Единицы измерения жёсткости

Единой международной единицы измерения жёсткости не существует. В отечественной нормативной документации в качестве единицы измерения жёсткости используют ммоль экв/л (число миллимоль эквивалента иона кальция или магния, содержащихся в 1 литре воды)*. Молярная масса кальция составляет 40,08 г/моль. Молярная масса моля эквивалента кальция вдвое меньше (20,04 г/моль), так как заряд иона кальция равен +2 (о понятии химического эквивалента см. далее в разделе «1.4.1. Титриметрический метод анализа»). Соответственно, масса одного миллимоля эквивалента кальция равна 20,04 мг. Аналогичный расчет можно провести для двухвалентного иона магния (M_Mg2+ = 24,32 г/моль). Таким образом, величина жёсткости 1 ммоль экв/л соответствует содержанию 20,04 мг/л иона Ca²⁺ или 12,16 мг/л иона Mg²⁺.

Если содержание ионов кальция и магния было найдено другими методами, общую жёсткость воды Ж_общ (ммоль экв/л) можно вычислить по формуле:

.

Различные страны используют свои условные единицы жёсткости. За рубежом в литературе и технической документации для характеристики содержания ионов кальция или магния используют так называемые «градусы жёсткости», пересчет которых в моль экв/л здесь мы не рассматриваем.

Жёсткость природной воды колеблется в широких пределах: она различна в разных водах, а в одном и том же водоисточнике её величина изменяется по временам года.

По величине общей жёсткости воду делят на 5 групп:

Наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07…0,10 ммоль экв/л). В качестве примера пресных вод с очень высокой жёсткостью приводят воды Донбасса, формирующиеся в окружении меловых и доломитных пород (18…20 ммоль экв/л). Еще выше жёсткость океанской воды — 130 ммоль экв/л. Жёсткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 ммоль экв/л.

Процесс, приводящий к снижению жёсткости, т.е. к уменьшению концентрации ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде, называется умягчением. Различают следующие методы умягчения:

— методы осаждения;

— методы ионного обмена.

Умягчение воды методами осаждения

Методы осаждения сводятся к переводу катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в малорастворимые соединения CaCO₃ и MgCO₃. Они делятся на термические и химические (реагентные).

Термический метод

При нагревании воды до 95-98 °С достаточно растворимые гидрокарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты, выпадающие в осадок. При этом выделяется углекислый газ:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O ;

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O*.

Влияние нагревания на происходящий процесс можно объяснить тем, что при повышении температуры растворимость углекислого газа в воде снижается и он удаляется из воды. Это приводит к смещению равновесия химической реакции вправо, в сторону образования карбоната и CO₂.

Этот метод частично умягчает воду, устраняет временную (гидрокарбонатную) жёсткость и, таким образом, снижает карбонатную жёсткость. Некарбонатная жёсткость при такой обработке не изменяется. Метод применим, когда нет необходимости в глубоком смягчении и лишь в тех случаях, когда вода должна подогреваться по условиям ее использования.

Реагентные методы

А) Известковый метод

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O;

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ = 2Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O.

Метод пригоден для снижения только карбонатной жёсткости. При этом в воду вносится сначала дополнительное количество кальция, но в результате в осадок выпадает и внесённый, и присутствующий в исходной воде кальций.

Б) Содовый метод

Используется для уменьшения некарбонатной жёсткости. Основан на введении в качестве осадителя хорошо растворимого карбоната. Обычно используют соду Na₂CO₃. Избыточные ионы CO₃^2– приводят к выпадению кальция, находящегося в составе солей сильных кислот:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl;

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + Na₂SO₄.

В) Содово-известковый метод

Может применяться для одновременного устранения карбонатной и некарбонатной жёсткости. При этом сода действует на компоненты некарбонатной жёсткости, а гидроксид кальция — на компоненты карбонатной жёсткости:

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2NaCl;

MgCO₃ + Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓.

Г) Фосфатный метод (использование антинакипинов)

Антинакипины — вещества, вводимые в воду с целью предотвращения образования накипи. На практике для умягчения применяют фосфат натрия Na₃PO₄. Фосфат-ион образует с кальцием и магнием малорастворимые соли, выпадающие в осадок, который легко удаляется из воды, а не образует плотного слоя накипи на стенках:

CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 2Na₂SO₄.

Этот метод применяется, когда надо производить глубокое умягчение воды после того, как бóльшая часть жёсткости устранена, поскольку фосфат натрия достаточно дорог.

Рассмотренные реагентные методы, основанные на процессах осаждения, все же не дают той степени умягчения, которая требуется в некоторых областях применения воды. Кроме того, их осуществление требует значительного расхода реагентов и использования громоздкого емкостного оборудования. В последние десятилетия широкое распространение получили методы ионного обмена.

Метод ионного обмена