Жесткость воды, норма которой служит критерием качества не только в исследовании питьевой, но и в применяемой для технических нужд, определяется наличием примесей. Определяемый показатель и есть та цифра (так называемый градус жесткости), на который превышено присутствие посторонних молекул по отношению к стандартному значению нормы. Для питьевой воды необходимо сразу определять несоответствие нормативам, чтобы исключить осложнения со здоровьем.

Немного о жесткости воды

Поставка воды, горячей и холодной, потребителю требует от предприятия, которое несет ответственность за этот процесс, соблюдения определенных норм. Их регламентируют ГОСТы, Санитарные правила и нормы (СанПиН) и другие нормативные документы, согласно которым определяется соответствие требованиям.

В обработке применяются химические реактивы, позволяющие снизить уровень эпидемиологической безопасности.

Отметим некоторые особенности:

1. Питьевая вода средней степени жесткости считается относительно нормальным явлением в водопроводных системах, она же – наиболее частый вариант в родниковой и добываемой из артезианских скважин.
2. Мягкая – это дождевая (хотя в современной неблагоприятной экологии она может с огромной степенью вероятности содержать вредоносные примеси). Под это определение подпадает жидкость, подвергавшаяся длительному кипячению, не очень желательная для применения в пищевых нуждах, и дистиллированная, полностью от них избавленная.
3. К жесткой относится любая вода (из моря, океана или вытекающая из минеральных напластований) с большим содержанием в ней примесей. Они могут превышать треть общего объема исследуемой жидкости, и только 2/3 приходятся на привычные атомы водорода и кислорода.

Применяя жесткую жидкость в работе с бытовой техникой, можно быстро прийти к необходимости ремонта. Обычное мыло при ручной стирке или при мытье в ней растворяется плохо.

О норме жесткости

Проблема соответствия необходимому показателю жесткости воды в водопроводном кране состоит не только в источнике, из которого она добывается. Общая жесткость воды бывает постоянной и временной.

И если вторую, карбонатную кальциевую и магниевую, можно нейтрализовать кипячением, то перманентно присутствующая может повлиять на состояние здоровья потребителя, исправность стиральной машины или чайника. Она практически ничем не устранима.

Природная вода может менять свои показатели в результате сезонной миграции потоков от дождя и таяния снега. Зимой, когда таких явлений в природе не наблюдается, уровень показателей обычно становится более жестким.

Оптимальной мягкостью по нормам обладает вода из поверхностных потоков или та, что протекает в местах залегания доломитов или известняковых пород.

Единицы измерения жесткости питьевой воды

Еще совсем недавно жесткость питьевой воды измерялась в Российской Федерации в молях на метр кубический (моль/м3). Эта единица в Советском Союзе и в России применялась начиная с 1952 года и вплоть до 2014 г., когда был снова введен международный стандарт.

До середины прошлого столетия в СССР использовался в качестве единицы измерения жесткости градус, соответствующий современному немецкому (dH). Он и французский градус (fo) используются в качестве единицы измерения в странах Европы. У Соединенных Штатов Америки есть свой, американский градус, ppm.

С 2014 года Россия ввела в обращение градус жесткости (°Ж). Его значение в понимании простого человека не составит особых затруднений, потому что моль на кубический метр и ½ миллимоля на литр (значение 1 °Ж) – понятия родственные.

Речь идет просто об уменьшении масштабов исследуемого сырья. Сейчас чаще используется нормативное обозначение 1 мг-экв/л, которое равняется ½ миллимоля на литр. Но для ионов кальция и магния имеет разное цифровое значение:

• ионов Ca 2+ – 20,04 мг;
• ионов Mg 2+ – 12,16 мг.

Эти показатели – вовсе не норма жесткости воды для питья. Это общепринятые единицы измерения, тождественные друг другу в контексте, когда речь идет об одном °Ж, ½ миллимоля на литр (ммоль/л) или 1 мг-экв/л.

Для кальция и магния все эти обозначения выражаются в разных числовых показателях. Нормативы в Российской Федерации, определенные в СанПиН, могут быть вариативными, если нужно обозначить нормальную жесткость воды для питья (речь идет только о магнии), бутилированной (кальций и магний).

