Какие виды жесткости воды различают: определение, факторы и типы

Жесткая и мягкая вода — в чем разница 

Определение 1

Жесткость воды —

Характеристики воды, связанные с количеством и типами растворенных солей щелочноземельных металлов, в основном, кальция и магния, определяют ее жесткость. Проведенные исследования показали, что присутствие двухвалентных ионов, таких как стронций, железо, марганец и барий, незначительно влияет на уровень жесткости воды, и поэтому их влиянием обычно можно пренебречь.

Вода с большим содержанием таких солей называется жесткой, с малым содержанием — мягкой. Катионо-анионный состав, определяющий жесткость, приведен в таблице 1. 

 

Причины образования жесткой воды обусловлены вымыванием солей из пластов горных пород: известняка, гипса, доломита, которые залегают на пути водного потока.

Параметры жесткости могут меняться в зависимости от того, какие полезные ископаемые распространены в данной местности, насколько хорошо они растворимы в воде и других факторов.  

Негативное воздействие жесткой воды:

• вызывает образование накипи на промышленном и бытовом водонагревательном оборудовании (в том числе в чайниках, стиральных машинах и пр.), затрудняя их работу;
• плохо образует пену;
• сушит кожу;
• увеличивает время разваривания некоторых продуктов (круп, овощей) и др.

Использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб из-за отсутствия нужного кислотно-щелочного баланса, поддерживаемого гидрокарбонатами. 

Вкусовые качества жесткой воды также отличаются из-за наличия или отсутствия в ней различных солей:

• повышенное содержание солей магния, особенно сульфатов, может давать горечь;
• соли железа и марганца придают воде выраженный неприятный привкус, а при кипячении еще и бурый цвет;
• хлориды определяют соленость воды.

Многим людям кажется, что мягкая вода более приятна на вкус.  

В некоторых источниках встречается информация, что употребление жесткой воды приводит к таким последствиям, как образование камней в мочеполовой системе, а мягкой — увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Однако, достоверных клинических исследований или научных докладов, подтверждающих эти сведения, пока не проводилось. 

Виды жесткости воды

Виды жесткости воды и способы ее устранения приведены в таблице 1. 

Состав жесткой воды	Вид жесткости	Способы устранения
катионы	анионы	по составу	по способу устранения
Ca2+, Mg2+ (в малой степени: Fe2+и Fe3+, Mn2+, Ba2+, Sr2+,Al3+)	HCO3-	карбонатная	временная	кипячение; добавление извести.
Cl-, SO42-, NO3-	некарбонатная	постоянная	добавление соды
Cl-, SO42-, NO3-   (SiO32-)	общая	кипячение; добавление извести и соды; вымораживание льда; ионообменные фильтры (умягчение воды); физические методы.

 Таблица 1. 

Кальций-ионы Са2+ отвечают за кальциевую жесткость, а магний-ионы Mg2+ — за магниевую жесткость.

У поверхностного источника по одному и тому же адресу жесткость воды может меняться в зависимости от сезона: например, весной, в период паводка, жесткость воды уменьшается. А летом вода быстро испаряется с поверхностей водоемов, особенно если мало дождей, и жесткость повышается. 

В подземных источниках жесткость воды сохраняется примерно на одном, достаточно высоком уровне: 8-10 мг-экв/л.

Большой жесткостью отличается вода морей и океанов, например:

• в Черном море общая жесткость составляет 65,5 мг-экв/л, на ионы кальция приходится 12, магния — 53,5 мг-экв/л;
• в океанах средняя общая жесткость — 130,5 мг-экв/л, на ионы кальция приходится 22,5, магния — 108 мг-экв/л.

В России для водоснабжения хозяйственного и бытового назначения ГОСТ 31865–2012 устанавливает следующую норму жесткости воды: от 4 до 7 мг-экв/л. При этом питьевая вода должна содержать 2—6 мг-экв/л ионов кальция, и 1,6—3 мг-экв/л ионов магния. 

В Европе, для сравнения, жесткость не должна превышать 1,2 мг-экв/л. Это значит, что европейцы привыкли пить мягкую воду. 

Устранение жесткости

1. Термическая обработка: нагревание воды до 70-80 °С или кипячение позволяет почти полностью устранить временную жесткость. В процессе нагревания гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты: 

Реакция 1

а карбонат кальция и основный карбонат (или гидроксид при рН>10.3) магния выпадают в виде осадка: 

Реакция 2

2. Химическая обработка.

а) Карбонатный тип жесткости можно устранить добавлением гашеной извести Ca(OH)2:

Реакция 3

б) При одновременном добавлении гашеной извести и кальцинированной соды Na2CO3 карбонатная жесткость устраняется известью, а некарбонатная — содой: 

Реакция 4

Далее идет реакция с известью: 

Реакция 5

MgCO3 + Ca2+ + 2OH- → Mg(OH)2↓ + CaCO3↓.

в) Применение полифосфата натрия Na5P3O10 приводит к связыванию ионов Ca2+ и Mg2+ за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:

Реакция 6

3. Ионный обмен осуществляется с помощью ионитов — твердых веществ, имеющих подвижные ионы, которые способны замещаться ионами внешней среды. Причем обмен катионов происходит на катионы, или анионов на анионы. 

Например, алюмосиликат Na2O∙Al2O3∙4SiO2∙mH2O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al, Si и O. В ней имеются полости, в которых содержатся молекулы воды и ионы Na+. Последние могут замещаться на ионы Ca2+ и Mg2+ при пропускании воды через слой гранул алюмосиликата.

Также применяют ионообменные смолы — катиониты на основе синтетических полимеров. Их состав можно выразить общей формулой Na2R, где Na+ — подвижный катион, а R- — органический радикал с отрицательным зарядом.

