Twardość wody i sposoby jej usuwania


Twardość wody powodowana jest głównie przez jony wapnia Ca2+ i magnezu Mg2+. W mniejszym stopniu uczestniczą w tym również inne substancje.

Sole wapnia i magnezu są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Skały wapienne zawierają węglan wapnia CaCO3, np. kalcyt posiadający strukturę krystaliczną heksagonalną, lub aragonit o strukturze rombowej, natomiast skały osadowe, np. magnezyt, obfitują w węglan magnezu MgCO3. Krasowienie tych skał, przebiegające pod wpływem wody i tlenku węgla (IV), powoduje niszczenie skał i ich rozpuszczanie w środowisku wodnym w formie wodorowęglanów wapnia i magnezu, Ca(HCO3)2 i Mg(HCO3)2.

Szczególnie bogate w tlenek węgla (IV) są wody podziemne i to one głównie odpowiadają za krasowienie skał. Proces jest jednak odwracalny. Zmniejszenie stężenia CO2 w wodach powoduje wytrącanie osadów węglanów. Dzieje się tak po wydostaniu się wód podziemnych na powierzchnię. Na granicy powstają osady, które mogą pokrywać grubą warstwą całe ściany jaskiń, także w postaci stalaktytów i stalagmitów.

Rodzaje twardości wody

Twardość wody określana jest w różny sposób, jednak rozróżnia się jej dwa główne rodzaje: Twardość wody węglanową i niewęglanową. Pierwsza z nich określana jest również jako twardość przemijająca. Suma wcześniej wymienionych twardości określana jest jako twardość wody ogólna.

Twardość wody węglanowa – przemijająca

Twardość wody węglanowa określana jest jako sumaryczna liczba jonów wapnia i magnezu występujących w wodzie w postaci wodorowęglanowej, czyli soli kwasu węglowego: Ca(HCO3)2 i Mg(HCO3)2.

Twardość wody niewęglanowa

Twardość wody niewęglanowa to liczba jonów wapnia i magnezu występujących w wodzie w postaci innych soli niż wodorowęglany. Wymienić tu można zarówno siarczany, chlorki, jak i azotany, lecz nie tylko.

Twardość niewęglanowa nie może być usunięta poprzez gotowanie wody. Jest to twardość nieprzemijająca – twardość trwała, do usunięcia której potrzebny jest dodatek chemicznych zmiękczaczy wody tj. węglan sodu.

Skale twardości wody

Twardość wody określa się na różne sposoby. Dość często używaną skalą jest skala wykorzystująca stopnie niemieckie oznaczane symbolem °n. 1°n oznacza całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu, mieszczącą się w 1 dm3 wody, równoważną 10,00 mg tlenku wapnia CaO.

1°n = 10,00 mg CaO / dm3 H2O

W Polsce wykorzystywana jest inna metoda określania twardości wody. Zawartość jonów wapnia i magnezu przeliczana jest na masę węglanu wapnia rozpuszczonego w 1 litrze, czyli 1 dm3 wody.

Sposoby usuwania twardości wody – zmiękczanie wody

W zależności od sposobu związania jonów wywołujących twardość wody, jej zmiękczanie można prowadzić na kilka sposobów.

Metoda termiczna zmiękczania wody

Twardość wody węglanowa określana jest również mianem: twardość przemijająca. Działanie wodnych roztworów tlenku węgla (IV), wywołujące krasowienie skał węglanowych, jest reakcją odwracalną. Wodorowęglany wapnia i magnezu strącają się po podgrzaniu wody w postaci trudno rozpuszczalnych osadów węglanów wapnia i magnezu. W tej reakcji strąceniowej wydziela się również kwas węglowy, rozpadający się do wody i tlenku węgla (IV). Obniżenie stężenia tlenku węgla (IV) przesuwa równowagę reakcji chemicznej w stronę węglanów, przez co ponowne ich przejście w wodorowęglany i rozpuszczenie się nie jest możliwe.

