Единицы измерения жесткости воды и методы борьбы с ней

Оглавление

1. Что представляет собой жёсткая вода
2. Почему вода становится жёсткой: основные причины
3. Какой бывает жёсткость
4. Измерение
5. Нормы и возможные концентрации жёсткости воды
6. Как определяют фактическую жёсткость
7. Можно ли определить жёсткость воды в домашних условиях
8. Последствия чрезмерно жёсткой воды
9. Методы устранения жёсткости водопроводной или скважинной воды
10. Что выбрать

Один из важных показателей качества воды, а также её химических и физических характеристик – это уровень жёсткости. Когда этот показатель превышает норму, вода изменяет свои свойства и оказывает отрицательное воздействие на бытовую технику, а также на здоровье человека. Если рассматривать спецификации, то единицы измерения жесткости воды играют значительную роль в этом контексте.

Что представляет собой жёсткая вода

Что такое жёсткость воды, чем вода жёсткая отличается от мягкой? Под таким понятием понимают физические и химические свойства, связанные с присутствием в составе растворённых солей щелочноземельных металлов. В большей степени жёсткость определяется содержанием солей магния и кальция – Mg и Ca. Также показатель может несущественно изменяться при наличии бария, алюминия, стронция, железа, марганца. Но такие металлы в обычных условиях растворяются в водной среде крайне плохо, поэтому на жёсткость влияют незначительно.

Жёсткая вода с высокой концентрацией солей магния и кальция называется именно так из-за увеличения жёсткости тканей, выстиранных в такой жидкости. Давно было замечено, что материалы действительно меняют свойства после контактов с растворёнными магниевыми и кальциевыми солями жирных кислот, которые во время стирки образуются на макроуровне. Такое явление обусловлено, с одной стороны, способностью волокон тканей адсорбировать, впитывать эти вещества. С другой стороны, материалы обладают ионообменными свойствами, в результате чего на молекулярном уровне адсорбируют многовалентные катионы.

Полезная информация! Жёсткость воды – важный параметр качества, отражающий химические и физические свойства.

Почему вода становится жёсткой: основные причины

С чем связана повышенная жёсткость воды? Вообще, H2O можно считать универсальным растворителем, в котором при длительных контактах с горными породами и почвами растворяются все химические соединения и вещества, входящие в состав грунтов и минералов. И щелочноземельные металлы также попадают.

Источники увеличения содержания солей кальция и магния (Mg и Ca) могут быть следующими:

• Слои горных пород, через которые проходят подземные воды, подаваемые с помощью скважин. К таковым относится известняк.
• Геологические породы, например, доломит, гипс природного происхождения и прочие. Такие источники характерны для наземных водоёмов, а также для приповерхностных водоносных слоёв.
• Химические реакции, протекающие в воде при вступлении во взаимодействие некоторых минералов с диоксидом углерода, то есть углекислого газа.
• Микробиологические процессы, которые происходят в грунтах земель сельскохозяйственного назначения, расположенных в районах водозабора.
• Техногенные источники. Это разные стоки строительных, промышленных предприятий, жилищно-коммунальных организаций. Такие вредные вещества загрязняют открытые водоёмы, попадают в грунтовые воды, просачиваясь через почву.

Чаще всего бывает жёсткой вода, поступающая в частные дома или на дачи из скважин, особенно артезианских. Подземные водные потоки, проходящие через геологические пласты, вымывают некоторые содержащиеся в них минеральные отложения, например, известковые. Далее водно-минеральный раствор проходит через грунт и в виде подземных ключей и родников частично наполняет наземные открытые природные источники – озёра, пруды, реки. А так как городские сети водоснабжения осуществляют забор жидкости не только из искусственных хранилищ, но и из естественных водоёмов, то водопроводное содержимое, поступающее через краны в квартиры, также может иметь в составе соли жёсткости.

Жёсткость является непостоянной величиной и может меняться под воздействием внешних факторов – погодных условий, времени года. Так, при активном испарении влаги с поверхности открытых водоёмов под действием ультрафиолета концентрация солей кальция и магния увеличивается. Во время таяния снегов и льдов, в периоды паводка она, наоборот, снижается.

Какой бывает жёсткость

Существуют разные виды жёсткости, всего их 3. Такие типы различаются по составу воды: химия и физика имеют некоторые особенности.

