Twardość wody – co należy o niej wiedzieć?

Dlaczego woda jest twarda?

Twardość wody jest określana przez zawartą w niej liczbę miligramów jonów Ca²⁺ i Mg²⁺. Ta część twardości, która równa się zasadowości ogólnej (inny wskaźnik jakości wody), jest określana jako twardość węglanowa, nazywana inaczej przemijającą. Ilościowa nadwyżka w stosunku do zasadowości ogólnej, to inaczej twardość niewęglanowa (stała). Łączna wartość twardości węglanowej i niewęglanowej stanowi twardość całkowitą (ogólną). Im wyższa jest zawartość jonów wapnia i magnezu w wodzie, tym większą twardością się ona charakteryzuje. Ponadto pośrednio na wartość tego wskaźnika wpływ mają jony żelaza i manganu. Woda staje się twarda, ponieważ w trakcie swojego obiegu ma kontakt z wieloma czynnikami, np. skałami czy glebą, z których trafiają do wody jony pierwiastków, w różnych stężeniach. Naturalnie występujące wody zwykle zawierają do 10 mg Mg/l. Rzadko zawartość jonów magnezu przekracza 100 mg na litr. W naturalnych źródłach wody zwykle przeważa twardość spowodowana dużą zawartością jonów wapnia, czyli twardość wapniowa.

W laboratoriach analitycznych i kontroli jakości twardość ogólna wyznaczana jest z wykorzystaniem kompleksometrycznej metody wersenianowej. Do oznaczania twardości węglanowej (odpowiadającej zasadowości ogólnej) stosuje się nadal metodę alkacymetryczną z wizualnym (ewentualnie potencjometrycznym) sposobem wyznaczenia punktu końcowego miareczkowania. Zasada metody wersenianowej polega na oznaczeniu łącznej zawartości jonów wapnia i magnezu. Analizowaną próbkę miareczkuje się roztworem wersenianu disodowego (jest to sól sodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego), przy pH od 9 do 10, wobec czerni eriochromowej T, jako wskaźnika. W punkcie końcowym miareczkowania następuje zmiana barwy z czerwonej na niebieską. Titrant wykorzystywany w tym oznaczeniu określa się literowym skrótem EDTA. Wersenian disodowy w roztworach wodnych ulega dysocjacji elektrolitycznej, a powstały jon diwodorowersenianowy tworzy kompleks z oznaczanymi jonami. Przybliżoną twardość wody można także sprawdzić na własną rękę (poza zleceniem analizy wody). W tym celu należy nabyć odpowiednie testy paskowe lub kropelkowe. W przypadku ich stosowania, bezwzględnie należy przestrzegać zaleceń dołączonych do wyżej wymienionych testów.

Skutki dużej twardości wody:

• Pogorszenie właściwości fizykochemicznych wody.
• Niszczenie urządzeń RTV i AGD, korzystających z wody o dużej twardości. Wytrącający się osad, nie zawsze jest możliwy do całkowitego usunięcia z urządzenia. Z czasem powoduje on uszkodzenia i niszczenie sprzętu.
• Występowanie kamienia kotłowego. Objawia się w formie białego osadu węglanu wapnia i węglanu magnezu. Wytrąca się w procesie termicznej obróbki wody, zatem najczęściej spotykany jest np. w czajnikach. Powstanie kamienia kotłowego powoduje znaczne straty energii.
• Zwiększenie napięcia powierzchniowego wody, które jest przyczyną np. zmniejszenia właściwości zwilżających. W konsekwencji konieczne jest stosowanie znacznie większej ilości detergentów np. dedykowanych do prania tkanin.
• Niszczenie instalacji grzewczych. Szczególnie narażone są kotły grzewcze, mające bezpośredni kontakt z twardą wodą. Gromadzący się nierozpuszczalny osad, powoduje między innymi zatykanie rur, co w konsekwencji wpływa na znaczne zwiększenie kosztów ogrzewania.

