Ликбез по водоочистке и пояснения к химическому анализу воды

Образование накипи и другие негативные проявления объясняются наличием в жидкости соединений кальция и магния. Чтобы продлить срок службы котлов и другой техники производители указывают допустимую степень загрязненности (жесткость воды) в ммоль/л, градусах, иных единицах. В этой статье опубликованы сведения, которые помогут оценить правильно результаты лабораторного анализа. Профессиональные рекомендации помогут правильно выбрать специализированное оборудование для воспроизведения защитных и подготовительных технологий.

Понятие жесткости, основные определения

В тематической литературе применяют специфические термины, поэтому необходимо сделать несколько пояснений. Значение временной жесткости, как правило, определяется количеством двухвалентных катионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Это специфическое название обозначает положительно заряженные частицы. Они соединяются с отрицательно заряженными соединениями (анионами сульфатов, хлоридов, нитратов, гидрокарбонатов и силикатов).

«Временной» такую жесткость называют по сравнительно простой методике удаления примесей. При кипячении они преобразуются в нерастворимый осадок, который отфильтровывают с применением обычных механических методик.

Для точности определения жесткости воды в ммоль следует отметить следующие нюансы:

• Уровень жесткости определяется также катионами стронция, марганца и другими примесями. Однако их влияние намного меньше, поэтому им пренебрегают. Разумеется, делают особые поправки при анормально высокой концентрации таких загрязнений.
• Изменить уровень жесткости способны трехвалентные соединения алюминия и железа. Однако в природных условиях они встречаются крайне редко, так как для устойчивого состояния необходимо определенное значение водородного показателя.
• Постоянная жесткость не устраняется даже при длительном высокотемпературном воздействии. Соответствующие примеси созданы из солей серной и других сильных кислот.

Жесткость воды в ммоль л, применение других единиц измерения

По действующим с 1 января 2014 г. стандартам (ГОСТ 31865-2012) в России этот параметр выражается в градусах жесткости, обозначается – «°Ж». Им обозначают совокупность отмеченных выше параметров. Причем особо подчеркнуто, что главными действующими веществами являются элементы щелочноземельной категории. Для расчета значения пользуются формулой Ж=∑ (КП/КМ), где:

• КП – действительная концентрация примесей жесткости в г на один м куб. (либо мг на дм куб.) в контрольной пробе;
• КМ – концентрация, равная половине моля в тех же единицах измерения.

Аналогичные правила действуют в странах, утвердивших соответствующие межгосударственные соглашения. Кроме Российской Федерации к ним присоединились: Армения, Республика Беларусь, Кыргызстан, Молдова, Узбекистан и Таджикистан.

Отмеченные нормативы не являются общемировыми. В США также применяют градусы жесткости (ppm). Единицей измерения считают концентрацию одной части карбоната кальция (CaCO3) в 100 тыс. частях воды. Это соответствует 10 мг примесей на литр жидкости. Более распространенной на практике в это стране является gpg (гран в одном галлоне).

Если сделать перевод в привычные для европейцев единицы измерения, получится концентрация солей жесткости 17,12 ммоль л. В шкале определения приведены коэффициенты пересчета для перевода разных единиц измерения:

Русский градус жесткости °Ж соответствует содержанию 50,05 мг карбоната кальция в одном литре жидкости. Это эквивалентно 20,04 ммоль л в пересчете на двухвалентные катионы кальция. Для пересчета жесткости в ммоль/л надо умножить данное значение на 2.

Как появляется жесткость воды?

В шкале определения отмечено, что этот стандарт имеет отношение ко всем видам естественных источников. Его применяют для оценки качества бутилированной воды и технологий фильтрации. Основные загрязнители, катионы, попадают в жидкость из доломитов и других горных пород. Иногда они присутствуют в промышленных стоках. Намного меньше концентрация таких примесей в открытых водоемах (колодцах) по сравнению с глубинными скважинами.

​

Отмечена закономерность повышения концентрации магниевых компонентов по мере увеличения минерализации до нескольких граммов на литр жидкости. Содержание катионов кальция соответственно уменьшается, на также способно достигать величины 1-1,5 ммоль л. Показатели жесткости в поверхностных водах сильно подвержены сезонным колебаниям. Это объясняет необходимость более тщательной проверки. Чтобы подобрать подходящее очистительное оборудование приходится делать несколько лабораторных анализов за год.

Откуда берется жесткость и мягкость?

Несмотря на простую химическую формулу H2O, на самом деле, это очень сложное вещество природного происхождения с большим количеством микроэлементов. В любой органике есть водная основа с различной степенью жесткости. Что означит этот показатель?

Даже на ощупь можно определить, в какой жидкости были постираны вещи. Ткани, очищенные в мягкой среде, более пышные, мягкие, а в жесткой – грубые и тонкие на ощупь. Это объясняется тем, что ткани способны аккумулировать ионы минеральных элементов.

Источниками кальция (Ca2+), магния (Mg2+) и других щелочных металлов, являются естественные месторождения известняка, доломитов и гипса. Ионы данных микроэлементов приникают в жидкость в следствии реакции диоксида углерода с минералами, а также в результате процесса химического разложения горных пород. Поставщиком данных частиц служат также микробиологические процессы, происходящие в почве в месте водосбора.

• жёсткой считается жидкая среда с большим содержанием солей;
• мягкая вода характеризуется их малым содержанием.

В основном в маломинерализованных жидких средах превалирует жесткость на базе ионов кальция, но в редких случаях преобладает ионизация магния. С повышением уровня минерализации воды процент ионов кальция стремительно снижается и редко превосходит 1 г/л. Содержание же ионов магния в высокоминерализованной среде может досягать 5-71 г/л, а в соленых озерах – 10-20 г/л.