Рассмотрим все три известных вида:

• Временная, которую также называют карбонатной. При ней в составе обнаруживаются гидрокарбонаты и карбонаты Mg и Ca. Временную жёсткость устраняют методом кипячения. При нагреве соли магния и кальция с выделением углекислого газа выпадают в осадок, который можно удалить механическим путём – фильтрацией воды.
• Постоянная, которая также имеет название некарбонатной. При ней в составе присутствуют иные соли металлов, например, сульфаты, нитраты, фосфаты, хлориды, силикаты, а также некоторые кислоты. Избавиться от постоянной выявленной жёсткости воды не так просто. При кипячении перечисленные соли осадок не образуют. Удаление осуществляется другими методами.
• Общая – суммарное значение временной и постоянной жёсткости воды. Данный показатель характеризует содержание всех солей щелочноземельных металлов, включая карбонаты, сульфаты, гидрокарбонаты, фосфаты. Общую жёсткость воды, как и постоянную, невозможно понизить одним лишь кипячением. Для нормализации уровня применяют более сложные, эффективные и современные методы.

Измерение

С января 2014 года в России действует ГОСТ, в соответствии с которым для измерения жёсткости воды используют градусы жёсткости – °Ж. Но на практике используются и другие единицы измерения – моль/м3 (моль на кубический метр) и мг-экв/л (миллиграмм-эквивалент на литр). А в других государствах применяются иные форматы, например, немецкие или французские градусы жёсткости.

Один градус жёсткости – это концентрация солей щелочноземельных металлов, которая в численном выражении равна ½ части миллимоля на один литр или 1 мг-экв/л. Причём в результатах измерений могут указываться содержания, которые относятся не к единице объёма, а к единице массы. Это связано с тем, что плотность воды меняется под воздействием некоторых факторов, например, при наличии в составе растворённых газов или при высокой температуре.

Полезная информация! Концентрация солей жёсткости, которая составляет 1 мг-эвк/л, соответствует содержанию 20,04 миллиграмма ионизированного свободного кальция Ca2+ или 12,16 мг магния Mg2+.

Нормы и возможные концентрации жёсткости воды

Норма жёсткости для питьевой воды в РФ составляет не более 7 градусов или мг-экв/л. Если показатель выше, то жидкость становится непригодной для употребления внутрь, для приготовления пищи и для иных целей, включая применение в быту.

Вода делится на несколько видов:

• Очень мягкая. Значение жёсткости – до 1,5 °Ж.
• Мягкая. Жёсткость может составлять от 1,5 до 4 мг-экв/л.
• Средней жёсткости. Показатель равен от 4 градусов до 8.
• Жёсткая. Концентрация солей магния и кальция составляет от 8 мг-экв/л до 12.
• Очень жёсткая. Такой вода считается, если её жёсткость больше 12 °Ж.

Наибольшее содержание солей жёсткости часто наблюдается в подземных источниках воды. Уровень обычно составляет порядка 8-10 °Ж. В морях это около 65-70 мг-экв/л, а в океанах ещё больше – до 130 мг-экв/л. Минимальная концентрация солей магния и кальция характерна для северных регионов.

Важно! Как чрезмерно жёсткая, так и очень мягкая вода неполезна. При жёсткости менее 1,5 °Ж нарушается кислотно-щелочной баланс. Такая вода может повышать риски коррозии труб водопроводов. Также ею невозможно смывать мыльные растворы.

Как определяют фактическую жёсткость

Чтобы точно определить жёсткость воды и её состав, следует сдать воду на анализ в специальную лабораторию. Организация после проведенного исследования выдаст заключение с результатами. В нём будет указана концентрация солей магния и кальция, а также иных металлов, от которых зависит степень жёсткости воды.

В лабораториях для оценки состава жёсткой воды используется метод титрования, например, соляной кислотой либо трилоном Б – динатриевой солью. Такие способы анализа высокоточные и достоверные. Другая методика – использование измерительного прибора кондуктометра, определяющего электропроводность жидкой среды. Но на этот параметр влияет не только жёсткость, но и наличие в составе любых растворённых солей, в том числе Mg и Ca. Если присутствуют соли иных веществ (а они наверняка есть), то результаты будут неточными.

Понять, что вода является жёсткой, возможно и самостоятельно. Самый явный признак высокой концентрации солей жёсткости – слой накипи, который появляется на поверхности чайника и прочей кухонной утвари, используемой для нагревания жидкости или её кипячения. Кроме того, светлый налёт может образовываться на сантехнике, что тоже указывает на чрезмерно жёсткую воду.

