Жесткость воды. Вода подземных источников проделала большой путь, просачиваясь сквозь толщу различных пород

Вода подземных источников проделала большой путь, просачиваясь сквозь толщу различных пород. Она растворила по пути все, что смогла, а смогла она многое, недаром она — лучший в мире растворитель. Почти наверняка ей попались залежи гипса — CaSO₄×2H₂O, доломита — CaMg(CO₃)₂, или известняка — CaCO₃, который вообще-то плохо растворяется в воде, но в присутствии углекислого газа (СО₂) вступает в химическую реакцию и образует бикарбонат кальция — Са(НCO₃)₂. Это соединение довольно неустойчиво, и если подземной воде случится протекать через пещеру, которую она сама же и «выкопала», оно снова разлагается на воду, углекислый газ и карбонат кальция CaCO₃, выпадающий в осадок. Из капель, просочившихся с потолка пещер, как сосульки растут вниз сталактиты. Из капель, падающих на пол, поднимаются сталагмиты, иногда они срастаются друг с другом в единые причудливые колонны. Самые красивые и доступные пещеры уже давно привлекают к себе массу туристов. Например, Новоафонская пещера на Кавказе или Кунгурская пещера на Урале. Но то, чем стоит полюбоваться в отпуске, нас совсем не привлекает в собственных чайниках или того хуже бойлерах, стиральных машинах и прочих нагревательных приборах. В поверхностные водоемы большие количества кальция попадают со сточными водами силикатной, металлургической, стекольной, химической промышленности и со стоками сельскохозяйственных угодий, особенно при использовании кальцийсодержащих минеральных удобрений.

Наличие в воде растворенных солей кальция и магния придает ей свойство, называемое жесткостью воды. А как мы уже говорили, растворенные соли распадаются на ионы. Суммарная концентрация катионов кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺) определяет общую жесткость воды. Справедливости ради следует сказать, что все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Но на практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий и трехвалентное железо (Fe³⁺) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва²⁺). Таким образом, под жесткостью мы подразумеваем ионы кальция и магния.

Общая жесткость подразделяется на карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную). Причем карбонатная жесткость составляет до 70–80%от общей жесткости. Обычно преобладает жесткость, обусловленная ионами кальция (до 70%); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать50–60%.

Карбонатная (временная) жесткость. Образуется при растворении в воде именно бикарбонатов кальция и магния — Са(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂.При нагреве такой воды неустойчивые бикарбонаты снова переходят в нерастворимую форму — карбонаты CaCO₃↓ и MgCO₃↓, образуется накипь (котельный камень). Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью.

Некарбонатная (постоянная) жесткость. Если вода растворила по пути другие минералы, содержащие кальций и магний, но не в виде карбонатов, а в виде хлоридов или сульфатов CaCl₂, CaSO₄, MgCl₂, MgSO_4, то накипи не образуется, но проявляются все другие «прелести» жесткой воды. Источником этих ионов могут служить также сточные воды различных предприятий.

При взаимодействии солей жесткости со стиральными порошками, мылом, шампунями происходит образование так называемых «мыльных шлаков». Во-первых, в этом случае моющих средств расходуется гораздо больше, во-вторых — после высыхания «мыльные шлаки» остаются в виде налета на сантехнике, белье, на волосах, на нашей коже. Они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа. Поэтому кожа «скрипит» и приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы. Это очень выгодно многочисленным косметическим компаниям. Придуманы различные маркетинговые ходы, не подвергается сомнению, что без всего этого просто не обойтись. В рекламах моющих средств часто обращают наше внимание на их водородный показатель, но не это является решением проблемы. Для сохранения естественной защиты кожи нужно мыться мягкой водой. Вызывающее у некоторых раздражение чувство «мылкости» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. Однако следует помнить, что очень мягкая вода может просто-таки «растворять» железные водопроводные трубы, поэтому если после умягчителя вода не сразу попадает в кран, то дальше следовать она должна по пластиковым трубам.