Жесткость поверхностных вод, в основном, меньше жесткости подземных сред. Жесткость поверхностных вод склонна к значительным сезонным колебаниям, достигая высшей точки в конце зимы и низшей в стадии половодья, когда тщательно разбавляется мягкой дождевой и талой жидкостью. Морская и океанская среды обладают очень высокой степенью жесткости – 90-300 и более мг-экв/дм3.

Качественные показатели

В природных условиях встречаются источники с очень жесткой водой более 10 ммол л. Использование такой жидкости для снабжения бытовых объектов недвижимости сопровождается следующими проблемами:

• неприятная горечь портит вкус блюд, холодных и горячих напитков;
• в пищу попадают механические загрязнения;
• стойкий налет ухудшает внешний вид посуды, столовых приборов, сантехники;
• пористый слой из кальциевых соединений нарушает теплообмен, выводит из строя технику;
• твердые частицы накипи засоряют не только узкие технологические отверстия, но и уменьшают внутренний диаметр труб.

Понятно, что такие условия не соответствуют современным стандартам качественного жилья. Приходится использовать специальные защитные мероприятия по снижению концентрации вредных примесей. Они предотвращают аварийные ситуации, поэтому являются экономически целесообразными с учетом увеличения срока службы подключенного оборудования.

Официальные нормативы и рекомендации профессионалов по выбору оптимального уровня жесткости

Если содержание примесей меньше, чем указано в примере, не следует проявлять беспечность. Накипь образуется активно и при меньших концентрациях. Подобные ситуации даже более опасны, так как вредные процессы незаметны для пользователей. Отраслевые нормы для профессиональных котельных содержат рекомендации по снижению жесткости до 0,1 ммоль л и меньше. Однако в официальных правилах общего назначения подобные ограничения отсутствуют.

Следует отметить, что Всемирная организация здравоохранения не устанавливает ограничение по уровню высокой жесткости. В отдельных тематических документах этой организации отмечено увеличение сердечно-сосудистых заболеваний в контрольных группах. Однако не выявлена прямая связь именно с учетом данного показателя. Многие профильные специалисты считают неверным такое отношение.

Отечественные нормативы определяют допустимый уровень 7 мг-экв/литр, как значительное ухудшение вкусовых параметров. Но некоторые люди ощущают концентрацию в 2-3 раза меньше. Необходимо делать коррекции с учетом личных физиологических особенностей.

В медицинских рекомендациях не учитывается вред накипи для техники. Между тем, именно этот фактор оказывает сильное негативное влияние уже при минимальной концентрации. Особенно быстро процесс преобразования раствора в твердые частицы происходит в зонах нагрева. По этой причине без профилактических мероприятий приходят в негодность качественные котлы отопления, бойлеры, посудомоечные и стиральные машины, утюги и кофемашины.

Более строгий подход к определению допустимой концентрации загрязнений проявляется в статистических данных. Так, в разных районах столицы РФ по актуальным измерениям жесткость составляет от 2 до 5,5 мг-экв/литр. В Нью-Йорке она не превышает при пересчете в отечественные единицы 0,4 °Ж.

Ликбез по водоочистке и пояснения к химическому анализу воды

Экология потребления. Наука и техника: Рассказ пойдёт о том, что загрязняет воду, как её чистят и почему я спокойно пью из родника, содержащего много нитратов.

Последние пять лет я занимаюсь химическим анализом воды и нахожусь в контакте с инженерами по водоподготовке. К нам приходят самые разные люди: для одних система очистки воды — очень дорогое, но жизненно необходимое приобретение, другие просто начитались страшилок в Интернете и хотят «живую воду». Но для нас, как и для врачей, все наши заказчики одинаковы. У них есть вода — скважинная, поступающая из городского или поселкового водопровода, колодезная, речная — и её необходимо очистить до установленных норм. О том, что загрязняет воду, как её чистят и почему я спокойно пью из родника, содержащего много нитратов, пойдёт этот рассказ. Но никакие названия фирм, географические привязки и другая индивидуализирующая информация указываться не будут — я просто хочу поделиться пятью годами своих наблюдений за процессом, потому что много владельцев коттеджей могли бы меньше нервничать, если бы озаботились водоочисткой ещё на этапе заливки фундамента.

Но для начала давайте определимся со структурой процесса и терминологией, чтобы общаться на одном языке. Строго говоря, без анализа воды ни одна нормальная организация, занимающаяся водоочисткой, даже на порог вас не пустит. Всё начинается с анализа воды.

Как правильно отобрать воду на анализ?
Тщательность, с которой вы выполните отбор пробы воды, в конечном счёте может существенно повлиять на цену установки. Вот общие рекомендации.

1. Возьмите чистую пластиковую бутылку объёмом 1.5 л. Ни в коем случае не используйте бутылки, в которых ранее находились содержащие органические вещества жидкости (квас, пиво, кефирчик, уайт-спирит) или высокоминерализованные воды. Подойдут бутылки из-под питьевой воды. Идеальный вариант — купить новую бутылку там, где торгуют напитками на розлив.
2. Если у вас скважина — пролейте её до постоянного состава. Рекомендации, как это сделать, должны предоставить ваши скваженщики. Некоторые наши заказчики рассказывали, что их скважина работала на излив по две-три недели.
3. Откройте ближайший к скважине кран до любых существующих фильтров, баков и других устройств, могущих оказывать влияние на состав воды, и пролейте несколько минут, чтобы обновить воду в трубах.
4. На два раза ополосните бутылку отбираемой водой, после чего налейте воду под самое горлышко, навинтите крышку, слегка сожмите бутылку с боков, чтобы вода потекла через край, и завинтите крышку до конца. Цель: набрать воду без воздушного пузыря.
5. Доставьте воду в лабораторию в тот же день. Если нет такой возможности — храните воду в холодильнике не более двух суток.

