Частой проблемой автономных систем водоснабжения частных домов выступает повышенное содержание в воде двух металлов — кальция и магния, а также их солей. Результатом такого состава жидкости становится высокая жесткость, которая негативно влияет как на организм человека при употреблении для питья, так и на бытовую технику при использовании в технических целях. Жесткость воды обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. В подобной ситуации серьезную актуальность приобретает вопрос эффективной очистки воды от кальция, магния и их различных соединений.
Каким образом в воду попадают соли кальция и магния
Кальция и магний попадают в водоносные слои вполне естественным образом. Особенно велико их содержание становится при прохождении жидкости через залежи известняка и гипса. Важно отметить, что при рассмотрении вопроса жесткости воды именно кальций и магний принимаются во внимание в первую очередь из-за их широкого распространения.
Жесткость воды по кальцию и магнию
С научной точки зрения различают два типа жесткой воды. Первый — временный — обусловлен содержанием в жидкости гидрокарбонатов этих металлов. Поэтому он нередко называется карбонатным. Второй тип жесткости — постоянный или некарбонатный. Он является следствием повышенного содержания в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния.
Как наличие в воде кальция и магния влияет на нашу жизнь
Независимо от типа жесткости, содержание в воде магния, кальция и их солей оборачивается несколькими негативными последствиями. Первое и наиболее явное из них — это образование налета на нагревательных элементах бойлера, чайника или кипятильника, а также налет на сантехнике.
Еще одним следствием высокой концентрации кальция и магния в воде выступает повышенный расход моющих средств в процессе стирки. Кроме того, одежда или постельное белье после высыхания становятся жесткими на ощупь, что и дало название рассматриваемому термину. Результат перечисленных малоприятных явлений достаточно очевиден и заключается в снижении эффективности стирки, дополнительных расходах на покупку моющих средств и уменьшении срока эксплуатации бытовой техники.
Не стоит забывать и о том вреде, который наносит жесткая вода, содержащая кальций и магний, человеческому организму при употреблении для питья и приготовления пищи. Многочисленные научные исследования доказали негативное влияние повышенной концентрации ионов магния и кальция в воде на позвоночник, суставы, зубы и работу мочеполовой системы. Поэтому нет ничего удивительного в том, что вопросу умягчения воды, как называют процесс снижения ее жесткости, необходимо уделять при устройстве автономных систем водоснабжения дома самое серьезное внимание.
Нормы содержания кальция и магния в воде
Действующие санитарно-гигиенические нормы и правила жестко регламентируют показатели жесткости воды, употребляемой для питья. В соответствии с отечественным СанПиНом 2.1.4.1074-01 ПДК магния и кальция не должна превышать 7 мг-экв на литр жидкости. Рекомендации ВОЗ еще жестче: допускаются нормы для воды до 10-30 мг/л магния и 20-80 мг/л кальция, что примерно равняется 1,8-6,5 мг-экв на литр.
Производители бытовой и обогревательной техники и оборудования дают разные рекомендации по содержанию кальция и магния в воде (по ГОСТу). В большинстве случаев речь идет о значении данного параметра, не превышающем 2-3 мг-экв/л. Особенно высокие требования предъявляются к воде, используемой в паровых котлах. В этом случае показатель жесткости не должен быть выше 1,5 мг-экв/л.
Как определить содержание кальция и магния в воде
Самый простой и очевидный способ определения жесткости воды по кальцию и магнию — накипь, которую легко обнаружить на любом нагревательном элементе установленного в доме оборудования и бытовой техники. Еще один характерный признак содержания кальция и магния в воде состоит в неприятном немного «металлическом» вкусе и запахе жидкости. Кроме того, при мытье любых поверхностей жесткой водой на них остается серый налет. Аналогичный вывод о том, что вода содержит гидрокарбонат кальция и гидрокарбонат магния, может быть сделан и в том случае, если после стирки ткань становится жесткой на ощупь.
Как очистить воду от солей магния и кальция
Результатом актуальности проблемы удаления ионов кальция и магния из воды стало появление различных методов очистки. Наибольшей популярностью пользуются сегодня фильтры умягчения, заметно реже применяются другие способы очистки воды от кальция и магния, например, кипячение, обратный осмос и т.д. Для принятия грамотного решения о наиболее подходящем методе удаления из воды кальция и магния необходимо рассмотреть особенности, достоинства и недостатки каждого из них подробнее.
