВООЗ йдеться про те, що хоча ряд досліджень і виявив статистично зворотну залежність між жорсткістю питної води та серцево-судинними захворюваннями, наявні дані недостатні для висновку про причинний характер цього зв'язку. Аналогічним чином, однозначно не доведено, що м'яка вода негативно впливає на баланс мінеральних речовин в організмі людини.
Водночас, залежно від рН і лужності, вода з жорсткістю вище 4 мг-екв/л може викликати в розподільній системі відкладення шлаків та накипу (карбонату кальцію), особливо при нагріванні. Саме тому нормами Котлонагляду вводяться дуже жорсткі вимоги до величини жорсткості води, що використовується для живлення котлів (0.05-0.1 мг-екв/л).
Крім того, при взаємодії солей жорсткості з миючими речовинами (мило, пральні порошки, шампуні) відбувається утворення мильних шлаків у вигляді піни. Це призводить не лише до значного перевитрати миючих засобів. Така піна після висихання залишається у вигляді нальоту на сантехніці, білизні, людській шкірі, на волоссі (неприємне почуття «жорсткого» волосся добре відоме багатьом). Головним негативним впливом цих шлаків на людину є те, що вони руйнують природну жирову плівку, якою завжди вкрита нормальна шкіра та забивають її пори. Ознакою такого негативного впливу є характерний скрип чисто вимитої шкіри або волосся. Виявляється, що почуття «милкості», що викликає у деяких роздратування, після користування м'якою водою є ознакою того, що захисна жирова плівка на шкірі ціла і неушкоджена. Саме вона й ковзає. В іншому випадку, доводиться витрачатися на лосьйони, пом'якшувальні та зволожуючі креми та інші хитрощі для відновлення того захисту шкіри, який нас і так забезпечила матінка Природа.
Водночас необхідно згадати і про інший бік медалі. М'яка вода з жорсткістю менше 2 мг-екв/л має низьку буферну ємність (лужність) і може, залежно від рівня рН та інших факторів, надавати підвищений корозійний вплив на водопровідні труби. Тому, у ряді застосувань (особливо у теплотехніці) іноді доводиться проводити спеціальну обробку води з метою досягнення оптимального співвідношення між жорсткістю води та її корозійною активністю.
