Степень жесткости воды обуславливается наличием в воде ионов кальция (Са2+), магния (Мg2+), стронция (Sr2+), бария (Ва2+), железа (Fе2+), марганца (Мn2+). Причем, содержание ионов кальция и магния значительно превышают концентрации других перечисленных ионов вместе взятых. Поэтому в России принято отпределять значение жёсткости как сумму содержащихся в воде ионов кальция и магния, выраженную в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре воды 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Мg2+.
Различают карбонатную (временную, устраняемую кипячением) и некарбонатную (постоянную) жесткость . Карбонатная жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, некарбонатная – присутствием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов.
Временной жесткость называется потому, что при кипячении гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, и выпадают в осадок в виде карбонатов. Химическая реакция этого процесса выглядит следующим образом:
Ca(HCO3)2 ― tоС → CaCO3↓ + H2O + CO2
Mg(HCO3)2 ― tоС → CaCO3↓ + H2O + CO2
Выпадающий осадок образует налёт (так называемую накипь) на стенках посуды, в которой кипятится вода. После кипячения и выпадения гидрокарбонатов в осадок вода становиться более «мягкой».
Постоянная жесткость обусловлена наличием в воде устойчивых химических соединений сульфатов, хлоридов, силикатов и некоторых других солей кальция и магния, которые при кипячении в осадок не выпадают и не удаляются. Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость воды.
Общая жесткость воды, нормативы
Мировая практика контроля качества потребляемой для питья воды (нормы Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), нормы Европейского Союза (ЕС), стандарты ISO, а также нормативы США) не нормируют жесткость питьевой воды – только отдельно содержание в воде ионов кальция и магния. По российским нормам (ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая») жесткость не должна превышать 7 мг-экв/л. Что же происходит при превышении этого значения? Оказывается, что при жесткости воды выше 7 мг-экв/л значительно увеличивается скорость зарастания труб известковыми отложениями, что уменьшает их срок службы и увеличивает эксплуатационные затраты. А при очень низкой жесткости воды приобретает сильные коррозионные свойства. Активное использование пластика и металлопластика в последнее время позволяет снять ограничения на использование мягкой воды.
Классификации природной воды по степени жёсткости отличаются в разных странах, а также могут подразделяться в зависимости от целей использования воды.
Самая общая классификация выглядит следующим образом:
По американской классификации питьевая вода считается «мягкой» при содержании солей жесткости менее 2 мг-экв/л, нормальной– от 2 до 4 мг-экв/л, жесткой – от 4 до 6 мг-экв/л, и очень жесткой – свыше 6 мг-экв/л. Стоить заметить, что подобная классификация справедлива для воды, использующейся для питьевых нужд. Вода, находящаяся в системах горячего водоснабжения и контактирующая с любыми нагревательными элементами, для нормального функционирования системы должна быть более мягкой. Тут не обойтись без установки фильтров для воды, в частности - умягчителей воды. При этом, если вода поступает из частной скважины, скорее всего, потребуется предварительное обезжелезивание.
В жесткой воде из обычного мыла (в присутствии ионов кальция) образуются мыльные шлаки – неарстворимиые соединения, не несущие никаких полезных функций. И пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткости воды, образование пены не начнется. Происходит значительный перерасход моющих стредств. После высыхания такие мыльные шлаки остаются в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже и волосах (неприятное чувство «жестких» волос хорошо известное многим).
Жёсткая вода плохо подходит для стирки и мытья. Почему? При контакте мыла или порошка с жесткой водой катионы солей жесткости (Ca2+, Mg2+, Fe2+) реагируют с анионами жирных кислот, входящими в состав мыла, и образуют малорастворимые соединения, например стеарат кальция Ca(C17H35COO)2. Эти осадки постепенно забивают поры ткани и она перестает пропускать воздух и влагу, волокна становятся грубыми и неэластичными. Цвета изделия тускнеют и приобретают серо-желтый оттенок. Осевшие на ткани «известковые мыла» лишают ее прочности.
При попадании «хлопьев жесткости» на кожу человека происходит разрушение естественной жировой плёнки, которая защищает кожу от неблагоприятного влияния окружающей среды, а также забиваются поры. Признаком такого негативного воздействия является появляющийся после принятия душа характерный «скрип» кожи или волос. На самом деле, вызывающая у некоторых раздражение «мылкость» кожи после пользования мягкой водой – верный признак того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. Либо пользоваться жёсткой водой и компенсировать нарушение покрытия лосьонами, умягчающими и увлажняющими кремами и прочими хитростями для восстановления той защиты кожи, которой нас и так снабдила природа.
При нагревании воды с жесткостью более 4 мг-экв/л на фоне высокой щелочности и уровня pH происходит интенсивное выпадение в осадок карбоната кальция в виде накипи (трубы «зарастают», на нагревательных элементах образуется белый налёт). Именно поэтому нормы Котлонадзора нормируют величину показателя жесткости воды, используемой для подпитки котлов (0.05—0.1 мг-экв/л). Во многих промышленных процессах соли жесткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.
Всемирная Организация Здравоохранения регламентирует значения жесткости воды по показаниям влияния на здоровье. В материалах организации говорится, что хотя ряд статистических исследований и выявил обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и заболеваниями сердечно-сосудистой системы, полученных данных всё же не достаточно для определения причинно-следственной связи между этими явлениями. Так же, не доказательств, что мягкая вода оказывает негативное влияние на баланс микроэлементов в организме человека. Ряд исследований говорит о том, что усвояемость человеком важных минеральных веществ из воды крайне низка, и основную часть их он получает из пищи.
В зависимости от местных условий приемлемая жёсткость для использования воды в качестве питьевой может несколько варьироваться. В некоторых случаях для потребителя приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Порог вкуса для иона кальция (в пересчете на мг-эквивалент) находится в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. Так, у воды с высокой жёсткостью может наблюдаться горьковатый привкус. А длительное употребление жёсткой воды (как правило сопровождающейся высокой общей минерализацией) приводит к проблемам желудочно-кишечного тракта.
Необходимо также заметить, что вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л обладает низкими буферными свойствами (щелочностью) и может, в зависимости от уровня рН и некоторых других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на поверхности труб и отопительный техники. Поэтому в ряде случаев, особенно при очистке воды для подпитки котлов в котельных приходиться дополнительно проводить специальную обработку воды химическими соединениям, что позволяет добиться оптимального соотношения между коррозийной активностью воды и её жесткостью.