Podział twardości w wodzie

Ogólnie twardość dzieli się na następujące rodzaje:

• Twardość węglanowa – jest to rodzaj twardości bez problemu zauważalny min. na naczyniach czy w czajniku. Twardość węglanową powodują węglany i wodorowęglany wapnia i magnezu. Jednak łatwo je z wody usunąć np. wykorzystując obróbkę termiczną, dlatego twardość ta często jest nazywana przemijającą. Związki te z gorącej wody wytrącają się w postaci białego osadu, który gromadzi się w naczyniu.
• Twardość niewęglanowa – nazywana jest także twardością stałą. Trudno ją usunąć z wody. Podczas, gdy za twardość węglanową odpowiadają sole nietrwałego kwasu węglowego, to w przypadku twardości niewęglanowej są to sole innych kwasów, np. siarkowego (VI), chlorowodorowego czy azotowego (V). Tworzą one trwałe siarczany (VI), chlorki oraz azotany (V), które pozostają w wodzie nawet po jej przegotowaniu.
• Ogólna twardość wody – jest to suma twardości węglanowej i twardości niewęglanowej.

Jak można wyrazić stopień twardości wody?

Stopień twardości wody można wyrazić w różnych jednostkach. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się stopnie niemieckie, stopnie francuskie, stopnie angielskie bądź wyrażenie zawartości soli powodujących twardość wody w milimolach na litr objętości lub w milivalach na litr. W laboratoriach popularne jest podawanie wartości twardości w stopniach niemieckich (^on). Woda mająca twardość na poziomie jednego stopnia niemieckiego, zawiera w 1 dm³ taką ilość soli wapnia i magnezu, która odpowiada 10 mg CaO.

Znając wartość twardości wody, można dokonać jej podziału w oparciu o wynik podany w stopniach niemieckich:

• woda bardzo miękka: poniżej 5,6,
• woda miękka: 5,6 – 11,2,
• woda średnio – twarda: 11,2 – 19,6,
• woda twarda: 19,6 – 30,8,
• woda bardzo twarda: ponad 30,8.

Jak zredukować twardość wody?

Duża twardość wody może okazać się sporym utrudnieniem w codziennym funkcjonowaniu. Jeżeli nie znamy jakości wody z której korzystamy lub mamy podejrzenia, że jej parametry fizykochemiczne nie mieszczą się w odpowiednich normach, warto zlecić analizę takiej wody, właściwej jednostce laboratoryjnej.

Podstawowym sposobem usuwania twardości z wody jest metoda termiczna. Jest skuteczna jedynie w przypadku twardości przemijającej. Termiczna metoda polega na ogrzaniu wody do temperatury około 80^oC. W trakcie zwiększania temperatury następuje wytrącanie się wodorowęglanów wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnego węglanu wapnia i węglanu magnezu. Powstały osad można usunąć np. w procesie filtracji. Metoda termiczna jest często pierwszym krokiem w dalszym redukowaniu twardości wody.

Jony wapnia i magnezu można wytrącić także metodą chemiczną. Polega ona na dodatku do wody specjalnych zmiękczaczy, czyli związków chemicznych, których zadaniem jest wytrącenie odpowiednich osadów lub tworzenie związków kompleksowych. Wytrącające się jony wapnia i magnezu w formie soli, oddziela się metodą filtracji lub dekantacji. Zmiękczacze można stosować również w domowych warunkach. Obecnie wielu producentów kotłów grzewczych proponuje usługę instalacji centralnych zmiękczaczy wody, które działają na zasadzie wymieniaczy jonowych.

Doraźnym sposobem zmiękczania wody jest zastosowanie dzbanków filtrujących, które w ostatnich lata zyskały dużą popularność. Woda nalewana do nich jest przepuszczana przez specjalne złoże sorpcyjne, działające na zasadzie wymieniacza jonowego. Wybór wkładów filtrujących do takich dzbanków jest spory i w sklepach można nabyć na przykład takie, które od razu wzbogacą filtrowaną wodę w niezbędne składniki mineralne.

Przeczytaj również o uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków.