Глава 7. Жесткость природных вод.

О составе природных вод. Природная вода содержит в качестве примесей различные неорганические и органические соединения, находящиеся в растворенном и коллоидном состоянии. Условно разделяют содержащиеся в природной воде вещества на пять групп:

1. Главнейшие ионы. Из числа катионов в природной воде в наибольшем количестве встречаются :Na⁺ Ca²⁺ , Mg²⁺ , K⁺; из анионов: HCO₃^– , SO₄^2– , Cl^–,. Другие катионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺ и анионы (HSiO₃^–, SO₃^2–, S₂O₃^2– встречаются значительно реже.

2. Микроэлементы. К ним относятся такие, содержание которых в воде составляет менее 10^-3  %. Микроэлементами, влияющими на качество воды, являются бром, йод, фтор, медь, кобальт, никель и некоторые другие.

3. Растворенные газы. В воде чаще всего растворены газы: СО₂, О₂, N₂, H₂S, CH₄ и другие.

4. Биогенные вещества. К ним относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав часто входят различные формы азота (аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора. кремния, железа.

5. Органические вещества. Органическое вещество природных вод представлено различного рода растительными и животными организмами, микроорганизмами и продуктами их взаимодействия с окружающей средой.

Минерализация природной воды, т.е. общее содержание в ней солей, может меняться в широких пределах в зависимости от источника. Содержание различных ионов в воде также зависит от источника. Минерализация речной воды составляет от 200 до 1000 мг/л. Минерализация озер колеблется в пределах 15–300 мг/л (меньше на севере, больше на юге). Морская вода обладает значительно большей концентрацией солей. Среднюю соленость вод океанов можно считать близкой 35 г/л.

Общая минерализация учитывается при техническом использовании воды, поскольку влияет на корродирующее действие воды по отношению к металлам, бетону и некоторым природным каменным материалам. Однако, оказалось, что гораздо большее значение имеет  жесткость воды.

Жесткость воды – совокупность свойств природных вод, обусловленная наличием в них растворенных солей кальция и магния.

Свойства жесткой воды:

1. Вода, содержащая значительные количества солей кальция и магния, непригодна для многих технических целей так как образует на стенках паровых котлов и других поверхностях накипь: плотную корку серого или черного цвета, состоящую в основном из СаСО₃, Мg(ОН)₂ с примесью ионов железа, меди и др. Наличие накипи резко снижает теплопередачу, что приводит к перерасходу топлива.

2. Ионы Са²⁺ и Mg²⁺ безопасны в санитарно-гигиеническом отношении, но их высокое содержание в воде приводит к увеличению времени приготовления пищи, ухудшению ее вкуса (чай, овощи), соли кальция и магния, выпадающие при кипячении жесткой воды, обуславливают сухость и раздражение кожи.

3. Жесткая вода не образует пены с мылом, т.к. содержащиеся в нем натриевые соли органических кислот переходят в нерастворимые кальциевые соли:

2RCOONa + Са²⁺ = Ca(RCOO)₂ + Na⁺

Источники жесткости.

Ионы Са²⁺ и Mg²⁺ появляются в природных водах в результате взаимодействия воды с известняком (СaCO₃), доломитoм (СaCO₃·MgCO₃) и гипсом (CaSO₄·2H₂O). Растворение известняка происходит при наличии в воде углекислого газа, при этом карбонат кальция переходит в гидрокарбонат:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

Преобладание ионов Са²⁺ над ионами Mg²⁺ обычно присуще мало и среднеминерализованным водам. Соотношение Са^2+/Mg²⁺ = 24. При увеличении минерализации до 500-1000 мг/л это соотношение равно 1, а в водах океанов ионы магния в значительной степени преобладают.

Единицы жесткости.

Жесткость воды – Ж(B) выражают количеством миллимолей эквивалентов (Z=2) ионов Са²⁺ и Mg²⁺, содержащихся в 1 л.

1 ммоль-экв соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг ионов Са²⁺ или 12,16 мг ионов Mg²⁺.

В зависимости от величины общей жесткости (Ж_о) - суммарного содержания ионов Са²⁺ и Mg²⁺ природные воды делятся на следующие группы:

– мягкие - до 2 ммоль-экв/л;

– средней жесткости - 2-10 ммоль-экв/л;

– жесткие - более 10 ммоль-экв/л.

Общая жесткость вод Черного моря составляет 65,5 ммоль-экв/л, вод мирового океана - 138,5 ммоль-экв/л (Са²⁺ = 22,5 и Mg²⁺ = 108 ммоль-экв/л, соответственно). В реке Обь в районе г.Новосибирска общая жесткость равна 3,8 ммоль-экв/л. Наиболее мягкая вода - дождевая, жесткость которой составляет от 0,07 до 0,1 ммоль-экв/л.

Жесткость воды ухудшает ее технические характеристики, поэтому ее необходимо устранять. Процесс устранения (снижения) жесткости воды называется умягчением воды.

По отношению к процессам умягчения воды различают  жесткость карбонатную и некарбонатную .

Карбонатная жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния: Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂.

Некарбонатная жесткость вызвана присутствием в воде других солей кальция и магния, например хлоридов и сульфатов.

Методы умягчения воды.