Твердість води

Твердість води[1][2], цупкість води[3], жорсткість води[4] — сукупність властивостей, зумовлених вмістом у воді лужноземельних катіонів кальцію та магнію.

Загальний опис

Твердість води визначають за кількістю солей кальцію і магнію в ній. Якщо вода містить значні кількості вапнякових солей, то таку воду називають твердою[2] чи цупкою[3], а коли цих солей зовсім немає, або вони містяться в незначних кількостях, то — м'якою.

Відрізняють тимчасову, або карбонатну, твердість води і сталу. Тимчасова твердість зумовлюється наявністю кислих карбонатів (гідрокарбонатів) кальцію і магнію: Ca(HCO3)2 і Mg(HCO3)2, а стала — наявністю сульфатів і хлоридів кальцію та магнію: CaSO4, MgSO4, CaCl2 і MgCl2. Загальна твердість води є сумою тимчасової і сталої твердості.

Тверда вода непридатна майже для всіх галузей виробництва. Так, наприклад, жорстку воду не можна використовувати для прання білизни, миття шерсті і фарбування тканин, бо в ній мило втрачає свою мийну здатність. Це пояснюється тим, що розчинний у воді стеарат натрію С17Н35COONa, який становить головну складову мила, переходить у нерозчинний стеарат кальцію (або магнію), утворюючи так зване кальцієве (або магнієве) мило:

  • 2С17Н35COONa + CaSO4 = (С17Н35СОО)2Са↓ + Na2SO4

При цьому мильна піна утворюється тільки після повного осадження іонів кальцію і магнію, на що непродуктивно витрачається багато мила. Крім того, утворюваний осад кальцієвого і магнієвого мила міцно осідає на волокнах тканин і забрудює їх, а при фарбуванні утворює плями.

Жорстка вода непридатна і для цілого ряду інших виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо при кип'ятінні води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата палива. Накип викликає інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварії.

Для приготування їжі жорстку воду теж не вживають, бо в ній погано розварюються м'ясо і овочі. Для пиття вона теж непридатна.

Тимчасова твердість води — компонента загальної твердості води, що може бути усунена кип'ятінням. Пов'язана з наявністю розчинних солей Ca та Mg, зокрема Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2.

Методи визначення твердості води

Жорсткість води найчастіше визначають титруванням розчином двонатрієвої солі етилендіамінтетраацетатної кислоти (комплексон ІІІ, трилон Б) у лужному середовищі в присутності індикатора хромоген чорний спеціальний або еріохром чорний. Користуючись іншим спеціальним індикатором — мурексидом, визначають кальцієву Т.в.; магнієву Т.в. розраховують за різницею між результатами цих двох визначень. Якщо вміст кальцію та магнію у воді визначено іншими способами, то загальну Т.в. можна вирахувати за формулою: Т=Са2++Мg2+, де Т — загальна Т.в., ммоль/дм3; Са2+ та Мg2+ — концентрація кальцію та магнію, ммоль/дм3.

Класифікація води за жорсткістю

Вода з Ж. менше 4 ммоль/дм3 характеризується як м'яка, від 4 до 8 ммоль/дм3 — середньої твердості, від 8 до 12 ммоль/дм3 — тверда, понад 12 ммоль/дм3 — дуже тверда.

За О. О. Алекіним:

  • дуже м'яка — до 1,5 ммоль/дм³;
  • м'яка — 1,5-3,0 ммоль/дм³;
  • помірно жорстка — 3,0-6,0 ммоль/дм3;
  • жорстка — 6,0-9,0 ммоль/дм3;
  • дуже жорстка — понад 9,0 ммоль/дм3.

Одиниці вимірювання

Для числового вираження жорсткості води вказують концентрацію в ній катіонів кальцію та магнію. Рекомендована одиниця SI для вимірювання концентрації — моль на кубічний метр (моль/м³), але на практиці для вимірювання жорсткості частіше використовується мілімоль на літр (ммоль/л), ммоль/дм³.

У різних країнах використовують різні позасистемні одиниці — градуси жорсткості.

Градус Позначення Визначення Величина
мг-екв/л ммоль/л
Німецький °dH (degrees of hardness),
°dGH (German (Deutsche) Hardness),
°dKH (для карбонатної твердості)		 1 частина оксиду кальцію (СаО) або 0,719 частин оксиду магнію (MgO) на 100 000 частин води 0,3566 0,1783
Англійський °e 1 гран CaCO3 на 1 англійський галон води 0,2848 0,1424
Французький °TH 1 частина CaCO3 на 100 000 частин води 0,1998 0,0999
Американський ppm 1 частина CaCO3 на 1 000 000 частин води 0,0200 0,0100

Способи усунення твердості води

Для усунення твердості води, тобто її пом'якшення, з води потрібно видалити йони Са2+ і Mg2+ у вигляді нерозчинних солей.

