Жесткость воды, ее значения и методы ее устранения

 Жёсткость - это  особые свойства воды, во многом  определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение.

Для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров жёсткость воды не имеет принципиального значения. Но в ряде случаев жёсткость воды может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жёсткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. Это обуславливается некоторыми фактами:

• При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств;
• Жёсткая вода, взаимодействуя с мылом, образует “мыльные шлаки”, которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;
• Во многих промышленных процессах соли жёсткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.

Жёсткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п. предъявляются на порядок более высокие требования по жесткости. Тонкий слой накипи на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее – ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и начнёт протекать. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы.

Жёсткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает ещё и моющие свойства мыла. Катионы Ca₂+ и Mg₂+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают плёнки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства. А при стирке тканей жёсткой водой образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна.

Различают временную и постоянную жёсткость воды. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию.

Временная жёсткость  воды обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов, например, гидрокарбоната кальция Ca(HCO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂.

При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:

Ca(HCO₃)₂ = СаСО₃ ↓+ СО₂↑+ Н₂О,

Mg(HCO₃)₂ = Мg₂ (ОН) ₂ СО₃↓ + 3СО₂↑ + Н₂О,

и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость  называют временной.

Остальная часть жёсткости, сохранившаяся после кипячения  воды, называется постоянной жёсткостью (или некарбонатная). Она обусловлена присутствием в ней сульфатов, хлоридов и других растворимых соединений кальция и магния, которые хорошо растворимы и так просто не удаляются.

Также различают и общую жёсткость воды. Она определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жёсткости.

Жёсткость воды измеряется в миллиграммах эквивалент на литр (м-экв/л). Обычно, жёсткой вода считается с жёсткостью 1 м-эвк/л и более.

 

Классификация воды по жёсткости

Единицы измерения жёсткости  воды	Миллиграмм на литр, мг/л	Миллиграмм эквивалент на литр, м-экв/л
Мягкая	<17,1 мг/л	<0,35 мг-экв/л
Средней жёсткости	60-120 мг/л	1,2-2,4 мг-экв/л
Жёсткая	120-0180 мг/л	2,4-3,6 мг-экв/л
Очень жёсткая	>180 мг/л	>3,6 мг-экв/л

 

Особенно большой жёсткостью отличается вода морей и океанов. Так, например, кальциевая жёсткость  воды в Чёрном море составляет 12 мг-экв/л, магниевая – 53,5 мг-экв/л, а общая – 65,5 мг-экв/л. В океанах же средняя кальциевая жёсткость равняется 22,5 мг-экв/л, магниевая – 108 мг-экв/л, а общая – 130,5 мг-экв/л.

 

2.2 Методы устранения  жёсткости воды

 

Для избавления от временной  жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:

Ca(HCO₃)₂ = СаСО₃ ↓+ СО₂↑+ Н₂О,

Mg(HCO₃)₂ = Мg₂ (ОН) ₂ СО₃↓ +3СО₂↑ + Н₂О,

и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.

С ионами железа реакция  протекает сложнее из-за того, что FeCO₃ неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)₃, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить  добавлением гашеной извести:

Са²⁺ +2НСО^-₃ + Са²⁺ + 2ОН^- = 2СаСО₃↓+ 2Н₂О

Mg²⁺ +2НСО^-₃ + Са²⁺ + 4ОН^- = Mg(ОН) ₂↓+2СаСО₃↓+ 2Н₂О.

При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной  жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная – содой:

Са²⁺ + СО^2-₃ = СаСО₃↓

Mg²⁺ + СО^2-₃ = Mg СО₃

и далее

Mg СО₃ + Са²⁺ + 2ОН^- = Mg(ОН) ₂↓+СаСО₃↓

Вообще, с постоянной жёсткостью бороться труднее. Кипячение  воды в данном случае не приводит к снижению её жёсткости.

Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в не замершей воде.

Ещё один способ борьбы с  постоянной жёсткостью – перегонка, т.е. испарение воды с последующей  её конденсацией. Так как соли относятся  к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется.

Также, чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду:

СаСl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ ↓+ 2NaCl.

