Жесткая вода – это вода с высоким содержанием минералов (в отличие от «мягкой воды»). Жесткая вода образуется, когда вода просачивается через отложения известняка , мела или гипса , [1] которые в основном состоят из карбонатов кальция и магния , бикарбонатов и сульфатов .
Употребление жесткой воды может принести умеренную пользу для здоровья. Это может создать серьезные проблемы в промышленных условиях, где жесткость воды контролируется, чтобы избежать дорогостоящих поломок котлов , градирен и другого оборудования, обрабатывающего воду. В домашних условиях о жесткой воде часто свидетельствует отсутствие образования пены при перемешивании мыла в воде, а также образование накипи в чайниках и водонагревателях. [2] Везде, где жесткость воды вызывает беспокойство, обычно используется умягчение воды , чтобы уменьшить неблагоприятное воздействие жесткой воды.
Природная дождевая вода, снег и другие виды осадков обычно имеют низкие концентрации двухвалентных катионов , таких как кальций и магний. Они могут иметь небольшие концентрации ионов, таких как натрий , хлорид и сульфат , образующихся в результате воздействия ветра над морем. Там, где осадки выпадают в водосборных бассейнах, образованных твердыми, непроницаемыми и бедными кальцием породами, обнаруживаются лишь очень низкие концентрации двухвалентных катионов, и такая вода называется мягкой водой . [3] Примеры включают Сноудонию в Уэльсе и Западное нагорье в Шотландии.
В районах со сложной геологией на небольших расстояниях может образовываться вода разной степени жесткости. [4] [5]
Постоянная жесткость воды определяется концентрацией в воде катионов с зарядом больше или равным 2+. Обычно катионы имеют заряд 2+, т. е. они двухвалентны . Общие катионы, обнаруженные в жесткой воде, включают Ca 2+ и Mg 2+ , которые часто попадают в воду в результате выщелачивания из минералов в водоносных горизонтах . Распространенными кальцийсодержащими минералами являются кальцит и гипс . Распространенным минералом магния является доломит (который также содержит кальций). Дождевая и дистиллированная вода мягкие , поскольку содержат мало этих ионов . [3]
Следующая равновесная реакция описывает растворение и образование карбоната и бикарбоната кальция (справа):
Реакция может идти в любом направлении. Дождь, содержащий растворенный углекислый газ, может вступать в реакцию с карбонатом кальция и уносить с собой ионы кальция. Карбонат кальция может переотлагаться в виде кальцита, поскольку углекислый газ теряется в атмосфере, иногда образуя сталактиты и сталагмиты .
Ионы кальция и магния иногда можно удалить смягчителями воды. [6]
Постоянную жесткость (содержание минералов) обычно трудно удалить кипячением . [7] Если это происходит, то обычно это вызвано присутствием в воде сульфата кальция / хлорида кальция и/или сульфата магния / хлорида магния , которые не выпадают в осадок при повышении температуры . Ионы, вызывающие постоянную жесткость воды, можно удалить с помощью водоумягчителя или ионообменной колонки.
Временная жесткость вызвана присутствием растворенных минералов бикарбоната ( бикарбоната кальция и бикарбоната магния ). При растворении эти типы минералов образуют катионы кальция и магния (Ca 2+ , Mg 2+ ), а также карбонатные и бикарбонатные анионы ( CO 2−
3и ОХС−
3). Наличие катионов металлов делает воду жесткой. Однако, в отличие от постоянной жесткости, вызываемой сульфатными и хлоридными соединениями , эту «временную» жесткость можно уменьшить либо кипячением воды, либо добавлением извести ( гидроксида кальция ) в процессе смягчения извести . [8] Кипячение способствует образованию карбоната из бикарбоната и осаждает карбонат кальция из раствора, в результате чего вода становится мягче при охлаждении.
В жесткой воде мыльные растворы образуют белый осадок ( мыльную пену ) вместо образования пены , поскольку ионы 2+ разрушают поверхностно-активные свойства мыла, образуя твердый осадок (мыльная пена). Основным компонентом такой накипи является стеарат кальция , который образуется из стеарата натрия , основного компонента мыла :
Таким образом, жесткость можно определить как способность пробы воды поглощать мыло или способность осаждения мыла как характерное свойство воды, предотвращающее пенообразование. Синтетические моющие средства не образуют такой накипи.
Поскольку в мягкой воде мало ионов кальция, пенообразование мыла не ингибируется, и при обычной стирке не образуется мыльная пена . Аналогичным образом, мягкая вода не образует отложений кальция в системах водяного отопления .