Тонкости норм жесткости

Всемирная организация здравоохранения установила отдельные значения для понятия «норматив жесткости воды». Они находятся ниже планки российских требований. Однако фактическое водоснабжение в некоторых регионах, например в Москве, с трудом укладывается в общие нормы ВОЗ.

По статистическим данным, столица России находится где-то на среднем уровне между другими крупными мировыми мегаполисами. В Париже и Берлине дела обстоят хуже, а в Нью-Йорке и Сиднее показатели выглядят менее жестко.

Принятые нормативы жесткости

В Российской Федерации есть некоторые расхождения норм с международными стандартами. Разнообразие природных и климатических условий, вариативность используемых для добычи питьевой воды и жидкости для бытового использования не позволяет установить безоговорочно единые нормативы, обязательные для любого региона.

Однако нормы жесткости воды питьевой в целом соответствуют рекомендациям ВОЗ. В неблагополучной экологической обстановке они приводятся в соответствие с санитарно-гигиеническими нормами страны различными способами. Вариантов для этого достаточно много.

На сегодняшний день потребитель может сам контролировать наличие в воде, подаваемой из крана, нормы показателя жесткости и устанавливать различные приспособления для приведения ее в соответствие нормам санитарии и гигиены.

Приведенные ниже нормы касаются временной жесткости, устранение которой возможно и самыми простыми способами. В домашних условиях самый известный – паровой – проводится кипячением воды в чайнике.

Таблица показателей норм кальция и магния по требованиям СанПиН РФ и нормативам ВОЗ.

Измерение в градусах жесткости выглядит следующим образом: менее двух °Ж – это мягкая вода, начиная с двух и до десяти °Ж средней жесткости – нормальный уровень, более 10 – жесткая. Однако в аквариуме нормальным может считаться и показатель в 15 градусов жесткости. Все зависит от того, какие в нем живут обитатели.

Снижение кальция в аквариумной воде происходит за счет потребления необходимых для жизнедеятельности ионов растениями, моллюсками и рыбками. Для понижения уровня временной жесткости могут использоваться разные методы и приспособления.

Воду на питие кипятят. О результативности метода наглядно свидетельствует уровень накипи в чайнике. В бассейне может использоваться мембранный метод фильтрации или магнитогидродинамический резонанс.

Как определить соответствие или несоответствие норме жесткости

Как и в случае с уровнем подогрева горячей воды, потребитель вправе выдвигать претензии к поставляющей организации, если речь идет о временной жесткости. Обилие ионов магния или кальция свыше нормы не только изменяет вкусовые качества воды для питья, но и вредно влияет на здоровье человека, выводит из строя бытовую технику.

В распоряжении поставщика может находиться одно из многочисленных устройств для смягчения воды. Однако недобросовестные компании игнорируют существующие требования нормативов. Для того чтобы говорить о недопустимости существующего в питьевой воде показателя, нужно произвести определенные измерения и сравнить с нормой жесткости.

В данном случае доморощенные критерии, вроде мыла, которое плохо мылится даже в горячей воде, или быстро образующаяся накипь на чайнике неприемлемы.

Пробы воды можно отнести в СЭС, где будут выявлены и патогенные микроорганизмы, и органические примеси, и ядовитые вкрапления вроде нитратов. Для домашнего экспресс-анализа можно применить тест-полоски, стоимость которых не превышает 500 руб.

Если речь идет о самостоятельном водоснабжении особняка, коттеджа или загородного дома из подручных источников, вроде артезианской скважины, можно сделать комплексный анализ в специализированной лаборатории, стоимость которого вариативна.

В лаборатории МГУ анализ жесткости воды выйдет недешево, а в местной может варьироваться от 1200 до 4500 руб., если потребуется расширенный. Зато имея на руках все показатели и выявив несоответствия с какими-либо нормами жесткости в используемом источнике, можно подобрать одну из многочисленных систем очистки воды.

Это поможет обезопасить собственное здоровье от грядущих неприятностей и чувствовать себя комфортно. Данные меры также обеспечат сохранность бытовой техники.

Повышение внимания к норме жёсткости питьевой воды связано с повсеместным распространением стиральных и посудомоечных машин, поскольку определение расчётной загрузки моющих средств и частота очистки машин зависит от фактической степени жёсткости. Однако единицы измерения этого показателя в разных странах отличаются, а, кроме того, отличаются и составляющие для каждой из специфических единиц измерения.

