1.1.3. Жесткость воды

Важным свойством природных вод является их жесткость. Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Жесткость, придаваемая воде гидрокарбонатами кальция и магния, называется временной, или гидрокарбонатной. Жесткость, обусловленная хлоридами или сульфатами этих металлов, называется постоянной. Сумма постоянной и временной жесткости называется общей жесткостью. Степень жесткости воды выражают в ммолях (или мг-экв) ионов кальция и магния на 1 л воды. Общая жесткость воды в озерах и реках тундры, например, составляет 0,1-0,2 ммоль/л, а в морях, океанах, подземных водах достигает 80-100 ммоль/л и даже больше. Временная жесткость воды обусловлена растворением карбонатных пород водами, содержащими углекислоту, которая может быть атмосферного или подземного происхождения. При омывании карбонатных пород углекислыми водами протекают реакции

СаСО₃+Н₂О+СО₂ → Са(НСО₃)₂,
MgCO₃+H₂O+CO₂ → Mg(HCO₃)₂.

Образующиеся гидрокарбонаты кальция и магния, в отличие от карбонатов, хорошо растворимы в воде. Вода, содержащая углекислоту подземного происхождения, отличается значительной временной жесткостью. Жесткость природных вод, в которых углекислота имеет атмосферное происхождение, обычно бывает небольшой. Гидрокарбонаты кальция и магния устойчивы только при содержании в воде некоторого количества растворенной углекислоты, которая находится с ними в химическом равновесии (равновесная углекислота).

Избыточная же углекислота называется агрессивной. Она вызывает растворение СаСО₃ и MgCO3 (см. подразд. 1.1.4). Постоянная жесткость природных вод, обусловленная содержанием в них CaSO₄, СаСl₂, MgCl₂, является результатом растворения этих солей из земной коры. Наибольшей постоянной жесткостью обладают воды океанов и внутренних морей, воды соленых озер и некоторые подземные воды. Речные воды, как правило, имеют

12

сравнительно небольшую постоянную жесткость. Для промышленного водоснабжения жесткая вода почти всегда является нежелательной, а иногда и недопустимой. Нежелательна она и для бытовых нужд (при взаимодействии мыла с ионами кальция и магния образуются нерастворимые соли жирных кислот, что затрудняет образование пены). К тому же некоторые соли, обусловливающие постоянную жесткость природных вод, способствуют коррозии бетона и металлических конструкций^*.

Особенно большой вред жесткая вода приносит при питании паросиловых установок. Работа паровых котлов на жесткой воде, содержащей Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂ или CaSO₄, сопровождается образованием накипи на внутренних стенках котлов, что уменьшает их теплопроводность и тем самым снижает КПД установок.

Соли MgCl₂, MgSO₄ и СаСl₂, содержащиеся в воде, не приводят к образованию в котлах накипи, но вызывают коррозию стенок и металлической арматуры.

В строительной практике жесткость воды должна учитываться, когда гидротехническое сооружение или фундамент зданий подвергаются воздействию грунтовых вод. Но в этих случаях необходимо также учитывать содержание в воде других веществ. Вредное воздействие на бетон оказывают соли MgSO₄ и CaSO₄, которые вызывают соответственно магнезиальную, сульфатно-магнезиальную и сульфатную коррозию бетона [21]. На строительные конструкции, находящиеся в воде, вредное воздействие оказывают все четыре соли, обусловливающие постоянную жесткость. Причины здесь те же, что и для паровых котлов. Из сказанного следует, что при наличии в данном районе жестких природных вод их использование в ряде случаев возможно лишь после предварительной очистки: умягчения или опреснения.

Применяемые на практике методы устранения жесткости делятся на реагентные и физико-химические [22]. Физико-химические методы уменьшения жесткости, к которым относится электродиализ, во многих случаях экономически более выгодны, чем реагентные (химические), более чисты экологически. К преимуществам этих методов относятся достаточная простота, возможность автоматизации, применение непрерывной или цикловой обработки значительных количеств воды.

13