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 иметь умеренные преимущества для здоровья. Это может представлять серьезные проблемы в промышленных условиях, где жесткость воды контролируется, чтобы избежать дорогостоящих поломок в котлах , градирнях и другом оборудовании, которое обрабатывает воду. В домашних условиях жесткость воды часто определяется отсутствием пенообразования при перемешивании мыла в воде и образованием накипи в чайниках и водонагревателях. [2] В тех случаях, когда жесткость воды вызывает беспокойство, смягчение воды обычно используется для уменьшения неблагоприятных последствий жесткой воды.
Естественная дождевая вода, снег и другие формы осадков обычно имеют низкие концентрации двухвалентных катионов, таких как кальций и магний. Они могут иметь небольшие концентрации ионов, таких как натрий , хлорид и сульфат, полученные в результате воздействия ветра над морем. Там, где осадки выпадают в водосборных бассейнах, образованных из твердых, непроницаемых и бедных кальцием пород, обнаруживаются только очень низкие концентрации двухвалентных катионов, и вода называется мягкой водой . [3] Примерами являются Сноудония в Уэльсе и Западное нагорье в Шотландии.
Районы со сложной геологией могут создавать различную степень жесткости воды на коротких расстояниях. [4] [5]
Постоянная жесткость воды определяется концентрацией катионов с зарядами , большими или равными 2+. Обычно катионы имеют заряд 2+, т. е. они двухвалентны . Обычные катионы, встречающиеся в жесткой воде, включают Ca2 + и Mg2 + , которые часто попадают в водоснабжение путем выщелачивания из минералов в водоносных горизонтах . Обычные минералы, содержащие кальций, — кальцит и гипс . Обычный магниевый минерал — доломит (который также содержит кальций). Дождевая и дистиллированная вода мягкие , потому что они содержат мало этих ионов . [3]
Следующая равновесная реакция описывает растворение и образование карбоната кальция и бикарбоната кальция (справа):
Реакция может идти в любом направлении. Дождь, содержащий растворенный углекислый газ, может реагировать с карбонатом кальция и уносить с собой ионы кальция. Карбонат кальция может повторно откладываться в виде кальцита, поскольку углекислый газ теряется в атмосфере, иногда образуя сталактиты и сталагмиты .
Ионы кальция и магния иногда можно удалить с помощью умягчителей воды. [6]
Постоянную жесткость (минеральное содержание) 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 умягчителя воды или ионообменной колонки.
Временная жесткость вызвана наличием растворенных бикарбонатных минералов ( бикарбонат кальция и бикарбонат магния ). При растворении эти типы минералов дают катионы кальция и магния (Ca 2+ , Mg 2+ ) и анионы карбоната и бикарбоната ( CO2−
3и ХСО−
3). Присутствие катионов металлов делает воду жесткой. Однако, в отличие от постоянной жесткости, вызванной 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, оставляя воду, которая становится мягче при охлаждении.
При жесткой воде мыльные растворы образуют белый осадок ( мыльную пену ) вместо того, чтобы производить пену , поскольку ионы 2+ разрушают поверхностно-активные свойства мыла, образуя твердый осадок (мыльную пену). Основным компонентом такой пены является стеарат кальция , который возникает из стеарата натрия , основного компонента мыла :
Таким образом, жесткость можно определить как мылопотребляющую способность образца воды или как способность к осаждению мыла как характерное свойство воды, препятствующее пенообразованию мыла. Синтетические моющие средства не образуют таких накипи.
Поскольку мягкая вода содержит мало ионов кальция, не происходит ингибирования пенообразующего действия мыла, и при обычной стирке не образуется мыльная пена . Аналогично мягкая вода не образует отложений кальция в системах нагрева воды .
Жесткая вода также образует отложения, которые засоряют водопровод. Эти отложения, называемые « накипью », состоят в основном из карбоната кальция (CaCO3 ) , гидроксида магния (Mg(OH) 2 ) и сульфата кальция (CaSO4 ) . [3] Карбонаты кальция и магния, как правило, откладываются в виде не совсем белых твердых веществ на внутренних поверхностях труб и теплообменников . Это осаждение (образование нерастворимого твердого вещества) в основном вызвано термическим разложением ионов бикарбоната, но также происходит в случаях, когда ион карбоната находится в концентрации насыщения. [9] Образующееся в результате накопление накипи ограничивает поток воды в трубах. В котлах отложения ухудшают поток тепла в воду, снижая эффективность нагрева и позволяя металлическим компонентам котла перегреваться. В системе под давлением этот перегрев может привести к выходу котла из строя. [10] Ущерб, вызванный 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. Смягчение жесткой воды ионным обменом не увеличивает ее коррозионную активность как таковую . Аналогично, там, где используется свинцовая сантехника, смягченная вода не увеличивает существенно растворимость свинца . [12]
В плавательных бассейнах жесткая вода проявляется мутным или мутным (молочным) внешним видом воды. Гидроксиды кальция и магния растворимы в воде. Растворимость гидроксидов щелочноземельных металлов, к которым относятся кальций и магний ( группа 2 периодической таблицы ), увеличивается по мере продвижения вниз по столбцу. Водные растворы гидроксидов этих металлов поглощают углекислый газ из воздуха, образуя нерастворимые карбонаты и вызывая мутность. Это часто происходит из-за чрезмерно высокого pH (pH > 7,6). Следовательно, распространенным решением проблемы является снижение pH путем добавления соляной кислоты , при поддержании концентрации хлора на должном уровне; оптимальное значение находится в диапазоне от 7,2 до 7,6.
