Что таке жесткость воды, ее классификация, как определить жесткость и способы умягчить
Жесткость воды – один из важнейших критериев, определяющих её потребительские свойства. Образуя нерастворимые минеральные отложения на внутренней поверхности электроприборов и промышленного оборудования, она приводит к ухудшению их эксплуатационных характеристик. Для оценки качества воды установлены допустимые пределы показателя.
Как образуются соли жесткости
Вода – универсальный растворитель. Состав природных источников формируется в зависимости от типа местности. Вода с растворенным в ней углекислым газом проникает в почву, проходит через толщи геологических пород – гипса, доломита, кальцита, размывает их, обогащаясь органическими и минеральными веществами, ионами металлов. Они составляют общую минерализацию воды (TDS).
Среди них преобладают катионы кальция и магния, их суммарное значение дает общую жесткость воды. Её разделяют на два вида:
- временную (карбонатную);
- постоянную (некарбонатную).
Формула общей жесткости имеет вид:
Жо = [Ca2+] + [Mg2+] = Жк + Жнк
Карбонатная жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Они легко удаляются из раствора, образуя при кипячении нерастворимый осадок. Второй вид жесткости определяет содержание в воде растворимых солей, которые невозможно удалить при нагревании. Для устранения постоянной жесткости используются различные методы, о которых расскажем далее в статье.
В отличие от подземных источников поверхностные воды содержат меньше солей, так как постоянно разбавляются выпадающими осадками. Уровень жесткости в них – величина непостоянная. Она достигает предельных значений зимой, а в период паводков снижается. В подземных водах этот показатель более стабилен.
Единицы измерения
Концентрация солей измеряется в миллиграмм эквивалентах на литр: 1 мг-экв/л = 20,04 мг Са2+ и 12,16 мг Мg2+. В международной системе СИ показатель численно выражается в молях на метр3 (моль/м3). В нашей стране применяются градусы жесткости, 1 ºЖ = 1 мг-экв/л или 0,5 ммоль /л.
Градусы жесткости используются и в других странах, но различаются числовыми значениями:
- немецкий градус жесткости 1ºdH = 10 мг/л СаО или 7,194 мг/л MgO;
- французский градус 1ºfH = 10 мг/л СаСО3;
- английский 1 ºClark = 14,254 мг/л СаСО3;
- американский 1 gpg = 17,12 мг/л СаСО3.
Для перехода в другие единицы измерения удобнее использовать ещё одну американскую единицу – PPM (ППМ), которая равна 1 мг/л СаСО3. Отсюда:
- 1ºdH = 17,9 ppm;
- 1ºfH = 10,0 ppm;
- 1 ºClark = 14,25 ppm;
- 1º gpg = 17,1 ppm;
- 1ºЖ = 50,05 ppm.
Перевести ррm в удобные для нас градусы жесткости ºЖ можно конвертером. Для перехода между градусами можно воспользоваться шкалой:
1 ºЖ = 2,804 ºdH = 3,5 ºClark = 5,005 ºfH = 2,924 gpg = 50,05ppm.
Нормы жесткости
По параметру общей жесткости различают воду:
- мягкую – до 4 ºЖ;
- средней жесткости – от 4 до 8 ºЖ;
- жесткую – более 8 ºЖ.
Разнообразие природных условий в России не позволяет установить единые нормы жесткости для всех регионов. Предельно допустимая концентрация (ПДК) Са2+ варьируется в широких пределах в зависимости от местных условий.
Однако стандарты питьевой воды не сильно отличаются от установок ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения). В качестве национального стандарта в нашей стране с 01.01.2014 действует ГОСТ 31954-2012. В нем учитываются основные международные нормативы по качеству воды и методам анализа. Стандарт распространяется на все подземные и поверхностные источники.
