Что такое жесткость воды

Данные нормы касаются показателей для расфасованной или бутилированной питьевой воды, согласно СанПиН 2.1.4.1116-02. Для напитков высшей категории показатели жесткости воды составляют Жобщ = 1,5–7°Ж, а также содержание ионов кальция — от 25 до 80 мг/л и магния — от 5 до 50 мг/л.

Какой жесткости должна быть питьевая вода

Вода представляет собой мощный природный растворитель, обладающий способностью впитывать разнообразные посторонние вещества. Не все из этих веществ полезны для человека. Если вода содержит чрезмерное количество нежелательных примесей, она становится жесткой. Это, в свою очередь, сказуется на качестве мыла и моющих средств, которые плохо работают в такой воде, из-за чего кожа может ощущаться стянутой после мытья. В результате вода с высокой жесткостью становится неприятной не только для питья, но и для приготовления пищи, а также для других бытовых нужд.

Что такое жесткость воды (определение)

• Временная (карбонатная) жесткость. При сильном нагревании воды могут образовываться белесые осадки из кальция, называемые накипью, как на дне, так и на стенках посуды. Соли кальция и магния временной жесткости также оседают на элементах систем теплообмена, что затрудняет их функционирование, и может вызывать поломки трубопроводов и гидротехнического оборудования.
• Постоянная (некарбонатная) жесткость. Эта категория включает соли, которые не разлагаются в процессе кипячения. Для их удаления часто требуют установки специальных фильтров, которые умягчают воду.
• Общая жесткость питьевой воды. Она определяется как Жобщ — общая концентрация ионов кальция и магния в воде.

Обычный анализ воды позволяет определить лишь общий уровень жесткости Жобщ. Больше информации о жесткости дает расширенное исследование, в ходе которого определяется содержание ионов кальция, магния и других элементов в пробе.

Что такое жесткость

Природная вода взаимодействует с породами земной коры, включая песчаные и каменные породы, горные минералы, а также соли, вымываемые из известняков, гипсов и доломитов. Она также насыщается дождевой и талой водой, которая вносит органические и неорганические соединения. Вода, находящаяся ближе к поверхности, может иметь разную жесткость по сравнению с той, которая находится на больших глубинах. Водоемы с большим количеством известняков имеют высокую жесткость. Однако даже прозрачная и без запаха вода может содержать опасные химические и биологические загрязняющие вещества. Поэтому перед потреблением вода всегда требует очистки и дезинфекции, чтобы привести к норме ее жесткость.

Жесткость воды в системе СИ измеряется в молях на кубический метр (моль/м³). В Российской Федерации жесткость обычно обозначается в градусах жесткости (1°Ж), что соответствует 1 мг-экв/л, или 1/2 миллимоля на литр. В одном градусе жесткости содержится 20,04 мг ионов кальция и 12,16 мг ионов магния. Чем выше значение, тем жестче считается вода. Например, в Германии 1°Ж соответствует 2,8 dH. Нормативные значения для ионов кальция составляют 20,04 мг/л, а для ионов магния — 12,16 мг/л. Эти данные используются в формуле для расчета жесткости воды.

Виды жесткости

По содержанию солей кальция и магния, вода подразделяется на три категории: жесткая, средняя и мягкая.

• мягкая: до 3°Ж;
• средняя: от 3 до 6°Ж;
• жесткая: более 6°Ж.

Мягкой обычно считается дистиллированная, кипяченая, дождливая и талая вода. Вода со средней жесткостью берется из централизованных водопроводов. Артезианские и родниковые воды имеют промежуточные показатели жесткости. Оба типа воды — как слишком мягкая, так и чрезмерно жесткая — могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Потребление мягкой воды, содержащей низкое количество солей, может привести к вымыванию важных минеральных веществ из организма. С другой стороны, высокая жесткость может вызвать различные заболевания, включая заболевания кожи и сердечно-сосудистой системы, а также проблемы с почками и печенью. Жесткая вода может иметь горьковатый металлический вкус и может быть мутной, а также иметь различные цветовые оттенки.

Существует три категории жесткости воды: общая жесткость, временная (карбонатная) и постоянная (некарбонатная).

• Карбонатная (временная) жесткость определяется как Жк, в которой рН > 8.3, создавая щелочной раствор с бикарбонатами. При нагревании такие растворы образуют осадки и накипь.
• Некарбонатная (постоянная) жесткость обозначается как Жнк. Хлориды, нитраты и сульфаты остаются в воде после кипячения, поэтому для их удаления необходимо применять более сложные способы очистки.
• Общая жесткость рассчитывается как сумма временной и постоянной жесткости: Жо = Жк + Жнк. Для общей жесткости устанавливают предельно допустимые концентрации.