Также известны методы обработки  воды (магнитное и электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других "антинакипинов"), позволяющие на время "связать" соли жёсткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жёсткости химически и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды. Единственным же экономически оправданным методом удаления из воды солей жёсткости является применение ионообменных смол. Пропуская воду через слой специального реагента – ионообменной смолы (ионита), ионы кальция, магния или железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н⁺ или Na⁺, и вода умягчается, её жёсткость снижается.

Но такие методы, как  замораживание и перегонка, пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность имеет дело с тоннами. Поэтому для устранения жёсткости в данном случае принимается современный метод устранения – катионный. Этот способ основан на применении специальных реагентов – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия. Катиониты – синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты.

Их состав условно  можно выразить общей формулой Na₂R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Nа⁺ будут обмениваться на ионы Са²⁺ и Mg²⁺.

Схематически эти процессы можно выразить уравнением:

Ca²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + CaR

Таким образом, ионы кальция  и магния переходят из раствора в  катионит, а ионы натрия – из катионита  в раствор, жёсткость при этом устраняется.

Катиониты обычно регенерируют – выдерживают в растворе NaCl, при участии которого происходит обратный процесс:

CaR + 2Na⁺ = Na₂R+ Ca²⁺

Регенерированный катионит снова может быть использован  для умягчения новых порций жесткой воды.

С последствием жёсткости  воды - накипью, с точки зрения химии, можно бороться очень просто. Нужно  на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя  и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

В качестве средства для  удаления накипи применяются также  адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду. Эти вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи необходимо так же кипячение.

Эффективным способом борьбы с высокой жёсткостью считается  применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде "жёсткие" соли заменяются на "мягкие", которые не образуют твердых отложений.

Автоматический умягчитель представляет собой пластиковый  корпус (4) с управляющим блоком (1) и баком для приготовления и хранения регенерирующего раствора (2). Жёсткая вода, поступая в фильтр, проходит через слой засыпки из высококачественной ионообменной смолы (3). При этом происходит изменение химического состава растворённых солей за счёт замены ионов кальция и магния на ионы натрия, которыми насыщена смола. В момент, когда поглощающая способность смолы снижается до определенного уровня, блок управления автоматически начинает цикл регенерации.

Периодичность регенерации  определяется количеством воды, которое  может пройти через умягчитель до его полного истощения, и рассчитывается с учётом множества факторов, таких как параметры смолы, качество воды, величины её расхода и т.д. Сигнал на начало регенерации в управляющий блок подается специальным расходомером. Непосредственно восстановление свойств ионообменной смолы осуществляется при подаче в фильтр водного раствора высокоочищенной поваренной соли (NaCl) за счёт обратного замещения накопленных в смоле ионов кальция и магния на ионы натрия. Затем все загрязнения вымываются из фильтра в дренаж.

В зависимости от размеров умягчителя цикл регенерации/промывки может продолжаться до 2-3 часов. Во время  регенерации разбор воды производить  не рекомендуется, так как на выход  будет поступать несмягченная вода. Именно по этой причине большинство одиночных систем (состоящих из одного фильтра с одним блоком управления) запрограммированы таким образом, чтобы регенерация производилась только в ночное время.

Современные синтетические  смолы чрезвычайно надежны и  долговечны, позволяют работать на высоких скоростях потоков, благодаря чему находят применение в системах с высокой производительностью. Срок службы смолы может достигать 6 - 8 лет в зависимости от качества исходной воды (и, как следствие, от количества фильтроциклов).

В настоящее время, благодаря большому разнообразию смол, фильтры-умягчители помимо своего основного назначения могут быть использованы также для удаления из воды железа и марганца, тяжелых металлов, органических соединений, а также селективного удаления нитратов, нитритов, сульфидов и т.п.

 

2.3 Значение  жёсткости воды

 

Как мы уже говорили, жёсткость  воды определяется содержанием в  воде растворенных солей кальция  и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налёт, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными умягчителями).

Накипь может стать  причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин

На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств  при стирке белья и умывании, а  также ухудшением потребительских  свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно  варьироваться в зависимости  от местных условий. Порог вкуса  для иона кальция 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 жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.