Высокий уровень жесткости характерен для скважинной воды. Высокая жесткость придает воде горьковатый вкус и оказывает отрицательное воздействие на органы пищеварения. Поверхностные воды, как правило, менее жесткие и уровень жесткости в них заметно колеблется. В конце зимы он максимален, а в период половодья, когда в реку попадает много мягкой талой воды — минимален. Поэтому когда покупатель жалуется на плохое качество картриджа, снижающего жесткость, стоит задуматься о вероятном изменении жесткости воды. Вообще качество воды в реках подвержено сильным изменениям, как в любом поверхностном водоеме, использование фильтра для воды, становится просто необходимо. Разная вода — разный ресурс картриджа, разная эффективность фильтрации. Заявленный ресурс обычно определяется по «средней» и довольно чистой воде.

Содержание в воде катионов кальция и магния, можно определить с помощью лабораторного химического анализа. Этот показатель в России выражают в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). В других странах (например, в Германии или Америке) жесткость выражается в градусах:

1 мг-экв/л = 2,804 d^o (немецкий градус) = 50,05 ppm (американский градус)

Один немецкий градус соответствует 17.86 мг/л СаСО₃ в воде.

Один американский градус соответствует 1 мг/л СаСО₃ в воде.

0-1,5мг-экв/л — очень мягкая вода

1,5-3мг-экв/л — мягкая

3-6мг-экв/л — умеренно жесткая

6-9мг-экв/л — жесткая

> 12 мг-экв/л — очень жесткая

Жесткость воды морей и океанов может достигать десятков и сотен мг-экв/л.

Когда вода умеренно жесткая, многие люди просто не обеспокоены этим. Но как только они начинают пользоваться мягкой водой, они сразу замечают разницу. По требованию Санитарных Правил и Норм (СанПиН) содержание солей жесткости в водопроводной воде не должно превышать 7 мг-экв/л.

Жесткость воды может быть уменьшена с помощью обработки гашеной известью Са(OH)₂ и кальцинированной содой Na₂CO₃. Известь осаждает карбонаты, сода осаждает другие соли кальция и магния. Затем образовавшиеся осадки удаляются фильтрацией. Этот способ довольно эффективен, но совершенно не подходит для использования в домашних условиях. Он применяется на городских водозаборах в тех случаях, когда жесткость превышает допустимые нормы. Требует довольно громоздкого оборудования и больших финансовых затрат.

Смягчение воды в домашних условиях производится исключительно с помощью ионообменного оборудования.Это могут быть автоматические устройства, типа «ECOWATER» или «WATERBOSS», которые устанавливаются на входе водопровода в квартиру или коттедж и могут длительно работать, умягчая всю воду, поступающую в дом. Это могут быть картриджи, устанавливающиеся в колбы многоступенчатых систем. Внутри находится специальная синтетическая ионообменная смола. Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов, но особенное распространение получили с конца 80-х. Это такие шарики, изготовленные из специальных полимерных материалов, только для простоты называемые смолой, поверхность которых как бы «заряжена» какими-либо ионами (в бытовой водоочистке это чаще всего ионы натрия или водорода). Когда вода течет мимо этих шариков двухзарядные Ca²⁺ и Mg²⁺ легко замещают однозарядный Na⁺ либо водород H⁺ — это и есть ионный обмен.

Ионный обмен — это обмен ионов между смолой и водой. Ионы кальция и магния, являющиеся причиной жесткости, связываются смолой, ионы натрия или водорода попадают в воду. После того, как заняты все возможные «посадочные места» устройство или картридж уже не может больше смягчать воду. Его необходимо восстановить (регенерировать). Процесс регенерации — обратное замещение ионов жесткости, связанных в смоле, на ионы натрия или водорода. Если смола изначально была «заряжена» натрием — регенерация проводится в крепком растворе поваренной соли — NaCl. Почему процесс идет в обратную сторону? Все дело в концентрации. Ионов натрия в насыщенном растворе соли настолько много, что они просто вытесняют ионы кальция и магния. Если смола была «заряжена» водородом, регенерировать ее нужно в растворе какой-либо кислоты — соляной, серной, уксусной, лимонной и т.д.