Термины в анализах воды и показатели, отражённые в них:

Железо общее (мг/л или мг/дм³) – железо, присутствующее в воде, может находиться в двухвалентной или трёхвалентной форме и в различных соединениях. В результате анализа фиксируется общий уровень его содержания. Повышенное содержание железа может вызывать не только образование ржавого налёта на сантехнике, но и негативно воздействовать на органы пищеварения и головной мозг, а также провоцировать воспалительные процессы в организме. Согласно стандартам СанПИНа, предельно допустимое содержание железа в питьевой воде составляет 0,3 мг/л, и в странах Европейского Союза — 0,2 мг/л.

Жёсткость общая (показатели могут варьироваться, включая миллимоли на дециметр кубический и градусы жесткости различных стандартов – английский, французский и немецкий). Повышенная жесткость является основной причиной образования накипи на нагревательных элементах бытовых приборов, что может сократить их срок службы. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) не устанавливает конкретные значения жесткости воды с точки зрения ее влияния на здоровье, но жёсткая вода с высоким содержанием ионов кальция и магния может иметь горьковатый вкус и негативно влиять на эффективность моющих средств. Жёсткой считается вода с концентрацией ионов кальция или магния более 8 ммоль/л.

Рис. Жёсткая вода / Мягкая вода.

Запах – в том числе привкус воды оценивается по 6-балльной шкале, где 0 означает полное отсутствие запаха, а 5 — слишком резкий. Для питьевой воды предельно допустимое значение составляет 2 балла, что отражает слабый запах, который не привлекает внимания, но может стать заметным.

Мутность (прозрачность) измеряется чаще всего в нефелометрических единицах мутности (НЕФ) для малых значений и в единицах мутности по формазину (ЕМФ) для сильно мутной воды. При незначительной мутности иногда измеряется прозрачность, проведя тест на высоту столба воды, сквозь который виден объект на дне (обычно это специальная пластина, диск Секки или белая бумага с печатью специального шрифта — шрифт Снеллена). Прозрачной считается вода с высотой столба более 30 см, максимальная допустимая мутность составляет 2,6 ЕМФ. Более мутная вода обеспечивает более сильный рост и размножение бактерий в сравнении с прозрачной.

Рис. Это не таблица английского окулиста, а специальный шрифт Снеллена.

Цветность (градус платино-кобальтовой шкалы) – определяется путём сравнения исследуемой воды с эталонными образцами. Этот показатель особенно важен при анализе природных источников, так как он помогает выявить присутствие соединений трёхвалентного железа и гумусовых веществ (органических веществ из почвы). Предельно допустимая концентрация по цветности составляет 20 градусов.

Водородный показатель (pH) – является важным параметром, который влияет на степень коррозии и образования накипи в солнечных системах, а также изменяет уровень токсичности загрязняющих веществ. Кроме того, pH влияет на то, как положительно воспринимают воду кожа и слизистые ткани. Нормальными считаются значения pH в пределах 6-9 единиц.

Перманганатная окисляемость (мг/л или мг/дм³) – это сложный и важный показатель, показывающий содержание веществ, способных сдерживать железо от перехода из двухвалентного в трехвалентное состояние. Чем выше этот уровень, тем сложнее аэрационной колонне окислить железо и удалить его из воды. Предельно допустимая концентрация для перманганатной окисляемости составляет 5 мг/л.

Инструкция по забору воды:

• Перед забором необходимо слить воду в течение нескольких минут.
• Воду следует набирать в специально подготовленные пробирки или бутылки, предназначенные для столовой питьевой воды.
• Перед тем как набирать воду, тару споласкивают той же водой, что будет взята на анализ. После забора необходимо удалить из бутылки весь воздух.
• Желательно избегать попадания прямых солнечных лучей на пробирки и стремиться сохранить температуру воды, препятствуя ее сильному охлаждению.
• Воду необходимо доставить в лабораторию в течение двух-трех часов после забора.

Теперь, когда мы обладаем результатами анализа воды, выбор фильтра становится более понятным. Если основные показатели находятся в пределах нормы, можно ограничиться стандартным магистральным фильтром серии АКВАБРАЙТ АБФ-10 с установленным в нем веревочным или спеченным полипропиленовым картриджем. Если же наблюдаются небольшие отклонения от нормы, актуально приобрести трёхступенчатую систему АКВАБРАЙТ АБФ-ТРИА с наиболее подходящим для данной ситуации набором картриджей (например, СТАНДАРТ, УМЯГЧЕНИЕ, АНТИЖЕЛЕЗО). В случае значительных отклонений от нормы, стоит задуматься об использовании системы обратного осмоса АКВАБРАЙТ АБФ-ОСМО.