Далее по анализу инженерами подбирается и рассчитывается система водоочистки, и если вас устраивает коммерческое предложение и вы его оплачиваете — к вам выезжают монтажники с оборудованием. Монтажникам от вас потребуются вход, выход и дренаж — откуда брать воду, куда её подавать и куда сливать. Особое внимание следует уделить именно канализации. Если у вас яма и вы её откачиваете — позаботьтесь о том, чтобы она могла одномоментно принять на себя 2-3 кубометра воды без последствий. Почему? Фильтры пропускают через себя грязную воду, грязь оседает на фильтрующем материале. Со временем ёмкость фильтрующего материала исчерпывается и он нуждается в обратной промывке — током воды снизу вверх вся грязь с него смывается в канализацию. На одну промывку может уходить от ста литров до полутора кубометров воды, в зависимости от типа фильтра и уровня загрязнения. И всё это количество сольётся в дренаж минут за 20 для кабинетных фильтров и где-то за час для засыпных колонного типа.

Примечание. Здесь и далее я буду приводить значения в масштабах частного домовладения.

Между прочим, если в Вашем септике применяется биологическая очистка, дренажная вода может убить её. Также монтажники потребуют с вас электрическую розетку поблизости (фильтры оснащены контроллерами — электронными управляющими мозгами, которые сами знают, когда пора начинать промывку). И ещё учтите, что эксплуатироваться любые фильтры должны при температуре не ниже +5 °C, а места занимают — в зависимости от модели — до двух квадратных метров по площади и до двух метров в высоту (хотя самый маленький фильтр со всей обвязкой может поместиться в кубический метр). Да, не забудьте про давление воды на входе! Если оно меньше 2-3 атмосфер — без повысительного насоса не обойтись. Для сравнения, системы горводоканалов обычно подают в квартиры воду под давлением около 4 атмосфер.

На входе перед фильтрами ставят грубую очистку — сетчатые фильтры, механику до 20 мкм — чтобы защитить более дорогое оборудование от проскоков песка, ржавчины и других крупных частиц. На выходе после установки рекомендуется монтировать финишную доочистку (обычно уголь — удаляет запахи, хлор и мелкие частицы). В самой дорогой комплектации ещё могут присутствовать ультрафиолетовая лампа для обеззараживания на выходе и защита от протечек на полу, но всё это опции. А вот если Ваша вода содержит много железа, то инженер может спроектировать водоочистку с применением баков, которые занимают значительное пространство.

А много железа — это сколько?

Вот теперь можно поговорить о вещах, более близких к моей профессии. И начнём мы с единиц измерения. В России и за рубежом, как ни парадоксально, применяются совершенно разные единицы измерения, хотя химия одна и та же. У нас приняты мг/л и мг-экв/л, у них — ppm.

мг/л (читается: миллиграмм на литр) — это масса исследуемых частиц, содержащаяся в одном литре раствора (а не растворителя!). Если мы исследуем ионный состав воды, то под массой частиц будет подразумеваться масса атомов одного вида. Например, 10 мг/л железа означает, что в 1 литре раствора у вас содержится 10 мг атомарного железа — того самого, у которого молярная масса, согласно таблице Менделеева, 56 г/моль. И не важно, в какой форме это железо — двухвалентный ион или трёхвалентный. Просто некая абстракция — железо, как оно есть в таблице Менделеева. А если мы измеряем содержание какой-то соли, то под массой частиц будет подразумеваться масса молекулы этой соли. Например, 10 мг хлорида натрия NaCl в 1 литре раствора.

мг-экв/л (читается: миллиграмм-эквивалент на литр) — с этого момента начинается особая чёрная магия. Иеремия Рихтер, немецкий химик, открыл закон эквивалентов (и попутно портал в ад) в 1792 году. Закон гласит: вещества реагируют в количествах, пропорциональных их эквивалентам, или m1Э2 = m2Э1. Попробуйте найти химика, который приходит в восторг, считая эквиваленты! Мне такие маньяки пока не встречались, хотя я занимаюсь химией уже 14 лет. Начнём издалека. Возьмём обычную реакцию между мелом и соляной кислотой:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2

Улетевший углекислый газ и воду отбросим, как несущественное, и выделим в этой реакции самое важное:

Ca2+ + 2Cl- = CaCl2 (в ионной форме)

Теперь возьмём каждый из ионов и заставим его вступить в гипотетическую реакцию гидрирования с катионом водорода, невзирая на знак заряда (да, мы, химики, любим всякие извращения; а на самом деле — масса катиона водорода принята за единицу, и теперь нам нужно найти количество других ионов, эквивалентное этой единице).

1/2Ca2+ + H+ = CaH (фактор эквивалентности = 0.5, а эквивалент водорода — частица 1/2Ca2+)

Cl- + H+ = ClH (фактор эквивалентности = 1, а эквивалент водорода — частица Cl-)

Итак, с одним катионом водорода может (условно) прореагировать либо один анион хлора, либо половинка катиона кальция. Численное выражение доли вещества, эквивалентной одному катиону водорода, называется фактором эквивалентности. Теперь мы можем сделать простой вывод:

1/2Ca2+ = Cl- (1 эквивалент кальция = 1 эквиваленту хлора)

Представим, что мы титруем щёлочность соляной кислотой (об этих страшных словах — позже). С соляной кислотой могут реагировать самые разные соли (гидрокарбонаты, карбонаты, гидроксиды…) самых разных ионов (кальция, магния, натрия…). Как нам всё это выразить в одной единице измерения? Мы не имеем права использовать здесь уже знакомую нам единицу измерения мг/л, потому что просто непонятно — миллиграмм чего? Кальция? Магния? Их смеси? В каком соотношении? Зато с эквивалентами эта проблема снимается сама собой:

Cl- = 1/2Ca2+ = 1/2Mg2+ = Na+ = 1/3Al3+ и т.д.

