Нет для человеческого организма важнее соединения на Земле, чем пресная вода. Без него невозможно существование жизни. Этот ресурс незаменим в промышленности, быту и сельском хозяйстве. Здоровье человека напрямую зависит от состава питьевой воды. По данным ВОЗ, 92% всех заболеваний человека связано с использованием для питьевых и хозяйственных нужд некачественной воды. Качество содержимого водного источника характеризуется множеством различных свойств, важное место среди которых занимает жесткость воды временная и постоянная. Повышенная жесткость воды наносит вред здоровью: способствует формированию камней в почках, сушит кожу, вызывая зуд и образование перхоти, замедляет процесс приготовления мясных продуктов. Домашние приборы и водогрейное оборудование также страдают от избытка солей карбонатной жесткости воды: при кипячении образуется накипь, а от плохо мылящихся моющих составов образуются несмываемые налеты.

Что такое карбонатная и не карбонатная жесткость в воде

Жесткость воды входит в число основных параметров, определяющих качественный состав водного источника. Эта величина отражает концентрацию в водном растворе ионов щелочноземельных металлов: Ca²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺. Так как содержание ионов магния и кальция в подземных водах намного выше совокупного количества всех остальных ионов, общей жесткостью считают сумму ионов Ca и Mg в воде. Она в свою очередь состоит из карбонатной и некарбонатной жесткости воды. Первая зависит от насыщения водного раствора гидрокарбонатами кальция и магния, а вторая - хлоридами, нитратами, сульфатами, фосфатами и силикатами тех же металлов.

Прежде чем попасть в кран или скважину, вода проходит долгий путь по подземным водоносным горизонтам, образованным разными богатыми кальцием и магнием горными породами: известняком, доломитом. Минералы взаимодействуют с присутствующими в воде газами и обогащают водный раствор солями щелочноземельных металлов. Ветровое разрушение горных пород и биохимические реакции в почвах также способствуют насыщению природных водных пластов элементами, влияющими на жесткость. Чем глубже расположен источник, тем выше общая, временная и постоянная, жесткость воды. С изменением времени года жесткость меняется: зимой она всегда высокая, а с таянием льдов достигает минимальных отметок.

Виды жесткости воды: общая, временная и постоянная

Общее количество растворенных ионов щелочноземельных металлов составляют общую жесткость, которая складывается из временной и постоянной.

Разные соли Ca и Mg составляют разную жесткость. В воздухе в достаточной концентрации содержится CO₂, и он же содержится в растворенной форме в природных источниках. При взаимодействии CO₂ с водой образуются гидрокарбонат-ионы:

СO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO^3-

Эквивалентное концентрации образованного гидрокарбонат-иона количество кальциевых и магниевых ионов составляет карбонатную жесткость воды. Временная или карбонатная жесткость воды прямо зависит от содержащихся в водном растворе гидрокарбонатов Mg(HCO₃)₂ и Ca(HCO₃)₂, а постоянная жесткость воды - это находящиеся в растворе все остальные соединения Ca и Mg с кислотными остатками азотной, серной, соляной сильных кислот и менее агрессивной фосфорной и кремниевой. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды. Гидрокарбонат-ионы, отражающие карбонатную жесткость в воде, являются буферными и нивелируют кислотно-щелочной баланс водного раствора.

Наблюдая образование накипи на поверхностях и нагревательных элементах бытовых приборов, вряд ли кто-то задумывается о том, что в виде белого нароста уходит только временная жесткость из воды, а постоянная остается. От карбонатной жесткости можно практически на 100% избавиться при нагревании воды до 100°С на протяжении 50 минут. Это дает возможность называть ее временной или устранимой. Гидрокарбонаты Mg и Ca разлагаются с выпадением осадков MgCO₃ и CaCO₃.