Влияние воды и растворенных в ней веществ на организм человека.

Вода играет жизненно важную роль в организме человека. Примерно 70-80% массы тела человека составляет вода. Мозг содержит около 85% воды, а в эмбрионах этот показатель достигает 95%. Наименьший процент воды наблюдается в костной ткани – около 30%. Вода выступает в качестве основного растворителя, обеспечивая транспортировку всех жизненно важных веществ, включая соли, кислород, ферменты и гормоны. Таким образом, многие вещества, вырабатываемые нашим организмом, растворимы в воде. Важно понимать, что чем больше нежелательных примесей содержится в воде, тем хуже она растворяет необходимые вещества. Например, водопроводная вода на 1/5 часть может состоять из посторонних примесей, оставляя лишь 4/5 чистой воды для использования.
Органические вещества в воде делятся на мелкие (меньше 100 килодальтон) и крупные (более 100 килодальтон). Наиболее опасными считаются крупные органические соединения, которые на 90% относятся к канцерогенам или мутагенам. Из-за этого, хлорорганические соединения, образующиеся при кипячении хлорированной воды, представляют собой особую опасность, так как они являются мощными канцерогенами, мутагенами и токсинами. Остальные 10% крупных органических соединений нередко имеют нейтральный эффект для организма. Полезные большие органические соединения практически отсутствуют, всего их 2-3, это ферменты, необходимые в очень малых дозах. Воздействие таких органических соединений начинается сразу после употребления, и в зависимости от дозы, может проявляться через 18-20 дней или, при большем поступлении, через 8-12 месяцев.
Ионы тяжелых металлов, попадая в наш организм через воду, могут присутствовать там на постоянной основе. Удалить их можно лишь с помощью определённых компонентов, таких как белки молока и грибы. При достижении определенной концентрации в организме, тяжелые металлы начинают негативно воздействовать, вызывая отравления и мутации. Они не только отравляют, но и способствуют механическому засорению организма: ионы тяжелых металлов оседают на стенках тонких систем организма и затрудняют работу почек и печени, а это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, что, в свою очередь, ведет к самоотравлению организма. Печень отвечает за переработку ядовитых веществ, тогда как почки отвечают за их выведение. К тяжелым металлам относят свинец (Pb), алюминий (Al), марганец (Mn), кремний (Si), железо (Fe), селен (Se), цинк (Zn), ртуть (Hg), кадмий (Cd).

Марганец, попадая в организм, блокирует канальцы нервных клеток, что снижает проводимость нервного импульса, проявляясь в повышенной утомляемости, сонливости, замедленной реакции, неполной работоспособности и головокружениях, а также может приводить к подавленным настроениям. Условия отравления марганцем особенно опасны для детей и эмбрионов, так как это может привести к тяжелым последствиям, вплоть до умственной отсталости. Статистические данные показывают, что из 100 детей, матери которых во время беременности подверглись отравлению марганцем, 96-98 рождаются с нарушениями. Также существует мнение, что токсикозы на ранних и поздних сроках беременности могут быть вызваны марганцем. В водопроводной воде часто наблюдается избыток марганца, и он также может находиться в воздухе из-за выбросов промышленных предприятий. В природе марганец накапливается в грибах и растениях, что способствует его попаданию в пищу. Исключить марганец из организма сложно, а симптомы его отравления не специфичны и могут совпадать с проявлениями других заболеваний, поэтому люди часто не обращают на них внимания.

Жесткость воды.

Жесткость воды определяется концентрацией ионов щелочноземельных металлов, таких как хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты и др. В зависимости от жесткости, вода может быть:

• мягкой (до 7 °dH),
• средней жесткости (до 14 °dH),
• жесткой (до 21 °dH) и очень жесткой (> 21 °dH).

Чем выше степень жесткости, тем большим количеством ионов характеризуется вода. На сегодня обозначение °dH (градус немецкой жесткости) практически не используется и заменяется на миллимоль на литр (ммоль/л).

