Что таке жесткость воды, ее классификация, как определить жесткость и способы умягчить

Как образуются соли жесткости

Вода – универсальный растворитель. Состав природных источников формируется в зависимости от типа местности. Вода с растворенным в ней углекислым газом проникает в почву, проходит через толщи геологических пород – гипса, доломита, кальцита, размывает их, обогащаясь органическими и минеральными веществами, ионами металлов. Они составляют общую минерализацию воды (TDS).

Среди них преобладают катионы кальция и магния, их суммарное значение дает общую жесткость воды. Её разделяют на два вида:

  • временную (карбонатную);
  • постоянную (некарбонатную).

Формула общей жесткости имеет вид:

Жо = [Ca2+] + [Mg2+] = Жк + Жнк

Виды жесткости водыКлассификация жесткости воды

Карбонатная жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Они легко удаляются из раствора, образуя при кипячении нерастворимый осадок. Второй вид жесткости определяет содержание в воде растворимых солей, которые невозможно удалить при нагревании. Для устранения постоянной жесткости используются различные методы, о которых расскажем далее в статье.

В отличие от подземных источников поверхностные воды содержат меньше солей, так как постоянно разбавляются выпадающими осадками. Уровень жесткости в них – величина непостоянная. Она достигает предельных значений зимой, а в период паводков снижается. В подземных водах этот показатель более стабилен.

Единицы измерения

Концентрация солей измеряется в миллиграмм эквивалентах на литр: 1 мг-экв/л = 20,04 мг Са2+ и 12,16 мг Мg2+. В международной системе СИ показатель численно выражается в молях на метр3 (моль/м3). В нашей стране применяются градусы жесткости, 1 ºЖ = 1 мг-экв/л или 0,5 ммоль /л.

Градусы жесткости используются и в других странах, но различаются числовыми значениями:

  • немецкий градус жесткости 1ºdH = 10 мг/л СаО или 7,194 мг/л MgO;
  • французский градус 1ºfH = 10 мг/л СаСО3;
  • английский 1 ºClark = 14,254 мг/л СаСО3;
  • американский 1 gpg = 17,12 мг/л СаСО3.

Таблица единиц жесткости воды Таблица единиц измерения жесткости воды в разных странах

Для перехода в другие единицы измерения удобнее использовать ещё одну американскую единицу – PPM (ППМ), которая равна 1 мг/л СаСО3. Отсюда:

  • 1ºdH = 17,9 ppm;
  • 1ºfH = 10,0 ppm;
  • 1 ºClark = 14,25 ppm;
  • 1º gpg = 17,1 ppm;
  • 1ºЖ = 50,05 ppm.

Перевести ррm в удобные для нас градусы жесткости ºЖ можно конвертером. Для перехода между градусами можно воспользоваться шкалой:

1 ºЖ = 2,804 ºdH = 3,5 ºClark = 5,005 ºfH = 2,924 gpg = 50,05ppm.

Нормы жесткости

По параметру общей жесткости различают воду:

  • мягкую – до 4 ºЖ;
  • средней жесткости – от 4 до 8 ºЖ;
  • жесткую – более 8 ºЖ.

Разнообразие природных условий в России не позволяет установить единые нормы жесткости для всех регионов. Предельно допустимая концентрация (ПДК) Са2+ варьируется в широких пределах в зависимости от местных условий.

Таблица классификации воды по жесткостиТаблица классификации воды по жесткости

Однако стандарты питьевой воды не сильно отличаются от установок ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения). В качестве национального стандарта в нашей стране с 01.01.2014 действует ГОСТ 31954-2012. В нем учитываются основные международные нормативы по качеству воды и методам анализа. Стандарт распространяется на все подземные и поверхностные источники.

Таблица 1. Нормативные значения концентраций кальция и магния в питьевой воде

Норм. документ Продукт Са, мг/л Mg, мг/л Градусы, ºЖ
1 СанПин_2.1.4.1074-01,
ГН_2.1.5.1315-03
Питьевая вода Не регламентируется Не регламентируется 7
2 СанПин 2.1.4.1116-02 Бутилированная вода 25-130 5 — 65 1,5-7
3 Нормы ВОЗ Питьевая вода 20-80 10 — 30 Не предлагается

Состав воды в зависимости от назначения регламентируется шкалой жесткости:

  • допустимый показатель для водопроводной воды – 300 ppm или 6 ºЖ;
  • оптимальное значение для природных водоемов – в пределах 400 ррm или 8 ºЖ;
  • предельно допустимый уровень жесткости – 500 ppm, 10 ºЖ;
  • концентрация солей, представляющая опасность для жизни – более 500 ррм, > 10 ºЖ.