Также измерить общую жёсткость воды дома можно с помощью тестовой готовой системы. Это тест-полоска, которая имеет слой нанесённого на неё реагента. При реакции с солями Mg и Ca реагентное вещество изменит цвет. По конечному оттенку зоны индикации определяется уровень жёсткости. Этот способ анализа жёсткой воды очень прост, но не отличается высокой точностью.

Также различные соли в составе жёсткой воды отражаются на её вкусе. Например, при увеличенном содержании магниевых солей, особенно сульфатов, жидкость обретает горьковатый привкус или явную горечь. При наличии хлоридов она может становиться солоноватой. Если жидкость содержит соли марганца и железа, возникает неприятный металлический вкус. Кроме того, в этом случае после кипячения цвет может меняться на буроватый, словно ржавый.

Можно ли определить жёсткость воды в домашних условиях

Понять, что вода является жёсткой, возможно и самостоятельно. Самый явный признак высокой концентрации солей жёсткости – слой накипи, который появляется на поверхности чайника и прочей кухонной утвари, используемой для нагревания жидкости или её кипячения. Кроме того, светлый налёт может образовываться на сантехнике, что тоже указывает на чрезмерно жёсткую воду.

Также измерить общую жёсткость воды дома можно с помощью тестовой готовой системы. Это тест-полоска, которая имеет слой нанесённого на неё реагента. При реакции с солями Mg и Ca реагентное вещество изменит цвет. По конечному оттенку зоны индикации определяется уровень жёсткости. Этот способ анализа жёсткой воды очень прост, но не отличается высокой точностью.

Также различные соли в составе жёсткой воды отражаются на её вкусе. Например, при увеличенном содержании магниевых солей, особенно сульфатов, жидкость обретает горьковатый привкус или явную горечь. При наличии хлоридов она может становиться солоноватой. Если жидкость содержит соли марганца и железа, возникает неприятный металлический вкус. Кроме того, в этом случае после кипячения цвет может меняться на буроватый, словно ржавый.

Последствия чрезмерно жёсткой воды

Умягчение при высокой временной карбонатной, постоянной некарбонатной или общей жёсткости воды обязательно, так как увеличенная концентрация солей магния и кальция вызывает определённые проблемы:

• Поломки, преждевременный выход из строя бытовой техники. Накипь, которую образуют соли жёсткости при нагревании, откладывается на контактирующих с водой внутренних стенках корпуса и нагревательных элементах приборов – посудомоечных и стиральных машин, парогенераторов, а также отопительного и водонагревательного оборудования (бойлеров, котлов). В результате уменьшается их производительность, повышается потребление электроэнергии, ускоряется процесс износа ТЭНов и прочих главных узлов. Технические характеристики устройств ухудшаются, риски неисправностей увеличиваются.
• Сухость волос, кожных покровов тела. При частом умывании, мытье головы или купания в чрезмерно жёсткой воде состояние кожи ухудшается, возникает шелушение. Волосы становятся сухими и ломкими.
• Снижение напора воды. Так как налёт накипи может забивать трубы системы горячего водоснабжения, струя становится меньше.
• Увеличение расхода моющих средств. Мыло и иные моющие и гигиенические средства в чрезмерно жёсткой воде демонстрируют небольшое пенообразование, поэтому приходится увеличивать объёмы.
• Негативное влияние на организм человека. Соли магния и кальция, как и иных химических элементов, могут откладываться в почках, провоцируя развитие мочекаменной болезни. Есть данные о высоких рисках появления сердечно-сосудистых заболеваний при постоянном употреблении жёсткой воды, но научных подтверждений такая информация не имеет.

Методы устранения жёсткости водопроводной или скважинной воды

Каковы основные способы устранения жёсткости воды? Концентрацию солей магния и кальция можно снижать разными методами. Их выбор зависит от вида жёсткости, от количества соединений Mg и Ca в составе, от наличия прочих химических элементов.

Таблица ниже кратко описывает способы снижения высокой жёсткости воды для разных видов:

Вид жёсткости	Методы снижения концентрация солей магния и кальция
Временная, она же карбонатная	Термические (физические) способы – кипячение
Постоянная, она же некарбонатная	Химические методы, например, добавление кальцинированной соды
Общая	И термические, и химические способы: нагревание и кипячение, замораживание и последующее оттаивание, введение в состав гашёной извести или кальцинированной соды, ионообменные и обратноосмотические системы, фильтры-умягчители

Далее все технологии, используемые для устранения повышенной жёсткости воды, рассматриваются подробно.