Нам не важно, какой именно вид катиона или аниона мы оттитровали, но мы знаем, что одному эквиваленту потраченной соляной кислоты всегда будет соответствовать один эквивалент неведомой штуки, которая с этой кислотой способна прореагировать. Хорошо, с эквивалентом более-менее разобрались. А что же такое миллиграмм-эквивалент? Это масса одного эквивалента в миллиграммах. Грубо — считается по таблице Менделеева как молярная масса, умноженная на фактор эквивалентности. Для приведённого выше отношения это будет выглядеть так:

35.45 мг Cl- = 20.04 мг Ca2+ = 12.15 мг Mg2+ = 22.99 мг Na+ = 8.99 мг Al3+

Заметьте, молярная масса, например, кальция равна 40.08 г/моль, но с 1 граммом водорода может прореагировать только половинка кальция — 20.04 грамма. Вот эта цифра — 20.04 — и будет грамм-эквивалентом кальция. Или миллиграмм-эквивалентом. Или микрограмм-эквивалентом. Эта единица удобна тем, что если мы когда-нибудь выясним, какое именно соединение прореагировало в той реакции с соляной кислотой, мы всегда сможем умножить количество миллиграмм-эквивалентов на массу одного эквивалента — и перевести таким образом миллиграмм-эквиваленты в обычные миллиграммы для конкретного соединения. Итак, мг-экв/л — это количество миллиграмм-эквивалентов вещества в одном литре раствора.

ppm (читается: пи-пи-эм, parts per million) — число частиц на миллион. Показывает, сколько исследуемых растворённых частиц находится в одном миллионе частиц раствора (не растворителя!). Единица измерения применяется на Западе почти повсеместно. Соответствует нашему мг/л (потому что миллиграмм — это, вроде как, тоже миллионная часть от литра, при условии, что плотность раствора равна 1.00, но при таком разбавлении изменением плотности всё равно можно пренебречь).

мкСм/см (читается: микросименс на сантиметр) — единица измерения удельной электропроводности воды. Берут два электрода, погружают в воду. На один подают известное количество тока, на втором измеряют, сколько дошло. Поскольку в водном растворе носителями заряда являются ионы, то по количеству перенесённых с одного электрода на другой электрончиков можно сделать вывод об общей доле ионов в растворе. Сименс — единица, обратная сопротивлению (1 См = 1 Ом-1). Измерение удельной электропроводности иногда может дать достаточно точное представление об общем солесодержании воды. Если вода относительно чистая, то условно можно считать, что 1 мкСм/см ≈ 0.5 мг/л солей. И вот мы вплотную подошли к сущности анализа воды.

Тут надо отвлечься и уточнить, что видов анализов воды — масса. Навскидку, есть химический и микробиологический. А ещё органолептический, радиометрический, несть им числа. Я занимаюсь непосредственно химическим анализом воды, о нём и поговорим. В России документ, регламентирующий качество воды для хозяйственно-бытовых нужд, называется «СанПиН 2.1.4.1074-01». И контролируемых параметров там — тьма тьмущая. Здесь уместно отметить, что такого понятия, как «техническая вода», ни в одном официальном документе не существует. Более того, то, что обычно в простонародье подразумевают под технической водой — это как раз вода, которую можно пить, но нельзя использовать в той самой технике. Подчас на производство или в паровой котёл нужно подавать полностью обессоленную (деионизованную) воду.

Смотреть в лаборатории все параметры, подразумеваемые СанПиНом — сумасшествие. Во-первых, на анализ одной пробы уйдёт тогда неделя (тогда как анализ по 12 показателям делается за 2 часа). А во-вторых, существующие фильтрующие материалы всё равно очищают воду только от конечного числа загрязнителей. И, конечно, большая часть указанных в СанПиНе загрязнителей практически не встречается в обычных природных водах или встречается в таком количестве, что заведомо проходит по нормам. Пойдём по порядку со всеми комментариями (по какому именно порядку — я ещё не решил).

Железо. Есть практически во всех подземных водах, а вот в поверхностных — реках, озёрах — обнаружить его можно нечасто. Бывает в двух формах: растворимое, или двухвалентное Fe2+ и окисленное, или трёхвалентное Fe3+. Соли двухвалентного железа прекрасно растворяются в воде (железный купорос FeSO4 ∙ 7H2O многие садоводы найдут в профильных магазинах), однако кислородом воздуха очень быстро окисляются и переходят в соединения трёхвалентного железа. А вот соединения трёхвалентного железа в воде не растворимы — ржавчину все видели, а ржавчина это смесь Fe2O3 ∙ nH2O и Fe(OH)3.

FeCl3 прекрасно в воде растворяется, после чего гидролизуется до оксихлорида и выпадает в осадок. То же самое касается других растворимых соединений трёхвалентного железа — они подвержены гидролизу в водном растворе с образованием нерастворимых продуктов.

