Как измеряется жесткость воды: показатели жесткости, методы смягчения- Обзор +Видео

Продолжаем раздел “Вода” и подраздел “Теоретические основы” статьёй Подробнее про жёсткость воды. Подробнее – потому что тема жёсткости воды уже всплывала на нашем интересном и полезном сайте в статье Жёсткая вода. Жёсткость воды вспоминается в первую очередь с накипью и умягчителем воды – прибором, который должен справляться с жёсткой водой и препятствовать образованию накипи.

Подробнее про жёсткость воды мы поговорим про жёсткость воды с точки зрения химии, разновидности жёсткости воды, единицы измерения жёсткости воды (в том числе в разных странах). Рассмотрим, откуда берётся жёсткость воды и как влияет жёсткость на качество воды.

Для начала немного про термины. В статье часто упоминаются слова “катионы” и “анионы”. Катионы и анионы – это положительно и отрицательно заряженные ионы. Ион (др.-греч. ἰόν — идущее) — электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. Соответственно, если потеря – то заряд частицы положительный. Если присоединение – то заряд частицы отрицательный (поскольку электрон имеет однозначно отрицательный заряд).

image

Жёсткость воды с точки зрения химии

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, 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 данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они обЪединяются.

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 столь 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 (Ва2+).

Разновидности жесткости воды.

Различают следующие разновидности  жёсткости воды:

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Определяется наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Единицы измерения жёсткости воды.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3). На Украине используется как моль/м3, так и мг-экв/л (миллиграмм эквивалент на литр). Численно эти значения совпадают. Кстати, л и дм3 – это одно и тоже, литр и дециметр кубический.

Кроме этого в различных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей 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:

  1. Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.
  2. Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде.
  3. Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.

Чтобы не заморачиваться пересчётами вручную, можно создать табличку пересчёта единиц жёсткости. Которую, кстати сказать, вы можете скачать по ссылке Таблица пересчёта единиц измерения жёсткости воды.

Откуда берётся жёсткость воды

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 при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Ниже в таблице приведены целых четыре примера классификации. Две классификации из российских источников – из справочника “Гидрохимические показатели состояния окружающей среды” и учебника для вузов “Водоподготовка”. A две – из иностранных: нормы жесткости немецкого института стандартизации (DIN 19643) и классификация, принятая Агентством по охране окружающей среды США (USEPA) в 1986.

Таблица наглядно иллюстрирует гораздо более “жесткий” подход к проблеме жесткости за границей. И не без причины, о чём – ниже.

image

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких 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 вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Как влияет жёсткость на качество воды

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться 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 и того 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 оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе водопровода отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно 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 известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры.

Признаком такого негативного воздействия является характерный “скрип” чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство “мылкости” после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила природа.

Вместе с тем, 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 ряда 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.

Вот мы и узнали подробнее про жёсткость воды. Осталось определиться со способами борьбы 🙂

По материалам http://dino-trade.ru/index.php/2010-01-21-11-16-24/205-2010-10-31-16-41-39

Жесткость воды обусловлена ее химическими и физическими свойствами. Главная причина жесткой воды – наличие солей кальция и магния.

Жесткость представляет важное значение для потребителей воды. Негативные последствия данной примеси видны при кипячении и стирке – образуется накипь на посуде, уменьшается эксплуатационный срок деталей, страдает качество выполнения функций и теплотехнические характеристики.

Виды жесткости воды:
  • Карбонатная (временная) – содержание гидрокарбонатов и карбонатов кальция и магния, устраняется путем кипячения;
  • Некарбонатная (постоянная) – содержание хлоридов, сульфатов и нитратов кальция и магния (не устраняется кипячением)
  • Общая – суммарное содержание солей жесткости.

Источники жесткости в воде

Источники жесткости в воде имеют исключительно природный характер, это единственная экологическая проблема, которой не присущ антропогенный фактор. Основная причина – поступление солей из подземных источников, расположенных в известняковых пластах. Именно поэтому показатель жесткости поверхностных вод ниже, чем у подземных.

Кроме того, жесткость может зависеть от сезонности. Минимальное значение она достигает весной, когда тает снег и наступает половодье.

Жесткая вода в квартире имеет те же причины, что и водоемная. Она поступает из скважин, в которых растворяются залежи пород гипса, известняка и доломитов.

Влияние жесткой воды на здоровье человека и коммуникации

Проблемы жесткости воды присуща почти всем крупным городам, так как водопровод берет воду из скважин.