Особенно строгие требования предъявляются к воде, которая подается в нагревательные котлы на электростанциях – показатель общей жесткости не может превышать 0,05–0,1 мг-экв/л.

Как вычислить жесткость в домашних условиях

Повышенная жесткость не выражается какими-либо внешними признаками – запахом, цветом, консистенцией. О ней свидетельствуют:

  • образующаяся накипь на дне чайника;
  • плохое вспенивание моющих средств;
  • белые разводы на душевой лейке в ванной.

Накипь в чайникеОбразующаяся накипь в чайнике говорит о повышенной жесткости воды

Точный состав воды можно узнать только при помощи анализа. Но и в домашних условиях есть простой способ определить жесткость водопроводной воды с небольшой погрешностью в 1–2 градуса.

Для эксперимента понадобятся: кусок хозяйственного мыла, небольшой объем дистиллированной воды, электронные весы, ёмкость, цилиндрический стакан, линейка.

  1. Мелко натереть 1 г хозяйственного мыла и растворить его в 3–4 столовых ложках слегка подогретой дистиллированной воды. Если под рукой нет кухонных весов, можно ориентироваться на глаз – пол чайной ложки без верха.
  2. В стакан с мыльным раствором долить дистиллированной воды так, чтобы высота столба жидкости соответствовала процентному содержанию жирных кислот, указанному на бруске мыла. Если 72%, то высота водяного столба должна составлять 72 мм от дна стакана, но не от поверхности стола.
  3. Набрать в ёмкость 0,5 л водопроводной воды и, плавно помешивая, вливать в неё тонкой струей мыльный раствор. Сначала в воде появятся хлопья, пузыри, затем – стойкая белая пена. Она свидетельствует о том, что уже связаны все соли.

Вычислить количество сантиметров водного столба, перелитого в ёмкость, можно путем вычитания высоты, оставшегося мыльного раствора, от исходного:

hп = hи – hо,

где:

  • hп — высота столба перелитого раствора;
  • – высота водного столба исходного мыльного раствора;
  • – высота столба остатка мыльного раствора.

Каждый сантиметр перелитого в ёмкость раствора соответствует 2ºdH. Значение совпадает с немецкой единицей жесткости. Например, перелито из стакана 4,6 см, что соответствует 9,2 dH.

Для перевода полученных результатов в мг-экв/л можно воспользоваться таблицей, а для точного результата калькулятором.

Градусы dH Уровень жесткости Показатель в мг-экв/л
1 0 — 4 Очень мягкая До 1,4
2 5 — 11 Мягкая 1,8 – 4,0
3 12 — 22 Средняя 4,3-8,0
4 22 — 34 Жесткая 8,0-12
5 Более 34 Очень жесткая Выше 12

Получить более точный результат можно с помощью электронных тестеров типа TDS-3. Они делают анализ воды на жесткость и кислотность, выводя результаты на экран в виде РРМ или рН. Преобразовать единицы РРМ в ºЖ можно калькулятором.

Цифровой тестер воды TDS-3Быстрый и простой способ получить данные — использовать цифровой тестер жесткости

Если вы хотите получить подробный анализ воды в скважине или колодце, то это можно сделать набором «Скважина-1».

Набор Скважина-1Определить качество воды по нескольким параметрам может набор «Скважина-1»

Еще один простой и недорогой способ определить качество воды — тест-полоски.

Тест полоски определения жесткости водыБыстро получить результат о жесткости воды можно тест-полосками

Влияние воды

На организм человека

На сегодняшний день нет серьезных исследований, подтверждающих вредное влияние жесткой воды на живой организм. Но известно, что длительное потребление воды с повышенным уровнем жесткости, способствует развитию мочекаменной болезни. Организм не успевает выводить излишки микроэлементов, что приводит к появлению мочевых камней, камней в почках и отложений в суставах.

Качество воды имеет и гигиеническое значение. Мыло, вступая в реакцию с солями кальция и магния, разрушает защитный слой кожи, вызывая раздражение или аллергию. Волосы становятся сухими и ломкими.

Одновременно с этим, кальций и магний – важные для жизнедеятельности человека микроэлементы:

  • дневная норма кальция составляет 1000 мг;
  • магния – 400 мг.