Жесткая вода также образует отложения, которые забивают сантехнику. Эти отложения, называемые « накипью », состоят в основном из карбоната кальция (CaCO 3 ), гидроксида магния (Mg(OH) 2 ) и сульфата кальция (CaSO 4 ). [3] Карбонаты кальция и магния имеют тенденцию откладываться в виде не совсем белого твердого вещества на внутренних поверхностях труб и теплообменников . Это осаждение (образование нерастворимого твердого вещества) в основном вызвано термическим разложением ионов бикарбоната, но также происходит в тех случаях, когда ион карбоната находится в концентрации насыщения. [9] Образующееся в результате образование накипи ограничивает поток воды в трубах. В котлах отложения ухудшают подачу тепла в воду, снижая эффективность отопления и приводя к перегреву металлических компонентов котла. В системе под давлением такой перегрев может привести к выходу котла из строя. [10] Ущерб, причиняемый отложениями карбоната кальция, варьируется в зависимости от кристаллической формы, например, кальцита или арагонита . [11]
Присутствие ионов в электролите , в данном случае жесткой воде, также может привести к гальванической коррозии , при которой один металл будет преимущественно корродировать при контакте с другим типом металла, когда оба находятся в контакте с электролитом. Умягчение жесткой воды путем ионного обмена само по себе не увеличивает ее коррозионную активность . Аналогично, там, где используется свинцовая сантехника, умягченная вода существенно не увеличивает растворимость свинца . [12]
В плавательных бассейнах жесткая вода проявляется в виде мутной или мутной (молочной) воды. Гидроксиды кальция и магния растворимы в воде. Растворимость гидроксидов щелочноземельных металлов, к которым относятся кальций и магний ( 2 группа таблицы Менделеева ), увеличивается при движении вниз по столбцу. Водные растворы гидроксидов этих металлов поглощают из воздуха углекислый газ, образуя нерастворимые карбонаты и вызывая помутнение. Это часто происходит из-за слишком высокого уровня pH (pH > 7,6). Отсюда общее решение проблемы – при поддержании концентрации хлора на должном уровне снизить pH добавлением соляной кислоты , оптимальное значение находится в пределах от 7,2 до 7,6.
В некоторых случаях желательно смягчить жесткую воду. Большинство моющих средств содержат ингредиенты, которые нейтрализуют воздействие жесткой воды на поверхностно-активные вещества. По этой причине умягчение воды часто не требуется. Там, где умягчение практикуется, часто рекомендуется смягчать только воду, подаваемую в системы горячего водоснабжения, чтобы предотвратить или отсрочить снижение эффективности и ущерб из-за образования накипи в водонагревателях. Распространенный метод умягчения воды включает использование ионообменных смол , которые заменяют ионы, такие как Ca 2+, на удвоенное количество монокатионов, таких как ионы натрия или калия .
Стиральная сода ( карбонат натрия , Na 2 CO 3 ) легко получается и издавна применяется в качестве смягчителя воды для стирки в домашних условиях в сочетании с обычным мылом или моющим средством.
Воду, обработанную посредством умягчения воды, можно назвать умягченной водой . В этих случаях вода также может содержать повышенный уровень ионов натрия или калия , а также ионов бикарбоната или хлорида .
Всемирная организация здравоохранения заявляет, что «не существует убедительных доказательств того, что жесткость воды оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье людей». [2] Фактически, Национальный исследовательский совет США обнаружил, что жесткая вода служит пищевой добавкой кальция и магния. [13]
Некоторые исследования показали слабую обратную связь между жесткостью воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями у мужчин, вплоть до уровня 170 мг карбоната кальция на литр воды. Всемирная организация здравоохранения рассмотрела доказательства и пришла к выводу, что данных недостаточно, чтобы рекомендовать уровень твердости. [2]
Даны рекомендации по минимальному и максимальному содержанию кальция (40–80 ppm ) и магния (20–30 ppm) в питьевой воде, а также общей жесткости, выраженной как сумма концентраций кальция и магния 2–4 ммоль/ Л. [14]
Другие исследования показали слабую корреляцию между здоровьем сердечно-сосудистой системы и жесткостью воды. [15] [16] [17]
Распространенность атопического дерматита (экземы) у детей может увеличиваться из-за жесткой питьевой воды. [18] [19] Проживание в районах с жесткой водой также может играть роль в развитии болезни Альцгеймера в раннем возрасте. Однако, когда АД уже установлен, использование смягчителей воды в домашних условиях не уменьшает тяжесть симптомов. [19]
Твердость можно определить количественно с помощью инструментального анализа . Общая жесткость воды представляет собой сумму молярных концентраций Ca 2+ и Mg 2+ в единицах моль/л или ммоль/л. Хотя жесткость воды обычно измеряется только общей концентрацией кальция и магния (двух наиболее распространенных ионов двухвалентных металлов), в некоторых местах железо , алюминий и марганец также присутствуют в повышенных уровнях. Присутствие железа обычно придает кальцификатам коричневатый ( ржавый ) цвет вместо белого (цвет большинства других соединений).