Негативное влияние жесткости водопроводной воды на здоровье человека выражается в следующем:

  • Реакция кожи – сухость, зуд, шелушение, аллергии, перхоть;
  • Уничтожение сальной пленки – голова быстрее грязнится, а тело быстро теряет свежесть, удаляется защитный слой кожи (главное препятствие микробам и вирусам);
  • Проблемы с ЖКТ;
  • Накопление токсинов в организме ;
  • Заболевания сердечно-сосудистой системы в результате избытка кальция и магния;
  • Влияние на опорно-двигательную систему – жесткая вода приводит к уменьшению суставной жидкости и снижает подвижность тела;
  • Появление камней в почках.

Если вода обладает повышенной жесткость, то стенки водопроводных труб и отопительной системы покрываются налетом, который препятствует нормальной проходимости и нагреву.

Норма жесткости воды

Жесткость измеряется в мг-экв/л. По содержанию солей жесткости вода делится на 3 типа:

  • Мягкая вода – до 3 мг-экв/л;
  • Средняя – от 3 до 6 мг-экв/л;
  • Жесткая – более 6 мг-экв/л.

В нашей стране допустимое значение общей жесткости по СанПиН питьевой воды составляет 7 мг-экв/л. Для сравнения в Европе это значение ниже в несколько раз.

Методы определения жесткости воды

Повышенную жесткость воды видно даже визуально: по налету на чайнике, твердому белью, мутному чаю и стянутости кожи. Но точное значение Вы сможете получить, только проведя лабораторный анализ комплексонометрическим методом (согласно ГОСТ 31954-2012).

Условия отбора пробы

Чтобы анализ воды на жесткость показал верный результат, необходимо тщательно собрать исследуемый материал:

  • Взять чистую пластиковую тару объемом 1,5-2 литра;
  • Слить воду сильным напором в течении 5-10 минут;
  • Промыть тару несколько раз без моющего средства;
  • Настроить напор тонкой струей и наполнить тару до краев;
  • Закрыть емкость крышкой и доставить в лабораторию.

Очистка жесткой воды

Жесткость воды в Московской области часто превышает допустимые пределы, поэтому ее необходимо смягчать перед использованием. Средняя жесткость воды в Москве составляет 5,5 мг-экв/л, что тоже является немалым.

Полностью устранить жесткость воды может только фильтр.

Лучший способ устранения жесткости – это метод ионного обмена. Ионообменные смолы в фильтрах умягчают воду, вступая в реакцию с растворенными солями. Результатом деятельности является отдача ионов. Смолы обладают способностью к регенерации в течении нескольких лет, поэтому такие фильтры очень выгодны в использовании.

Лаборатория «ИОН» проводит анализ воды всех видов. Мы работаем более 20-ти лет и гарантируем качественное выполнение услуг. Проводим отбор проб в Москве и Московской области воды любого назначения. Гарантируем качество и 100% соблюдение сроков.

Все статьи

Также рекомендуем почитать

Железо в воде

Содержание железа в воде – распространенное явление. В допустимых приделах оно приносит пользу организму, но его избыток опасен как для сантехники, так и для человека. Появление железа в воде из скважины связано с процессами растворения горных пород.

Читать статью 04.06.2019

Нитраты в воде

Повышенное содержание данной примеси чаще всего встречается в колодцах, неглубоких скважинах, реках и озерах. Перед использованием такой воды в хозяйственных нуждах убедитесь в том, что содержание нитратов не превышает норму.

Читать статью 15.05.2019 Жёсткая вода

В«ЖесткаяВ» вода — одна изВ самых распространенных проблем, причем как вВ загородных домах сВ автономным водоснабжением, так иВ вВ городских квартирах сВ централизованным водопроводом. Степень жесткости зависит отВ наличия вВ воде солей кальция иВ магния (соли жесткости) иВ измеряется вВ миллиграмм — эквиваленте наВ литр (мг-экв/л). ПоВ американской классификации (для питьевой воды) при содержании солей жесткости менее 2В мг-экв/л вода считается В«мягкойВ», отВ 2В доВ 4 мг-экв/л — нормальной (повторяем, для пищевых целей!), отВ 4В доВ 6 мг-экв/л — жесткой, аВ свыше 6В мг-экв/л — очень жесткой.

Для многих применений жесткость воды неВ играет существенной роли (например, для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц иВ тротуаров). НоВ вВ ряде случаев жесткость может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жесткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. ИВ вот почему:

  • При использовании мягкой воды расходуется вВ 2В раза меньше моющих средств;
  • Жесткая вода, взаимодействуя сВ мылом, образует В«мыльные шлакиВ», которые неВ смываются водой иВ оставляют малосимпатичные разводы наВ посуде иВ поверхности сантехники;
  • При нагревании воды, содержащиеся вВ ней соли жесткости кристаллизуются, выпадая вВ виде накипи. Накипь является причиной 90%В отказов водонагревательного оборудования. Поэтому кВ воде, подвергаемой нагреву вВ котлах, бойлерах иВ т.п., предъявляются наВ порядок более строгие требования поВ жесткости;
  • Во многих промышленных процессах соли жесткости могут вступить вВ химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.