Таблица 1. Нормативные значения концентраций кальция и магния в питьевой воде
| 1 | СанПин_2.1.4.1074-01, ГН_2.1.5.1315-03 | Питьевая вода | Не регламентируется | Не регламентируется | 7 |
| 2 | СанПин 2.1.4.1116-02 | Бутилированная вода | 25-130 | 5 — 65 | 1,5-7 |
| 3 | Нормы ВОЗ | Питьевая вода | 20-80 | 10 — 30 | Не предлагается |
Состав воды в зависимости от назначения регламентируется шкалой жесткости:
- допустимый показатель для водопроводной воды – 300 ppm или 6 ºЖ;
- оптимальное значение для природных водоемов – в пределах 400 ррm или 8 ºЖ;
- предельно допустимый уровень жесткости – 500 ppm, 10 ºЖ;
- концентрация солей, представляющая опасность для жизни – более 500 ррм, > 10 ºЖ.
Особенно строгие требования предъявляются к воде, которая подается в нагревательные котлы на электростанциях – показатель общей жесткости не может превышать 0,05–0,1 мг-экв/л.
Как вычислить жесткость в домашних условиях
Повышенная жесткость не выражается какими-либо внешними признаками – запахом, цветом, консистенцией. О ней свидетельствуют:
- образующаяся накипь на дне чайника;
- плохое вспенивание моющих средств;
- белые разводы на душевой лейке в ванной.
Точный состав воды можно узнать только при помощи анализа. Но и в домашних условиях есть простой способ определить жесткость водопроводной воды с небольшой погрешностью в 1–2 градуса.
Для эксперимента понадобятся: кусок хозяйственного мыла, небольшой объем дистиллированной воды, электронные весы, ёмкость, цилиндрический стакан, линейка.
Вычислить количество сантиметров водного столба, перелитого в ёмкость, можно путем вычитания высоты, оставшегося мыльного раствора, от исходного:
hп = hи – hо,
где:
- hп — высота столба перелитого раствора;
- hи – высота водного столба исходного мыльного раствора;
- hо – высота столба остатка мыльного раствора.
Каждый сантиметр перелитого в ёмкость раствора соответствует 2ºdH. Значение совпадает с немецкой единицей жесткости. Например, перелито из стакана 4,6 см, что соответствует 9,2 dH.
Для перевода полученных результатов в мг-экв/л можно воспользоваться таблицей, а для точного результата – калькулятором.
| 1 | 0 — 4 | Очень мягкая | До 1,4 |
| 2 | 5 — 11 | Мягкая | 1,8 – 4,0 |
| 3 | 12 — 22 | Средняя | 4,3-8,0 |
| 4 | 22 — 34 | Жесткая | 8,0-12 |
| 5 | Более 34 | Очень жесткая | Выше 12 |
Получить более точный результат можно с помощью электронных тестеров типа TDS-3. Они делают анализ воды на жесткость и кислотность, выводя результаты на экран в виде РРМ или рН. Преобразовать единицы РРМ в ºЖ можно калькулятором.
Если вы хотите получить подробный анализ воды в скважине или колодце, то это можно сделать набором «Скважина-1».
Еще один простой и недорогой способ определить качество воды — тест-полоски.
Влияние воды
На организм человека
На сегодняшний день нет серьезных исследований, подтверждающих вредное влияние жесткой воды на живой организм. Но известно, что длительное потребление воды с повышенным уровнем жесткости, способствует развитию мочекаменной болезни. Организм не успевает выводить излишки микроэлементов, что приводит к появлению мочевых камней, камней в почках и отложений в суставах.
Качество воды имеет и гигиеническое значение. Мыло, вступая в реакцию с солями кальция и магния, разрушает защитный слой кожи, вызывая раздражение или аллергию. Волосы становятся сухими и ломкими.
Одновременно с этим, кальций и магний – важные для жизнедеятельности человека микроэлементы:
- дневная норма кальция составляет 1000 мг;
- магния – 400 мг.