Для выражения жесткости воды в числовом формате указывается концентрация катионов кальция и магния. Рекомендуемая единица системы СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м³), однако, в практической деятельности для измерений чаще используется миллимоль на литр (ммоль/л). Для России преобладает норма концентрации ионов кальция и магния, выраженная в миллиграммах эквивалентов на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре 20,04 миллиграмма Ca²⁺ или 12,16 миллиграмма Mg²⁺, что вычисляется как атомная масса, делённая на валентность. Числовые значения жесткости, обозначенные в мoles на кубический метр, совпадают с показателями жесткости, обозначенными в миллиграммах эквивалентов на литр (или кубический дециметр), т.е. 1 моль/м³=1 ммоль/л=1 мг-экв/л=1 мг-экв/дм³. В некоторых случаях конценрация может быть указана по единице массы, а не объема, особенно когда изменяется температура воды или вода может содержать пар, что приводит к изменениям плотности. В разных странах до сих пор используются различные внесистемные единицы — градусы жесткости.

В Советском Союзе до 1952 года применялись градусы жесткости, соответствующие немецким стандартам.

Воздействие жесткости на организм

Исследования показывают наличие причинно-следственных связей между жесткостью воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями. В некоторых случаях установлено достоверное, хотя и не слишком сильное, обратное коррелирующее влияние между жесткостью воды и частотой инфарктов миокарда. Однако, в других исследованиях такой зависимости выявлено не было. Это позволяет предположить, что виновниками могут быть не сами соли жесткости, а другие микроэлементы, коррелирующие с жесткостью. Что касается других негативных влияний жесткой воды, то статистические исследования подтверждают влияние на вероятность возникновения мочекаменной болезни. Однако, в данном случае речь не идет о прямой зависимости между жесткостями воды и данными заболеваниями – другие факторы тоже играют роль, как состояние минерального обмена конкретного человека, потребляющего жесткую воду. Высокие концентрации солей кальция и магния считаются факторами риска для появления мочекаменной болезни.

Жесткость воды также негативно сказывается на сантехнике и приборах, контактирующих с жесткой водой:

• на водопроводных трубах и радиаторах отопления образуется известняковый налет, что уменьшает их поперечный просвет и ухудшает теплообмен.
• на нагревательных элементах бытовых приборов (стиральные и посудомоечные машины, электрочайники и др.) также образуется известковый налет.
• жесткая вода не подходит для использования в пищевом и химическом производстве.
• стирка с жесткой водой усложняет процесс отбеливания, и затрудняет качественную стирку, что приводит к утрате цветом ткани: белое белье приобретает сероватый оттенок, а цветные ткани тускнеют.

Жесткая вода, вызывая образование отложений, негативно влияет на котельное оборудование. В России существуют строгие требования к качеству воды по жёсткости для котлов ТЭЦ, электростанций и промышленных водонагревателей. Поэтому умягчение воды становится обязательным процессом.

Способы умягчения воды

Умягчение воды может осуществляться с помощью следующих основных методов:

1. реагентный;
2. катионитовый;
3. термический.

Комбинирование этих методов может быть целесообразным: например, часть солей жесткости можно удалить воздействием реагентов, а остаток — с помощью катионирования. Также можно использовать комбинированные методы, например, реагентные воздействия в сочетании с термическим способом умягчения.

Из реагентных методов умягчения наибольшее распространение получил известково-содовый способ. Его суть заключается в трансформации растворенных в воде солей кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺) в малорастворимые соли, такие как CaCO₃ и Mg(OH)₂, которые выпадают в осадок.

Катионитовый метод подразумевает фильтрацию жесткой воды через мелкозернистые наполнители, такие как сульфоуголь и искусственные смолы. Эти материалы способствуют обмену катионов натрия (Na⁺) или водорода (H⁺) на катионы кальция (Ca²⁺) или магния (Mg²⁺) из ресурсов жесткости. Процессумягчения может быть выполнен с помощью Na-катионирования или H-катионирования.

Когда катионитовый фильтр исчерпывает свои обменные способности, его необходимо регенерировать. Для Na-катионитовых фильтров регенерация осуществляется с помощью солевого раствора (NaCl), а для H-катионитовых применяются растворы серной (H₂SO₄) или соляной (HCl) кислоты.

Вода, проходя через Na-катионитовые фильтры, зачастую имеет повышенную щелочность (pH > 7), а после H-катионитовых — повышенную кислотность (pH < 7). В случае повышенной щелочности необходимо дополнительно подкислить воду, а в случае повышенной кислотности — применить нейтрализующие средства.

Термический метод умягчения целесообразен, когда вода предназначается для паровых котлов, испарителей и теплогенераторов. В этом способе вода нагревается до температуры 105–120°С, что позволяет полностью устранить карбонатную жесткость.

В настоящее время для бытового умягчения воды наибольшее распространение получили системы катионитового типа. Благодаря своей компактности, большому ресурсу и простоте перезагрузки смольных наполнителей, такие системы идеально подходят для использования как в квартирах, так и в загородных домах.