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Кипячение приводит к уменьшению общей жесткости воды путем устранения временной жесткости и перевода гидрокарбонатов в нерастворимые соединения. Постоянная жесткость воды остается неизменной. Сульфаты, хлориды, нитраты Ca и Mg остаются в растворенном виде в водном растворе и влияют на показатель мягкости.

Для правильной работы органов человека и функционирования оборудования имеет значение и постоянная, и временная жесткость воды. Здесь важно равновесие. Высокая концентрация солей магния и кальция отрицательно сказывается на состоянии сосудов и функционировании ЖКТ, способствует формированию камней в почках. Слишком мягкая вода нарушает водный и солевой баланс организма.

От высокой жесткости воды, карбонатной и не карбонатной, зависит вспенивание моющих веществ. В жесткой воде в привычном натриевом мыле Ca-ионы замещают Na-ионы при намыливании, образуя хлопья неэффективного "кальциевого мыла". И пока кальциевая жесткость не будет удалена этим способом, формирование мыльной пены не начинается. На 1 ммоль/л общей жесткости для такого смягчения воды в теории уходит 310 мг мыла, на практике - до 540.

Высокий показатель общей карбонатной жесткости воды является причиной образования накипи на стенках водогрейных приборов, труб, отопительном оборудовании. Накипь существенно укорачивает рабочий ресурс техники, препятствуя нормальному нагреву и уменьшая производительность, засоряет сантехнику. В это же время особо мягкая вода с величиной жесткости менее 1,9 ммоль/л имеет пониженную щелочность. Это становится причиной развития коррозионных процессов в водопроводных системах. Правильно установленный баланс постоянной и временной жесткости воды поможет сохранить здоровье и продлить срок службы нагревательному оборудованию и водопроводным трубам.

Как рассчитать общую и карбонатную жесткость воды

Для определения количества растворенных ионов щелочноземельных металлов в образце воды используют несколько способов. В домашних условиях можно применить экспресс-тесты на определение карбонатной и некарбонатной жесткости, имеющиеся в свободной продаже. Они дают результат с погрешностью, но проведение эксперимента не требует дополнительных затрат и занимает минимум времени.

В соответствии с ГОСТ 31954-2012 общую временную и постоянную жесткость воды определяют комплексонометрией. При таком титриметрическом методе ионы металлов (железа, цинка, марганца, кадмия, кобальта, алюминия, свинца, меди) и часть органических веществ оказывают мешающее влияние на установление эквивалентной точки концентрации. Ортофосфат и карбонат кальция могут осаждаться в условиях проведения титрования. При невозможности устранить мешающее воздействие, измерение жесткости проводят методом атомной спектрометрии.

В основе комплексонометрии лежит титрование отобранной водной пробы в присутствии буфера - аммиачного раствора - при рН = 9 и индикатора раствором Трилона Б до изменения цвета индикатора. Наименьшая определяемая жесткость воды - 0,1 Жо. При титровании воды с повышенной жесткостью раствором динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты образуется комплексное соединение, связывающее ионы Ca и Mg. Когда все ионы связаны, индикатор изменяет окраску. Титрование прекращается.

Общую жесткость в пробе водного раствора, Жо, высчитывают по уравнению:

Жо = С₂ • V₂ • 1000 / V₁ [ммоль/л],

С₂ - молярная концентрация эквивалента ЭДТА, моль/л;

V₁ - объем воды, взятой для анализа, мл;

V₂ - объем раствора ЭДТА, мл;

1000 - коэффициент пересчета моль/л в ммоль/л.

Чтобы определить карбонатную жесткость воды, применяют титрование кислотой (HCL). Индикатор метилоранж меняет окраску, когда в растворе появляется малый избыток кислоты. Способ основан на взаимодействии соляной кислоты с гидрокарбонатами:

Ca(HCO₃)₂ + 2HCL → CaCl₂ + 2CO₂↑ + 2H₂O

Титрование проводят 2 - 3 раза. Для вычислений берут средний результат.