В некоторых случаях желательно смягчить жесткую воду. Большинство моющих средств содержат ингредиенты, которые противодействуют воздействию жесткой воды на поверхностно-активные вещества. По этой причине смягчение воды часто не нужно. Там, где практикуется смягчение, часто рекомендуется смягчать только воду, подаваемую в бытовые системы горячего водоснабжения, чтобы предотвратить или отсрочить неэффективность и ущерб из-за образования накипи в водонагревателях. Распространенный метод смягчения воды включает использование ионообменных смол , которые заменяют ионы, такие как Ca2 + , удвоенным количеством монокатионов, таких как ионы натрия или калия .
Стиральный порошок ( карбонат натрия , Na2CO3 ) легкодоступен и уже давно используется в качестве смягчителя воды при стирке в домашних условиях в сочетании с обычным мылом или моющим средством .
Вода, прошедшая обработку с помощью умягчения, может называться умягченной водой . В этих случаях вода может также содержать повышенные уровни натрия или калия и ионов бикарбоната или хлорида .
Всемирная организация здравоохранения заявляет, что «не существует убедительных доказательств того, что жесткость воды оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье человека». [2] Фактически, Национальный исследовательский совет США обнаружил, что жесткая вода служит пищевой добавкой для 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 данные были недостаточными для рекомендации уровня жесткости. [2]
Были даны рекомендации по минимальному и максимальному уровню содержания кальция (40–80 ppm ) и магния (20–30 ppm) в питьевой воде, а также по общей жесткости, выраженной как сумма концентраций кальция и магния, которая составляет 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 быть повышена из-за жесткой питьевой воды. [18] [19] Проживание в районах с жесткой водой также может играть роль в развитии AD в раннем возрасте. Однако, когда AD уже установлен, использование смягчителей воды дома не снижает тяжесть симптомов. [19]
Жесткость можно количественно определить 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 двухвалентных ионов металлов), в некоторых местах в повышенных количествах присутствуют также железо , алюминий и марганец . Присутствие железа характерно придает коричневатый ( ржавый ) цвет кальцификации вместо белого (цвет большинства других соединений).
Жесткость воды часто выражается не в виде молярной концентрации, а в различных единицах, таких как градусы общей жесткости ( dGH ), немецкие градусы (°dH), части на миллион (ppm, мг/л или американские градусы), граны на галлон (gpg), английские градусы (°e, e или °Clark ) или французские градусы (°fH, °f или °HF; строчная буква f используется для предотвращения путаницы с градусами Фаренгейта ). В таблице ниже показаны коэффициенты пересчета между различными единицами.
Различные альтернативные единицы представляют эквивалентную массу оксида кальция (CaO) или карбоната кальция (CaCO 3 ), которая при растворении в единице объема чистой воды приведет к той же 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 что используются разные единицы массы и объема. Единицы следующие:
Поскольку именно точная смесь минералов, растворенных в воде, вместе с pH и температурой воды определяют поведение жесткости, однозначная шкала не может адекватно описать жесткость. Однако Геологическая служба США использует следующую классификацию для жесткой и мягкой воды: [5]
Морская вода считается очень жесткой из-за различных растворенных солей. Обычно жесткость морской воды составляет около 6570 ppm (6,57 грамма на литр). [21] Напротив, пресная вода имеет жесткость в диапазоне от 15 до 375 ppm, обычно около 600 мг/л. [22]
Для описания поведения карбоната кальция в воде, нефти или газовых смесях используется несколько индексов. [23] [ необходим лучший источник ]
Индекс насыщения Ланжелье [24] (иногда индекс стабильности Ланжелье) — это расчетное число, используемое для прогнозирования стабильности карбоната кальция в воде. [25] Он показывает, будет ли вода выпадать в осадок, растворяться или находиться в равновесии с карбонатом кальция. В 1936 году Вильфред Ланжелье разработал метод прогнозирования pH, при котором вода насыщается карбонатом кальция (называемым pH s ). [26] LSI выражается как разница между фактическим pH системы и pH насыщения: [27]
Если фактический pH воды ниже расчетного pH насыщения, LSI отрицателен, и вода имеет очень ограниченный потенциал образования накипи. Если фактический pH превышает pHs, LSI положителен, и, будучи перенасыщенной CaCO 3 , вода имеет тенденцию образовывать накипь. При увеличении положительных значений индекса потенциал образования накипи увеличивается.