Поэтому в поверхностных источниках железа мало: оно если и было изначально, то быстро окислилось при контакте с атмосферой и ушло в ил. Помимо атмосферы, естественным врагом двухвалентного железа являются железобактерии, которые живут за счёт энергии, выделяемой при окислении ими двухвалентного железа. Зато у него есть верный союзник в виде сероводорода. В подземных водах часто содержится сероводород в большом количестве, а он является сильным восстановителем и не даёт железу окисляться даже при контакте с атмосферой. Вообще, зависимость формы железа в растворе от окислительно-восстановительного потенциала и водородного показателя наглядно отображена в диаграммах Пурбе. Железо является одним из микроэлементов и необходимо организму человека (суточная потребность — 10 мг ), и усваивается, в том числе, из воды. Конечно, содержание железа сказывается на органолептических свойствах воды (если его больше 1-2 мг/л), а избыточное его поступление в организм может спровоцировать разные отклонения в здоровье. Ну, это всегда так. Всё есть лекарство и всё есть яд, всё дело в дозе, сказал Парацельс.

ПДК железа общего в воде хозяйственно-бытового назначения составляет 0.3 мг/л. В городском водопроводе с труб при ржавлении летит примерно 0.10…0.15 мг/л (там, где я живу). Удаляют железо просто: сначала окисляют, чтобы наверняка (напомню, окисленное железо в воде не растворимо), затем полученные частички коагулируют (укрупняют), и всю эту конструкцию ловят механическим способом — на слое загрузки. Существуют разные каталитические загрузки, на поверхности которых все указанные процессы и происходят. Представляют они собой песок, покрытый слоем оксида марганца — того самого катализатора окисления железа — и нуждаются в периодической реагентной промывке раствором перманганата калия (нет, соединения марганца не смываются с загрузки и не попадают в очищенную воду — ну, если, конечно, вы не захотите смешать каталитический материал с лимонной кислотой). Есть и безреагентные загрузки, но перед ними требуется предварительное окисление железа, а уж каким способом — атмосферным воздухом, озоном или хлором — решит инженер. Если в Вашей воде железа до 5 мг/л — считайте, что Вам крупно повезло: установка будет подешевле. Если железа 10 мг/л — уже дорого. А вот 30 мг/л и выше — можете распрощаться с планируемой поездкой в тёплые страны. Такая установка может стоить несколько сотен тысяч рублей. Вообще, основная стоимость большинства полупромышленных систем фильтрации как раз зависит от концентрации железа. Чем его больше — тем дороже. Поэтому так важно тщательно пролить воду перед отбором пробы — застоявшаяся в металлических трубах вода может набрать железа, и инженер предложит вам по анализу такую установку, на которую у Илона Маска денег не хватит. Но и это ещё не всё. Отдельно стоит упомянуть про так называемое органическое железо — комплексные органические соединения, содержащие в составе молекулы атом железа (как правило, гуматы — комплексы гуминовых кислот). Выбить железо из таких комплексов нелегко, и оно не окисляется на воздухе. Удаление из воды органического железа может быть затруднительным.

Марганец. От марганца на сантехнике появляется серый налёт, поэтому нормируют его жёстко. Организму человека этот микроэлемент тоже необходим (суточная потребность 2 мг [1]). Из воды легко усваивается. Ещё содержится в свёкле и половине овощей вообще. Валентностей у марганца целых семь, подробно рассматривать не имеет смысла. Двухвалентный марганец хорошо растворим, трёх- и четырёхвалентный обычно подвергается гидролизу и выпадает в виде нерастворимых гидроксидов. В отличие от железа, марганец в поверхностных водах встречается чаще. Особенно если это колодцы, и в подземной воде, питающей их, содержится какой-нибудь двухвалентный ион марганца. Дело в том, что марганец так вот запросто атмосферным воздухом не окисляется. Может захватываться осаждающимся железом и удаляться совместно с ним. Загрузки все те же самые, ибо принцип тот же: окисление, укрупнение и механическая фильтрация. ПДК 0.1 мг/л.

Жёсткость. Жёсткость замыкает тройку параметров, на которые нацелены почти все полупромышленные системы очистки воды. Да-да, есть фильтры-обезжелезиватели (удаляют железо, марганец и некоторые другие тяжёлые металлы) и фильтры-умягчители (удаляют жёсткость). Безусловно, есть другие типы фильтров, которые работают, например, по окисляемости, но в конечном итоге для промышленных нужд вам предложат обратный осмос с предочисткой, тогда вода на выходе будет как по ГОСТу для лабораторий: 3…5 мкСм/см. Но мы отвлеклись. В школе вам рассказывали, что жёсткость — это совокупность ионов кальция и магния. Именно они выпадают в виде накипи при кипячении воды. На самом деле, такое определение не совсем корректно. Да, значительную долю жёсткости составляют ионы кальция и магния, но вообще жёсткость — это сумма всех щелочноземельных ионов, а также некоторых двухвалентных ионов тяжёлых металлов. Цинк, барий, кадмий, даже двухвалентное железо — это всё жёсткость. Другое дело, что химик в лаборатории будет маскировать ионы двухвалентного железа при измерении жёсткости. Зато кадмий вполне себе на величине жёсткости отразится. Но поспешу вас успокоить: ионов кальция в составе жёсткости большинство — как правило, процентов 80, и ещё процентов 15 магния. Нормируют жёсткость исключительно для снижения количества накипи в чайниках, а особо рьяно — в отраслевых стандартах для всяких котельных, где жёсткости в воде быть не должно вообще. Иногда вы можете услышать, что использовать в хозяйстве нужно исключительно мягкую воду, а жёсткая, якобы, вредна. Жёсткая вода увеличивает затраты на мыло, уменьшает срок жизни стиральной машинки… Вас могут начать убеждать, аргументируя тем, что кальций из воды всё равно не усваивается, и организм получает его из молока и сыра. Это некорректно.