Расчет карбонатной жесткости воды осуществляют следующим образом:

Жк = Vк • Cк • 1000 / VB,

Жк - карбонатная жесткость воды, ммоль/л экв Ca²⁺ и Mg²⁺;

Vк - количество кислоты, затраченное на титрование, мл;

Ск - молярная концентрация эквивалента HCl;

VB - объем пробы воды, мл.

Постоянную жесткость воды Жнк можно найти, зная общую и карбонатную:

Жнк = Жо - Жк

В зависимости от концентрации ммоль/л ионов магния и кальция, воду разделяют на несколько типов по степени жесткости:

1. Особо мягкая - ниже 1,6 ммоль/л;
2. Мягкая - в пределах 1,6 - 3,9 ммоль/л;
3. Средне-жесткая - в пределах 3,9 - 7,9 ммоль/л;
4. Жесткая - в пределах 7,9 - 11,9 ммоль/л;
5. Особо жесткая - выше 11,9 ммоль/л.

Как устранить карбонатную и некарбонатную жесткость воды

Удалить жесткость возможно бытовыми способами и профессиональной очисткой воды с помощью фильтров. Уменьшение жесткости, или умягчение, воды заключается в удалении ионов Ca и Mg. В домашних условиях, чтобы понизить временную жесткость воды, достаточно просто ее вскипятить. При кипячении гидрокарбонаты переходят в нерастворимые формы карбонатов магния и кальция и выпадают в осадок. Однако этот способ связан с временными затратами на остывание вскипяченной воды, удалением накипи с посуды и малыми объемами готовой к использованию воды.

Избавиться от жесткости в воде можно замораживанием или дистилляцией. Однако в этом случае получаем дистиллированную воду, которая непригодна для питья, поскольку вымывает полезные минералы из организма, но широко применяется во многих технологических процессах в промышленности.

Умягчить жесткую воду можно введением химических реагентов. Временную или карбонатную жесткость воды понижают добавлением гашеной извести. А при одновременном введении извести и соды можно устранить карбонатную и некарбонатную жесткость в воде. Временная жесткость удаляется известью, а постоянная - содой.

Для работы с большими объемами воды рекомендуется использовать профессиональную очистку от постоянной и временной жесткости фильтрами непрерывного умягчения воды с помощью ионообменных смол. Применяют методы Na и H-Na катионирования, Na-CL ионирования воды. Объединение в одном фильтре смешанного действия анионита и катионита оптимизирует показатели чистоты получаемого раствора.

Универсальные загрузки Экотар, Экомикс помогают не только удалить карбонатную и постоянную жесткость из воды, но и избавить водный раствор от железа и органических примесей. Вода проходит комплексную очистку в пять ступеней благодаря специально подобранной смеси загрузки ионообменных смол и сорбционных веществ. Регенерация фильтров типа Экотар, Экомикс производится с помощью солевого раствора NaCl.

Одним из эффективных и удобных в применении способов устранения жесткости является обратный осмос. Водные растворы проходят через полупроницаемые мембраны, оставляя на них практически все находящиеся в водном растворе вещества. Обратноосмотические установки отличаются простотой обслуживания, хорошей производительностью и экономичностью.

Выбираем фильтры для устранения жесткости воды

Качество воды играет определяющую роль в работе оборудования. Жесткая вода способна навредить любому технологическому процессу в каждой отрасли промышленности. Повышенное содержание солей жесткости - причина развития многих заболеваний при регулярном употреблении ее для питья. Свойства жесткой воды не дают полноценно использовать ее для бытовых нужд, увеличивают расход моющих средств и портят вещи.

Позаботьтесь о качестве воды вместе с нашей компанией. Мы предлагаем весь спектр оборудования для устранения постоянной и временной жесткости воды, включая фильтры умягчения, мультизагрузки Экотар и Экомикс, мембранные установки на основе технологии обратного осмоса. Получить подробную консультацию и сделать заказ можно по телефону или электронной почте. Оформление заявки также возможно в специальной форме обратной связи на сайте.