Недостаток этих элементов может вызывать серьезные нарушения в организме. По исследованиям проводимыми ВОЗ отмечено, что потребление излишне мягкой воды приводит к вымыванию солей из организма и изменению водно-солевого баланса. В регионах с употреблением мягкой воды отмечается:
- рост сердечно-сосудистых заболеваний;
- возрастание количества переломов у детей и снижению веса новорожденных.
ВОЗ указывает, что присутствие солей в воде нужно считать необходимым условием для нормальной жизнедеятельности организма.
На технику
Соли жесткости доставляют массу проблем, связанных с использованием бытовых приборов и промышленного оборудования:
- слой накипи, образующийся на стенках стиральных и посудомоечных машин, приводит к преждевременной поломке;
- краны и душевые лейки забиваются известковым налетом;
- недостаточное вспенивание стирального порошка ведет к его перерасходу;
- покрытые накипью трубы и ТЭНы увеличивают расход электроэнергии и выходят из строя;
Накипь на ТЭНе бойлера приводит к его сгоранию - выпадающие в осадок соли уменьшают проходимость труб в системах водоснабжения, снижая напор воды;
- нерастворимые соединения на стенках радиаторов становятся мощным теплоизолятором, снижая их теплоотдачу.
Слишком мягкая вода оказывает негативное действие на технику, повышая опасность коррозии труб из-за низкой щелочности. Поэтому необходимо поддерживать правильный баланс водно-солевого состава.
Способы умягчения воды
Существуют различные способы снижения жесткости. Выбор определяется в зависимости от исходного качества воды, её назначения и условий использования.
Термический метод
Кипячение – самый простой и доступный способ устранить карбонатную жесткость. Он подходит для небольших объемов воды, которые используются для бытовых нужд. Однако метод не устраняет все соли жесткости, а посуду придется очищать от накипи.
Фильтрация
Не так давно фильтр для смягчения воды представлял внушительную установку. Современные технологии и материалы позволили создать компактные системы очистки, придающие воде мягкость, с легкостью помещающиеся под мойкой на кухне. Сменные картриджи фильтров, кроме умягчения воды, удаляют запахи и примеси. Правильный подбор фильтров и своевременная замена гарантируют качественную очистку воды из водопровода, скважины или колодца. Одной из современных комплексных систем являются фильтры «Барьер».
Химические способы
Для осаждения солей жесткости в воду добавляют специальные реагенты – гашеную известь, соду, полифосфаты. Метод эффективен для промышленного применения. Главный его недостаток – в необходимости дальнейшей утилизации отходов. Вода после такой обработки непригодна для пищевых целей.
Ионный обмен
Фильтрация через ионообменные смолы с успехом используется в промышленности. Принцип основан на замещении катионов щелочноземельных металлов ионами натрия и водорода в колонке с мелкозернистой засыпкой. Для регенерации отработанной смолы используется раствор поваренной соли. При изменении уровня жесткости воды необходима ручная корректировка настроек.
Физические методы
В основу этих методов положены процессы электродиализа, действия ультразвуком, электромагнитных импульсов. Соли жесткости переводятся в модифицированное состояние, при котором они не кристаллизуются в твердый осадок, а образуют неустойчивые соединения. Применение ультразвуковых и электромагнитных волн дополнительно способствует отслоению уже имеющейся накипи.
Мембранный метод
Этот способ очистки имеет другое название – обратный осмос. Вода под высоким давлением пропускается через фильтр с микроскопическими ячейками и полностью очищается от химических примесей, взвешенных частиц, бактерий. Качество получаемой воды близко к дистиллированной. Для её употребления необходима дополнительная минерализация. Недостаток метода в его дороговизне.
Итог
Оценивая качество воды, важно учитывать не только уровень жесткости и вероятность образования накипи, но также коррозионную способность. Правильная оценка позволит подобрать эффективный комплекс мероприятий для водоподготовки.