Что такое жёсткая вода и что на неё влияет?

Степень жёсткости воды определяется как совокупность свойств, зависящих от содержания магния, кальция и других растворённых солей. Общий показатель складывается из постоянной и временной составляющей:

• Временная (карбонатная) устраняется кипячением благодаря способности ряда солей выпадать в осадок с образованием накипи. Характеризуется наличием бикарбонатов магния и кальция – при рН>8.3.
• Постоянная (некарбонатная) сохраняется при кипячении. Характеризуется наличием солей магния и кальция хлоридных, сульфатных и нитратных анионов.

На величину жёсткости влияют следующие факторы:

• интенсивность растворения гидропотоками горных пород (известняков, доломитов),
• использование подземных или поверхностных вод (поверхностные при прочих равных более «мягкие»),
• сезонные колебания для поверхностных ресурсов (показатель максимальной «мягкости» отмечается в периоды паводков и половодий с активным поступлением дождевых и талых «пополнений» в источники водоснабжения, а минимальная «мягкость» приходится на зимний период).

Единицы измерения, формулы и расчёты

В России единица измерения содержания солей по данному параметру называется «градус жёсткости» (°Ж), который с помощью распространённых онлайн-калькуляторов пересчитывается в единицы измерения, принятые в других странах (см. таблицу).

Так 1°Ж = 2,8°DH = 3,51°Clark = 5°F = 50,04ppm.

Каждая величина соответствует следующим показателям для воды:

• 1°Ж = 20,04 мг Ca 2 + или 12,15 Mg 2 + в 1 дм 3
• 1°DH = 10 мг CaO в 1 дм 3
• 1°Clark = 10 мг CaCO₃ в 0,7 дм 3
• 1°F = 10 мг CaCO₃ в 1 дм 3
• 1 ppm = 1 мг CaCO₃ в 1 дм 3

1°Ж = 1 мг-экв/л (чаще используют в практике) = 1/2 моль/м3 = 20,04 миллиграмма ионов Ca 2+ (или 12,16 миллиграмма ионов Mg 2+ )

Формула расчёта жёсткости воды при карбонатном типе:

Общая °Ж определяется как сумма временной и постоянной: H_общ = Н_карб + Н_некарб

Нормативные требования

• Российские нормативы – СанПиН-ы 2.1.4.1074-01; ГН 2.1.5.1315-03 – определяют норму жёсткости питьевой воды в пределах 7°Ж с установлением нормативного значения для магния – в пределах 50 мг/л и не регламентируя его для кальция.
• Для бутилированного продукта, по СанПиН-ам 2.1.4.1116-02: °Ж находится в интервале 1,5-7 с показателями 25-130 мг/л/кальций, 5-65 мг/л/магний.
• Рекомендации ВОЗ для питьевой воды °Ж не регламентируют, определяя при этом норму 20-80 мг/л/кальций, 10-30 мг/л/магний, что ниже российских нормативных значений, однако фактические значения при водообеспечении, например, для Москвы, укладываются в рекомендации ВОЗ.

По данным московского водоканала, для Москвы (по сравнению с остальными крупными городами мира), характерны следующие показатели (см. таблицу):

Если определять степень мягкости по 3 категориям, то деление соответствует следующим величинам:

• до 2°Ж – мягкая,
• в интервале 2-10°Ж – средне-жёсткая,
• свыше 10°Ж – жёсткая.

В некоторых случаях эта шкала детализируется, нередко со смещением, однако для конкретных ситуаций лучше применять не описательные, а точные значения градусов. Так жёсткость воды в аквариуме в норме составляет 3-15°Ж с разделением предпочитаемых интервалов для каждого вида рыб, моллюсков, водорослей. Например, раковина улиток остаётся в лучшем состоянии в жёсткой воде, а для живородящих рыб предпочтителен диапазон в 6-10°Ж. При этом следует учитывать, что содержание кальция в водной среде будет постепенно снижаться за счёт усвоения его обитателями аквариума.

В домашних условиях, помимо кипячения, применяют следующие способы смягчения:

• Реагентный – основан на добавлении кальцинированной соды или гашеной извести с выпадением в осадок нерастворимых соединений солей магния и кальция. Одним из самых эффективных реагентов считается ортофосфат натрия, способный снизить градус до 0,05°Ж.
• Мембранный – благодаря нанофильтрации и обратному осмосу полупронецаемой мембраны задерживаются ионы.
• Магнитный – благодаря магнитогидродинамическому резонансу карбонат кальция не кристаллизуется, а модифицируется в арагонит, который не откладывается на теплообменных поверхностях.

