Возникновение жесткости

Ионы кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺, а также прочих щелочноземельных металлов, определяющих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их образуют месторождения известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния попадают в воду вследствие реакции растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Ионы образуются при микробиологических процессах, протекающих в земле, где сбрасывается вода в донных отложениях.

Обычно жесткость подземных вод выше жесткости поверхностных вод. Жесткость поверхностных вод колеблется в зависимости от сезона, 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).

Влияние жесткости воды на качество воды и здоровье человека

Соли кальция Са²⁺ и магния Mg²⁺ при определенных условиях выпадают в осадок, образуют налет – накипь. Накипь является причиной поломок, сантехнического оборудования, бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, теплообменников. В Беларуси Котлонадзором введены жесткие требования к качеству воды по жесткости. Таким образом, для котлов ТЭЦ, электростанций, промышленных водонагревателей умягчение воды как стадия водоподготовки обязательна.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В целом повышенное содержания ионов кальция и магния отрицательное влияние на организм человека не оказывает, более того, эти вещества жизненно необходимы для нормального развития и функционирования организма. Соли кальция и магния входят в состав всех витаминно-минеральных комплексов.

Для питьевого применения жесткость может варьироваться в зависимости от местных условий. Пороговое значение по кальцию 2-6 мг-экв/л, порог магния чуть ниже, жесткость воды должна быть не более 7 мг-экв/л. В определенных случаях вкус воды приемлем и при 10 мг-экв/л. Большая жесткость ухудшает органолептические качества воды, придает ей горьковатый вкус.

Повышенная жесткость воды отрицательно сказывается на состоянии кожи и волос при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки. Эти шлаки высыхают и остаются в виде микроскопической корки на кожном и волосяном покрове человека. Разрушается естественная жировая пленка кожного и волосяного покрова человека, забиваются поры, появляется сухость, шелушение, перхоть. Признак повышенной жесткости воды – скрип чисто вымытой кожи и волос. Чувство повышенной мылкости, признак того, что защитная пленка на коже невредима, и жесткость воды небольшая. Кроме этого, в жесткой воде хуже разваривается мясо, в результате этого снижается усвояемость белков. Это связано с тем, что соли жесткости вступают в реакцию с животными белками. При взаимодействии солей кальция и магния (солей жесткости) с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств, а пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье.

Вместе с тем, мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

Методы очистки воды от солей жесткости - умягчение воды

Умягчение воды – процесс снижения жесткости воды, т.е. уменьшение концентрации ионов кальция и магния.

Методы умягчения воды:

• Термическое умягчение воды

• Реагентное умягчение воды

• Ионный обмен

• Мембранные методы

• Обратный осмос

Термическое умягчение воды основано на нагревании воды, дистилляции, и вымораживании. Временная жесткость воды, образуемая гидрокарбонатами кальция и магния, полностью устраняется при кипячении в течение часа. В процессе кипячения растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, выпадающие в виде белого осадка или накипи, с выделением при этом углекислого газа. Жесткость воды практически полностью удаляется при термической перегонке (дистилляции) воды, поскольку катионы и анионы не переходят в пар.

Реагентное умягчение воды. Применяются два метода химического умягчения воды: известковый и известково-содовый. Данные методы очистки воды основаны на переводе ионов Са²⁺ и Мg²⁺ в соединения с ограниченной растворимостью: карбонат кальция СаСО₃ и гидроксид магния Мg(ОН)₂.

Грубое умягчение воды (приблизительно до 0,3 ммоль/дм³) производят добавлением извести, едкого натра или соды (известково-содовый метод):

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂  2CaCO₃  + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂  2CaCO₃ + Mg(OH)₂ + H₂O

CaSO₄ + Na₂CO₃  CaCO₃  + Na₂SO₄

MgSO₄ + Na₂CO₃  MgCO₃  + Na₂SO₄

MgSO₄ + Ca(OH)₂  Mg(OH)2  + CaSO₄ и т.п.