При пропускании воды через слои катионита ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, замещая натрий: 

Реакция 7

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, катионит перестает выполнять свою работу. Его можно регенерировать погружением в концентрированный раствор NaCl или Na2SO4. При этом ионы Ca2+ и Mg2+ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na.

 

Рисунок 1. Принцип действия ионообменных фильтров. 

Источник: filteropt.ru

4. Физические методы устранения жесткости основаны на выведении ионов кальция и магния под действием: 

• электрического поля — электродиализ;
• магнитного поля;
• магнитно-ионизирующего излучения;
• ультразвуковых волн;
• обратного осмоса;
• электромагнитных волн определенной частоты.

Методы определения уровня жесткости воды

Для определения общей жесткости Жо:

1. Используется сложное комплексонометрическое титрование трилоном Б C10H14N2Na2O8. Этот метод самый точный. 

Методика: 100 мл воды отбирают в коническую колбу, добавляют 5 мл аммиачно-буферной смеси, затем 7-8 капель спиртового раствора индикатора эриохрома черного Т или щепотку его сухой смеси с хлоридом натрия или калия. После перемешивания раствор окрасится в винно-красный цвет. Его титруют 0,05 н. раствором трилона Б до изменения окраски на сине-зеленую. 

Формула 1

2. Покупные экспресс-тесты. Подходят для домашнего использования. Не всегда точные, зато просты в использовании и стоят недорого.  

Рисунок 2. Тест-полоски для определения общей жесткости воды. 

Источник: fixzip.ru

3. Измерение электропроводности с помощью кондуктометра. 

Метод является приблизительным, поскольку электропроводность воды определяет не показатель жесткости, а общее содержание растворенных солей в воде, в том числе солей кальция и магния. Кондуктометр должен измерять именно удельную электропроводность, которая измеряется в мкСм/см, обычный прибор не подойдет.

 

Рисунок 3. График зависимости удельной электропроводности воды от ее жесткости. 

Источник: m.studref.com

Для определения временной жесткости Жв в химии применяют кислотное титрование соляной кислотой. 

При титровании образца воды соляной кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого происходит разложение бикарбонатов, обусловливающих временную жесткость: 

Реакция 8

Методика определения. В лабораторную коническую колбу отбирают 100 мл исследуемой воды, добавляют 2—3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором HCl до появления оранжевой окраски. 

Формула 2

После определения общей и временной жесткости, рассчитывают постоянную (некарбонатную) жесткость Жп: 

Формула 3

 Жп = Жо — Жв. 

Видео. ГОСТ 31954-2012 «Вода питьевая. Методы определения жесткости»

Современные разновидности pH-метров — pH-иономеры позволяют определять временную жесткость на основе титрования соляной кислотой, и общую жесткость с помощью комплексонометрического титрования. Кроме того, они имеют кальций-селективные электроды для различения кальциевой и магниевой жесткости. 

 

Рисунок 4. pH-иономер Metrohm 781.

Источник: donaulab.ru

Единицы измерения жесткости

Общая жесткость измеряется в градусах GH. Например, в воде, значение GH которой близко к нулю, аквариумные рыбки гибнут, употреблять ее в пищевых целях не рекомендуется. 

В мире для измерения параметра жесткости используются разные значения: см. рисунок 5. 

 

Рисунок 5. 

Источник: colormann.ru

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

2. Определение

1 °Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 миллимоля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л).  

 По величине общей жесткости различают воду:   

Характер воды	dGH, °dH	мг-экв/л=°Ж	мг/л, ppm
очень жесткая	23-34	выше 12
жесткая	13-22	8-12
средней жесткости	9-12	4-8
мягкая	5-8
очень мягкая	0-4	0-70

Таблица 2.  

Как уменьшить жесткость воды из скважины?

Жесткость воды обычно определяется содержанием минералов, таких как кальций и магний. Высокая жесткость воды может привести к образованию накипи, ухудшению вкуса питьевой воды и другим проблемам. Существует несколько способов уменьшить жесткость воды из скважины:

1. Умягчение воды с помощью ионного обмена:

   • Системы умягчения воды, основанные на ионном обмене, используют специальные смолы, которые обменивают ионы кальция и магния на ионы натрия. Это позволяет уменьшить содержание минералов, отвечающих за жесткость воды. Такие системы обычно используются в домашних условиях.

2. Добавление химических реагентов:

   • Некоторые химические реагенты могут помочь осаждению минералов в нерастворимую форму, что позволит уменьшить жесткость воды. Однако этот метод может потребовать тщательного контроля и регулярного обслуживания.

3. Обратный осмос:

   • Системы обратного осмоса используют полупроницаемые мембраны для удаления минералов и других загрязнений из воды. Этот метод может быть эффективным для уменьшения жесткости, но требует специального оборудования.

4. Добавление полифосфатов:

   • Полифосфаты могут помочь предотвратить образование накипи и осадков, уменьшая жесткость воды. Однако этот метод может быть менее эффективным на практике.

5. Приобретение питьевой воды:

   • Если жесткость воды слишком высока и другие методы неэффективны, вы можете рассмотреть возможность покупки питьевой воды с низкой жесткостью.

Перед выбором метода рекомендуется провести анализ воды из вашей скважины, чтобы определить точное содержание минералов и выбрать наиболее подходящий способ уменьшения жесткости. Лучше всего проконсультироваться с профессиональными специалистами или компаниями, специализирующимися на обработке воды, чтобы получить рекомендации и решение, наиболее подходящее для вашей ситуации.

Видео. Комплексонометрическое определение общей жесткости воды