Жесткая вода

Жёсткость – это наиболее распространенная проблема качества воды. Термином «жёсткая» начали характеризовать воду после стирки с применением обычного мыла на основе жирных кислот, после чего белье в буквальном смысле становилось жестким. Сегодня это одна из основных проблем воды как для технологического, так и для бытового применения.

Жесткость обусловлена суммарным количеством растворенных ионов щелочноземельных металлов, обычно учитывают кальций Сa2+ и магний Mg2+, поскольку они составляют не менее 98-99% всех соединений. В меньшей степени на жесткость влияют бериллий, стронций и барий - эти металлы относятся к группе тяжелых, поэтому отдельно нормируются более жесткими нормативами.

Показатели жесткости

Численно жесткость представляется как сумма концентраций магния и кальция. Единица, которая рекомендована в системе СИ для выражения этого показателя — это моль на кубический метр (моль/м³), но в Украине чаще используют миллиграмм-эквиваленты на литр (мг-экв/л).  Таблицу для конвертации значений можно найти тут.

В слабоминерализованных водах высокая кальциевая жесткость. С ростом минерализации содержание ионов кальция быстро снижается, и обычно не превышает 1 г/л. Содержание ионов магния в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых – нескольких десятков граммов.

В таблице приведена классификация вод по показателю жесткости.

Виды жесткости

1. Временная или карбонатная жесткость получила свое название из-за того, что удаляется при кипячении и состоит в основном из карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния — Са(НСО₃)₂ и Mg(НСО₃)₂.

Их растворимость обратно пропорционально зависит от температуры - чем выше температура, тем ниже растворимость. Соответственно, при повышении температуры равновесие системы сдвигается в сторону образования осадка и, как следствие, получаем известковый налет и накипь.

2. Постоянная жесткость образовывается сульфатами и хлоридами лужноземельних металлов, к ним относятся CaSO₄, CaCl₂, MgSO₄, MgCl₂. Вода с такой жесткостью не образует осадков, но при этом этот параметр важен для некоторых технологических операций.

Откуда она берется?

Основным путем поступления в воду ионов кальция и магния являются натуральные минералы: доломит, кальцит, воластонит и пр. Вода двигается сквозь слои, содержащие эти породы, и вымывает определенное количество минералов, поэтому вся природная вода содержит соли жесткости.

Также бывают антропогенные источники насыщения воды кальцием и магнием, так — аномальную жесткость будет иметь вода химических производств, воды в результате добычи янтаря и пр.

Как определить жесткость воды дома?

Вкус очень жесткой воды имеет характерный горьковатый привкус, но почувствовать его в воде со средними показателями жесткости довольно сложно(особенно если вы привыкли пить такую воду). Зато мягкая вода с низким солесодержанием будет казаться пресной.

Чтобы точно определить жесткость, можно сдать ее на анализ в профильную лабораторию. Этот шаг является обязательным если вы собираетесь устанавливать фильтры или применять воду в производствах напитков и продуктов питания.

Второй вариант это домашнее полуколичественное определение жесткости с использованием тест-полосок, которые можно купить в специализированных магазинах по водоподготовке или аквариумистике.

Третий способ довольно занимательный и будет особенно интересен юным экспериментаторам — это мыльный метод для которого вам понадобится простое хозяйственное мыло.

Можно ли пить жесткую воду?

Кальций и магний являются важными микроэлементами, они играют важную роль в работе сердечно-сосудистой и мочевыводящей систем, участвуют в формировании ферментов и костной ткани. Наверное нет в человеческом организме органа, в работе которого не принимают участие данные химические элементы.

Стоит обратить внимание, что в равной мере опасны и недостаток и переизбыток солей жесткости. Если вода низкоминерализованная, то организм компенсирует недостаток из пищи, а если же имеет повышенную жесткость, то при длительном питье такой воды происходит перегрузка мочевыводящей системы и, как следствие, образование камней в почках. Также возможным последствием являются гипертензия и отеки.

Из эстетических проблем стоит обратить внимание на влияние жесткой воды на волосы и кожу (сухость, ломкость и жесткость волос, тусклый оттенок кожи) - причиной этому часто является мытье высокоминерализованной водой. Решить эту проблему можно при помощи специальных хелатирующих шампуней или фильтрованной воды.

При применении жесткой воды для умывания имеет место комедогенный эффект за счет забивания пор нерастворимыми солями ионов кальция и магния с компонентами кожного сала.

Использование в быту

Накипь на нагревательных элементах бойлеров и отопительных котлов, стиральных машин является самым частым поводом внепланового сервисного обслуживания. Помимо частых поломок накипь на трубах и элементах нагревательных систем значительно снижает энергоэффективность оборудования. При длительном использовании жесткой воды КПД может снижаться на 30 - 40% и соответственно увеличивать затраты электроэнергии и счета за нее.

Помимо этого жёсткая вода увеличивает расход моющих средств при стирке белья, в ней плохо разваривается мясо, образуется неэстетичный трудносмываемый налет на сантехнике.

Промышленное применение

В некоторых сферах промышленности строго регламентируется жесткость.

В частности, накипь опасна для водогрейных и паровых котлов из-за сокращения срока их службы и повышенных энергетических затрат. В этом случае качество воды нормируется отдельными стандартами. Рекомендованное качество  - 0,02 ммоль/л

Также жесткие нормативы применяются к воде для теплообменников, так как уменьшение диаметра труб и нарушение теплопроводности из-за слоя накипи является критичным.

В пищевой промышленности и производстве напитков также играет роль качество воды, рекомендованные показатели для приготовления газированных напитков и алкоголя - 0,2 - 1 мг-екв/л.

Умягчение воды при водоподготовке

Реагентное умягчение

В данном методе соли жесткости переводятся в нерастворимую форму. Для этого используются кальцинированная сода Na₂CO₃ или гашёная известь Ca(OH)₂, самым эффективным реагентом является ортофосфат натрия Na₃PO₄, который входит в состав большинства бытовых и промышленных реагентов. Недостатком данного метода является опасность для окружающей среды, так как фосфаты не удаляются на станциях биологической очистки и попадают в воду.

Ионный обмен

Специальная загрузка представляет собой полимерные гранулы, которые способны разбухать при контакте с водой и обменивать катионы жесткости на безопасные ионы натрия или водорода. На сегодня ионообменный метод используется как самый эффективный в быту и промышленности. Читать об ионообменных технологиях.

Обратный осмос

Благодаря тому, что поры мембраны имеют мельчайшие размеры, они способны задерживать 99,8% минеральных примесей. Метод подходит для питьевой воды дома или в промышленной подготовке технологической воды. Читать подробно об обратном осмосе.