Жесткость воды и способы ее устранения. Как определить, какая вода — жесткая или мягкая

Какую воду называют жесткой

Жесткость – характеристика воды, которая означает уровень солей жесткости растворенных в ней. В основном это соли кальция и магния.

Термин «жесткая вода» активно используется в повседневной жизни. Однако не все до конца понимают значение. Он не указывает на непосредственные свойства воды. Мы не можем на ощупь определить жесткость или мягкость. Этот термин возник он из-за того, что ткани, которые стираются в такой воде, становятся менее мягкими и податливыми. Причина – пористая структура ткани, которая способна присоединять соли, образованные во время стирки.

Жесткая и мягкая вода

Жесткость и мягкость воды зависти от уровня содержания в ней солей. В пером случае он высок, во втором – незначителен. Данные термины появились, предположительно, из-за тех свойств, которые оказывала вода на вещи. Если постирать их в жесткой воде, то и сама ткань будет такой же. Если же мягкой, то и одежда становилась таковой.
Жесткость воды бывает временная и постоянная. Первая содержит в себе гидрокарбонат магния и кальция, вторая – другие соли. В основном это сульфаты и хлориды этих же компонентов. Выделяются они при кипячении воды.
Жесткая вода сушит кожу при умывании. В ней плохо образуется пена, а ее использование ведет к образованию накипи. В тоже время мягкая вода приводит к коррозии, а гидрокарбонатная жесткость наоборот не позволяет ей образовываться.
Уровень содержания солей в природных водах изменчив. Он повышается во время испарения воды, а в сезон дождей и период таяния снега – уменьшается.

Жёсткость воды — происхождение

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах — десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Способы устранения жесткости

Первый и самый простой способ – термический. Необходимо лишь вскипятить воду, из-за чего нестойкие гидрокарбонаты магния и кальция начнут разлагаться. Этим вы устраните временную жесткость воды. Кроме того, результатом разложения солей будет являться накипь.
Также можно попробовать реагентное умягчение воды. В нее необходимо добавить кальцинированную соду или гашеную известь. При этом методе соли магния и кальция превращаются в нерастворимое соединение и выпадают в осадок. Оптимальным средством устранения жесткости считается ортофосфат натрия. Он входит в состав многих препаратов бытового и производственного значения.
Еще одним способом будет являться катионирование. В воду необходимо поместить ионообменную регулируемую загрузку. Чаще всего используют ионообменную смолу. При соприкосновении с водой она поглощает катионы солей. Забирая их у кальция, магния, железа и марганца, она отдает ионы натрия и водорода, а вода становится мягкой.
Можно использовать обратный осмос. Нужно пропустить воду через полупроницаемые мембраны. При этом из воды уберутся большинство солей, в том числе и те, что отвечают за жесткость. Эффективность такого метода иногда достигает почти 100%.

Зависимость жесткости от источника водоснабжения

Значение жесткости может существенно варьироваться даже в пределах одного региона. Чаще всего это зависит от типа водозабора. В пресных поверхностных водоемах и реках вода мягче вследствие постоянной подпитки от тающего снега и атмосферных осадков. Для них характерны сезонные колебания, зависящие от режима питания водных объектов.

Подземные воды в большей степени обогащены солями, содержащимися в водоносных горизонтах. Их концентрация мало зависит от времени года и количества осадков. Скважинные водозаборы отличает повышенная жесткость и постоянство химического состава.

Пределы и особенности умягчения

Необходимость удаления избыточных солей даже при пользовании централизованными источниками водоснабжения очевидна. Негативное влияние жесткой воды проявляется уже при концентрациях 3-7 мг-экв/л, которые считаются допустимыми. Это следует учитывать, выбирая фильтр для питьевой воды.

Для бытовой техники и внутридомовых инженерных сетей это чревато рядом серьезных проблем:

• снижением КПД, сокращением срока службы посудомоечных и стиральных машин из-за образования накипи на нагревательных элементах;
• уменьшением пенообразования при применении моющих средств;
• ускоренным износом сантехнических приборов и запорно-регулировочной арматуры из-за известковых отложений;
• сокращением сечения в теплообменниках котлов, водонагревателях и радиаторах автономного отопления;
• поломкой циркуляционных насосов;
• увеличением расхода электроэнергии.