  • Тимчасову жорсткість води усувають кип'ятінням:
    • Ca(HCO3)2 = СаСО3↓ + Н2О + СО2↑
    • Mg(HCO3)2 = MgCO3↓ + Н2О + СО2↑

Під час нагрівання йони Са2+ і Mg2+ виводяться з розчину у вигляді нерозчинних карбонатів. Саме легкість усунення тимчасової жорсткості води під час нагрівання зумовлює назву — «тимчасова».

  • Постійну жорсткість води, зумовлену сульфатами та хлоридами Кальцію і Магнію, неможливо усунути кип'ятінням, оскільки ці солі не розкладаються. Назва «постійна жорсткість» походить саме від того, що її не можна усунути простим нагріванням води. Її усувають введенням у воду деяких реагентів — натрій карбонату (кальцинована сода), кальцій гідроксиду (вапняна вода), натрій ортофосфату. Одночасно усувається як тимчасова, так і постійна, тобто загальна жорсткість води. Наприклад:
    • Ca(HCO3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О
    • MgSO4 + Na2СО3 = MgCO3↓ + Na2SO4
    • Ca(HCO3)2 + Na2СО3 = СаСО3↓ + 2NaHCO3
    • 3CaSO4 + 2Na3РО4 = Са3(РО4)2↓ + 3Na2SO4
  • Сучасний спосіб пом'якшення води заснований на використанні іонообмінних смол  — катіонітів. Катіоніти — це тверді речовини, нерозчинні у воді, до складу яких входять рухливі катіони Na+ у вигляді солей органічних кислот, зафіксованих на поверхні носія. Спрощено їх позначають так: Na2R. Катіони Na+ можуть обмінюватися на катіони навколишнього середовища, наприклад Са2+ і Mg2+. Під час пропускання жорсткої води крізь колонку з катіонітом йони Са2+ і Mg2+ затримуються в ньому, а катіони Na+ з катіоніту переходять у воду:
    • Na2R + Са2+ = CaR + 2Na+

Катіоніт періодично регенерують, промиваючи його концентрованим розчином натрій хлориду.

Твердість природної води
  • Твердість природної води коливається в широких межах; вона неоднакова в різних природних водах, в одному і тому ж водному об'єкті величина її змінюється за порами року. В поверхневих водах Ж. досягає найбільших величин наприкінці зими, найменших — у період повені. В поверхневих водах зазвичай переважає карбонатна Ж. (70-80 % від загальної). Магнієва Ж.в. рідко перевищує 30 % від загальної, однак у деяких районах (Донбас, Кривий Ріг) сягає 60 % від загальної. Т. підземних вод, особливо в артезіанських колодязях, менше змінюється протягом року.
  • Твердість річкових вод України, як і мінералізація води, зростає з північного заходу на південний схід. У річкових водах Полісся жорсткість становить 2-3 ммоль/дм³, у Дніпрі — 4-5 ммоль/дм³, а в малих і середніх річках Приазов'я — 15-30 ммоль/дм³, що обмежує можливості використання місцевих водних ресурсів[5].
  • Твердість морської води: Чорне море — кальцієва 12,0 ммоль/дм3, магнієва 53,5 ммоль/дм3, загальна 65,5 ммоль/дм3; Каспійське море — кальцієва 36,4 ммоль/дм3, магнієва 30 ммоль/дм3, загальна 66,4 ммоль/дм3; океан — кальцієва 22,5 ммоль/дм3, магнієва 108 ммоль/дм3, загальна 130,5 ммоль/дм3.

Твердість питної води

В Україні відповідно до Державних санітарних норм та правил «Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною» (ДСанПіН 2.2.4-171-10), затверджених Мінохорони здоров'я України 12.05. 2010 р., які загалом регулюють якість питної води, прийнято такі нормативи показників жорсткості питної води:[6]

  • вода водопровідна — до 6,5 ммоль/дм³ (в окремих випадках з дозволу санітарних служб — до 10 ммоль/дм³);
  • вода колодязів і каптажів джерел — до 10 ммоль/дм³;
  • вода фасована, з пунктів розливу та з питних бюветів — 7 ммоль/дм³.

Вплив на здоров'я

Всесвітня організація охорони здоров'я стверджує, що «відсутні переконливі докази того, що твердість води негативно впливає на здоров'я людей»[7]. Насправді Національна дослідна рада (англ. National Research Council, скорочено NRC) США виявила, що тверда вода насправді служить дієтичною добавкою кальцію та магнію[8].

Деякі дослідження показали слабкий зворотний зв'язок між жорсткістю води та серцево-судинними захворюваннями в чоловіків, до рівня 170 мг карбонату кальцію на літр води. Всесвітня організація охорони здоров'я перевірила обґрунтування та дійшла висновку, що даних було недостатньо, щоб можна було дати рекомендації щодо рівня твердості[9].