Давайте отвлечёмся и кратко поговорим о процессе скисания молока. В молоке содержится казеинат кальция и молочный сахар лактоза. Микроорганизмы, попавшие в молоко, начинают сбраживать лактозу, постепенно превращая её в молочную кислоту. Молочная кислота выбивает из казеината кальция кальций и замещает его на ион водорода. Казеинат кальция при этом превращается в казеин — белок молока, из которого целиком состоит творог. А кальций остаётся в сыворотке в виде лактата кальция. Так что творог и сыр кальцием бедны. А в натуральном свежем молоке — да, кальций есть. Но, чтобы усвоиться, он сначала должен быть выбит из казеината соляной кислотой желудка. В воде же кальций уже готовый — сразу в ионной форме, и усваивается мгновенно. Поэтому, вода — один из важнейших источников кальция в организме, а нужно нам его немало — суточная потребность составляет не менее 1000 мг. ПДК по жёсткости — 7 мг-экв/л. Если переводить это в кальций, то в воде может содержаться (7 ∙ 20.04) 140 мг/л кальция. Так что вам потребуется выпить 7-8 литров воды, чтобы получить суточную норму. Однако накипь начинает заметно образовываться уже при содержании жёсткости порядка 4 мг-экв/л. Ручное кусковое мыло — смесь натриевых солей высших жирных кислот — при контакте с жёсткой водой превращается в смесь кальциевых солей высших жирных кислот, а кальциевые соли мыла в воде растворяются плохо. Но сейчас производители добавляют в мыло умягчающие агенты — например, трилон Б, которые нивелируют этот процесс. Синтетические же моющие средства — порошки, гели и прочие лаурилсульфаты — вообще жёсткости не боятся и никак ею не осаждаются. Вывод? Пить полезно жёсткую воду (7 мг-экв/л согласно СанПиН), руки с мылом мыть в воде с содержанием жёсткости 2…4 мг-экв/л, на стиральную и посудомоечную машины подавать мягкую воду (< 0.1 мг-экв/л), и то — лишь для того, чтобы не обрастал нагревательный элемент. Что касается чайников, то при жёсткости порядка 2 мг-экв/л образование накипи на нагревательном элементе практически незаметно. Обратите внимание, что не все соединения кальция и магния выпадают в виде накипи при кипячении. Строго говоря, это свойственно только гидрокарбонатам, а всякие хлориды и сульфаты как плавали в воде до кипячения, так и будут плавать после. Обычно в речной воде (а реки обеспечивают водой большинство наших поселений) величина жёсткости, в зависимости от сезона, составляет 2..4 мг-экв/л (зимой ниже).

Для удаления из воды солей жёсткости используют катионообменные смолы, которые попутно связывают большинство других катионов, в том числе марганец и двухвалентное железо. Поэтому существуют варианты фильтров, удаляющих одновременно железо, марганец и жёсткость на одной загрузке, но есть нюансы — железо и марганец должны содержаться в воде в небольшом количестве, при этом железо обязательно должно быть двухвалентным (в ионной форме). Таким фильтрам необходима регенерация солевым раствором, поэтому расходный материал здесь — таблетированная соль (также как в обезжелезивателях расходным материалом может быть марганцовка). Катионообменная смола заряжена ионами натрия. Жёсткая вода, проходя через слой такой загрузки, будет обмениваться со смолой ионами — отдавать кальций/магний, забирать натрий. В конце концов, заряд ионов натрия на смоле израсходуется, после чего контроллер отключит потребителей и зальёт в фильтр крепкий раствор хлорида натрия. Произойдёт обратная замена, все осевшие на смоле ионы жёсткости перейдут в раствор, который далее сольётся в дренаж. А смола, заново перезаряженная ионами натрия, сможет и дальше чистить воду.

Отдельно хочется рассказать о китайских карманных приборчиках, которые якобы измеряют жёсткость. На самом деле, эти приборчики — обычные кондуктометры, или TDS-метры. Они измеряют удельную электропроводность воды в мкСм/см, полученное значение умножают на примерно 0.5 и получают некую величину в ppm. И весело рапортуют вам, что жёсткость вашей воды, скажем, 250 ppm. Ну, во-первых. На Западе жёсткость действительно измеряют в ppm, при этом они считают по карбонату кальция.

Молярная масса карбоната кальция 100 мг/ммоль, фактор эквивалентности 0.5, следовательно, один миллиграмм-эквивалент карбоната кальция «весит» 50 мг. Так как мг/л и ppm — практически одно и то же, то при переводе в наши родные единицы измерения 50 ppm = 1 мг-экв/л жёсткости. Во-вторых, кондуктометрическим методом, как я уже говорил, определяют общее солесодержание, сумму всех анионов и катионов в растворе. Измерить этим методом отдельно жёсткость практически невозможно (возможно, если предварительно в лаборатории выяснить, какой процент ионы кальция и магния составляют от суммы всех ионов конкретно в данной воде, вычислить поправочный коэффициент и потом кондуктометрически эту же самую воду измерить). А все эти якобы измерители жёсткости просто определяют общее солесодержание в предположении, что кроме карбоната кальция в воде ничего не растворено.

Щёлочность. Не нормируется, представляет собой всё, что способно прореагировать с 0.1М раствором соляной кислоты. В наших природных водах это, в основном, карбонаты и гидрокарбонаты. По щёлочности можно примерно прикинуть, какой процент карбонатной (временной) жёсткости в вашей воде. Остальная часть жёсткости будет некарбонатной, то есть той, которая в осадок не выпадает при кипячении (хлориды, сульфаты…). Этот параметр больше нужен инженерам в их расчётах (особенно интересно посмотреть на буферность воды). Специфических методов удаления щёлочности нет, да её и удалять не требуется.

