Что вообще означает жесткость воды?

Жесткость воды отражает количество растворенных в воде минералов и в значительной степени  кальция и магния. В зависимости от концентрации  растворенных минералов вода может быть классифицирована как “мягкая” или как “жесткая” различной степени (рис. 1).

Классификация	CaCO3 (мг/л)
Мягкая	≤ 60
Умеренно жесткая	61 - 120
Жесткая	121 - 180
Очень жесткая	> 180

Как узнать насколько вода жесткая.

Если уровень жесткости достаточно высок, чтобы считать воду “жесткой”, вы можете почувствовать эффект при использовании мыла. Высокий уровень кальция и других растворенных минералов, присутствующих в жесткой воде, вступает в реакцию с мылом, образуя меньше пены, снижая общую эффективность чистящего средства и в конечном итоге образуя отложения, известные как “мыльная пена”. Если вы когда-либо мыли посуду и заметили наличие пятен и / или пленок после стирки и сушки вы понимаете, какие эстетические последствия жесткая вода может оказать на процесс очистки. Однако при нагревании жесткой воды эти растворенные минералы более склонны выпадать в осадок. Наиболее распространенным нарушителем является карбонат кальция (CaCO3), который потенциально может вызвать дорогостоящие механические проблемы как для промышленных, так и для бытовых водопользователей. Эти отложения часто называют “накипью”; накипь может увеличить затраты на нагрев воды и снизить эффективность и срок службы электрических водонагревателей и другого оборудования. CaCO3 также может накапливаться в трубах, снижая давление и вызывая засорение. Таким образом, измерение жесткости воды обычно производится при очистке воды и в промышленных применениях на водной основе, таких как питьевая вода, сточные воды, бойлерные и градирни.

Кальций и Магний являются ключевыми игроками

При тестировании на жесткость воды кальций и магний являются двумя компонентами, используемыми для определения общей жесткости воды, поскольку оба являются основными влияющими факторами. Результаты определения жесткости выражаются в миллиграммах CaCO3, эквивалентных общему количеству кальция и магния, присутствующих в одном литре воды, или мг/л CaCO3.

Как  проверить воду на жесткость?

Титрование является золотым стандартом при измерении жесткости воды, где кальций и магний образуют комплексы с титрантом, EDTA. При выполнении этого титрования с помощью автоматического потенциометрического титратора существуют два различных способа контроля этой реакции: 

(1) с помощью ионоселективного электрода кальция (ISE) или 

(2) фотометрического электрода. 

Выбор электрода основан на общей цели измерения и предпочтениях пользователя, причем оба метода имеют свои плюсы и минусы (рисунок 2). Ниже мы подробно рассмотрим различия между двумя методами, чтобы помочь вам определить, какой  более подходит для вашей задачи.

Рисунок 2. Плюсы и минусы определения жесткости с помощью ISE и фотометрического электрода

За	Кальций ISE	Фотометрический электрод
	Определите кальций и магний за одно титрование (один образец).	Минимальные затраты на обслуживание
		Минимальные изменения в процедуре ручного титрования.
Против	Требуется значительно больше технического обслуживания электродов.	Требуется два отдельных титрования (два образца) для определения жесткости по кальцию и магнию.
	Более высокие начальные и текущие затраты (ISE, модули и необходимые химикаты)

Метод c использованием кальциевого ионоселективного электрода (ISE)

В присутствии TRIS-буфера кальциевый ионоселективный электрод ISE можно использовать для определения как кальция, так и магния в одном титровании. По завершении титрования результаты автоматически рассчитываются для общей жесткости, жесткости по кальцию и жесткости по магнию. Это позволяет использовать один образец для всех трех анализируемых веществ, что выгодно пользователям с высокой пропускной способностью образцов. Однако этот метод требует несколько более высоких начальных и периодических затрат на необходимые материалы и расходные материалы; цена на кальций ионоселективный электрод (ISE) составляет в среднем от 800 до 1000 долларов. Кроме того, ISE требует больше времени для подготовки и обслуживания электродов, что делает кривую обучения более крутой для тех, кто не знаком с ионоселективными электродами.

Рисунок 3. Титрование с двумя точками эквивалентности (EQP) методом кальциевого ISE, где EQPT 1 (7,528 мл) относится к жесткости кальция, а EQPT 2 (1,682 мл) относится к жесткости магния.

Метод с использованием фотометрического электрода

   

В  соответствии со стандартными методами исследования природной воды и сточных вод, общую жесткость и жесткость кальция можно определить с помощью цветного индикатора, где жесткость магния рассчитывается путем вычета, как показано в (1):

Твердость по магнию = Общая твердость (Титрование №1) – Твердость по кальцию (Титрование №2) (1)

В присутствии индикаторного красителя тестируемый раствор изменит цвет, сигнализируя об окончании титрования. Индикаторные красители используются при ручном титровании на жесткость, а также могут быть использованы при автоматическом титровании с использованием фотометрического электрода. Там, где на ручное титрование часто влияет человеческая ошибка (из-за субъективного определения конечной точки цвета), автоматическое титрование исключает эту субъективность с помощью электрода для обнаружения изменения цвета.

С выпуском прикладных фотометрических электродов Hanna Instruments это альтернативное определение цветовых индикаторов стало более доступным и доступным, чем когда-либо. Создав четыре различных фотометрических электрода с различными длинами волн, Hanna Instruments значительно снизила стоимость фотометрического определения, позволив приобрести электрод с одной длиной волны примерно за 400 долларов в отличие от ненужного многоволнового электрода стоимостью более 3000 долларов. Фотометрические электроды требуют минимального технического обслуживания и значительно снижают текущие затраты, в то время как для клиентов, которые в настоящее время проводят тестирование с помощью ручного титрования, текущие процедуры и реагенты могут быть легко переведены на автоматизацию. Однако для определения всех составляющих твердости с помощью этой методологии требуются два отдельных титрования (и, следовательно, два отдельных образца). Для некоторых это может оказаться проблематичным при обработке с высокой пропускной способностью или при наличии ограничений, связанных с малым объемом образца.

Рисунок 4. Процедура определения твердости с помощью ISE и фотометрического метода.

Автоматический титратор
		и
525 нм Фотометрический электрод		или	Кальциевый ISE
↓			↓
Титрование #1	Титрование #2		Титрование
↓	↓		↓
Общая жесткость pH 10 - 12 Индикатор цвета #1	Жесткость по кальцию pH > 12 Индикатор цвета #2		Общая жесткость, жесткость по кальцию и жесткость по магнию,pH 10-12,не требуется никакого цветового индикатора
↓
Жесткость по магнию = Общая жесткость (Titr. #1) - Жесткость по кальцию (Titr. #2)

Краткий обзор

Подводя итог, можно сказать, что при исследовании вариантов внутренней автоматизации контроля жесткости воды важно учитывать средства и цели :

• Проводите ли вы в настоящее время собственное ручное титрование и предпочитаете ограничивать изменения в процедуре?

• Есть ли у вас высокая пропускная способность (>25) образцов в день?

• Сколько времени будет отведено на ежедневные тесты?

• Требуется ли для подавляющего большинства образцов общая жесткость, а также жесткость по кальцию и магнию?
• Какова техническая подготовка тех, кто проводит тесты?
  

Ответив на эти вопросы, вы будете лучше подготовлены к тому, чтобы определить, какая методология наиболее подходит для вашей  организации.