Нормы микроэлементов на человека в деньСуточная норма микроэлементов и значение для человека

Недостаток этих элементов может вызывать серьезные нарушения в организме. По исследованиям проводимыми ВОЗ отмечено, что потребление излишне мягкой воды приводит к вымыванию солей из организма и изменению водно-солевого баланса. В регионах с употреблением мягкой воды отмечается:

  • рост сердечно-сосудистых заболеваний;
  • возрастание количества переломов у детей и снижению веса новорожденных.

ВОЗ указывает, что присутствие солей в воде нужно считать необходимым условием для нормальной жизнедеятельности организма.

На технику

Соли жесткости доставляют массу проблем, связанных с использованием бытовых приборов и промышленного оборудования:

  • слой накипи, образующийся на стенках стиральных и посудомоечных машин, приводит к преждевременной поломке;
  • краны и душевые лейки забиваются известковым налетом;
  • недостаточное вспенивание стирального порошка ведет к его перерасходу;
  • покрытые накипью трубы и ТЭНы увеличивают расход электроэнергии и выходят из строя;

    Накипь на тенеНакипь на ТЭНе бойлера приводит к его сгоранию

  • выпадающие в осадок соли уменьшают проходимость труб в системах водоснабжения, снижая напор воды;
  • нерастворимые соединения на стенках радиаторов становятся мощным теплоизолятором, снижая их теплоотдачу.

Слишком мягкая вода оказывает негативное действие на технику, повышая опасность коррозии труб из-за низкой щелочности. Поэтому необходимо поддерживать правильный баланс водно-солевого состава.

Способы умягчения воды

Существуют различные способы снижения жесткости. Выбор определяется в зависимости от исходного качества воды, её назначения и условий использования.

Термический метод

Кипячение – самый простой и доступный способ устранить карбонатную жесткость. Он подходит для небольших объемов воды, которые используются для бытовых нужд. Однако метод не устраняет все соли жесткости, а посуду придется очищать от накипи.

Фильтрация

Не так давно фильтр для смягчения воды представлял внушительную установку. Современные технологии и материалы позволили создать компактные системы очистки, придающие воде мягкость, с легкостью помещающиеся под мойкой на кухне. Сменные картриджи фильтров, кроме умягчения воды, удаляют запахи и примеси. Правильный подбор фильтров и своевременная замена гарантируют качественную очистку воды из водопровода, скважины или колодца. Одной из современных комплексных систем являются фильтры «Барьер».

Фильтр Барьер Эксперт слим жесткостьКомпактный фильтр Барьер ЭКСПЕРТ СЛИМ Жесткость с тремя ступенями очистки

Химические способы

Для осаждения солей жесткости в воду добавляют специальные реагенты – гашеную известь, соду, полифосфаты. Метод эффективен для промышленного применения. Главный его недостаток – в необходимости дальнейшей утилизации отходов. Вода после такой обработки непригодна для пищевых целей.

Ионный обмен

Фильтрация через ионообменные смолы с успехом используется в промышленности. Принцип основан на замещении катионов щелочноземельных металлов ионами натрия и водорода в колонке с мелкозернистой засыпкой. Для регенерации отработанной смолы используется раствор поваренной соли. При изменении уровня жесткости воды необходима ручная корректировка настроек.

Устройство ионообменного фильтраУстройство ионообменного фильтра

Физические методы

В основу этих методов положены процессы электродиализа, действия ультразвуком, электромагнитных импульсов. Соли жесткости переводятся в модифицированное состояние, при котором они не кристаллизуются в твердый осадок, а образуют неустойчивые соединения. Применение ультразвуковых и электромагнитных волн дополнительно способствует отслоению уже имеющейся накипи.

Мембранный метод

Этот способ очистки имеет другое название – обратный осмос. Вода под высоким давлением пропускается через фильтр с микроскопическими ячейками и полностью очищается от химических примесей, взвешенных частиц, бактерий.  Качество получаемой воды близко к дистиллированной. Для её употребления необходима дополнительная минерализация. Недостаток метода в его дороговизне.

Система очистки воды с обратным осмосомСистема очистки воды с обратным осмосом для домашнего использования

Итог

Оценивая качество воды, важно учитывать не только уровень жесткости и вероятность образования накипи, но также коррозионную способность. Правильная оценка позволит подобрать эффективный комплекс мероприятий для водоподготовки.