Использование фильтров умягчения для воды от кальция и магния
Фильтры для очистки воды от магния и кальция — самый популярный на сегодня метод очистки воды от солей жесткости. Предполагает использование фильтров-умягчителей, изготовленных на основе специальных ионнообменных смол. Принцип их действия предельно прост: жидкость проходит сквозь фильтр, который задерживает ионы кальция и магния, заменяя их безвредными ионами натрия или водорода.
Главные достоинства этого метода, который позволяет очистить воду от кальция и магния, состоят в следующем:
- доступная стоимость фильтров-умягчителей;
- высокая эффективность производимой очистки кальций и магний в природной воде;
- разнообразие представленных на рынке установок и станций для умягчения воды, использующих этот метод;
- простая и оперативная процедура замены фильтра при необходимости.
Немаловажным достоинством этого способа очистки повышенного содержания кальция и магния в воде, часто называемого Na-катионированием, выступает универсальность. Она заключается в возможности использования и эффективности метода как в промышленных масштабах, так и на автономных системах водоснабжения частных домов.
Применение фильтров с многокомпонентной смолой для очистки воды от железа, кальция и магния
Этот метод очистки воды от кальция и магния заслуженно считается вторым по популярности. Он предусматривает необходимость применения специальных ионообменных смол, принцип действия которых напоминает описанный выше для фильтров умягчения.
По внешнему виду ионообменная смола представляет собой скопление небольших по диаметру (до 1 мм) шариков. Они изготавливаются из различных полимеров и классифицируются по структуре вещества на пористые, гелевые и промежуточные.
Основным достоинством фильтров для снижения солей кальция и магния с многокомпонентной смолой выступает высокая эффективность. Единственным и главным недостатком считается сравнительно высокая стоимость изготовления и, как следствие, серьезная продажная цена изделий.
Дистилляция и отстаивание как методы удаления кальция и магния из воды
В процессе дистилляции также используются фильтры, которые называются аквадистилляторами. Принцип их работы предусматривает нагрев воды, перемещение паров жидкости в конденсатор, где они возвращаются в жидкое состояние. Главный плюс этого способа — крайне высокая эффективность. Широкому его распространению мешают очевидные недостатки метода, наиболее значимыми из которых выступают высокая стоимость и серьезная длительность процедуры очистки воды от кальция и магния.
Отстаивание воды приводит к выпадению солей магния и кальция в виде нерастворимого осадка. Этот способ умягчения сложно назвать эффективным, тем не менее при отсутствии других возможностей он также может быть использован на практике.
Как очистить воду от солей кальция и магния кипячением
Еще один малоэффективный метод очистки воды от кальция и магния. Его редкое практического применение объясняется двумя главными причинами. Первая — большими расходами на энергоресурсы, необходимые для нагрева жидкости, а вторая — возможность устранения исключительно временной (или карбонатной) жесткости.
Установки обратного осмоса помогают, если в воде много кальция и магния
Этот вариант очистки воды с солями кальция и магния широко применяется в системах водоснабжения. Но он наиболее эффективен не для умягчения жидкости, а для снижения концентрации самых различных вредных веществ, примесей и даже микроорганизмов. Применять установки обратного осмоса для снижения уровня содержания кальция и магния в воде нерационально из-из сравнительно больших, по сравнению с другими методами умягчения, финансовыми расходами. При этом не имеет значения, о каких моделях идет речь — компактных бытовых системах осмоса, устанавливаемых под конкретным питьевым краном, или более производительных и мощных установках осмоса на весь частный дом.
Кальций и магний в питьевой воде
Использование жесткой воды для питья и в технических целях чревато несколькими малоприятными последствиями. Самый простой и эффективный способ снизить содержание магния и кальция в жидкости — использовать специальные фильтры умягчения, широкий выбор которых предлагает наша компания. Специалисты фирмы готовы предоставить консультации по выбору подходящего способа очистки и помощь в оформлении заказа.
Жесткость воды — одно из важнейших свойств, имеющее большое значение при водопользовании. Если в воде находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, в результате чего возникает ощущение жесткости. Жесткость воды пагубно сказывается на трубопроводах тепловых сетей, приводя к образованию накипи. По этой причине в воду приходится добавлять специальные «смягчающие» химикаты. Жесткость воды обусловлена присутствием растворимых и малорастворимых солей-минералов, главным образом кальция (Са2+) и магния (Mg2+). Кроме указанных, к солям жесткости относят также соли стронция (Sr2+), цинка (Zn2+) и др., однако в поверхностных и грунтовых природных водах из перечисленных катионов в заметных концентрациях присутствуют только кальций и магний. Величина жесткости воды может варьироваться в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года, погодных условий. Общая жесткость воды в озерах и реках тундры, например, составляет 0,1-0,2 мг-экв/л, а в морях, океанах, подземных водах достигает 80-100 мг-экв/л и даже больше (Мертвое море).