Для человека снижается эффективность гигиенических процедур, обезжиривается и пересыхает кожа, повышается риск развития мочекаменной болезни, растет вероятность заболеваний сосудов и костной системы.

Но и полное обессоливание воды несет определённые проблемы. В частности, в технической сфере жесткость менее 2 мг-экв/л чревата усилением коррозийного воздействия теплоносителя на элементы систем обогрева. Поэтому при использовании умягчителей важно выбивать технологию, которая гарантирует на выходе воду с оптимальной жесткостью.

Эффект жесткой воды

Жесткость воды — это концентрация растворённых в ней солей магния (Mg) и кальция (Ca): гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов. Проще говоря, жесткой называется вода, содержащая в себе большое количество солей. Почему воду назвали «жесткой»? Женщины в старину стирали вещи на берегу рек и озер, в воде которых содержат кальций, отчего ткань становилась жесткой на ощупь.

Нормы для питьевой воды

Данный показатель регулирует не столько ГОСТ, сколько Всемирная Организация Здравоохранения и СанПиН. По рекомендации ВОЗ в одном литре жидкости для питья не может быть растворено более 30 мг магния и 80 мг кальция. А СанПиН 2.1.4.1074-01 предопределяет до 50 мг на магниевые отложение, кальциевые соли не регламентируются. Зато указана общая жесткость – до 7 градусов.

Надо ли смягчать жёсткую воду

Жёсткая вода не вредна Hardness of Water / U.S. Geological Survey для здоровья. Напротив: растворённые в ней минералы необходимы организму. А по некоторым данным Is hard water dangerous to drink? / Office for Science and Society. МcGill University , употребление жёсткой воды даже защищает от заболеваний, например различных видов рака, а также атеросклероза у детей и подростков.

Предположение, будто минеральные соли могут накапливаться в почках и приводить к образованию камней, проверялось. Но убедительного научного подтверждения не нашло.

Воду с повышенной степенью минерализации медики рекомендуют Is hard water dangerous to drink? / Office for Science and Society. МcGill University пить людям с диабетом II типа (те часто испытывают недостаток магния) и тем, кто страдает хроническими запорами, поскольку магний имеет слабительный эффект. Кроме того, её, возможно, полезно использовать для приготовления овощей. Одно исследование показало B. S. A. Haring, W. Van Delft B.Sc. Changes in the Mineral Composition of Food as a Result of Cooking in “Hard” and “Soft” Waters / Archives of Environmental Health: An International Journal , что в таком случае в плодах повышается концентрация кальция, хотя обычно варка даёт обратный эффект.

Однако у жёсткой воды есть и неприятные побочные эффекты. Так, в ней сложнее Hardness of Water / U.S. Geological Survey что‑то отстирать или вымыть руки. Ведь сначала моющее средство вступает в реакцию с минеральными солями, осаждает их и лишь затем начинает выполнять свои функции.

Кроме того, при нагревании соли кальция выпадают в осадок. Из‑за этого жёсткая вода становится причиной образования накипи внутри чайников, кофеварок и паровых утюгов, в бойлерах и стиральных машинах. Твёрдыми отложениями также забиваются водопроводные трубы.

Как понять, что вода жёсткая

Жёсткость воды надёжнее всего определять с помощью различных инструментов, например прибора‑солемера или тест‑полосок. Как это сделать, мы подробно писали здесь.

Но распознать жёсткую воду можно и на глаз, по косвенным признакам. Вот некоторые из них:

• Мыло слабо пенится при намыливании.
• Вещи плохо отстирываются и становятся жёсткими после высыхания.
• На стенках чайника и других нагревательных приборов, имеющих контакт с водой, регулярно появляется накипь.
• Вы наблюдаете плёнку на поверхности остывшего кофе или чая.
• На хромированных кухонных поверхностях — кранах, мойках, раковинах — вода оставляет отчётливые белёсые следы.

Подобные особенности позволяют уверенно предположить, что в воде много минеральных солей.