При этом различного типа аэраторные насадки на кран и экономители с поворотным механизмом ( http://water-save.com/ ) благодаря постоянному механическому сдвигу шарниров в незначительной мере могут повлиять на образование накипи, однако ни остановить её образование, ни снизить значение °Ж не способны.

Вода имеет огромное значение в жизни каждого человека. Организм представляет собой комплекс водных растворов, суспензий и коллоидов. Степень жесткости воды непосредственно влияет на состояние организма, а также отвечает за долгий срок службы бытовой техники.

Понятие водной жесткости

Фактически ни один из природных источников не обладает идеальным составом воды H2O. Основными источниками влаги являются поверхностные

наземные и подземные воды. Почему вода стала жесткой? Что на нее влияет? Процесс начинается еще в период ее формирования в горных породах. Жесткость воды – это комплекс физических характеристик воды, соответствующих количеству солей щелочноземельных металлов. Он претерпевает изменения также в соответствии с климатом, погодными условиями. Особо влияет на состав техногенный фактор, включающий сточные воды промышленного и бытового характера, сельского хозяйства. Влага из открытых и подземных источников требует очистки, чтобы соответствовать нормативным требованиям СанПин.

От чего зависит изменение состава воды? Жесткость обеспечивается повышенным содержанием минералов и химических элементов: железа, сульфидов, фторидов, марганца, солей кальция и магния, органических соединений. Она проявляется в ухудшении вкусовых параметров воды, плохом образовании пены при использовании мыла, стянутости кожи после умывания. Характерная жесткость волос, скрип после мытья говорят о разрушении защитной жировой пленки вследствие негативного воздействия повышенного количества минералов. Но излишне мягкая вода обладает высокими коррозионными свойствами, сказывающимися на состоянии водопроводных труб. Отсутствие необходимых минералов в составе мягкой воды приводит к развитию рахита у детей, так как кости не получают требуемых веществ.

Общий показатель жесткости

Общий показатель минерализации представлен временной и постоянной составляющей:

1. Временная (карбонатная). В составе, кроме катионов Ca2+, Fe2+, Mg2+, содержатся также растворимые бикарбонаты Mg и Ca. После кипячения они становятся нерастворимыми карбонатами, образующими накипь.
2. Постоянная (некарбонатная). Независимо от кипячения жидкость такого типа сохраняет свои жесткие признаки, так как содержит соли магния
   и кальция нитратных, хлоридных, сульфатных анионов.

Вода допустимой жесткости пригодна для питья. Содержащиеся в ней микроэлементы нужны человеческому организму:

1. Магний. Активизирует обмен углеводов, участвует в образовании белков, уменьшает возбудимость нервных клеток.
2. Кальций. Поддерживает костную ткань, отвечает за работу сердца, свертываемость крови, расслабление мышц, работу иммунитета.

Постоянный прием жесткой воды ведет к проблемам функционирования пищеварительной системы, формированию камней в почках, печени, желчном пузыре. Нормальный уровень минерализации составляет не более 7 мг/л. При бытовом использовании временная жесткость приводит в негодность бытовую технику из-за образования плотного налета накипи.

Какая должна быть вода

Какая должна быть вода для питья и бытовых нужд? Классификация единиц измерения жесткости весьма разноплановая. Часто можно увидеть обозначение в миллимолях на литр, принятое на постсоветском пространстве. Миллимолем называют единицу объема соли жесткости на литр воды. Единицей измерения жесткости воды за границей является градус жесткости. Основные категории обозначения:

• ppm (мг/литр) CaCO3;
• DH – Германия (1 dH=17,8 ppm);
• F – Франция (1 f =10 ppm);
• A – Америка (1A=50,05 ppm);
• Clarc – Великобритания (1 Clarc=14,3 ppm);
• мг-экв/л (1 мг-экв/л =50,05 ppm).

