Статьи

Как повысить и понизить жесткость воды в аквариуме. Определение временной, или карбонатной жесткости

Чтобы создать комфортные условия для жизни аквариумных рыбок, важно использовать воду оптимальной жесткости, с заданным кислотно-щелочным балансом. Чтобы повысить жесткость воды, используют известняк и мрамор

Чем мягче вода, тем быстрее она повысит жесткость. Другой способ – химический, с применением хлористого кальция и магнезии

Чтобы повысить жесткость воды, используют известняк и мрамор. Чем мягче вода, тем быстрее она повысит жесткость. Другой способ – химический, с применением хлористого кальция и магнезии.

Максимальный эффект достигается при использовании обоих препаратов одновременно.

Чтобы уменьшить жесткость, воду нужно прокипятить. Как долго это следует делать? Учтите, что для снижения жесткости вдвое, кипятить воду нужно минимум в течение получаса. Другой способ – вымораживание. Воду наливают в пластиковый контейнер и помещают в морозилку. Затем лед растапливают, а полученную воду используются в пищевых или любых других целях.

Если объемы воды большие, проще будет использовать специальное оборудование. Широкое распространение в быту в последние годы получили установки обратного осмоса. Для расчета необходимого объема водопроводной воды используйте формулу – вычитание объема воды, получаемой из водопровода, из объема с заданной жесткостью, который нужно получить.

Часто методы умягчения используют комбинированно. Например, одну часть солей жесткости убирают реагентным способом, а другую с помощью катионного обмена. Приведем формулы содово-известкового способа умягчения:

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О

В итоге Mg(OH)2 коагулирует, выпадая в осадок. Затем, в целях устранения некарбонатной жесткости, вводится Na2CO3.

Последующие химические реакции:

В итоге образуется углекислый кальций, выпадающий затем в осадок. Реагенты вводят в разные зоны:

• хлор – во всасывающие трубопроводы;
• коагулянт – в трубопровод перед смесителем либо непосредственно в смеситель;
• известь – вместе с коагулянтом;
• уголь активированный – перед фильтрами;
• хлор и аммиак – в фильтрованную воду.

Опреснение, обессоливание, удаление растворенных газов, железа, стабилизация – это специальные способы очистки. Так если для снижения жесткости используются методы катионирования или ионного обмена, речь идет об обессоливании. Вода, которая получается на выходе, не содержит ни анионов, ни катионов солей.

Как измерить жесткость

Для оценки показателей жесткости воды используются следующие способы:

1. Комплексонометрическое титрование трилоном Б. Метод сложный и самый точный.
2. Покупные тесты. Не на 100% точные, зато простые и недорогие.
3. Измерение электропроводности. Используйте кондуктометр.
4. С помощью ионометра и ионоселективных электродов.
5. С применением методики титрования соляной кислотой проб воды. Сложный и не очень точный метод. То же самое можно сказать о тестах с применение хозяйственного мыла.

Под титрованием подразумевается добавление в воду реагента требуемой концентрации. Концентрация солей жесткости определяется в зависимости от реакции реагента с водой. Приготовить реактив просто – достаточно смешать кислоту с дистиллированной водой в заданных пропорциях. Готовый раствор опасности не представляет.

Проще всего использовать готовые тексты. Для этого 5 мл воды наливается в стаканчик, затем в жидкость по каплям добавляется содержимое теста, после каждой капли вода перемешивается. Делать так нужно до тех пор, пока цвет не станет зеленым вместо розового.

Жесткость воды. Соли жесткости

Жесткость воды — это совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворенных солей щелочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жесткости»).

Соли жесткости имеют разные свойства. Так, при нагреве воды, некоторые из них выпадают в осадок в виде накипи, а некоторые — не выпадают. По этому признаку их и начали разделять.

Соли, выпадающие в осадок, стали называть солями временной (или устранимой) жесткости, а соли, которые не выпадают в осадок при нагреве воды, солями постоянной жесткости.

Сульфаты, хлориды и нитраты магния и кальция, растворенные в воде, образуют постоянную (или некарбонатную) жесткость. Они выпадают в осадок исключительно при полном испарении воды.

Временная жесткость характеризуется присутствием в воде наряду с катионами Ca2+, Mg2+ и Fe2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO3-).