Из всех солей, относящихся к солям жесткости, выделяют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало. Жесткость, придаваемая воде гидрокарбонатами, называется гидрокарбонатной, или временной, т.к. гидрокарбонаты при кипячении воды (точнее, при температуре более 60 °С) разлагаются с образованием малорастворимых карбонатов. Mg(HC03)2 в природных водах встречается реже, чем Са(НСОз)2, т.к. магнезитовые породы мало распространены. Поэтому в пресных водах преобладает, так называемая, кальциевая жесткость. В природе протекают следующие обратимые химические реакции:
CaCO3 + H2O + CO2 = Са(НСОз)2
MgCO 3+ H2O + CO2 = Mg(НСОз)2
Эти уравнения имеют важное значение в природе и технике. Прямая реакция характеризует растворимость карбонатных пород, следовательно, формирование химического состава воды и эрозию земной поверхности. В присутствии растворенного в воде углекислого газа происходит растворение, или вымывание, карбонатных пород в природе. В технике это обуславливает коррозию строительных материалов. Обратная реакция – выпадение нерастворимых карбонатов кальция и магния, т.е. образование осадочных пород, имеет огромное значение в геохимии. При выходе на поверхность подземных (грунтовых) вод, обладающих значительной временной жесткостью, равновесие сдвигается в сторону образования СО2, который удаляется в атмосферу. Этот процесс приводит к разложению гидрокарбонатов и выпадению в осадок СаСОз и MgCO3. Таким путем образуются разновидности карбонатных пород, называемые известковыми туфами.
В технике протекание данной реакция приводит к выпадению карбонатной накипи на теплопередающей поверхности теплообменников, что обуславливает множество проблем. Жесткость, обусловленная хлоридами или сульфатами, называется постоянной, так как эти соли устойчивы при нагревании и кипячении воды. Суммарная жесткость воды, то есть общее содержание растворимых солей кальция и магния, получила название «общей жесткости». Ввиду того, что солями жесткости являются соли разных катионов, имеющие разную молекулярную массу, концентрация солей жесткости, или жесткость воды, измеряется в единицах эквивалентной концентрации — количеством г-экв/л или мг-экв/л. При жесткости до 4 мг-экв/л вода считается мягкой; от 4 до 8 мг-экв/л — средней жесткости; от 8 до 12 мг-экв/л — жесткой; более 12 мг-экв/л — очень жесткой (встречается и другая классификация воды по степеням жесткости).
Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды и источников централизованного водоснабжения составляет не более 7 мг-экв/л (в отдельных случаях до 10 мг-экв/л). Лимитирующий показатель вредности — органолептический. Поиск причинно-следственных связей между жесткостью воды и сердечно-сосудистой патологией был результативным. В ряде исследований установлена статистически достоверная, хотя и не тесная, обратная корреляционная связь между жесткостью воды и частотой инфаркта миокарда. Поскольку в других, не менее тщательно выполненных исследованиях, такой связи не было установлено, считается, что патогенетическим агентом могли быть не сами соли жесткости, а коррелирующие с ними какие-либо другие микроэлементы. Что касается других проявлений вредного влияния жестких вод, то статистическими исследованиями установлено и экспериментально подтверждено их влияние на частоту возникновения мочекаменной болезни. В этом случае не идет речи о прямой детерминированности степени жесткости воды и заболеваний мочекаменной болезнью. Решающую роль играют другие сопутствующие факторы, в частности состояние минерального обмена конкретного человека, потребляющего жесткую воду. Высокое содержание в питьевой воде солей кальция и магния является фактором риска мочекаменной болезни.
Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых солей жёсткости).
Содержание
Жесткая и мягкая вода [ править | править код ]
Вода с большим содержанием солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Термин «жёсткая» по отношению к воде исторически сложился из-за свойств тканей после их стирки с использованием мыла на основе жирных кислот — ткань, постиранная в жёсткой воде, более жёсткая на ощупь. Этот феномен объясняется, с одной стороны, сорбцией тканью кальциевых и магниевых солей жирных кислот, образующихся в процессе стирки на макроуровне. С другой стороны, волокна ткани обладают ионообменными свойствами, и, как следствие, свойством сорбировать многовалентные катионы — на молекулярном уровне. Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО3)2; Mg(НСО3)2, и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2).