Жесткость воды часто выражается не в молярной концентрации, а в различных единицах, например, в градусах общей жесткости ( dGH ), немецких градусах (°dH), частях на миллион (ppm, мг/л или американских градусах), гранах. на галлон (миль на галлон), английские градусы (°e, e или °Clark ) или французские градусы (°fH, °f или °HF; строчная буква f используется, чтобы не путать с градусами по Фаренгейту ). В таблице ниже показаны коэффициенты пересчета между различными единицами измерения.
Различные альтернативные единицы представляют собой эквивалентную массу оксида кальция (CaO) или карбоната кальция (CaCO 3 ), которая при растворении в единице объема чистой воды приводит к одинаковой общей молярной концентрации Mg 2+ и Ca 2+ . Различные коэффициенты пересчета возникают из-за того, что эквивалентные массы оксида кальция и карбонатов кальция различаются и используются разные единицы массы и объема. Единицы следующие:
Поскольку поведение жесткости определяется точной смесью минералов, растворенных в воде, а также pH и температуры воды, одночисловая шкала не может адекватно описать жесткость. Однако Геологическая служба США использует следующую классификацию жесткой и мягкой воды: [5]
Морская вода считается очень жесткой из-за растворенных в ней различных солей. Обычно жесткость морской воды составляет около 6570; ppm (6,57 грамм на литр). [21] Напротив, пресная вода имеет жесткость в диапазоне от 15 до 375 частей на миллион; обычно около 600 мг/л. [22]
Для описания поведения карбоната кальция в воде, нефти или газовых смесях используется несколько индексов. [23]
Индекс насыщения Ланжелье [24] (иногда индекс стабильности Ланжелье) представляет собой расчетное число, используемое для прогнозирования стабильности карбоната кальция в воде. [25] Он указывает, будет ли вода осаждаться, растворяться или находиться в равновесии с карбонатом кальция. В 1936 году Уилфред Ланжелье разработал метод прогнозирования pH, при котором вода насыщается карбонатом кальция (так называемый pH s ). [26] LSI выражается как разница между фактическим pH системы и pH насыщения: [27]
Если фактический pH воды ниже расчетного pH насыщения, LSI отрицательный, и вода имеет очень ограниченный потенциал образования отложений. Если фактический pH превышает pH, LSI положителен, и, будучи перенасыщенной CaCO 3 , вода имеет тенденцию образовывать накипь. При увеличении положительных значений индекса увеличивается потенциал масштабирования.
На практике вода с LSI от -0,5 до +0,5 не будет проявлять улучшенных свойств растворения минералов или образования накипи. Вода с LSI ниже -0,5 имеет тенденцию проявлять заметно повышенную растворяющую способность, тогда как вода с LSI выше +0,5 имеет тенденцию проявлять заметно повышенные свойства образования накипи.
LSI чувствителен к температуре. LSI становится более положительным по мере повышения температуры воды. Это имеет особое значение в ситуациях, когда используется колодезная вода. Температура воды при первом выходе из колодца часто значительно ниже, чем температура внутри здания, обслуживаемого колодцем, или в лаборатории, где проводятся измерения LSI. Такое повышение температуры может вызвать образование накипи, особенно в таких случаях, как водонагреватели. И наоборот, системы, которые снижают температуру воды, будут иметь меньшее образование накипи.
Индекс стабильности Рызнара (RSI) [24] : 525 использует базу данных измерений толщины накипи в муниципальных системах водоснабжения для прогнозирования влияния химического состава воды. [25] : 72 [28] Он был разработан на основе эмпирических наблюдений за скоростью коррозии и образованием пленки в стальных магистралях.
Этот индекс определяется как: [29]
Масштабный индекс Пукориуса (PSI) использует немного другие параметры для количественной оценки взаимосвязи между состоянием насыщения воды и количеством отложившегося известкового налета.