На практике вода с LSI от −0,5 до +0,5 не будет демонстрировать улучшенные свойства растворения минералов или образования накипи. Вода с LSI ниже −0,5 имеет тенденцию демонстрировать заметно повышенные способности растворения, в то время как вода с LSI выше +0,5 имеет тенденцию демонстрировать 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 вода из скважины. Температура воды, когда она впервые выходит из скважины, часто значительно ниже температуры внутри здания, обслуживаемого скважиной, или в лаборатории, где проводятся измерения LSI. Это повышение температуры может привести к образованию накипи, особенно в таких случаях, как водонагреватели. И наоборот, системы, которые снижают температуру воды, будут иметь меньшее образование накипи.
Индекс устойчивости Ризнера (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 трубопроводах.
Этот индекс определяется как: [29]
Индекс накипи Пукориуса (PSI) использует несколько иные параметры для количественной оценки взаимосвязи между степенью насыщения воды и количеством отложений известкового налета.
Другие индексы включают индекс Ларсона-Скольда [30] , индекс Стиффа-Дэвиса [31] и индекс Оддо-Томсона [32] .
Жесткость местных источников воды 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 городах Австралии, проведенный Австралийской водной ассоциацией, показывает диапазон от очень мягкой (Мельбурн) до жесткой (Аделаида). Уровни общей жесткости карбоната кальция в ppm следующие:
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 захваченного углекислого газа от 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. Напротив, на западном побережье необычно мягкая вода, получаемая в основном из горных озер, питаемых ледниками и таянием снегов.
Некоторые типичные значения:
Информация от Инспекции по питьевой воде показывает, что питьевая вода в Англии , как правило, считается «очень жесткой», при этом в большинстве районов Англии, особенно к востоку от линии между эстуариями рек Северн и Тис , содержание эквивалента карбоната кальция превышает 200 ppm. Например, в Лондоне вода в основном поступает из рек Темза и Ли , обе из которых получают значительную часть своего стока в сухую погоду из источников в известняковых и меловых водоносных горизонтах. Уэльс , Девон , Корнуолл и части северо-западной Англии являются более мягкими водными районами, и их жесткость колеблется от 0 до 200 ppm. [58] В пивоваренной промышленности Англии и Уэльса вода часто намеренно становится жесткой с помощью гипса в процессе бертонизации .
Как правило, вода в основном жесткая в городских районах Англии, где источники мягкой воды недоступны. Несколько городов построили источники водоснабжения в 18 веке, когда промышленная революция и городское население бурно росли. Манчестер был известным таким городом на северо-западе Англии, и его богатая корпорация построила несколько водохранилищ в Тирлмере и Хосуотере в Озерном крае на севере. В их верховьях нет воздействия известняка или мела , и поэтому вода в Манчестере оценивается как «очень мягкая». [52] Аналогичным образом, 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 стандартов для интерпретации качества воды в Ирландии, в котором даны определения жесткости воды. [59] Раздел 36 обсуждает жесткость. Дана ссылка на оригинальную документацию ЕС, в которой не установлено никаких пределов жесткости. Справочник также не дает «Рекомендуемых или обязательных предельных значений» для жесткости. Справочник указывает, что выше средней точки диапазонов, определенных как «умеренно жесткая», эффекты наблюдаются все чаще: «Главные недостатки жесткой воды в том, что она нейтрализует пенообразующую способность мыла [...] и, что более важно, она может вызвать засорение труб и значительное 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 Соединенных Штатов показал, что около половины проверенных станций водоснабжения имели жесткость более 120 мг на литр эквивалента карбоната кальция, что помещает их в категории «жесткая» или «очень жесткая». [5] Другая половина была классифицирована как мягкая или умеренно жесткая. Более 85% американских домов имеют жесткую воду. [ требуется ссылка ] Самые мягкие воды встречаются в некоторых частях Новой Англии , Южной Атлантики–Персидского залива, Тихоокеанского северо-запада и Гавайев . Умеренно жесткие воды распространены во многих реках регионов Теннесси , Великих озер и Аляски . Жесткие и очень жесткие воды встречаются в некоторых ручьях в большинстве регионов по всей стране. Самые жесткие воды (более 1000 частей на миллион) находятся в ручьях в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Аризоне, Юте, частях Колорадо, южной Неваде и южной Калифорнии. [60] [61]
