woda twarda
Woda twarda – woda zawierająca rozpuszczone jony soli wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺), głównie wodorowęglanów, chlorków i siarczanów, oraz niewielkie ilości jonów soli innych pierwiastków chemicznych – żelaza (Fe²⁺), baru (Ba²⁺), manganu (²⁺) oraz strontu (Sr²⁺). 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).
Twardość 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). Woda twarda zawiera również niewielkie ilości jonów soli innych pierwiastków chemicznych, jak żelazo (II) (Fe²⁺), bar (Ba²⁺), mangan (Mn²⁺) oraz stront (Sr²⁺). Twardość całkowita (twardość ogólna) wody składa się z twardości przejściowej (twardości nietrwałej, przemijającej, węglanowej), spowodowanej obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu (Ca(HCO₃)₂ i Mg(HCO₃)₂,), zanikającej podczas ogrzewania wody wskutek wytrącania się nierozpuszczalnych węglanów (CaCO₃, MgCO₃) i twardości trwałej (twardości pozostającej, niewęglanowej, siarczanowej), nie zanikającej podczas ogrzewania wody, spowodowanej obecnością chlorków i siarczanów (VI) wapnia i magnezu (CaCl₂, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄).
Twardość wody na obszarze Polski określana jest na podstawie zawartości węglanu wapnia (CaCO₃) w 1 dm³ wody (H₂O) [mg CaCO₃/dm³ H₂O). Powyższa klasyfikacja uwzględnia pięć stopni twardości wody:
- wodę bardzo miękką (< 100 mg CaCO₃/dm³ H₂0),
- wodę miękką (100–200 mg CaCO₃/dm³ H₂O),
- wodę średnio twardą (200–350 mg CaCO₃/dm³ H₂O),
- wodę twardą (350–550 mg CaCO₃/dm³ H₂O),
- wodę bardzo twardą (˃ 550 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. 1 stopień niemiecki (1°n) w tej skali odpowiada 10 mg CaO w 1 dm³ wody oraz 17,86 mg CaCO₃/dm³ H₂O. Powyższa klasyfikacja uwzględnia pięć stopni twardości wody:
- wodę bardzo miękką (< 5,6°n),
- wodę miękką (5,6–11,2°n),
- wodę średnio twardą (11,2–19,6°n),
- wodę twardą (19,6–30,8°n),
- wodę bardzo twardą (˃ 30,8°n).
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
Twardość przejściowa wody spowodowana obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu (Ca(HCO₃)₂ i Mg(HCO₃)₂) stanowi główną przyczynę odkładania się stałego i bardzo twardego osadu na wewnętrznych ścianach urządzeń ogrzewających wodę (np. kotłach parowych, bojlerach, przewodach rurowych, chłodnicach, czajnikach) bądź na powierzchni elementów grzejnych (np. grzałkach elektrycznych). 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 tworzy się wskutek termicznego rozkładu wodorowęglanów, zachodzącego tym szybciej im wyższa jest temperatura ogrzewania wody:
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.
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. Obecność utwardzaczy, czyli jonów wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺) odpowiedzialnych za twardość wody, utrudnia pienienie się mydła i innych środków piorących. Mydło, np. stearynian sodu (C₁₇H₃₅COONa), pod wpływem tych jonów wytrąca się w postaci nierozpuszczalnego osadu mydła wapiennego bądź mydła magnezowego:
Tworzenie się osadów mydła wapiennego lub magnezowego w wodzie twardej skutkuje zwiększonym zużyciem mydła (około 150 g mydła na 100 dm³ wody kranowej o twardości 10°n), które pieni się i wykazuje swe działanie piorące dopiero po strąceniu się wszystkich utwardzaczy. Detergenty syntetyczne, których grupa zjonizowana grupa karboksylowa jest zablokowana poprzez związanie z innymi polarnymi (rozpuszczalnymi w wodzie) grupami funkcyjnymi, nie mogą reagować z jonami wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺), w związku z czym wykazują działanie piorące również w wodzie twardej.
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 zmiękczania wody 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:
Usuwanie twardości węglanowej można również przeprowadzić z wykorzystaniem roztworu o odczynie zasadowym, np. roztworu wodorotlenku sodu (NaOH), węglanu sodu (Na₂CO₃) bądź wodorotlenku wapnia, czyli wody wapiennej (Ca(OH)₂):
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:
Fosforan sodu (Na₃PO₄) jest skuteczniejszym środkiem zmiękczającym wodę niż węglan sodu (Na₂CO₃) gdyż powstający w wyniku reakcji zmiękczania osad fosforanu wapnia (Ca₃PO₄) jest znacznie trudniej rozpuszczalny w wodzie niż osad węglanu wapnia (CaCO₃). Osady związków wapnia i magnezu poddawane są następnie odfiltrowaniu bądź pozostawiane są w zbiorniku do osadzenia.
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. Wymiana jonowa odbywa się podczas przepuszczania wody twardej przez stanowiące jonit złoże syntetycznej żywicy organicznej (np. w formie sodowej) zgodnie ze schematyczną reakcją:
Jonity po pełnym wykorzystaniu swej pojemności jonowej poddawane są procesowi regeneracji, która polega przepłukiwaniu złoża jonitu roztworem zawierającym jony (Na⁺), które uległy wymianie na jony powodujące twardość wody (Ca²⁺, Mg²⁺), np. roztworem soli kuchennej, czyli chlorku sodu (NaCl) bądź roztworem wodorotlenku sodu (NaOH).
