Twarda woda: Definicja, przyczyny, skutki i metody zmiękczania
- Szczegóły
Twarda woda to woda, która zawiera rozpuszczone jony soli wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺). Obecne są głównie w postaci wodorowęglanów, chlorków i siarczanów. Dodatkowo, twarda woda może zawierać niewielkie ilości jonów soli innych pierwiastków chemicznych, takich jak żelazo (Fe²⁺), bar (Ba²⁺), mangan (Mn²⁺) oraz stront (Sr²⁺).
Przyczyny twardości wody
Twardość wody spowodowana jest obecnością rozpuszczonych jonów soli wapnia (Ca²⁺) oraz soli magnezu (Mg²⁺), obecnych w wodzie głównie w postaci wodorowęglanów (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂), chlorków (CaCl₂, MgCl₂) oraz siarczanów (VI) (CaSO₄, MgSO₄).
Twarda woda, którą czerpiemy ze źródeł podziemnych, ma różną mineralizację, która zmienia się w zależności od geologicznego składu ziemi, przez którą przechodzą warstwy wodonośne.
Zrozumienie poniższych definicji pomoże ci zrozumieć, w jaki sposób jony dostają się do wody, tworząc w ten sposób twardą wodę:
- Dysocjacja: jest ogólnym procesem, w którym związki jonowe rozdzielają się na mniejsze jony, zwykle w sposób odwracalny.
- Rozpuszczanie: to proces, w którym kryształy jonowe rozpadają się na jony w wodzie.
- Hydratacja: to proces, w którym jony zostają otoczone cząsteczkami wody.
Rodzaje twardości wody
Na twardość całkowitą (ogólną) składa się twardość przemijająca i trwała. Przemijająca to ta, która w wyniku podgrzewania wody zmienia się na skutek wykrystalizowania nadmiaru minerałów.
Przeczytaj także: Wszystko o twardej wodzie
- Twardość całkowita (twardość ogólna): składa się z twardości przejściowej (twardości nietrwałej, przemijającej, węglanowej) i twardości trwałej (twardości pozostającej, niewęglanowej, siarczanowej).
- Twardość przejściowa (węglanowa): spowodowana obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu (Ca(HCO₃)₂ i Mg(HCO₃)₂), zanikającej podczas ogrzewania wody wskutek wytrącania się nierozpuszczalnych węglanów (CaCO₃, MgCO₃). Stanowi główną przyczynę odkładania się osadu na wewnętrznych ścianach urządzeń ogrzewających wodę.
- Twardość trwała (niewęglanowa): nie zanikająca podczas ogrzewania wody, spowodowana obecnością chlorków i siarczanów (VI) wapnia i magnezu (CaCl₂, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄).
Skala twardości wody
Twardość wody na obszarze Polski określana jest na podstawie zawartości węglanu wapnia (CaCO₃) w 1 dm³ wody (H₂O) [mg CaCO₃/dm³ H₂O]. Powszechnie używana jest również skala twardości wody oparta na stopniach niemieckich (°n, °d, °dH) odpowiadających zawartości jonów wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺) przeliczonej na zawartość tlenku wapnia (CaO) w wodzie.
Poniżej przedstawiono klasyfikację twardości wody w oparciu o zawartość węglanu wapnia:
| Stopień twardości wody | Zawartość CaCO₃ (mg/dm³) |
|---|---|
| Woda bardzo miękka | < 100 |
| Woda miękka | 100-200 |
| Woda średnio twarda | 200-350 |
| Woda twarda | 350-550 |
| Woda bardzo twarda | > 550 |
Poniżej przedstawiono klasyfikację twardości wody w oparciu o stopnie niemieckie:
| Stopień twardości wody | Stopnie niemieckie (°n) |
|---|---|
| Woda bardzo miękka | < 5,6 |
| Woda miękka | 5,6-11,2 |
| Woda średnio twarda | 11,2-19,6 |
| Woda twarda | 19,6-30,8 |
| Woda bardzo twarda | > 30,8 |
Dopuszczalna twardość wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi wyrażona zawartością węglanu wapnia (CaCO₃) w 1 dm³ wody wynosi 60-500 mg CaCO₃/dm³ H₂O; typowa twardość wody kranowej wyrażona za pomocą niemieckiej skali twardości wody wynosi ok. 10°n.