Классификация жесткости

Как рассчитать жесткость воды? Один мг-экв/л – это 20,04 миллиграмм Ca2+ или 12,16 миллиграмм Mg2+ на литр. Норма жесткости – 1,0–2,0 мг-экв/л. Водопроводная вода имеет жесткость от 1,5 до 5 мг-экв/л, что зависит от водозабора и не требует корректировки. Централизованный источник водоснабжения обязан выдавать питьевую воду с нормальной жесткостью – до 7 мг-экв/литр (в исключительных случаях – не более 10 мг-экв/литр).

После 2005 года Россия применяет новый национальный стандарт, определяющий параметры известковости. Для измерения содержания солей используется «градус жесткости» – °Ж, который равняется 1 мг-экв/литр. Формула общего показателя °Ж – H общая = H карбонатная + H некарбонатная. В соответствии с этим коэффициентом шкала степени мягкости подразделяется на несколько категорий:

• сверхжесткая – свыше 12 мг-экв/л;
• жесткая – более 10 °Ж (от 8 до 12 мг-экв/л);
• средняя – от 2 до 10 °Ж (от 4 до 8 мг-экв/л);
• мягкая – до 2 °Ж (до 4 мг-экв/л);
• очень мягкая (до 1,5 мг-экв/л).

Характеристика воды высокого качества

Какая должна быть вода? Характеристика высококачественной питьевой воды по нормативным требованиям:

• органолептические характеристики: прозрачность, отсутствие запаха, приятный вкус;
• pH = 7–7,5, жесткость не превышает значение 7 ммоль/л, что является средним уровнем. Допускается небольшое ощелачивание воды, но не окисление;
• общее число минералов не выше 1 г/л, вода является слабоминерализованной;
• отсутствие вредных веществ или концентрация в пределах десятых-сотых долей ПДК;
• отсутствие вирусов, бактерий, грибков.

Даже средний параметр жесткости по стандарту, равняющийся 4–5 °Ж, уже доставляет неприятности в виде налета извести на мойке, накипи на чайнике, белесых разводов на посуде, забитого аэратора водопроводного крана.

Способы измерения жесткости

Как измеряется жесткость воды? Степень жесткости следует знать не только в отношении питьевой воды. Аквариумисты сталкиваются с необходимостью создания определенной минерализации водной среды для разведения рыб. Выращивание комнатных растений также требует информированности о показателе жесткости.

Оборудование для очистки невозможно подобрать правильно без понимания результатов анализа. Самым точным измерением является лабораторный анализ, сделанный в Санэпидемстанции. Фиксирование степени минерализации производится тремя основными методами:

• химическим;
• комплексонометрическим (определение карбонатной и временной жесткости);
• атомной спектрометрии.

Все приборы диагностирования, от бытовых до профессиональных лабораторных, позволяют осуществлять контроль над составом и уровнем загрязнения. Анализ питьевой воды осуществляется не только стационарно, но и непосредственно на точке забора.

Виды приборов для измерения жесткости

Анализаторы воды подразделяются на монопараметрические (анализ одного параметра) и многопараметрические (анализ нескольких характеристик). С их помощью проводятся исследования всех типов воды: питьевой, технической, грунтовой, из искусственных водоемов; сточной. При этом анализ производится на основе химического, оптического, электрохимического, хроматографического, фотохимического метода.

Анализаторы могут быть портативными, производящими замер параметров в течение 5 минут в бытовых или полевых условиях. Другой вариант анализаторов – стационарный. Они монтируются в проточных трубах водопровода и других магистралей. Постоянная работа устройств обеспечивает выдачу объективных данных состава воды каждый час.

Одним из самых доступных механизмов для определения жесткости является электролизер. Этот аппарат не производит измерений, жесткость определяется по степени изменения цвета воды во время его работы. Более точный инструмент, помогающий получить косвенные показатели величины общей жесткости – TDS-3. Принцип его работы основан на определении электропроводности.

Наиболее быстрый способ установления жесткости в домашних условиях — использование тест-полоски со специальным реагентом. Опущенная в воду полоска начнет менять цвет в соответствии с концентрацией жесткости воды. Точность у приема невысокая, результат определяется по интенсивности окраса путем сравнения с градацией возможных вариантов.