Кипячение

Рассматривая жёсткость воды и способы её устранения, к бытовым простым методам можно отнести обычное кипячение. Это так называемое термоумягчение, которое предполагает либо доведение до кипения, либо нагрев до высоких температур – не менее 70 градусов.

Кипячение обеспечивает устранение временной жёсткости. При нагревании запускается реакция, в ходе которой гидрокарбонаты просто распадаются. Процесс сопровождается образованием побочного продукта – угольной кислоты. А основные карбонаты и карбонат кальция выпадают в твёрдый осадок, который и формирует ту самую накипь, а также взвеси в виде хлопьев и примеси на поверхности.

Главный плюс данного способа – это его простота. Метод эффективный, подходит для использования в быту, в обычной жизни. Но термические способы устранения временной жёсткости воды не подходят для жесткости постоянной, некарбонатной. Они не удаляют остальные соли щелочноземельных металлов. Кроме того, изучая жёсткость воды и способы её устранения путём нагрева, можно отметить низкую производительность и энергозатратность. За короткое время сложно умягчить большой объём жидкости. А ещё для термической обработки необходим источник нагрева.

Реагентное, химическое умягчение

Под реагентным, то есть химическим умягчением подразумевают использование соединений и веществ, запускающих химические процессы. Соли жёсткости удаляются посредством перехода из растворимой в нерастворимую форму и последующей очистки жидкости от образовавшегося осадка.

Для химического снижения жёсткости воды используют:

• Полифосфаты натрия, например, ортофосфат, который входит во многие средства умягчения для бытового и промышленного использования.
• Кальцинированную соду. Она превращает соли кальция в карбонаты нерастворимого вида. Образовавшийся осадок убирается фильтрацией на следующем этапе очистки.
• Гашёную известь. Карбонатную, временную жёсткость воды можно устранить с помощью гидроксида кальция.
• Одновременно гашёную известь и кальцинированную соду. Если нужно понизить общую либо постоянную жёсткость воды, то следует использовать данную комбинацию. В процессе такого умягчения известь будет воздействовать на гидрокарбонаты и карбонаты, а сода – на другие соли.

Определяя жёсткость воды и методы её устранения с использованием реагентов, нужно учитывать некоторые нюансы. Хотя способы эффективны и позволяют обрабатывать большие объёмы жидкости, они имеют недостатки. Во-первых, не все технологии подходят для подготовки питьевой воды. Во-вторых, требуется точное дозирование химикатов с учётом концентрации солей.

Катионирование, ионный обмен

Катионирование – это очистка, в основе которой лежит ионный обмен. Принцип такого метода основан на замещении ионов (катионов) магния и кальция ионами натрия (Na), калия или водорода. Вода поступает в колбу станции, в которой находится специальная гранулированная загрузка – ионит, она же ионообменная смола. Там катионы магния и кальция замещаются другими ионами, и вода становится мягкой.

В системе очистки методом ионного обмена предусмотрены контроллер для отслеживания уровня жёсткости, а также бак для солевого раствора. Он регенерирует, восстанавливает свойства ионообменной смолы при снижении её ресурса после длительной работы – насыщает ионами натрия.

Ионообменные фильтры производительны, подходят для нормализации общей жёсткости воды. Но такие установки имеют довольно большие размеры и высокую стоимость. Ресурс работы загрузки ограничен, а после полного его исчерпания необходима особая утилизация смолы: просто отправить её в канализацию через слив нельзя. Кроме того, вода для замещения ионов должна поступать в фильтр относительно чистой, поэтому нужно осуществлять её предварительную очистку от механических загрязнений – твёрдых примесей. В противном случае ресурс работы смолы сократится.

Полифосфатные фильтры

Изучая жёсткость воды и методы её устранения, стоит отметить и такой вариант. Полифосфатный, он же фосфатный фильтр обеспечивает одноступенчатую очистку. Конструкция оборудования простая – колба с крышкой и наполнителем в виде кристаллического полифосфата натрия. Проходя через эту загрузку, молекулы солей жёсткости покрываются тончайшей плёнкой, которая препятствует образованию накипи.

Метод подходит для уменьшения временной, постоянной или общей жёсткости воды. Полифосфатный фильтр можно установить непосредственно в участке подключения бытовой техники к водопроводу – на трубе или шланге. Но после такой обработки вода становится технической, не может использоваться в качестве питьевой.