При использовании смолы, «заряженной» ионами водорода, эти ионы водорода попадают в воду, заменяя в ней ионы кальция и магния. Но в воде, как мы уже говорили, содержатся и свои ионы водорода. Следовательно, их концентрация становится больше, изменяется значение рН — вода немного подкисляется. Теперь нужно вспомнить, чем легче всего убрать накипь со спирали чайника. Чаще всего мы пользуемся либо уксусом, либо лимонкой. То есть нерастворимый в обычной воде осадок растворяется в подкисленной воде. Более того, если в подкисленной воде содержится немного карбонатной жесткости, то даже при кипячении она не выпадает в осадок. Такой эффект используется, в частности, в фильтрах «BRITA».

Различают катионообменные смолы, производящие обмен катионов, все вышеизложенное относится именно к ним, и анионообменные, с помощью которых можно извлекать из воды анионы, такие как хлорид-ионы, сульфат-ионы, нитрат-ионы и др.

Очень важно понимать, что любая ионообменная смола имеет свою емкость, то есть количество единиц жесткости, которое может извлечь из воды 1 литр смолы. Емкость смолы от разных производителей может отличаться друг от друга и составляет от 1000 до 2500 мг-экв на 1 литр смолы. Как правило, в картриджных ионообменных фильтрах используются смолы с емкостью 1800 мг-экв/л. Ресурс картриджа зависит от жесткости исходной воды.

Пример расчета ресурса картриджа:

Определяем приблизительно объем смолы в картридже. В стандартный10-дюймовыйкартридж входит около 0,8 литра ионообменной смолы. Высчитаем его общую емкость — емкость смолы умножаем на объем:

1800 мг-экв/л × 0,8 л = 1440 мг-экв

Затем делим получившуюся величину на жесткость очищаемой воды. Если она составляет 3,5 мг-экв/л, то ресурс этого картриджа будет:

1440 мг-экв / 3,5 мг-экв/л = 411,4 литров воды

Если же в очищаемой воде жесткость составляет 7 мг-экв/л, то ресурс этого картриджа будет меньше:

1440 мг-экв / 7 мг-экв/л = 205,7 литров воды

По истечении ресурса картридж перестает умягчать воду и его необходимо заменить. Однако, если картридж чисто катионообменный, а не комбинированный (с углем, механической очисткой и т.п.), то его работоспособность можно восстановить (регенерировать) в домашних условиях. Сутью процесса регенерации является обратный обмен ионов: Са и Mg, собранные из воды смолой, снова обмениваются на Na в крепком растворе поваренной соли (NaCl). Картридж, таким образом, восстанавливает свои свойства.

Регенерацию можно произвести следующим способом:

1. Приготовить насыщенный раствор пищевой поваренной соли (3 кг соли на 10 литров холодной воды).
2. Несколько раз(5-6)погрузить и вытащить из раствора картридж, каждый раз сливая раствор из картриджа обратно в ведро.
3. После этого замочить картридж в растворе приблизительно на 2 часа.
4. Повторить вторую процедуру.
5. Тщательно промыть картридж проточной водопроводной водой.
6. Картридж готов к повторному использованию.

При правильном использовании ионообменный картридж может служить до 3—4 лет.Однако всегда существует опасность биологического обрастания картриджа. Один раз в год его необходимо обеззараживать, например, замачивая на 1 час, в 0,3—0,5%растворе гипохлорита натрия (0,2—0,4 лсвежего отбеливателя «Белизна» на 10 л воды). Перед замачиванием картриджа его необходимо 3 раза погрузить и вытащить из раствора. После замачивания очень тщательно отмыть картридж проточной водопроводной водой.

Рекомендовать проведение процедуры обеззараживания картриджа в домашних условиях можно только грамотным покупателям и только под их ответственность!!!

В засыпных ионообменных устройствах с автоматическим включением цикла регенерации используются смолы с емкостью 1200 мг-экв/л. Срок службы этих смол может достигать6-8 лет.Одновременно с регенерацией производится промывка смолы и загрязнения сливаются в дренаж.