Жёсткая вода при умывании сушит кожу, в ней плохо образуется пена при использовании мыла. Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах и т. п. В то же время, использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб, так как, в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность, которую обеспечивает гидрокарбонатная (временная) жёсткость. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, однако есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая — незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. [ источник не указан 395 дней ] Вкус природной питьевой воды, например, воды родников, обусловлен именно присутствием солей жёсткости.
Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.
Единицы измерения [ править | править код ]
Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м³), однако, на практике для измерения жёсткости используются градусы жёсткости и миллиграмм-эквиваленты на литр (мг-экв/л).
В СССР до 1952 года использовали градусы жёсткости, совпадавшие с немецкими. В России для измерения жёсткости иногда использовалась нормальная концентрация ионов кальция и магния, выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре воды 20,04 миллиграмм Ca 2+ или 12,16 миллиграмм Mg 2+ (атомная масса делённая на валентность).
С 1 января 2014 года в России введён межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жёсткости» [1] . По новому ГОСТу жёсткость выражается в градусах жесткости (°Ж). 1 °Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его миллимоля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л).
Иногда указывают концентрацию, отнесённую к единице массы, а не объёма, особенно, если температура воды может изменяться или если вода может содержать пар, что приводит к существенным изменениям плотности.
В разных странах использовались (иногда используются до сих пор) различные внесистемные единицы — градусы жёсткости.
| Градус | Обозначение | Определение | Величина | |
|---|---|---|---|---|
| °Ж | ммоль/л | |||
| Немецкий | °dH (deutsche Härte), | |||
°dGH (degrees of general hardness),
°dKH (для карбонатной жёсткости)
По величине общей жёсткости различают воду мягкую (до 2 °Ж), средней жёсткости (2-10 °Ж) и жёсткую (более 10 °Ж).
Жёсткость воды поверхностных источников существенно колеблется в течение года; она максимальна в конце зимы, минимальна — в период паводка (например, жёсткость волжской воды в марте — 4,3 °Ж, в мае — 0,5 °Ж [2] ). В подземных водах жёсткость обычно выше (до 8-10, реже до 15-20 °Ж) и меньше изменяется в течение года.
Методы устранения [ править | править код ]
- Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:
C a ( H C O 3 ) 2 → o t C a C O 3 ↓ + C O 2 + H 2 O <displaystyle <mathsf <3>)_<2><xrightarrow[<>]<^
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:
C a ( H C O 3 ) 2 + C a ( O H ) 2 → 2 C a C O 3 ↓ + 2 H 2 O <displaystyle <mathsf
<3>)_<2>+Ca(OH)_<2>
ightarrow 2CaCO_<3>downarrow +2H_<2>O>>>
Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:
3 C a ( H C O 3 ) 2 + 2 N a 3 P O 4 → C a 3 ( P O 4 ) 2 + 6 N a H C O 3 <displaystyle <mathsf <3Ca(HCO_<3>)_<2>+2Na_<3>PO_<4>
ightarrow Ca_<3>(PO_<4>)_<2>+6NaHCO_<3>>>> 
ightarrow Mg_<3>(PO_<4>)_<2>downarrow +3Na_<2>SO_<4>>>>
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, отдаёт 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 %.
Различают нанофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам нанометров) и пикофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам пикометров). В качестве недостатков данного метода следует отметить:
- необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану;
- относительно высокая стоимость 1 л получаемой воды (дорогое оборудование, дорогие мембраны);
- низкую минерализацию получаемой воды (особенно при пикофильтрации). Вода становится практически дистиллированной.
- 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.
Клиническое значение [ править | править код ]
Постоянное употребление жесткой воды может вызвать нарушение минерального баланса организма (например, моче- или почечнокаменную болезнь) [ источник не указан 1829 дней ] .
Использование жесткой воды для питания и купания новорожденных увеличивает риск атопического дерматита и/или экземы у детей. Средний возраст первых симптомов — 3 мес. Причем появление экземы запускает механизм развития аутоаллергии по цепочке «атопический марш»: от экземы к пищевой аллергии и астме. [3]