Методы устранения жесткости

Способы смягчения воды:

1. Термический. Производится кипячение.
2. Реагентный (известь, сода кальцинированная и пищевая, едкий натр, синтетические средства). Наблюдается появление осадка нерастворимых соединений кальциевых и магниевых солей. Один из лучших реагентов – ортофосфат натрия, понижающий уровень жесткости до 0,05 °Ж.
3. Мембранный. Ионы отделяются посредством нанофильтрации и обратного осмоса полунепроницаемой мембраны.
4. Магнитный и Электромагнитный. Магнитогидродинамический резонанс предотвращает кристаллизацию карбоната кальция. Происходит его модификация в арагонит, лишенный свойства откладываться на поверхностях.
5. Ионообменный.
6. Комбинированный.

Простая технология устранения жесткости – это процесс кипячения, в результате которого часть солей гидрокарбоната кальция разлагается. Но такой метод не полностью избавляет от жесткости и не годится для больших объемов воды. Водопроводная кипяченая вода приносит человеку лишь вред. Процесс кипячения увеличивает вредоносность хлорорганики, содержащейся в ее составе и обладающей канцерогенными свойствами.

Реагентные методы

Защитить технику позволяет бытовая химия, например, специальное средство «Калгон». Действие подобных препаратов основано на предотвращении выпадения солей в осадок. Метод подходит лишь для защиты стиральной или посудомоечной машины. Такие вещества не предназначены для питьевой воды. Добавление извести для очистки должно сочетаться с применением реагентов-коагулянтов. Способ помогает снизить повышенное содержание карбонатных соединений.

Сочетание извести и соды позволяет смягчить воду до 1,4–1,8 мг-экв/л. Если жидкость обладает карбонатной жесткостью, то применяется сода с натрием. Недостатком приема использования реагентов является наличие твердого осадка, очистка только не питьевой воды, непременность точной дозировки и безопасного хранения.

Магнитный и электромагнитный метод

Более простой механизм для очистки жесткой воды – магнитный. Он эффективен для технической воды, позволяя контролировать чистоту внутренних поверхностей оборудования. В пластиковом корпусе находится процессор, постоянный магнит, два провода. Процесс основывается на изменении физических свойств воды. Минерализующие элементы перестают образовывать накипь и отложения, устраняются с потоком. Образующийся шлак скапливается в отстойниках, а затем удаляется.

Электромагнитный способ базируется на использовании электромагнитных волн. Ионы кальция и магния не осаждаются, а в виде взвесей ликвидируются вместе со струей воды. При этом происходит очистка загрязненных ранее участков.

Ионообменный и мембранный способ

Самый экономичный и доступный рецепт смягчения воды – это ионообменный кувшин с электромагнитом. Процесс очистки основан на ионообменных свойствах мелкозернистой натриевой смолы. Объем очищаемой воды небольшой, запас ионов в смолах требует своевременной регенерации или замены, но качество очистки хорошее.

Устранение жесткости происходит реагентным путем, использованный картридж подлежит замене. Подобного типа прибор может быть магистральным, врезаемым непосредственно в трубу. Так осуществляется очищение всей поступающей в квартиру воды. При этом затраты при использовании возрастают из-за потребности создания обходного пути или запорной арматуры, а также замены картриджей. Смена картриджа производится раз в квартал. Недостаток метода – в очистке воды, не предназначенной для питья и приготовления пищи.

Есть также усовершенствованный вариант – мембранный, служащий основой для обратноосмотического эффекта. Посредством избыточного давления жесткая влага продавливается сквозь полупроницаемую мембрану, освобождаясь от всех солей и примесей. На выходе остается почти дистиллированная вода. Это тактика максимальной очистки. После такой обработки вода требует дополнительной минерализации.

Для смягчения питьевой воды применяются фильтры:

1. Фильтр обратного осмоса. Производит полную очистку от всех ненужных примесей и солей, придающих жесткость воде. Обратноосмотическая мембрана действует до 1,5 лет, картриджи меняют раз в полгода.
2. Проточный фильтр под мойку («Умягчающий», H). Дополнительный картридж содержит ионообменную смолу внутри, заменяющую ионы солей магния и кальция безопасными ионами натрия.

Все перечисленные методики могут использоваться также в различных комбинациях друг с другом.

Изменение параметра жесткости в меньшую сторону – это недешевая операция, требующая вложения денег. Развитие современных технологий вносит новые решения очистки. Снижение высокой минерализации воды – это жизненная потребность любого человека, желающего оставаться здоровым.