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:

Ж_о = [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = Ж_к + Ж_нк

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

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.

1. Мелко натереть 1 г хозяйственного мыла и растворить его в 3–4 столовых ложках слегка подогретой дистиллированной воды. Если под рукой нет кухонных весов, можно ориентироваться на глаз – пол чайной ложки без верха.
2. В стакан с мыльным раствором долить дистиллированной воды так, чтобы высота столба жидкости соответствовала процентному содержанию жирных кислот, указанному на бруске мыла. Если 72%, то высота водяного столба должна составлять 72 мм от дна стакана, но не от поверхности стола.
3. Набрать в ёмкость 0,5 л водопроводной воды и, плавно помешивая, вливать в неё тонкой струей мыльный раствор. Сначала в воде появятся хлопья, пузыри, затем – стойкая белая пена. Она свидетельствует о том, что уже связаны все соли.

Вычислить количество сантиметров водного столба, перелитого в ёмкость, можно путем вычитания высоты, оставшегося мыльного раствора, от исходного:

h_п = h_и – h_о,

где:

• h_п — высота столба перелитого раствора;
• h_и – высота водного столба исходного мыльного раствора;
• h_о – 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.

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;

  

• 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.