Skutki twardości wody
Sole wapnia i magnezu, odpowiedzialne za twardość wody, podczas jej ogrzewania wytrącają się w postaci trudno rozpuszczalnych osadów (powstawanie kamienia kotłowego złożonego głównie z węglanu magnezu, węglanu i siarczanu wapnia) oraz utrudniają działanie środków myjących i piorących (tworzenie się nierozpuszczalnych osadów mydeł wapniowych oraz magnezowych).
Przeczytaj także: Jak pozbyć się osadu z twardej wody?
- Kamień kotłowy: Osad ten, zwany kamieniem kotłowym, składa się głównie z trudno rozpuszczalnych węglanów i siarczanów, jak węglan magnezu (MgCO₃), węglan wapnia (CaCO₃) i siarczan (VI) wapnia (CaSO₄). Kamień kotłowy osadzający się na ścianach przewodów rurowych doprowadzających ciepłą wodę zmniejsza ich średnicę, co skutkuje spadkiem ich przepustowości. Warstwa twardego osadu odkładająca się na elementach grzejnych źle przewodzi ciepło, co wpływa na znaczne obniżenie sprawności urządzeń ogrzewających wodę oraz wzrost kosztów ich użytkowania; może również przyczynić się do ich zniszczenia wskutek miejscowego przegrzewania ścian wewnętrznych przyspieszającego procesy korozyjne, złuszczania się fragmentów kamienia kotłowego oraz uszkodzeń powstających w wyniku naprężeń cieplnych.
- Utrudnione czyszczenie: Twarda woda cechuje się wysokim napięciem powierzchniowym, które wzrasta wraz ze wzrostem stopnia twardości. Skutkiem tego zjawiska jest słabsza zwilżalność, czyli słabsza zdolność wody do utrzymywania kontaktu z daną powierzchnią stałą, co przekłada się na utrudnione czyszczenie zabrudzonych powierzchni.
- Mniejsze pienienie się mydła: Obecność jonów wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺) odpowiedzialnych za twardość wody, utrudnia pienienie się mydła i innych środków piorących.
- Wpływ na skórę i włosy: Twarda woda może wpływać na włosy, sprawiając, że stają się matowe, trudne do ułożenia i bardziej podatne na wybarwienia. Wysokie stężenie minerałów może zaburzać barierę lipidową skóry, co prowadzi do jej przesuszenia i uczucia dyskomfortu.
Zmiękczanie wody
Zmiękczanie wody jest procesem usuwania jonów wapniowych (Ca²⁺) i magnezowych (Mg²⁺) przeprowadzanym w celu zapobieżenia osadzania się kamienia kotłowego w urządzeniach ogrzewających wodę bądź wytrącania się osadów mydeł wapniowych i magnezowych, które znacznie osłabiają działanie mydeł i innych środków piorących.
Usuwanie twardości wody odbywa się z wykorzystaniem destylacji (odmineralizowanie wody), metody termicznej (ogrzewanie wody), metody chemicznej (dodawanie środków strącających) oraz metody fizykochemicznej (wykorzystanie wymieniaczy jonowych, czyli jonitów).
- Metoda termiczna: polega na podgrzaniu wody twardej do temperatury powyżej 37°C i wykorzystywana jest do usuwania twardości przemijającej, czyli węglanowej. Obecne w twardej wodzie jony wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺) oraz jony wodorowęglanowe (HCO₃¯) wytrącają się w postaci trudno rozpuszczalnego osadu węglanu wapnia i magnezu.
- Metoda chemiczna: zmiękczania wody, wykorzystywana głównie do usuwania twardości trwałej (siarczanowej), polega na dodawaniu do wody twardej chemicznych środków strącających (zmiękczaczy), głównie węglanu wapnia, czyli sody (Na₂CO₃) i wodorotlenku wapnia (Ca(OH)₂), a także fosforanu sodu (Na₃PO₄), polifosforanu sodu (Na₅P₃O₁₀) oraz boraksu, czyli tetraboranu sodu (Na₂B₄O₇). Działanie tych środków polega na usuwaniu jonów wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺) poprzez ich wytrącanie w postaci nierozpuszczalnych osadów bądź wiązanie tych jonów w związki kompleksowe.
- Metoda fizykochemiczna: zmiękczania wody polega na wykorzystaniu wymieniaczy jonowych, czyli jonitów - wielkocząsteczkowych substancji posiadających zdolność wymiany własnych jonów na jony wapnia (Ca²⁺) bądź jonu magnezu (Mg²⁺) odpowiedzialne za twardość wody.
Przeczytaj także: Jak rozpoznać twardą wodę?
tags: #twarda #woda #definicja