Азотистые соединения: нитраты, нитриты, аммоний. Как только в начале лета в продаже появляются арбузы, все вокруг начинают обсуждать нитраты. Между тем, нитраты совершенно безопасны. Их ПДК составляет 45 мг/л. А вот нитриты… Попадая в кровь, нитриты связываются с гемоглобином, превращая оксигемоглобин в метгемоглобин, неспособный переносить кислород. ПДК нитритов в воде хозяйственно-бытового назначения 3 мг/л. Но почему никто не бьёт панику, читая в составе колбасы строку «нитритно-посолочная смесь»? Ведь это смесь нитрита натрия с хлоридом натрия. Благодаря своей способности связываться с белками крови, а также вступать в реакции азосочетания, нитрит помогает окрашивать мясо в красный цвет. Без применения нитритов в составе колбасы вы бы ели совершенно серую и неприглядную продукцию. Зато были бы здоровее, ведь так? Давайте внимательнее рассмотрим этот момент. Производители утверждают, что в их посолочной смеси нитрита натрия всего 0.6%. Ещё у человека есть фермент метгемоглобинредуктаза, который способен починить неработающий гемоглобин, так что рано накрываться простынкой и с колбасой в зубах ползти на кладбище. Превращения нитратов в нитриты в организме человека (а именно этим вас могут запугивать, апеллируя к таинственному ферменту нитратредуктазе), строго говоря, невозможно собственными силами организма. Считается, что у животных и человека этот фермент отсутствует, и я пока не видел статей, доказывающих обратное. Зато у нас в ротовой полости живут микроорганизмы, вырабатывающие этот фермент. Действительно, они способны превращать нитраты в нитриты. Мы все умрём, да? Нет. Процесс редуцирования нитратов не быстрый, КПД не высокий. Да и конечные продукты потребляются, собственно, теми микроорганизмами, которые фермент вырабатывают. Они так азот усваивают.

Кроме того, этот экзогенный нитратный цикл играет огромную роль в сохранении и улучшении нашего здоровья, хотя бы потому, что нормализует давление, защищает от кариеса и убивает бактерии. Помимо нитратредуктазы, живность в нашей ротовой полости вырабатывает и нитритредуктазу, превращающую нитрит дальше в ион аммония. Ион аммония влияет на кислотно-щелочной баланс жидких сред организма. Есть сведения, что при переизбытке он может защелачивать кровь. Наш организм сам выделяет аммоний при распаде белков и далее связывает его в мочевину (то есть, методы нейтрализации существуют). ПДК аммония в воде хозяйственно-бытового назначения 2.6 мг/л (в СанПиНе: 2 мг/л по азоту). Как правило, в природных водах нитраты, нитриты и аммоний не превышают ПДК, хотя есть нечастые исключения. Удаление этих соединений из воды более-менее гарантируется только обратным осмосом. Конечно, нитраты с нитритами сядут на анионообменной смоле, а аммоний — на катионообменной, но в силу своих физико-химических свойств они могут быть быстро выбиты со смолы другими ионами, содержащимися в воде.

Окисляемость. Иначе — химическое потребление кислорода. Это всё, что способно окислиться перманганатом калия в сернокислой среде: органические молекулы, одноклеточные водоросли, двухвалентное железо… Правда, химик-аналитик при измерении окисляемости железо вычтет. В целом, по окисляемости можно косвенно судить о биологическом загрязнении воды. Единица измерения окисляемости — мгО/л (количество миллиграммов атомарного кислорода, поглощённое литром исследуемого раствора). Органическое железо и окисляемость могут быть связаны между собой. ПДК перманганатной окисляемости 5 мгО/л. Есть загрузки, которые работают по окисляемости. Но при пороговом её содержании в вашей воде инженер скорее предложит угольный фильтр.

Сероводород и радон. Сероводород ядовит и дурно пахнет, радон радиоактивен. Не должны присутствовать в воде вообще, ибо пользы от них никакой. Сероводород можно окислить до элементарной серы на специальных загрузках, но только до определённой концентрации. Самый надёжный метод, позволяющий удалить оба этих растворённых газа из воды, — отдувка. Через воду барботируют атмосферный воздух, в результате чего оба газа выдуваются из воды и уходят вместе с подаваемым воздухом в окружающую атмосферу, отравляя всё вокруг. Помещение, в котором происходит этот процесс, обязательно должно быть техническим (нежилым) с хорошей вентиляцией.

Сульфаты, хлориды. ПДК первых 500 мг/л, вторых 350 мг/л. Токсикологии никакой. Нормируют из-за вкуса: сульфаты горчат, хлориды солонят. Удаляют обратным осмосом.

Осмотическое давление, благодаря которому растения всасывают воду из почвы, действует по следующему принципу: если два раствора разделены полупроницаемой перегородкой, через которую могут проникнуть молекулы воды, но не пройдут ионы, то растворитель перетекает из области с меньшей концентрацией в область с большей, уравнивая концентрации. Обратный осмос использует точно такую же полупроницаемую мембрану, но искусственно создаётся давление как раз в области с большей концентрацией, в результате чего растворитель перетекает в область с меньшей концентрацией, а раствор концентрируется. При этом входной поток воды разделяется на два: пермеат (чистая вода) и концентрат, который сливается в дренаж. В бытовых осмосах соотношение пермеат: концентрат составляет примерно 1: 3 (3 части входной воды сливаются в дренаж). В дорогих промышленных этот процесс компенсируют, иначе потери будут страшными.

Водородный показатель. Он же pH. На нём и будем закругляться. Представляет собой отрицательный десятичный логарифм из концентрации ионов водорода, индицирует кислотность среды. Нормируется в диапазоне 6-9 ед. pH. Более кислый раствор растворит вам зубы, более щелочной начнёт раздражать слизистую желудка. Очень важный параметр для подбора оборудования — многие загрузки работают в определённом диапазоне pH. В природных водах почти всегда находится вблизи отметки 7 ед. pH, в каких-то экстраординарных случаях инженер может предложить дозировать в воду щёлочь или кислоту для достижения заданного значения кислотности.

