Жёсткость воды и её влияние на моющие свойства¶

Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Жёсткость является важным показателем качества воды, влияющим на её пригодность для хозяйственно-бытового и промышленного использования, в том числе на эффективность действия моющих средств.

¶Природа жёсткости и её виды

Жёсткость воды обусловлена присутствием катионов кальция и магния, которые попадают в воду в результате растворения горных пород (известняков, доломитов, гипса) и почвенных минералов. В меньшей степени на жёсткость влияют ионы стронция, бария и железа.

Различают два основных вида жёсткости:

• Временная (карбонатная) жёсткость — обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Такая жёсткость устраняется при кипячении, поскольку гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов, выпадающих в осадок (накипь).
• Постоянная (некарбонатная) жёсткость — обусловлена содержанием сульфатов, хлоридов, нитратов и других солей кальция и магния. Эти соли не разлагаются при нагревании и не удаляются кипячением.

Сумма карбонатной и некарбонатной жёсткости составляет общую жёсткость воды.

¶Единицы измерения и шкала жёсткости

В России жёсткость воды измеряется в градусах жёсткости (°Ж), где 1 °Ж соответствует концентрации ионов щёлочноземельных элементов, численно равной ½ их миллимоля на литр (то есть 1 мг-экв/л). В международной практике распространены немецкие (dH), французские (fH) и американские (ppm) градусы.

По величине общей жёсткости воду принято классифицировать следующим образом:

Для большинства бытовых целей оптимальной считается вода с жёсткостью 3–5 °Ж.

¶Механизм влияния жёсткой воды на моющие свойства

Моющее действие мыла и синтетических поверхностно-активных веществ (ПАВ) основано на способности их молекул снижать поверхностное натяжение воды и связывать загрязнения в устойчивые мицеллы, которые затем удаляются с поверхности.

В жёсткой воде эффективность моющих средств значительно снижается по нескольким причинам:

1. Реакция с мылом. Анионы жирных кислот, входящие в состав мыла, реагируют с ионами кальция и магния, образуя нерастворимые соли — так называемые «кальциевые мыла». Этот процесс приводит к двойному негативному эффекту: во-первых, мыло расходуется впустую на связывание ионов жёсткости, а не на очистку; во-вторых, образующийся осадок оседает на ткани и поверхностях в виде серого налёта, придавая белью тусклый вид и делая его жёстким на ощупь.

1. Снижение активности синтетических ПАВ. Ионы жёсткости способны взаимодействовать с анионными ПАВ, снижая их поверхностную активность и пенообразующую способность. Для компенсации этого эффекта требуется значительно большее количество моющего средства.

1. Образование накипи. При нагреве жёсткой воды гидрокарбонаты разлагаются, образуя плотный осадок карбонатов на нагревательных элементах стиральных и посудомоечных машин. Это снижает теплопередачу, увеличивает энергопотребление и сокращает срок службы техники.

¶Способы смягчения воды

Для устранения негативного влияния жёсткой воды на моющие свойства применяются следующие методы:

• Термическое смягчение — кипячение воды для удаления временной жёсткости.
• Реагентное смягчение — добавление кальцинированной соды, ортофосфата натрия или гашёной извести, которые связывают ионы кальция и магния в нерастворимые соединения.
• Ионообменное умягчение — пропускание воды через катионитовые фильтры, в которых ионы жёсткости замещаются на ионы натрия.
• Мембранные методы — обратный осмос и нанофильтрация, позволяющие удалить до 99 % солей жёсткости.
• Комплексообразование — добавление в моющие средства триполифосфата натрия, цеолитов, ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) и других комплексонов, связывающих ионы жёсткости в растворимые комплексы.

¶Современные моющие средства и жёсткость воды

Современные синтетические моющие средства содержат специальные добавки — смягчители (билдеры), которые связывают ионы жёсткости и предотвращают их негативное воздействие на ПАВ. В качестве билдеров используются триполифосфат натрия, цеолиты, лимонная кислота и её соли. Однако из-за экологических проблем, связанных с эвтрофикацией водоёмов фосфатами, производители постепенно заменяют их на экологически более безопасные компоненты.

На упаковках стиральных порошков производители обычно указывают рекомендуемую дозировку для воды различной жёсткости. В регионах с жёсткой водой требуется увеличивать расход моющего средства, что повышает затраты потребителей и создаёт дополнительную нагрузку на окружающую среду.

¶Практические рекомендации

Для снижения негативного влияния жёсткой воды в бытовых условиях рекомендуется использовать специальные умягчающие средства (например, кальцинированную соду), устанавливать ионообменные фильтры на входе воды в стиральные и посудомоечные машины, а также применять средства для удаления накипи для регулярной очистки нагревательных элементов. В ряде регионов России с высокой жёсткостью воды (например, в Калмыкии, Астраханской области, Ставропольском крае) установка систем умягчения является практически обязательным условием эффективной работы бытовой техники.

¶Источники

• Лурье Ю. Ю. «Аналитическая химия промышленных сточных вод».
• Кульский Л. А. «Основы химии и технологии воды».
• ГОСТ Р 52029-2003 «Вода. Единица жёсткости».
• Фрог Б. Н., Левченко А. П. «Водоподготовка».