Понятие жесткости

Жесткость воды принято связывать сВ катионами кальция (Са2+) иВ вВ меньшей степени магния (Mg2+).В В

действительности, все двухвалентные катионы вВ той или иной степени влияют наВ жесткость. Они взаимодействуют сВ анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать вВ осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством неВ обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, иВ главные анионы, сВ 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-)

В На практике стронций, железо иВ марганец оказывают наВ жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) иВ трехвалентное железо (Fe3+) также влияют наВ жесткость, ноВ при уровнях рН,В встречающихся вВ природных водах, ихВ растворимость и,В соответственно, В«вкладВ» вВ жесткость ничтожно малы. Аналогично, неВ учитывается иВ незначительное влияние бария (Ва2+).

Виды жесткости

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция иВ магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) иВ некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием вВ воде гидрокарбонатов иВ карбонатов (при рН>8.3) кальция иВ магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды иВ поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются сВ образованием угольной кислоты иВ выпадением вВ осадок карбоната кальция иВ гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых иВ магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) иВ при кипячении неВ устраняется (постоянная жесткость).

Единицы измерения

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг сВ другом.В В России Госстандартом вВ качестве единицы жесткости воды установлен моль наВ кубический метр (моль/м3).

Один моль наВ кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (1/2В Ca2+) 20.04В г/м3В иВ ионов магния (1/2Mg2+) 12.153В г/м3. Числовое значение жесткости, выраженное вВ молях наВ кубический метр равно числовому значению жесткости, выраженному вВ миллиграмм-эквивалентах наВ литр (или кубический дециметр), т.е. 1моль/м3=1ммоль/л=1мг-экв/л=1мг-экв/дм3.

Кроме этого вВ зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do,В dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

Соотношение этих единиц жесткости представлено вВ следующей таблице:

Единицы жесткости воды

Моль/м3(мг-экв/л)Немецкий градус, doФранцузский градус, foАмериканский градусppm мг/дм3В СаСО31.000В 2.8045.00550.05050.050В 

Происхождение жесткости

Ионы кальция (Ca2+) иВ магния (Mg2+), аВ также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют воВ всех минерализованных водах. ИхВ источником являются природные залежи известняков, гипса иВ доломитов. Ионы кальция иВ магния поступают вВ воду вВ результате взаимодействия растворенного диоксида углерода сВ минералами иВ при других процессах растворения иВ химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие вВ почвах наВ площади водосбора, вВ донных отложениях, аВ также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется вВ широких пределах иВ существует множество типов классификаций воды поВ степени ееВ жесткости.

Обычно вВ маломинерализованных водах преобладает (доВ 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя вВ отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50—60%). СВ увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает иВ редко превышает 1В г/л. Содержание жеВ ионов магния (Mg2+) вВ высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, аВ вВ соленых озерах — десятков граммов наВ один литр воды

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения вВ конце зимы иВ наименьшего вВ период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой иВ талой водой. Морская иВ океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки иВ сотни мг-экв/дм3)

Влияние жесткости

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ееВ приемлемость поВ степени жесткости может существенно варьироваться вВ зависимости отВ местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (вВ пересчете наВ мг-эквивалент) вВ диапазоне 2—6В мг-экв/л, вВ зависимости отВ соответствующего аниона, аВ порог вкуса для магния иВ того ниже.В В некоторых случаях для потребителей приемлема вода сВ жесткостью выше 10В мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ейВ горьковатый вкус иВ оказывая отрицательное действие наВ органы пищеварения

Всемирная Организация Здравоохранения неВ предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости поВ показаниям влияния наВ здоровье.В В материалах ВОЗ говорится оВ том, что хотя ряд исследований иВ выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды иВ сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные неВ достаточны для вывода оВ причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно неВ доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект наВ баланс минеральных веществ вВ организме человека

Вместе сВ тем, вВ зависимости отВ рНВ иВ щелочности, вода сВ жесткостью выше 4В мг-экв/л может вызвать вВ распределительной системе отложение шлаков иВ накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования кВ величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05—0.1В мг-экв/л).