Ca^{2+} + 2 HCO_{3}^{-} \xrightarrow {temp.} CaCO_{3} \downarrow + H_{2}O + CO_{2} \uparrow
Mg^{2+} + 2 HCO_{3}^{-} \xrightarrow {temp.} MgCO_{3} \downarrow + H_{2}O + CO_{2} \uparrow

Zmiękczanie polega na ogrzaniu wody do temperatury 60 – 80 °C, w której to dochodzi do rozkładu wodorowęglanów i szybkiego usuwania z środowiska tlenku węgla (IV). Powstałe węglany mogą być usunięte poprzez filtrację lub wykorzystanie sedymentacji, a dokładniej odstojników.

Metoda chemiczna zmiękczania wody

Zmiękczanie wody metodą chemiczną polega na wykorzystaniu do tego celu substancji zmiękczających, czyli usuwających z środowiska przede wszystkim jony wapnia i magnezu. Do tego celu wykorzystuje się głównie wodorotlenek wapnia Ca(OH)2 oraz węglan sodu Na2CO3 (soda). Dobre rezultaty przedstawia również fosforan (V) sodu Na3PO4. Również w tym przypadku wydzielają się nierozpuszczalne osady węglanów wapnia i magnezu, które można oddzielić od zmiękczonej wody.

Ca(HCO3)2

+

Ca(OH)2

2CaCO3

+

2 H2O

Mg(HCO3)2

+

Ca(OH)2

MgCO3

+

CaCO3 ↓ + 2 H2O

MgCO3

+

Ca(OH)2

CaCO3

+

Mg(OH)2

CaSO4

+

Na2CO3

CaCO3

+

Na2SO4

3 Ca(HCO3)2

+

2 Na3PO4

CaCO3

+

6 NaHCO3

Zmiękczanie wody wykorzystywanej w aparaturze przemysłowej bardzo często jest wręcz konieczne, ponieważ twarda woda wyrządza ogromne szkody wewnątrz instalacji. Szczególny problem występuje w przypadku wszelkiego rodzaju kotłów, w których woda jest ogrzewana. Osadzający się na ściankach kamień kotłowy zmniejsza wydajność ogrzewania, a zatem zwiększa koszty, może również utrudniać w sposób mechaniczny pracę instalacji, tworząc zatory z oderwanych fragmentów kamienia kotłowego.

Na tym poziomie stosuje się zazwyczaj równoczesne wykorzystanie dwóch substancji zmiękczających, wapna i sody – metoda wapniowo-sodowa zmiękczania wody, co umożliwia niemal całkowite usunięcie twardości wody. Usuwanie osadów odbywa się podobnie jak w poprzednim wypadku, z pomocą filtrów lub odstojników.

Metoda wymieniaczy jonowych zmiękczania wody

Zmiękczanie wody nie musi być prowadzone z użyciem reakcji strąceniowych. Równie dobrze sprawdza się wymiana jonów powodujących twardość wody, czyli jonów wapnia Ca2+ i magnezu Mg2+, na inne.

Wymieniacze jonowe (wymienniki jonowe), tzw. jonity, zbudowane są z syntetycznych żywic organicznych, zawierają grupy łatwo oddające określone jony do środowiska wodnego. Kationity oddają kationy, np. kationy sodu Na+, natomiast anionity oddają aniony.

W przypadku zmiękczania wody ważne jest usuwanie kationów wapnia i magnezu, które zastępowane są głównie kationami sodu. Do tego celu wykorzystywane są kationity sodowe (RNa).

2 RNa

+

Ca2+

R2Ca

+

2 Na+

2 RNa

+

Mg2+

R2Mg

+

2 Na+

Metoda kompleksowa zmiękczania wody

W przypadku urządzeń gospodarstwa domowego, np. pralek, zmiękczanie wody jest niemal równie istotne jak w przypadku urządzeń przemysłowych. Jednak strącanie osadów stanowiłoby raczej problem, ponieważ trudno byłoby je usuwać z użrzdzenia, lub mogłyby osadzać się na tkaninach. Sprawę rozwiązują polifosforany sodu, choćby Na5P3O10, wykorzystywany do produkcji proszków do prania. Jony polifosforanowe tworzą z jonami apnia Ca2+ i magnezu Mg2+ związki kompleksowe. Te są jednak nadal rozpuszczalne i nie wytrącają się na tkaninach w czasie prania, czyli po dodaniu detergentów.