В конце хочу добавить пару слов о типах фильтров. Я упоминал в тексте кабинетные системы и фильтры колонного типа. В сущности, это одно и то же. Есть некий баллон, внутри которого располагаются дренажно-распределительная система и фильтрующий материал. Только в кабинетных системах это всё зажато в небольшой объём и помещено в корпус размером со стиральную машинку. Из плюсов — меньший расход воды и реагентов на промывку, из минусов — один фильтрующий материал на все параметры. Фильтры колонного типа более гибкие в настройке — например, если кабинетник сразу удалит вам железо, марганец и жёсткость в ноль, и вы ничего с этим не сделаете, то, поставив последовательно две колонны — одну по железу, вторую по жёсткости — вы сможете регулировать выходную жёсткость воды так, чтобы вам было комфортно принимать душ (чтобы не было ощущения, будто мыло не смывается), при этом железа и марганца в очищенной воде не будет. Помните, что типоразмер баллона зависит от вашего водопотребления, и нельзя ставить самый маленький баллончик на расход воды в два кубометра в час. Просто начнутся проскоки загрязнений, и в конце концов вы убьёте фильтрующий материал. Фильтрующие материалы, к слову, обычно служат 5-7 лет, после чего их необходимо заменять. Но прежде рекомендую провести анализ воды на выходе, потому что я лично щупал фильтр, который исправно работает 11 лет на одной загрузке.

Материал получился большой, можно почитать на ночь, чтобы быстрее заснуть и крепче спать. Я попытался объять необъятное, рассказал самую суть и сейчас дополню, разве что, про бактериологическую очистку. Есть всего один метод убить живность в воде — окислить её. Для этого в простейшем случае в воду будут дозировать хлор в виде гипохлорита или на выходе поставят ультрафиолетовую лампу. Ультрафиолет ионизирует растворённый в воде кислород, а активный кислород как раз и убьёт бактерии. Оптимальный вариант — озонатор. УФ-лампа или озонатор ставятся на выходе после всей очистки, непосредственно перед подачей воды потребителю, а хлор — наоборот, в начале. Потому что хлор более медленный окислитель и ему нужно дать время, а потом излишки хлора нейтрализовать на угольном фильтре.

В водоочистке ещё очень много нюансов и подводных камней. Но… «Это неописуемо!» — сказала Моська, глядя на баобаб. опубликовано

Автор: Дмитрий Филатов

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Как поддерживают уровень жесткости воды в ммоль л с применением современных технологий

Так как отечественные снабжающие организации не обязаны поддерживать или снижать уровень жесткости ниже 7 ммоль л, соответствующую подготовку приходится выполнять самостоятельно. Владельцы индивидуальных загородных участков решают эти задачи в обязательном порядке при подключении к личным/коллективным артезианским скважинам.

В стандартном варианте соединения кальция и мания извлекают из потока жидкости с применением технологии ионного обмена. Активный наполнитель в гранулах засыпают в специальную емкость. Изначально и для регенерации его пропитывают безвредным раствором солей натрия. Рабочие циклы промывки и восстановления автоматизируют с применением специализированных блоков автоматики/контроля.

Другие методики борьбы с накипью

Если концентрация примесей не велика, применяют проточные фильтры или автономные кувшины. В них устанавливают картриджи с наполнителями из ионообменных смол. Некоторые конструкции подразумевают возможность неоднократного восстановления утраченных свойств с применением промывки в растворе лимонной кислоты.

Следующий способ подготовки питьевой воды – обратный осмос. Бытовые установки обеспечивают производительность не более 220-240 литров за неделю. Но этого достаточно для удовлетворения потребностей средней семьи. Для запаса дополняют комплект накопительным баком на 80-14 литров.

Электромагнитные преобразователи применяют вместо установок ионного обмена. Эти современные приборы занимают минимум места, но предотвращают образование накипи на расстоянии до 2 км от места монтажа катушки индукции. В отличие от обратного осмоса и других технологий они никак не изменяют жесткость воды в ммоль л или мгэкв л. Соответственно, сохраняются ценные для физиологии человека компоненты.

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.

Влияние жесткой воды на здоровье человека

Влияние солей, содержащихся в водном растворе, на организм человека недостаточно изучено. Но, по данным исследований, примеси оказывают негативное воздействие на:

1. Сердечно-сосудистую систему.
2. Почки. Большое количество солей в организме приводит к образованию камней.
3. Кожу. Мыло взаимодействует с солями кальция и магния и образует несмываемую пленку, которая нарушает защитный слой кожи. Раздражение и аллергия — следствие использования жесткой воды.
4. Волосы. Они становятся ломкими.
5. Желудочно-кишечный тракт. Соли оседают на стенках желудка, их накопление в организме может привести к дисбактериозу и другим расстройствам пищеварения.
6. Суставы. Большое количество примесей в воде способствует развитию артрозов.

Таблица 1

Рассмотрим разновидности жёсткости

Этот показатель принято разделять на следующие категории.

• Постоянная — является неизменным показателем, который зависит от содержания сульфатов и хлоридов.
• Временная — обусловлена содержанием бикарбонатов кальция и магния. Название этот вид жёсткости получил за способность практически полностью нейтрализоваться в результате кипячения.
• Жёсткость общая — получается в результате сложения показателей постоянной и временной.

Для того чтобы точно определить этот показатель, необходимо знать какими единицами измерения это можно сделать.