С гашеной известью реагирует также растворенная в воде двуокись углерода СО₂:

Ca(OH)₂ + CO₂  CaCO₃+ H₂O

В качестве умягчителя применяется также тринатрийфосфат Na₃PO₄, устраняющий временную и постоянную жесткость, и позволяющий получить более полное умягчение (до 0,015 ммоль/дм³). Тринатрийфосфат входит в состав современных стиральных порошков.

Ионный обмен. Ионный обмен и ионообменные смолы применяются с 60 годов. Ионообменные смолы (сорбенты – иониты) – твердые, нерастворимые, вещества в виде мелкодисперсных шариков. В основе этих смол лежит синтетическая матрица (каркас), содержащая положительный или отрицательный заряд, и противоион, компенсирующий заряд матрицы. Очистка воды происходит в результате обмена элементов (положительно или отрицательно зараженных) матрицы ионообменной смолы на элементы растворенных в воде загрязнений. Таким образом, концентрация растворенных загрязнений существенно падает. Впоследствии, во время регенерации систем водоподготовки, накопленные загрязнения из воды сбрасываются в дренаж.

При небольших превышениях жесткости воды и сухого остатка в воде, применяют натрий – катионитовую смолу. При прохождении жесткой воды через катионообменную смолу происходит обмен катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на катионы Na⁺, которые входят в состав смолы, таким образом, катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ остаются на смоле, а катионы Na⁺ переходят в умягчаемую воду. Со временем все катионы Na+ обмениваются на катионы жесткости, катионообменная смола теряет способность умягчать воду и ее необходимо регенерировать. Для этого смола промывается раствором поваренной соли NaCl, в результате чего происходит процесс, обратный умягчению: катионы натрия переходят в состав смолы, при этом вытесняя катионы кальция и магния в промывную воду, сливаемую в дренаж (канализацию). После этого обогащенная натрием смола становиться вновь готовой к умягчению.

Для полного обессоливания (деионизации) воды после катионитового фильтра ее пропускают через анионитовый. В качестве анионитов используются смолы, полученные в результате взаимодействия аминов с формальдегидом или полиэтиленполиаминов с эпихлоргидрином.

Смешивая зерна катионита и анионита, можно производить одновременное извлечение катионов и анионов из воды.

Мембранные методы очистки воды – фильтрация через специальные мембраны. В зависимости от размера пор мембраны различают микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию. Микрофильтрация позволяет выделить примеси размером выше 0,1 мкм; применяется в медицине, пищевой промышленности на предприятиях производящих алкогольные и безалкогольные напитки, для очистки воды в системах водоподготовки. Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор от 20 до 1000 A (или 0,002-0,1 мкм) и позволяют задерживать тонкодисперсные и коллоидные примеси, макромолекулы (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии и вирусы и т.д. Нанофильтрация применяется для получения особо чистой воды, очищенной от бактерий, вирусов, микроорганизмов, коллоидных частиц органических соединений (в том числе пестицидов), молекул солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и других вредных примесей.

Обратный осмос. Данные установки и методы очистки воды начали использоваться 1960. Осмос - самопроизвольный переход вещества через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора с различной концентрацией или раствор и чистый растворитель. В общем случае растворенное вещество из раствора с высокой концентрацией пытается перейти в раствор с низкой концентрацией. Если повысить давление в растворе с низкой концентрацией, то поток растворенного вещества прекратится. Разность давлений, прекращающая переток вещества (фильтрацию) через мембрану, называется осмотическим давлением. Осмотические явления чрезвычайно распространены в растительном и животном мире. Осмос обеспечивает проникновение питательных веществ в клетку и вывод в межклеточную среду продуктов жизнедеятельности. Обратным осмосом называют метод разделения растворов, в котором очищаемая вода подается под давлением 3–8 МПа на полупроницаемую мембрану, при этом вода фильтруется через поры, а растворенное вещество остается.

Вода, прошедшая очистку методом обратного осмоса или нанофильтрации по своим свойствам очень близка к талой воде древних ледников, которая признается наиболее чистой.