Існують рекомендації щодо максимального та мінімального рівня кальцію (40—80 проміле) та магнію (20—30 ppm) у питній воді, за яких загальна твердість як сума концентрацій кальцію та магнію становить 2—4 ммоль/л[10].

Інші дослідження показали слабку кореляцію між здоров'ям серцево-судинної системи та жорсткістю води[11][12][13].

Деякі дослідження співвідносять використання у побуті жорсткої води зі зростанням ризику екземи у дітей[14][15][16][17].

У 2008 році було проведене багатоцентрове рандомізоване контрольоване дослідження іонообмінних пом'якшувачів для лікування атопічного дерматиту в дітей (англ. Softened-Water Eczema Trial, скорочено SWET). Однак суттєвої різниці у полегшенні симптомів у дітей, які мають доступ до домашнього пом'якшувача води, та тими, хто не має, виявлено не було[18].

Примітки
  1. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
  2. Твердий // Словник української мови : в 11 т. — К. : Наукова думка, 1970—1980.
  3. Цупкий // Словник української мови : в 11 т. — К. : Наукова думка, 1970—1980.
  4. Жорсткість води // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 87.
  5. Горєв Л. М., Пелешенко В. І., Хільчевський В. К. Гідрохімія України. — К.: Вища школа, 1995. — 307 с. — ISBN 5-11004522-4
  6. Державні санітарні норми та правила «Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною» (ДСанПіН 2.2.4-171-10)], затверджені Мінохорони здоров'я України 12.05. 2010 р., уведені 16.07. 2010 р.
  7. World Health Organization Hardness in Drinking-Water, 2003
  8. Drinking Water Hardwater Hardness Calcium Magnesium Scale Stained Laundry. Water-research.net. Процитовано 26 січня 2013.
  9. World Health Organization Hardness in Drinking-Water, 2003
  10. František Kožíšek Health significance of drinking water calcium and magnesium Архівовано 2013-04-18 у Wayback Machine., February 2003
  11. Pocock SJ, Shaper AG, Packham RF (April 1981). Studies of water quality and cardiovascular disease in the United Kingdom. Sci. Total Environ. 18: 25–34. Bibcode:1981ScTEn..18...25P. PMID 7233165. doi:10.1016/S0048-9697(81)80047-2.
  12. Marque S, Jacqmin-Gadda H, Dartigues JF, Commenges D (2003). Cardiovascular mortality and calcium and magnesium in drinking water: an ecological study in elderly people. Eur. J. Epidemiol. 18 (4): 305–9. PMID 12803370. doi:10.1023/A:1023618728056.
  13. Rubenowitz E, Axelsson G, Rylander R (January 1999). Magnesium and calcium in drinking water and death from acute myocardial infarction in women. Epidemiology 10 (1): 31–6. PMID 9888277. doi:10.1097/00001648-199901000-00007.
  14. McNally NJ, Williams HC, Phillips DR, Smallman-Raynor M, Lewis S, Venn A, Britton J (1998). Atopic eczema and domestic water hardness. The Lancet 352 (9127): 527–531. PMID 9716057. doi:10.1016/S0140-6736(98)01402-0.
  15. Miyake Y, Yokoyama T, Yura A, Iki M, Shimizu T (Jan 2004). Ecological association of water hardness with prevalence of childhood atopic dermatitis in a Japanese urban area. Environ. Res. 94 (1): 33–7. Bibcode:2004ER.....94...33M. PMID 14643284. doi:10.1016/S0013-9351(03)00068-9.
  16. Arnedo-Pena A, Bellido-Blasco J, Puig-Barbera J, Artero-Civera A, Campos-Cruañes JB, Pac-Sa MR, Villamarín-Vázquez JL, Felis-Dauder C (2007). Domestic water hardness and prevalence of atopic eczema in Castellon (Spain) school children. Salud Pública de México 49 (4): 295–301. PMID 17710278. doi:10.1590/S0036-36342007000400009.
  17. Perkin MR, Craven J, Logan K, Strachan D, Marrs T, Radulovic S, Campbell LE, MacCallum SF, McLean WH, Lack G, Flohr C, ((Enquiring About Tolerance Study Team)) (2016). Association between domestic water hardness, chlorine, and atopic dermatitis risk in early life: A population-based cross-sectional study.. J Allergy Clin Immunol 138 (2): 509–516. PMID 27241890. doi:10.1016/j.jaci.2016.03.031.
  18. A multicentre randomized controlled trial of ion-exchange water softeners for the treatment of eczema in children: protocol for the Softened Water Eczema Trial (SWET) (ISRCTN: 71423189) http://www.swet-trial.co.uk/

Література

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.