При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются, образуя очень плохо растворимый карбонат кальция, углекислый газ и воду:

Общая жесткость складывается из постоянной и временной.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

Катионы	Анионы
Кальций (Ca2+)	Гидрокарбонат (HCO3-)
Магний (Mg2+)	Сульфат (SO42-)
Стронций (Sr2+)	Хлорид (Cl-)
Железо (Fe2+)	Нитрат (NO3-)
Марганец (Mn2+)	Силикат (SiO32-)

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трехвалентное железо (Fe3+) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+).

Жёсткость воды — происхождение

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов.

Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород.

Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%).

С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости 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. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Жесткость воды — единицы измерения

С 1 января 2014 года в России введен межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жесткости». По новому ГОСТу жесткость выражается в градусах жесткости (°Ж).

1 °Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его миллимоля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л). В разных странах использовались (иногда используются до сих пор) различные внесистемные единицы — градусы жёсткости.

За рубежом приняты другие единицы измерения жесткости воды, соотношение этих единиц представлено ниже:

1°Ж = 20,04 мг Ca2+ или 12,15 Mg2+ в 1 дм3 воды;
1°DH = 10 мг CaO в 1 дм3 воды;
1°Clark = 10 мг CaCO3 в 0,7 дм3 воды;
1°F = 10 мг CaCO3 в 1 дм3 воды;
1 ppm = 1 мг CaCO3 в 1 дм3 воды.

Численные значения жесткости измеренные в мг-экв/л, моль/м3, и °Ж, несмотря на различия в обозначении, равны между собой.

По значению общей жесткости природные воды делят на группы:

• очень мягкая вода (0–1,5 мг-экв/л)
• мягкая вода (1,5–4 мг-экв/л)
• вода средней жесткости (4–8 мг-экв/л)
• жесткая вода (8–12 мг-экв/л)
• очень жесткая вода (более 12 мг-экв/л).

Нормативные требования и рекомендации

Рекомендации всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) для питьевой воды:
кальций – 20-80 мг/л; магний – 10-30 мг/л. Для жесткости какой-либо рекомендуемой величины не предлагается.

Что означают кН, gH, TS, TDS, TSS в воде?

TS (общий объём солей) = TDS+TSS — это всё, что растворено в воде. В зависимости от гранулометрического состава можно выделить:

TSS (объём взвешенных частиц)

Общее содержание частиц, размер которых превышает 2 микрона. Это могут быть отходы рыб, бактерий, отгнившие ткани растений. Это инструментально неизмеримый показатель, который можно заменить на параметр “прозрачность\мутность”.

В аквариумах такие тестирования не проводятся, разве что на глаз, но для любознательных коротко расскажу про тестирование воды на показатель TSS.

Работая сотрудником галереи природных аквариумов, я заметил, что многие отмечали чрезвычайную прозрачность воды в аквариумах. Это как раз можно и отнести к параметру TSS.

Этот параметр важен при содержании мелких рыбок и креветок. У них нежные жабры, которые могут забиваться частичками TSS, что может привести к их гибели.

TSS можно регулировать:

Обилие взвешенных частиц может быть следствием перекорма ваших рыбок, перенаселения аквариума (много отходов жизнедеятельности рыбок и, как следствие, бактерий), гибели листьев растений (а, значит, что-то в аквариуме не в порядке) или недостаточной фильтрации в вашем аквариуме.

С точки зрения акваскейпинга обилие взвешенных частиц влияет на появление водорослей на листьях, т. к. эти частицы могут осаждаться на листьях растений и, значит, являться местом (субстратом) роста водорослей.

Многими любимый мох и вовсе может погибнуть от обилия TSS на листьях и стеблях.

Степень фильтрации аквариума оценивается не только с позиции объёма фильтрующего наполнителя (media), но и по мощности течения из фильтра. Так, присутствие большого количества взвешенных частиц может говорить и о недостаточном течении в аквариуме. Не забудьте позаботиться и об этом. Например, своевременно промывать фильтр, менять наполнители.

Думаю, с TSS разобрались.

TDS (объём растворённых солей)

gH + kH + Нитраты + Нитриты + Хлориды + Хлорамины + Сульфаты + Фосфаты + Аммоний + Карбонаты + Бикарбонаты + другие соединения (удобрения, кондиционеры для воды, лекарства для рыб).

Инструментально измеряемый параметр воды, показывающий сколько всяких химических добавок растворено в воде.

Например, с помощью него можно понять, насколько вода жёсткая или мягкая (но это не является оптимальным параметром для такого анализа), насколько хорошо растения потребляют добавляемые в воду удобрения.

По количеству растворённых солей выделяются следующие категории:

Особенно высокое значение TDS может быть признаком низкого качества воды.

