Факторы, определяющие жесткость природной воды

Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния делает воду непригодной для многих технических целей. Требования к качеству воды для технологических процессов в целом ряде случаев значительно более высокие, чем требования, предъявляемые к питьевой воде. Так лимитируется жесткость воды при ее использовании на предприятиях бумажной и текстильной промышленности, производстве искусственных волокон. Содержание железа и марганца строго ограничено в воде, используемой при производстве пластмасс, кинопленки и фотобумаги, в пищевой и текстильной промышленности ограничена окисляемость воды и содержание хлоридов. В воде, используемой для приготовления растворов кислот, щелочей, красителей и мыла, жесткость воды не должна превышать десятых долей ммоль/л. В радиоэлектронной промышленности при производстве печатных плат жестко нормируется содержание взвешенных веществ и растворенных солей, присутствие которых приводит к значительному увеличению производственного брака.

В промышленности широко применяются водоподготовка.

Карбонатная жесткость ответственна за отложение накипи в трубопроводах горячего водоснабжения и котлах. Некарбонатная жесткость или остаточная общая жесткость воды остается и является контролируемым и регулируемым параметром систем водоподготовки котловой или подпиточной воды. Налет или накипь на поверхностях теплообмена, равно как и углекислый газ, ведущий к интенсивной коррозии металлов, являются факторами, существенно влияющими на эффективность парового оборудования, прежде всего паровых котлов. Без водоподготовки оборудование в промышленности очень страдает от этого факта. Там проводят и механическую очистку от накипи, потому что накипь особенно опасна. Всего полмиллиметра накипи и котел может взорваться.

Вода для охлаждения действующих агрегатов, например конденсаторов  паровых турбин тепловых электростанций, должна быть освобождена от избытка взвешенных веществ, которые, осаждаясь, засоряют охлаждающие устройства. Охлаждающая вода должна иметь карбонатную жесткость не выше 2-7 мгэкв/л.

Мягкая вода может, с  другой стороны, иметь низкую буферную емкость и поэтому будет в большей степени вызывать коррозию водопроводных труб. Коррозия характеризуется частичным растворением материалов оборудования, входящего в состав систем водоснабжения (резервуаров, труб, арматуры и насосов). Она может приводить к поломкам конструкций, утечкам, снижению эффективности систем водоснабжения, ухудшению химического и микробиологического состава воды в водопроводе. Внутренняя коррозия трубопроводов и арматуры может оказывать непосредственное влияние на концентрацию определенных компонентов в воде, для которых имеются допустимые величины. Поэтому борьба с коррозией и накипью очень важна для водоподготовки.

2.3 Отрицательное влияние жесткости воды в быту

Отложение накипи на поверхности  нагревательных элементов холодильников, стиральных машин  и т.д.  снижает экономичность их работы. 

Известковые отложения  в водопроводных трубах затрудняют прохождение воды через них и  создание нормального температурного режима в домах становится невозможным.

Жесткость воды обуславливает быстрый износ тканей, т.к. при стирке нерастворимые соли кальция и магния оседают на волокнах, играя роль абразива. При стирке в жесткой воде мыла расходуется значительно больше. Это связано с образованием нерастворимых в воде сложных веществ - стеаратов кальция и магния (Ca(C₁₇H₃₅C00)₂ и Mg(C₁₇H₃₅COO)₂) 
В районах с очень жесткой водой внутридомовые трубы могут забиваться отложившейся окалиной; жесткая вода также образует накипь на кухонной посуде и увеличивает потребление мыла. Таким образом, жесткая вода может быть не только неприятной, но и экономически обременительной для потребителя.

2.4 Отрицательное влияние жесткости воды на здоровье

Давно отмечена связь между заболеваемостью  населения и характером водопотребления. Уже в древности были известны некоторые признаки воды, опасной для здоровья.

Важно отметить, что мягкая вода может не только приводить к  коррозии трубопроводов и водопроводного оборудования, но, кроме того, усиливает  токсичность тяжелых металлов, содержащихся в воде (например, цинка). Мягкая вода способна вымывать из костей кальций. У человека может развиться рахит, если пить такую воду с детства, у взрослого человека становятся ломкие кости. Есть еще одно отрицательное свойство мягкой воды. Она, проходя через пищеварительный тракт, не только вымывает минеральные вещества, но и полезные органические вещества, в том числе и полезные бактерии.

Избыточная жесткость  воды способствует образованию камней в почках, печени, мочевом пузыре человека. Нерастворимые соли кальция  и магния закупоривают поры на коже человека, ухудшая состояние кожи и волос. Всемирная организация здравоохранения установила обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями человека (чем меньше жесткость воды, тем больше подвержен человек сердечно-сосудистым заболеваниям). Имеются указания о том, что мягкая вода отрицательно влияет на баланс минеральных веществ в организме человека и поэтому может привести к отложению солей, как и при повышенном содержании солей жесткости. Выявлено также негативное влияние повышенного содержания магния на нервную систему человека, способность его вызывать обратимое угнетение центральной нервной системы, так называемый магниевый наркоз.

Помимо бытовых неудобств  в результате использования воды с высокой  степенью жесткости, другое возможное неудобство может возникать при связывании магния с сульфат-ионом, в результате чего вода приобретает слабительные свойства.

Жесткость питьевой воды является существенным критерием, по которому население оценивает качество воды. В жесткой воде овощи и мясо плохо развариваются, так как соли кальция и белки пищевых продуктов образуют нерастворимые соединения, которые плохо усваиваются.