Определение жесткости воды приборами и «на глаз»

Предположить, что вода содержит большое количество солей щелочноземельных металлов, можно по следующим признакам:

• плохо пенится мыло и стиральный порошок;
• на поверхности нагревательных приборов образуется известковый налет;
• вода имеет горьковатый вкус и дольше обычного заваривается чай;
• при кипячении на поверхности воды образуется характерная пленка;
• плохо развариваются мясные продукты.

1. Полоски жесткости воды. Продаются в аптечных магазинах «Медтехника», показывают результат измерения с точностью 1-2°Ж. Инструкция: опустить полоску жесткости в стакан с водой, подождать, пока индикатор, которым она пропитана, изменит цвет, затем сравнить с эталонной шкалой.
2. Экспресс-тесты для аквариумов. Этот способ основан на методе титрования. Инструкция: в пробирку налить 5 мл воды и по каплям добавить реагент, содержащий индикатор. Число капель реагента, необходимых для того, чтобы раствор из жёлтого стал синим, равно количеству градусов жёсткости, каких именно – указано в инструкции к тесту.
3. Специальные приборы. Самый простой и точный метод определения жёсткости воды – титрование. Основан на реакции индикаторов, их способности менять цвет при достижении той или иной концентрации в строго определенном количестве воды, содержащей соли. В лабораториях результаты титрования обрабатывают с помощью фотоколориметра.

Существуют приборы, принцип действия которых заключается в измерении электропроводности воды. Уровень проводимости прямо пропорционально зависит от концентрации солей кальция и магния, растворённых в воде. В продаже есть приборы типа TDS-метр (total dissolved solids, или «солемер») и EC-метр (кондуктометр).

TDS-метр выдаёт результат в ppm. Устройство показывает общее содержание солей и удельную электропроводность воды. EC-метр дополнительно показывает и удельное сопротивление раствора в мкСм/см (микро Сименс). Результат TDS = k * EC, где коэффициент k в пределах 0,55–0,80 (среднее значение 0,67).

TDS и EC-метр в одном приборе. Дороже, но удобнееTDS и EC-метр в одном приборе. Дороже, но удобнее

С помощью таких приборов удобно следить и поддерживать требуемое качество воды в аквариумах или для полива растений, чувствительных к повышенной жёсткости.

Влияние жесткой и мягкой воды – как отличить, рекомендации

ВОЗ утверждает, что употреблять необходимо только жидкость низкой или средней жесткости с установленными границами для примесей. Не всегда водопроводный ресурс, к сожалению, соответствует этим нормативам.

Негативные последствия использования воды с повышенной жесткостью приводят к:

• скорым поломкам бытовой техники – часто приходится заменять нагревательный элемент;
• неисправностям инженерных систем – стенки труб постепенно разрушаются из-за образования отложений, а также засоряются;
• испорченному здоровью;
• мелким неприятностям – например, меняется вкус еды или качество постиранных вещей (моющий состав хуже пенится), мягкость вымытых волос.

Рекомендуем не дожидаться негативного воздействия и установить мощную систему фильтрации. Также стоит использовать не водопроводную, а специально подготовленную для питья жидкость, а при стирке или во время запуска посудомоечной машины добавлять специальные средства от накипи.

Вред для человека

Если соли поступают в чрезмерном количестве, они не успевают выводиться естественным образом и скапливаются в мочевых протоках и пузыре, почках – так начинается мочекаменная болезнь.

При умывании кожа становится более сухой, может образоваться раздражение. А на волосах появляется корочка, которая препятствует их естественному увлажнению и питанию подкожным жиром. Они становятся безжизненными.

Мясо, приготовленное в водном растворе с большим содержанием кальция, хуже усваивается организмом.

