Понятие о жѐсткости воды и методах еѐ устранения (на примере анализа химического состава водопроводной воды на территории Белгородской области)

Понятие о жѐсткости воды и методах еѐ устранения (на примере анализа химического состава водопроводной воды

на территории Белгородской области)

Что подразумевают под понятием «жѐсткость воды»?

Можно ли водопроводную воду и воду водоемов Белгородской области назвать жѐсткой?

В воде из большинства природных источников на территории Белгородской области мыло практически не даѐт пену и наблюдается белый налет. А при кипячении даже водопроводной воды на стенках сосуда образуется накипь, которая состоит из карбонатов кальция и магния. Вода в нашем регионе является достаточно жѐсткой. Что же это означает?

Под жѐсткостью воды подразумевают совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней ионов кальция (Са²⁺) и магния (Mg²⁺).

Один из возможных источников указанных ионов – горные породы (известняки – CaCO₃ и доломиты – CaCO₃ ∙ MgCO₃), которые растворяются в результате контакта с природной водой.

Рис. 1. Типичный вид мелового берега реки на территории Белгородчины	Рис. 2. Накипь на стенках чайника

Высокая жѐсткость понижает качество питьевой воды, придавая ей горьковатый вкус, а также характеристики воды для технических нужд. В жесткой воде плохо мылится мыло, так как входящие в него натриевые соли высших карбоновых кислот образуют с ионами кальция и магния осадки.

Оборудование и бытовая техника, в котором циркулирует жесткая вода (котлы, трубы, стиральные машинки) постепенно покрываются изнутри слоем накипи, который препятствует движению воды, увеличивает затраты энергии на нагревание. При стирке белья в жесткой воде расходуется в 2 раза больше порошка, чем в мягкой воде.

В целом, жѐсткость поверхностных вод, как правило, меньше жѐсткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой.

В России жѐсткость воды обычно измеряют в мг-экв/л (миллиграмм эквивалент на литр) или использую мг/л (миллиграмм на литр).

В таблице 1 приведена классификация жѐсткости воды в мг-экв/л. Различают жѐсткость воды временную и постоянную.

Временная (карбонатная жѐсткость) обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Для устранения данной жѐсткости достаточно прокипятить воду, образующаяся на стенках чайника накипь включает карбонаты кальция и магния:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O (при нагревании), Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + CO₂ + H₂O (при нагревании).

Постоянная (некарбонатная жѐсткость) объясняется содержанием в воде (как природной, так и водопроводной) сульфатов и хлоридов кальция и

магния. Данный вид жѐсткости нельзя устранить кипячением, поэтому используют соду и ряд других реагентов. При этом соли магния и кальция осаждаются в виде карбонатов, которые отделяют отстаиванием или фильтрованием.

Таблица 1

Классификация жѐсткости воды в мг-экв/л

Жесткость воды в мг-экв/л	Из справочника по гидрохимии	Водоподготовка (из нормативных документов)	USEPA (международное агентство по охране природы)
0 – 1,5	Мягкая	Очень мягкая	Мягкая
1,5 – 1,6		Мягкая	Умеренно мягкая
1,6 – 2,4
2,4 – 3,0
3,0 – 3,6		Умеренно жѐсткая	Жѐсткая
3,6 – 4,0
4,0 – 6,0	Средней жѐсткости
6,0 – 8,0		Жѐсткая	Очень жѐсткая
8,0 – 9,0	Жѐсткая
9,0 – 12,0		Очень жѐсткая
Свыше 12,0	Очень жѐсткая

Общая жѐсткость воды складывается из временной (карбонатной) и постоянной (некарбонатной) жѐсткости.

Для умягчения воды в быту часто используют специальные фильтры, заполненные ионообменной смолой. Смола представляет органический полимер, содержащий кислотные группы, заряд которых нейтрализован ионами Na⁺. Ионы кальция и магния за счет ионного обмена задерживаются смолой, а ионы натрия переходят в раствор.

Анализируя исследования белгородских учѐных, попробуем определить

«Какую же воду пьют жители Белгородчины?».

На территории Белгородской области распространен турон- маастрихтский водоносный горизонт. На эксплуатации вод этого горизонта базируется централизованное водоснабжение города Белгорода и ряда других городов области (Шебекино, Грайворон, Борисовка, Короча). Воды турон-маастрихтского горизонта по качеству разнообразны.

Преимущественно это гидрокарбонатные кальциевые и кальциево- натриевые воды с минерализацией 300-450 мг/л, умеренно жесткие, но в направлении на юго-запад могут встречаться сульфатно-гидрокарбонатные и хлоридно-гидрокарбонатные воды с минерализацией 500-600 мг/л, с жесткостью до 14-15 ммоль/л.

На территории области имеет повсеместное распространение альб- сеноманский водоносный горизонт. В западной части области он залегает на глубине 300 – 500 м, в восточной – на глубине 30 – 150 м. Воды этого горизонта пресные, гидрокарбонатные кальциевые, с минерализацией 400 – 600 мг/л. Они характеризуются повышенным содержанием железа. На водах этого горизонта базируется водоснабжение городов и поселков северной и северо-восточной частей области (Старый Оскол, Губкин, Новый Оскол, Чернянка и др.).

Однако ввиду их неглубокого залегания и отсутствия перекрывающего водоупора, этот горизонт является незащищенным от загрязнения. В западных районах области воды альб-сеноманского водоносного горизонта используются для водоснабжения населенных пунктов, расположенных на водораздельных пространствах, где турон-маастрихтский водоносный горизонт является практически безводным.