Другие индексы включают индекс Ларсона-Скольда, [30] индекс Стиффа-Дэвиса, [31] и индекс Оддо-Томсона. [32]
Жесткость местных водопроводов зависит от источника воды. Вода в ручьях, текущих по вулканическим (магматическим) породам, будет мягкой, тогда как вода из скважин, пробуренных в пористой породе, обычно очень жесткая.
Анализ жесткости воды в крупных австралийских городах, проведенный Австралийской ассоциацией водоснабжения, показывает диапазон от очень мягкой (Мельбурн) до жесткой (Аделаида). Общие уровни жесткости карбоната кальция в ppm составляют:
Провинции прерий (в основном Саскачеван и Манитоба ) содержат большое количество кальция и магния, часто в виде доломита , которые легко растворяются в грунтовых водах, содержащих высокие концентрации углекислого газа , захваченного в результате последнего оледенения . В этих частях Канады общая жесткость в ppm эквивалента карбоната кальция часто превышает 200 ppm, если грунтовые воды являются единственным источником питьевой воды. На западном побережье, напротив, необычайно мягкая вода, поступающая в основном из горных озер, питаемых ледниками и талыми снегами.
Некоторые типичные значения:
Информация Британской инспекции питьевой воды [58] показывает, что питьевая вода в Англии обычно считается «очень жесткой», причем в большинстве районов Англии, особенно к востоку от линии между устьями рек Северн и Тис , содержание воды в воде превышает 200 ppm. эквивалент карбоната кальция. Вода в Лондоне, например, в основном добывается из рек Темза и Лиа, обе из которых получают значительную часть стока в засушливую погоду из источников в известняковых и меловых водоносных горизонтах. Уэльс , Девон , Корнуолл и некоторые районы северо-западной Англии представляют собой районы с более мягкой водой и варьируются от 0 до 200 частей на миллион. [59] В пивоваренной промышленности Англии и Уэльса воду часто намеренно закаливают гипсом в процессе буртонизации .
Как правило, вода в городских районах Англии, где источники мягкой воды недоступны, в основном жесткая. В 18 веке, когда промышленная революция и рост городского населения привели к тому, что в нескольких городах были построены источники водоснабжения . Манчестер был известным городом на северо-западе Англии, и его богатая корпорация построила несколько водохранилищ в Тирлмере и Хоусуотере в Озерном крае на севере. В их верховьях нет воздействия известняка или мела , поэтому вода в Манчестере оценивается как «очень мягкая». [52] Точно так же водопроводная вода в Бирмингеме также мягкая, поскольку она поступает из водохранилищ долины Элан в Уэльсе, хотя грунтовые воды в этом районе жесткие.
Агентство по охране окружающей среды опубликовало справочник по стандартам интерпретации качества воды в Ирландии, в котором даны определения жесткости воды. [60]
В этом разделе дается ссылка на оригинальную документацию ЕС, в которой не установлены ограничения на твердость. В справочнике также не указаны «рекомендуемые или обязательные предельные значения» твердости. В справочнике действительно указано, что выше средней точки диапазонов, определенных как «Умеренно жесткая», эффекты наблюдаются все чаще: «Основные недостатки жесткой воды заключаются в том, что она нейтрализует пенящую способность мыла [...] и, что более важно, что они могут вызвать закупорку труб и серьезное снижение эффективности котла из-за образования накипи. Эти эффекты будут усиливаться по мере повышения жесткости до и выше 200 мг/л CaCO.
3."
Сбор данных из США показал, что около половины протестированных станций водоснабжения имели жесткость более 120 мг на литр эквивалента карбоната кальция, что относило их к категориям «жесткая» или «очень жесткая». [5] Другая половина была классифицирована как мягкая или умеренно твердая. Более 85% американских домов имеют жесткую воду. [ нужна цитата ] Самые мягкие воды встречаются в некоторых частях Новой Англии , Южной Атлантики, Тихоокеанского Северо-Запада и Гавайских островов. Умеренно жесткая вода распространена во многих реках регионов Теннесси , Великих озер и Аляски . Жесткая и очень жесткая вода встречается в некоторых реках большинства регионов страны. Самая жесткая вода (более 1000 частей на миллион) находится в реках Техаса, Нью-Мексико, Канзаса, Аризоны, Юты, некоторых частей Колорадо, южной Невады и южной Калифорнии. [61] [62]