Вред, наносимый жесткой водой технике и предметам быта

1. Мыльные средства из-за наличия большого количества солей в воде крайне плохо пенятся и отмывают загрязнения. Поэтому количество порошков, средств, предназначенных для мытья посуды и прочих предметов бытовой химии, придется резко увеличить.
2. Кроме плохого вспенивания мыльных средств, из-за контакта жесткой воды с ними образуются разводы и твердый налет на сантехнике и поверхности посуды, так как выпадает солевой осадок. Такой налет тяжело отмывается с посуды, а так же негативно влияет на сантехнику, постепенно разрушая ее поверхности.
3. В процессе нагревания воды в электроприборах соли не просто выпадают в осадок, а кристаллизуются и выпадают в виде накипи. Именно накипь является основной причиной быстрой поломки водонагревательных приборов.
4. Жесткая вода оставляет пятна, разводы и грязные налеты на свежевыстиранных вещах, цвет тускнеет, принты и рисунки становятся серыми. От них избавиться очень сложно и это, опять же, требует повышенных затрат моющих средств. Ткань, постиранная в жесткой воде, становится грубой и неэластичной, потому что соли забивают в ней все свободное пространство. Уменьшается прочность одежды и белья.

Вредные последствия воды с повышенной жесткостью для коммуникаций

1. Соли жесткости так же, как и на бытовых приборах, выпадают в осадок или кристаллизуются, образуя на поверхности коммуникационных путей и крупных приборов и установок накипь. Накипь истончает стенки коммуникаций, впоследствии полностью разрушая их.
2. Обилие выпадающих в осадок или накипь солей жесткости, приводит к частым выходом из строя крупных водонагревательных установок, типа бойлеров.
3. В системах оборотного водоснабжения, образующиеся накипные отложения, водные камни и шлам из солей уменьшают проходимость труб, при этом падает теплоотдача. Падает напор воды, уменьшается количество воды в радиаторах, закупориваются входы и выходы воды из домов, что может привести к полному закупориванию коммуникационных сетей. Все это увеличивает энергозатраты.

В домашних условиях наиболее рациональный способ уменьшение жесткости воды – использование фильтров, которые очистят воду для питья и приготовления пищи от избытка солей. В идеале, воду для любого использования дома нужно фильтровать.

Но при этом, не нужно забывать, что показатель жесткости должен равняться определенному среднему значению. Слишком мягкая вода также не несет никакой пользы. Она повышает риск развития сердечно сосудистых заболеваний у человека, вымывает соли из организма, вызывая быстрое развитие рахита и истончение костей. В коммуникационных системах мягкая вода вызывает коррозию металлических труб.

Методы устранения

Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2 + H2O.

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.

Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO33MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

Катионирование . Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. При правильно подобранной ионообменной загрузке жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 °Ж, при двухступенчатом — до 0,01 °Ж. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду.

Обратный осмос . Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

Электродиализ . Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией .

Дополнительная информация

Интересные факты об очистке воды:

1. Во многих странах существовала традиция бросать серебряные монеты в колодец. Серебро реагирует с солями, но не со всеми. Основная причина отказа от использования этого металла в очистке — токсичность. По нормам СанПиН серебру присвоен 2-й класс вредности, но оно опасно только при накоплении вещества в организме.
2. Неочищенная вода была причиной многих эпидемий тифа, холеры и других заболеваний, а также низкой продолжительности жизни из-за увеличения количества вредных соединений в организме. Человечество пыталось создать очистительные сооружения начиная с древних времен. В Египте изобрели первые методы фильтрования.
3. Существует миф, что нельзя кипятить воду несколько раз, потому что в ней образуются вредные вещества, но это не так. Состав раствора от повторного нагревания не изменяется.
4. Многие считают, что бутилированная вода чище фильтрованной, но уровень содержания примесей у них одинаковый.

Преимущества и недостатки мягкой воды

Мягкая вода имеет свои преимущества и недостатки.

К преимуществам мягкой воды относятся:

• предотвращение развития мочекаменной болезни;
• лучшие вкусовые качества продуктов питания и напитков, приготовленных на этой воде;
• благоприятное влияние на кожу и волосы при купании в этой воде;
• увеличение срока службы нагревательных элементов и различных бытовых приборов, работающих на этой воде, отсутствие накипи.

К недостаткам мягкой воды, в случае ее постоянного употребления, относятся:

• недостаточное пополнение организма минеральными веществами;
• вероятность развития кариеса;
• вероятность развития гипертонии и болезней сердца;
• вероятность развития заболеваний желудочно-кишечного тракта;
• плохая смываемость при мытье посуды и стирке.