Зачем надо знать TDS и где это применяется?

Первое и, наверное, самое важное — это химическая чистота исходной воды. Почти все профессиональные акваскейперы используют фильтры обратного осмоса для создания своих аквариумов

Это специальные фильтры, устанавливающиеся в магистрали водопровода вашего дома или квартиры, наподобие обычных бытовых фильтров, с той лишь разницей, что пить такую воду нельзя и она используется в специализированных целях, одна из которых, как раз, аквариум с растениями.

Степень очистки воды контролируется как раз параметром TDS.

Обратноосмотический фильтр состоит из префильтров: фильтра механической очистки и угольного фильтра, а также мембраны — основного элемента обратноосмотического фильтра.

Префильтры служат в качестве защиты мембраны для увеличения её срока работы.

При TDS из водопровода ~ 300 картридж угольного фильтра расходуется в течение недели, картридж механической очистки — в течение двух недель, а вот состояние мембраны можно оценить только по TDS.

Обычно, после мембраны устанавливаются фильтры с деионизирующей смолой. Он “добивает” остаточный TDS после мембраны с 3-4 до 0 ppm.

Я рекомендую использовать именно такую воду (0 ppm) в растительных аквариумах, т. к. оставляя TDS после осмоса на значении отличном от нуля, мы не знаем, что же остаётся в этой воде, т. к. мы видели ранее, что TDS состоит из большого количества различных составляющих.

Состояние ионообменных смол также контролируется с помощью TDS. Таким образом, при использовании воды после обратного осмоса TDS мы контролируем дважды.

После мембранного фильтра и после ионообменных смол.

Компания SpectraPure предусмотрела необходимость часто измерять TDS, поэтому встроила в свои фильтры электронные TDS-метры. В некоторых фильтрах этой фирмы их даже два.

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.

Счетчики в квартире по ГОСТу

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.

Концентрация (ppm)

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.

Замеры ppm

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.

Приборы учета согласно ГОСТу

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.

Методы определения уровня жесткости воды

Для определения общей жесткости Жо:

1. Используется сложное комплексонометрическое титрование трилоном Б . Этот метод самый точный. 

Методика: 100 мл воды отбирают в коническую колбу, добавляют 5 мл аммиачно-буферной смеси, затем 7-8 капель спиртового раствора индикатора эриохрома черного Т или щепотку его сухой смеси с хлоридом натрия или калия. После перемешивания раствор окрасится в винно-красный цвет. Его титруют 0,05 н. раствором трилона Б до изменения окраски на сине-зеленую. 

2. Покупные экспресс-тесты. Подходят для домашнего использования. Не всегда точные, зато просты в использовании и стоят недорого.  

Рисунок 2. Тест-полоски для определения общей жесткости воды. 

3. Измерение электропроводности с помощью кондуктометра. 

Метод является приблизительным, поскольку электропроводность воды определяет не показатель жесткости, а общее содержание растворенных солей в воде, в том числе солей кальция и магния. Кондуктометр должен измерять именно удельную электропроводность, которая измеряется в мкСм/см, обычный прибор не подойдет.

Рисунок 3. График зависимости удельной электропроводности воды от ее жесткости. 

Для определения временной жесткости Жв в химии применяют кислотное титрование соляной кислотой. 

При титровании образца воды соляной кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого происходит разложение бикарбонатов, обусловливающих временную жесткость: 

Методика определения. В лабораторную коническую колбу отбирают 100 мл исследуемой воды, добавляют 2—3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором HCl до появления оранжевой окраски. 

После определения общей и временной жесткости, рассчитывают постоянную (некарбонатную) жесткость Жп: 

Современные разновидности pH-метров — pH-иономеры позволяют определять временную жесткость на основе титрования соляной кислотой, и общую жесткость с помощью комплексонометрического титрования. Кроме того, они имеют кальций-селективные электроды для различения кальциевой и магниевой жесткости. 

Рисунок 4. pH-иономер Metrohm 781.

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.

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.

Пояснение нормативов

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.

Нормативный документ	Продукт	Магний	Кальций	°Ж
СанПиН 2.1.4.1074-01; ГН 2.1.5.1315-03	Питьевая вода	до 50 мг/л	не регламентируется	7
СанПиН 2.1.4.1116-02	Бутилированная вода	5–65 мг/л	25–130 мг/л	1,5–7
Рекомендации ВОЗ	Питьевая вода	10–30 мг/л	20–80 мг/л	не обозначается

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.

Нормативы жесткости

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