Фильтры обратного осмоса

Для устранения постоянной жёсткости воды, временной или общей подойдёт фильтр обратного осмоса. Умягчение в нём осуществляется благодаря предусмотренной в конструкции мембране. Она имеет мелкопористую многослойную структуру, является полупроницаемой. Такая мембрана пропускает лишь молекулы воды. Все остальные содержащиеся в жидкости частицы задерживаются и оседают в фильтре, а потом удаляются в ходе обратных промывок и отправляются в канализацию.

Жёсткая вода в фильтр подаётся под давлением, в процессе прохождения через мембрану очищается от 97-99% всех примесей – органических, химических, минеральных. Соли жёсткости также задерживаются. Но мембранные системы могут быстро загрязняться при наличии в воде твёрдых частиц, поэтому в схеме питьевой водоподготовки должна быть обязательно предусмотрена предварительная механическая очистка.

К плюсам фильтров обратного осмоса относится максимальная эффективность – возможность не только убрать жёсткость, но и очистить жидкость от прочих загрязнений, включая болезнетворные патогенные микроорганизмы. Но обратноосмотические системы не очень производительные. Во время их работы около 70-75% воды отправляется в канализацию и лишь 25-30% поступает в чистом виде в квартиру или дом. Кроме того, после обработки фильтром обратного осмоса жидкость становится дистиллированной. И чтобы обогатить её полезными для организма человека минералами, осуществляется минерализация.

Другие методы

Устранение постоянной или временной жёсткости может осуществляться и иными методами:

• Электродиализ. Он схож с фильтрами обратного осмоса. Жёсткая вода через мембрану пропускается под действием электрического тока.
• Магнитные и электромагнитные установки. Они создают электромагнитное либо магнитное поле, которое действует на соли жёсткости, но не разрушает и не устраняет их полностью, а меняет структуру и, таким образом, препятствует образованию накипи.

Что выбрать

Если вам необходимо качественное и эффективное умягчение жёсткой воды, то для решения такой важной задачи нужно грамотно продумать систему очистки. При её выборе учитывайте такие факторы:

• Вид жёсткости. Для временной подойдёт умягчение обычным кипячением, а для постоянной или общей необходима более действенная очистка высокого качества.
• Содержание солей кальция и магния. В зависимости от степени жёсткости определяется наиболее подходящий метод умягчения.
• Требуемое конечное качество жёсткой воды, которое вы хотите получать. Если нужна питьевая мягкая жидкость, то подойдут не все методы устранения жёсткости.
• Необходимая производительность системы умягчения. Если нужны большие объёмы питьевой мягкой воды, следует выбирать мощные, производительные фильтры.
• Цена. Стоимость систем очистки различается, но в водоподготовку стоит вложиться, ведь от неё зависит качество воды.
• Обслуживание. Это автоматизация процесса очистки, необходимость и частота замены сменных элементов конструкции, используемые расходные материалы и их цена.
• Бытовая или промышленная очистка. Первая должна легко реализоваться в домашних условиях, а вторая подходит исключительно для промышленности.

Чтобы жёсткая вода стала умеренно мягкой и обладала высоким качеством, требуется её эффективное умягчение. Есть разные его способы, и при выборе подходящего обязательно учитывайте основные факторы, перечисленные выше. Рекомендации из данной статьи на этом сайте помогут найти оптимальный вариант и добиться эффективного умягчения для максимально высокого качества воды.

Теги в статье:

— Оборудование

Ссылка скопирована в буфер обмена

Также будет интересно

Что называют силой тока и какова ее единица в СИ?

Сила тока — это физическая величина, измеряемая в единицах ампер (А), которая показывает, сколько электрического заряда проходит через проводник за единицу времени. Формально, сила тока определяется как отношение количества электрического заряда (измеряемого в кулонах) к времени, за которое заряд проходит через проводник.

В СИ (системе Международных единиц), ампер определяется через закон Ампера, который устанавливает, что сила тока в проводнике пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике. Одним ампером считается ток, проходящий через два параллельных проводника бесконечной длины, находящихся на расстоянии одного метра друг от друга, при условии, что ток вызывает силу взаимодействия между проводниками в 2 * 10^-7 Ньютона на метр длины проводника.

Кроме того, в СИ используются префиксы, такие как миллиампер (мА), микроампер (мкА) и т. д., чтобы указать более мелкие значения силы тока.

Видео. Методы определения общей жесткости воды. Общая жесткость питьевой воды, норма, значение. Мг экв л