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости сВ моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование В«мыльных шлаковВ» вВ виде пены. Это приводит неВ только кВ значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается вВ виде налета наВ сантехнике, белье, человеческой коже, наВ волосах (неприятное чувство В«жесткихВ» волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков наВ человека является то,В что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа иВ забивают ееВ поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный В«скрипВ» чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее уВ некоторых раздражение чувство В«мылкостиВ» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка наВ коже цела иВ невредима. Именно она иВ скользит.В В противном случае, приходится тратиться наВ лосьоны, умягчающие иВ увлажняющие кремы иВ прочие хитрости для восстановления той защиты кожи, которой нас иВ так снабдила матушка Природа.

Вместе сВ тем, необходимо упомянуть иВ оВ другой стороне медали. Мягкая вода сВ жесткостью менее 2В мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) иВ может, вВ зависимости отВ уровня рНВ иВ ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие наВ водопроводные трубы. Поэтому, вВ ряде применений (особенно вВ теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды сВ целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды иВ ееВ коррозионной активностью.

Жесткость воды (Н) — наиболее важный параметр качества воды при ее очистке и подготовке перед подачей на системы паро–водогрейного оборудования котельных и систем охлаждения.

Главными ионами, обуславливающими жесткость воды, являются ионы кальция и магния. Их суммарная концентрация, выраженная количеством миллиграммов–эквивалентов в 1 л воды (мг–экв/л), называется общей жесткостью (Но).

Общая жесткость рассчитывается как сумма концентраций эквивалентов ионов кальция и магния в 1 литре воды: Hо = [Ca2+]/20,04 + [Mg2+]/12,16, мг–экв/л.

Также наиболее распространенной единицей выражения жесткости является Немецкий градус жесткости, равный 0,357 градусу жесткости, применяемому в России.

Соотношения между такими единицами измерения жесткости, как Немецкий градус, Hо мг–экв/л и Hо мкг–экв/л приведены ниже:

Немецкий градус, G, мг–экв/л Hо мг–экв/л Hо мкг–экв/л
1 0,357 357
2,8 1 1000
0,0028 0,001 1

Относительные величины жесткости и щелочности природных вод делят их на два типа: Нещелочные, где Но > Що, и Щелочные, где Но < Що.

Нещелочные воды, где Но > Що, наиболее распространены. В них различают: Но – жесткость общую; Нк – жесткость карбонатную, обусловленную бикарбонатами кальция и магния; Ннк – жесткость некарбонатную, с преобладающими в воде хлоридами и сульфатами кальция и магния;

НСа – жесткость кальциевую, в основном составляют соединения кальция;

HMg – жесткость магниевую, аналогично – соединения магния.

При этом имеет место быть следующее соотношение: Hо = Hк + Ннк = НCa + HMg.

Для вод, где Но < Що, понятие карбонатной и некарбонатной жесткости смысла не имеет, т.к. Но < [HCO HCO3 ]. В таких водах различают общую жесткость, кальциеву, магниевую и щелочность.

Для щелочных вод, учитывая высокую концентрацию HCO3, при расчетах водоподготовки следует принимать Нк = Но, а Ннк = 0.

Умягченные воды (прошедшие через систему водоочистки и водоподготовки, конденсат или питательная вода) характеризуются лишь общей жесткостью или остаточной.

При анализе воды, если он выполнен правильно, то должно соблюдаться равенство, в котором сумма всех положительных зарядов, обусловленных наличием в воде катионов, равна сумме отрицательных зарядов, обусловленных соответственно анионами: [Na+]/22,997 + [Ca2+]/20,04 + [Mg2+]/12,16 + [NH4+]/18,04 = [Cl]/35,456 + [SO42-]/48,03 + [NO3]/62,008 + Що, при том что эквивалентная концентрация суммы ионов SiO32-, HSiO3, CO32- и HCO3 входят в общую щелочность (Що). Железо и алюминий по своим свойствам в виде ионов могут присутствовать лишь только в сильнокислой среде или при отсутствии в воде растворенного кислорода (в этом случае в воде железо находится в виде растворенного двухвалентного железа) и в данном случае не учитываются.

В быту слишком жесткая вода вызывает раздражение кожи, в ней плохо пенится и смывается мыло, на поверхностях приборов, используемых для кипячения или нагрева воды (чайники, бойлеры, тены в стиральных машинках), образуются накипные отложения.

При использовании воды в котельных, на ТЭЦ, в циркуляционных системах охлаждения к ней предъявляются особые требования по жесткости. Так, на ТЭЦ жесткость воды должна составлять не более 0,5 мкг–экв/л, что достигается последовательным ее обессоливанием на Н-катионитных и ОН-анионитных фильтрах.