На человека жесткая  вода так же оказывает негативное влияние - мыльная пена остается на одежде волосах, коже, забивает поры и мешает коже дышать. Это связано со свойством жесткой воды разрушать естественную жировую пленку на поверхности кожного покрова у человека, что вызывает зуд и раздражение. Признаком отрицательного влияния жесткой воды на кожную пленку является скрип при прикосновении к чистой коже.  
После использования мягкой воды, наоборот, кажется, что кожа осталась слегка жирной, это нормально, значит, естественная пленка не повреждена. 

В сутки человеку на физиологические нужды необходимо потреблять примерно 2,5 л воды. Для удовлетворения бытовых потребностей, в первую очередь санитарно-гигиенических, современному городскому жителю требуется от 180 до 250 л.                                                                                                      В действующих Федеральных санитарных правилах, нормах и гигиенических нормативах общая жесткость воды, используемой для питьевых и хозяйственно-бытовых нужд, нормируется: допустимое максимальное содержание солей жесткости в воде по суммарному содержанию в ней ионов кальция и магния составляет 7ммоль/л. Однако восприятие жесткости воды населением неодинаково в разных населенных пунктах, часто оно связано с той жесткостью, к которой потребитель привык на протяжении ряда лет, и во многих населенных пунктах возражения не вызывает вода с жесткостью, более 500 мг/л. Хотя, приемлемое равновесие между коррозией и проблемами накипи обеспечивает уровень жесткости приблизительно 100 мг CaCO₃ /л.

3. Факторы формирующие жесткость

Факторы, определяющие формирование химического состава природных  вод, могут быть разделены на  группы: 

1. Прямые факторы, непосредственно  воздействующие на воду (т. е. действие веществ, которые могут,  обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот, выделять их из воды):  
- горные породы, 
- почвы,  
- деятельность человека.  

2. Косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: 
- климат,  
- рельеф,  
- водный режим,  
- гидрогеологические, 
- гидродинамические условия  и др. 

Действие этих факторов проявляется  косвенно, через прямые факторы, однако, роль их при этом в формировании состава воды часто бывает решающей. В свою очередь все косвенные  факторы тесно взаимосвязаны  между собой. Их роль для поверхностных и подземных вод неодинакова.                   

Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги,  от которого зависит увлажненность местности и величина водного стока, а следовательно, разбавление или концентрирование природных растворов, и возможность растворения веществ или выпадения в осадок.  Влияние климата на химический состав, воды настолько существенно, что часто является решающим фактором, определяющим не только величину минерализации воды, но и ее состав. Поверхностные воды, в целом, более мягкие, чем подземные. Жесткость различна в разных водоемах и водотоках, а в одной и той же реке изменяется в течение года, достигая максимума в зимний период. Климат создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химического состава природных вод. Климат, определяет такие метеорологическиие факторы, как испарение, выветривание.

  Существен в формировании химического состава воды и  водный режим водоемов, который в свою очередь зависит от ряда физико-географических условий. Состав воды рек зависит от времени наступления половодья, от характера их питания. Минимальные величины жесткости типичны для периодов половодья или паводка, когда происходит интенсивное поступление в источники водоснабжения мягких талых или дождевых вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

Испарение – один из наиболее важных факторов формирования минерализации и химического состава поверхностных и грунтовых вод. Этот фактор в наибольшей степени проявляет себя в районах, где отношение суммарного испарения к сумме атмосферных осадков является наибольшим, т.е. в пустынях, полупустынях и сухих степях. Под действием испарения в поверхностных водоемах происходит выпадение солей (минералообразование), вначале менее, а затем и более растворимых. Воды гидрокарбонатные превращаются вначале в сульфатные, а затем в сульфатно-хлоридные.

Выветривание – существенное значение в формировании химического состава природных вод имеет физическое (механическое), химическое и биологическое выветривание горных пород. Химическое выветривание горных пород состоит из таких процессов: растворение, гидролиз, гидратация, окисление. Биологическое выветривание особенно интенсивно происходит там, где количество атмосферных осадков превышает испаряемость, а температура достаточно высокая.

Рельеф местности также является важнейшим фактором состава природных вод , хотя его роль носит менее явный характер. С рельефом местности связаны условия поверхностного и подземного стока, водный и солевой режим почв, освещенность склонов и расчлененность местности, способствующая созданию неоднородности состава воды, заболоченность местности, обусловливающая специфический состав воды, и др. Рельеф местности косвенно влияет на состав воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород, например в реки. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Влияет на изменение состава воды рек также и их протяженность, которая определяет различие гидрологического режима отдельных частей реки, наличие притоков, протекание реки через водоем и мн. др. Наличие стока из озера определяет величину минерализация воды, водообмен между отдельными его частями. Минерализация подземных вод в сильнейшей мере зависит от степени влияния поверхностных вод на данный водоносный горизонт, наличия трещин, скорости движения воды в породах. 
               Горные породы являются ведущим фактором формирования минерализации и химического состава природных вод. Основной фактор, влияющий на величину жесткости – растворение горных пород, содержащих кальций и магний (известняки, доломиты), при прохождении через них природной воды. Главными растворимыми минералами, определяющими в основном химию природных вод, являются галит (NaCl), гипс (CaSO4•2H2O), кальцит (CaCO3), доломит (CaMg(CO3)2). Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты MgCO₃•CaCO₃ залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. 

               Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющее на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков. Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. Вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ↔ Ca(HCO₃)₂

Кроме этого на карбонатную жесткость воды оказывают влияние антропогенные факторы. Так, хлоридами натрия и кальция зимой посыпают дороги, чтобы растапливать лед. Весной вместе с талой водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше. На участках не канализованной жилой застройки подземные воды, как правило, загрязнены нитратами, хлоридами и имеют повышенную жесткость, минерализацию и окисляемость.