Прогнозные ресурсы пресных питьевых подземных вод (тыс. м³/сутки) в Белгородской области составляют 2200, разведанные запасы – 1428, используется разведанных запасов 547 (по состоянию на 2004 год). Месторождения пресных питьевых вод в основном расположены в Белгородском, Старооскольском, Чернянском и Губкинском районах.

По значению жесткости (5,8 – 9,8 ммоль/л) водопроводная вода территорий белгородской области относится к группе жѐстких вод, для

которых интервал жесткости по существующей классификации составляет 5,4 – 10,7 ммоль/л.

Следует отметить, что в результате систематического употребления жесткой воды развиваются патологические изменения в организме человека: мочекаменная болезнь, склероз, гипертоническая болезнь.

Как показывает проведенные коллективом учѐных НИУ «Белгородский государственный университет» исследования, жесткость белгородской воды в основном обусловлена ионами кальция. Минимальное значение концентрации ионов кальция обнаружено в Прохоровке (104 мг/л) и максимальное – в Ровеньках (156 мг/л).

Некоторые исследователи считают, что отмечаемое благоприятное влияние жестких вод на сердечно – сосудистую систему обусловлено ионами магния. У населения, употребляющего воду с низким содержанием магния, обнаружена более высокая заболеваемость коронарной болезнью. Ион кальция обычно бывает антагонистом иона магния в биохимических процессах. Так, ионы кальция подавляют активность многих ферментов, активируемых ионами магния.

Рассматривая биохимическую роль катионов кальция и магния, следует отметить определенную защитную функцию кальция в организме человека – его способность конкурировать с ионами тяжелых металлов за специфический белок. Ионы кальция способствуют уменьшению токсичности тяжелых металлов.

Результаты, представленные в таблице 2, показывают, что в водопроводной воде всех указанных районов концентрация железа превышает предельно допустимую концентрацию (0,3 мг/л) в 1,6 – 7,6 раза. Наиболее высокие концентрации железа выявлены в водопроводной воде в Чернянке, Новом Осколе и Грайвороне.

Пользуясь результатами таблицы 2 и найденными в литературе требованиями к химическому составу питьевой воды, проанализируйте данные по вашему району. Какие выводы можно сделать?

Таблица 2

^а Величина, указанная в скобках, может быть установлена по постановлению главного государственного санитарного врача на соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения на основе оценки санитарно-эпидемиологической обстановки в населенном пункте.

^b   Материалы    исследований    Л.Ф.    Голдовской-Перистой,    В.А.    Перистого,    А

.А. Шапошникова, Е.А. Денисова НИУ «БелГУ», г. Белгород

Лабораторные опыты

Опыт   1.  Установите,   имеются   ли  в   выданных  вам   пробах  воды сульфаты и гидрокарбонаты.

Опыт   2.  Докажите   опытным  путем   как   можно  умягчить  воду  с постоянной жесткостью.

Опыт   3.  Докажите   опытным  путем   как   можно  умягчить  воду  с временной жесткостью.

Вопросы для самоконтроля и обсуждения

1.        Дайте   определение   понятиям   общая,  временная   и   постоянная жѐсткость воды.

2.      Сравните методы устранения временной и постоянной жесткости воды. Проиллюстрируйте ответ уравнениями химических реакций.

3.   Можно назвать водопроводную воду в Белгородской области жѐсткой. Ответ поясните, пользуясь материалом параграфа.

4.   Почему подводные воды всегда более жесткие, чем поверхностные?

5.     Напишите уравнения химических реакций, которые иллюстрируют устранение постоянной (некарбонатной) жѐсткости. Классифицируйте способы устранения постоянной жесткости воды, проанализируйте их эффективность.

6.    Пользуясь специализированной литературой, определите, что входит в понятие «минерализация» применительно к изучению качества питьевой воды. Что подразумевается под понятием «водоносный горизонт»?

7.   Решите задачу. Проследите, как Вы полощите рот при чистке зубов:

1)    наливаете воду в стакан – расход воды примерно 200 мл; 2) полощите водой, взятой прямо из крана – расход воды примерно 10 литров. Сколько воды могут потерять жители города Белгорода ежедневно, учитывая, что зубы чистят утром и вечером? Сколько стоит потерянный объѐм воды, если известно, что 1 м³ холодной воды стоит примерно 30,00 рублей? (Число жителей 350 тыс. человек).

Задания для самостоятельной работы

1.      Пользуясь дополнительной литературой, найдите, что обозначает понятие «эквивалент» в химии. Как жесткость в ммоль/л перевести мг-экв/л? Совместно с учителем рассмотрите методики определения жесткости воды, проведите изучение жесткости воды из водопроводной системы в вашей территории.

2.   Решите задачу. В 1 л водопроводной воды г. Белгорода и г. Старого Оскола в среднем содержится по 0,35 мг фтора. Фторирование

водопроводной воды не производится. Считая, что человек потребляет 2 литра воды в сутки, вычислить, сколько фтора вводится в организм человека ежедневно, если необходимая суточная доза фтора 1,5 мг. Дефицит поступления фтора в организм человека вызывает кариес зубов. Заболевание можно предотвратить добавлением фторида натрия. Сколько фторида натрия нужно добавить в воду для восполнения необходимой суточной дозы?

3.    Опишите принцип действия ионообменного фильтра. Сталкивались ли вы с такими фильтрами в быту?

4.     Как Вы думаете, почему ионообменные смолы выпускают в виде мелких шариков? Если у Вас дома есть фильтр, аккуратно вскройте его патрон после использования, рассмотрите содержимое. Совместно с учителем продумайте план исследования эффективности различных фильтров.