Для питьевой же воды Санкт-Петербурга с ПДК по жесткости не более 7 мг–экв/л, жесткость исходной Невской воды составляет не более 0,8 мг–экв/л, что определяет ее как мягкую и не требующую специальной обработки для умягчения перед подачей потребителю.

Присутствие в котловой воде катионов Mg2+ и Ca2+ и анионов OH, CO32-, SO42-, PO43-, SiO32-, при некоторых условиях образуют труднорастворимые соединения, как-то: CaCO3, CaSO4, CaSiO3, Ca3(PO4)4 и Mg(OH)2, MgSiO3, Mg(PO4)2.

Эти труднорастворимые соединения, в разных условиях образуют накипные или шламовые отложения, что становится причиной ухудшения работы котлового оборудования, зарастания труб, отсеков, а в конечном итоге – выводом оборудования из строя.

  • термический;
  • реагентный;
  • термохимический;
  • умягчение воды диализом;
  • метод магнитной обработки;
  • катионирование.

Наиболее широкое распространение, как в промышленности, так и в быту получил метод катионного обмена, т.е. катионирование воды.

Более подробно каждый метод умягчения воды будет рассмотрен в следующей статье.

Жесткость воды — это совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворенных солей щелочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жесткости»).

Соли жесткости имеют разные свойства. Так, при нагреве воды, некоторые из них выпадают в осадок в виде накипи, а некоторые — не выпадают. По этому признаку их и начали разделять.

Соли, выпадающие в осадок, стали называть солями временной (или устранимой) жесткости, а соли, которые не выпадают в осадок при нагреве воды, солями постоянной жесткости.

Сульфаты, хлориды и нитраты магния и кальция, растворенные в воде, образуют постоянную (или некарбонатную) жесткость. Они выпадают в осадок исключительно при полном испарении воды.

Временная жесткость характеризуется присутствием в воде наряду с катионами Ca2+, Mg2+ и Fe2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO3-).

При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются, образуя очень плохо растворимый карбонат кальция, углекислый газ и воду:

Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3↓ + H2O + CO2↑

Общая жесткость складывается из постоянной и временной.

image

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие 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 столь 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 (Ва2+).

Жёсткость воды — происхождение

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 при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

image

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких 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 вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Жесткость воды — единицы измерения

С 1 января 2014 года в России введен межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жесткости». По новому ГОСТу жесткость выражается в градусах жесткости (°Ж).

1 °Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его миллимоля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л). В разных странах использовались (иногда используются до сих пор) различные внесистемные единицы — градусы жёсткости.

За рубежом приняты другие единицы измерения жесткости воды, соотношение этих единиц представлено в таблице:

Страна Единицы измерения Россия Германия Великобритания Франция США
Россия

°Ж

1

2,80

3,51

5,00

50,04

Германия

°DH

0,357

1

1,25

1,78

17,84

Великобритания

°Clark

0,285

0,80

1

1,43

14,3

Франция

°F

0,20

0,56

0,70

1

10

США

ppm

0,02

0,056

0,070

0,10

1

1°Ж = 20,04 мг Ca2+ или 12,15 Mg2+ в 1 дм3 воды; 1°DH = 10 мг CaO в 1 дм3 воды; 1°Clark = 10 мг CaCO3 в 0,7 дм3 воды; 1°F = 10 мг CaCO3 в 1 дм3 воды; 1 ppm = 1 мг CaCO3 в 1 дм3 воды.

Численные значения жесткости измеренные в мг-экв/л, моль/м3, и °Ж, несмотря на различия в обозначении, равны между собой.

По значению общей жесткости природные воды делят на группы:

  • очень мягкая вода (0–1,5 мг-экв/л)
  • мягкая вода (1,5–4 мг-экв/л)
  • вода средней жесткости (4–8 мг-экв/л)
  • жесткая вода (8–12 мг-экв/л)
  • очень жесткая вода (более 12 мг-экв/л).

Нормативные требования и рекомендации

Рекомендации всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) для питьевой воды: кальций – 20-80 мг/л; магний – 10-30 мг/л. Для жесткости какой-либо рекомендуемой величины не предлагается.

Российские нормативные документы (СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГН 2.1.5.1315-03) для питьевой воды регламентируют: кальций – норматив не установлен; магний – не более 50 мг/л; жесткость — не более 7°Ж.

Норматив физиологической полноценности бутилированной воды (СанПиН 2.1.4.1116-02): кальций – 25-130 мг/л; магний – 5-65 мг/л; жесткость – 1,5-7°Ж.

По содержанию кальция и магния бутилированная вода высшей категории ничем не лучше воды из-под крана!

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий