Čo je tvrdosť?
Tvrdosť je miera schopnosti vody reagovať s mydlom. Tento výraz vychádza z prístupu „ako problematické alebo ťažké/tvrdé“ je prať oblečenie vo vode. Keď sa mydlo zmieša s tvrdou vodou, minerály vytvoria s mydlom zrazeninu. Tým sa znižuje čistiaca účinnosť mydla a vytvára sa mydlový kal. Keď pridávate mydlo, budú sa vytvárať nerozpustné zrazeniny až dovtedy, kým sa minerály nevyčerpajú. Keď sa minerály vyčerpajú, mydlo začne tvoriť penu a pôsobí ako čistiaci prostriedok.
Tvrdosť vody je všeobecne koncentrácie iónov vápnika a horčíka vo vode
Minerály, ktoré sa s mydlom zrážajú, sú katiónmi polyvalentných kovov, napríklad vápnika, horčíka, železa, mangánu a zinku. Koncentrácia vápnika a horčíka v prirodzených vodných tokoch vo všeobecnosti výrazne prekračuje koncentráciu ktoréhokoľvek polyvalentného katióna. Preto sa tvrdosť vo všeobecnosti považuje za koncentráciu vápenatých a horečnatých iónov vo vode.
Uhličitanová a neuhličitanová tvrdosť
Tvrdosť je možné klasifikovať ako uhličitanovú a neuhličitanovú tvrdosť. Uhličitanová tvrdosť znamená obsah hydrogenuhličitanu vápenatého a horečnatého. Niekedy sa označuje aj ako dočasná tvrdosť, pretože ju je možné odstrániť alebo znížiť varením. Keď sa takéto hydrogenuhličitany zahrejú, vyzrážajú sa vo forme pevných uhličitanov. To je základným dôvodom tvorby vodného kameňa v ohrievačoch vody a kotloch. Neuhličitanová tvrdosť je primárne spôsobená dusičnanmi vápnika a horčíka, chloridmi a síranmi. Neuhličitanová tvrdosť sa niekedy označuje ako trvalá tvrdosť.
Vzťah medzi alkalitou a tvrdosťou vody
Rozsah uhličitanovej a neuhličitanovej tvrdosti je možné zistiť meraním alkality. Ak je alkalita rovnaká alebo vyššia ako tvrdosť, ide o výlučne uhličitanovú tvrdosť. Každá ďalšia tvrdosť je neuhličitanová tvrdosť. V Spojených štátoch sa tvrdosť obvykle uvádza v mg/L ako CaCO 3 alebo gpg (zrno na galón) ako CaCO 3. Keďže alkalita sa taktiež uvádza ako CaCO 3, výsledky týchto dvoch stanovení je možné priamo porovnať. Celková tvrdosť je súčtom všetkých uhličitanových a neuhličitanových solí vápnika a horčíka vo vode.
Prečo sa meria tvrdosť?
Tvrdá voda vo všeobecnosti vytvára pevné usadeniny najmä zo solí vápnika a horčíka a môže poškodiť zariadenia. Mäkká voda môže spôsobovať koróziu, a preto je dôležité merať a poznať tvrdosť procesnej vody na zachovanie citlivej rovnováhy medzi usádzaním vodného kameňa a korozívnosťou.
V niektorých aplikáciách môže byť určitá miera tvrdosti prijateľná, iné aplikácie však vyžadujú nulovú tvrdosť na zabránenie usádzaniu vodného kameňa a poškodeniu zariadení. Preto sa na odstránenie tvrdosti často vyžaduje zmäkčovanie vody formou vyzrážania alebo iónovej výmeny. Na optimalizáciu týchto procesov je niekedy dôležité osobitne monitorovať koncentrácie vápnika a horčíka spolu s celkovou tvrdosťou.
Horčík môže okrem toho interferovať v niektorých analýzach kvality vody (napríklad stanovenie amónneho dusíka salicylátom). Ďalšie informácie o amoniaku a dusíku nájdete na týchto súvisiacich stránkach o parametroch.
Spoločnosť Hach® ponúka testovacie zariadenia, zdroje informácií, školenia a softvér, ktoré potrebujete na správne monitorovanie a riadenie tvrdosti vody v rámci špecifickej aplikácie.
Vybrané produkty na meranie tvrdosti
Spektrofotometre
Spoločnosť Hach inovuje spektrofotometriu už viac ako 70 rokov a ponúka mnoho z popredných spektrofotometrov na trhu s analýzou vody.
Nakupovať teraz
Testovacie prúžky
Chemikálie vysokej kvality od spoločnosti Hach na testovacom prúžku s jednoduchým použitím. Jednoducho namočte prúžok do vzorky a porovnajte s farbou vytlačenou na fľaške, aby ste zistili nameranú hodnotu. Testovacie prúžky sú presné, prenosné a cenovo výhodné.
Nakupovať teraz
Pitná voda
Nadmerná tvrdosť upravenej vody privádzanej do distribučných systémov môže spôsobovať usádzanie vodného kameňa a ak je voda príliš mäkká, môže spôsobovať koróziu potrubia. Výsledkom môže byť vylúhovanie olova a medi, čo môže viesť k porušeniu nariadenia o obsahu olova a medi.
Odpadová voda
Počas rozkladu kalu monitorujte tvrdosť na optimalizáciu účinnosti. Zvýšená koncentrácia tvrdosti ovplyvňuje biologické rozkladanie mydla a absorpciu kyslíka aktivovaným kalom.
Testovanie vody v bazénoch a kúpeľoch
Príliš tvrdá voda môže spôsobovať usádzanie uhličitanu vápenatého, vodného kameňa. „Mäkká voda“ spôsobuje koróziu potrubí a povrchov vnútri bazéna, ktoré obsahujú vápnik (napríklad bazénová sadra) a ďalšie minerály.
Energetický priemysel
Tvrdosť vody môže spôsobovať usádzanie vodného kameňa v ohrievačoch vody a potrubiach kotlov. Preto je mimoriadne dôležité monitorovať a odstraňovať všetky soli, a to najmä tie, ktoré spôsobujú tvrdosť.
Výroba chemikálií
Monitorujte obsah minerálov vo vstupujúcej vode, aby bolo možné správne upraviť kvalitu a senzorické vlastnosti vody pre výrobu produktov. Monitorujte funkčnosť systémov na zmäkčovanie vody, aby nedochádzalo k usádzaniu vodného kameňa, a zhodnoťte zaťaženie systémov reverznej osmózy. Kontinuálne monitorovanie kotolnej a chladiacej vody (vystupujúcej z kondenzátora) pomáha detegovať malé a premenlivé hodnoty tvrdosti, ktorá môže spôsobovať usádzanie vodného kameňa v potrubí, kondenzátoroch a sušičoch. Takto môžu mať operátori pod kontrolou tvrdosť vody a zabrániť škodám a strate zisku v dôsledku prestojov.
Potravinársky priemysel
Monitorujte a riaďte celkovú tvrdosť na optimalizáciu napájacej vody kotla a chladiacej veže. Tým sa minimalizuje používanie chemikálií, zabraňuje sa korózii, usádzaniu vodného kameňa a chránia sa zariadenia továrne.
Ťažobný priemysel
Voda je dôležitá pre metalurgické a ťažobné prevádzky, táto priemyselná oblasť je však zriedka jediným spotrebiteľom vody v blízkosti ťažobných alebo spracovateľských stredísk. Monitorovaním a úpravou povrchových vôd zaisťujú ťažobné spoločnosti v rámci plnenia vlastných kvalitatívnych parametrov, prispievajú však aj k zdraviu komunít, poľnohospodárskych zdrojov a ekosystémov. Bez ohľadu na to, či ide o vodu z povrchových zdrojov alebo zrážok, oceánov alebo jazier, riek alebo prameňov, prostredníctvom komerčných alebo komunálných dodávok je voda, využívaná v rámci ťažby, prepojený s vodným cyklom celej oblasti.
Celulózo-papierenský priemysel
Monitorujte celkovú tvrdosť privádzanej vody na ochranu pred koróziou v továrni alebo usádzaním vodného kameňa, ako aj na zabránenie dopadu vysokej tvrdosti vody na kvalitu produktov.
Nápojový priemysel
Tvrdosť vody používanej na výrobu nápojov môže ovplyvňovať ich organoleptické vlastnosti.
Titrácia
Tvrdosť sa bežne stanovuje kolorimetrickou titráciou s roztokom EDTA. Titrácia zahŕňa pridanie indikátora a pridávanie titračného roztoku v malých prírastkoch do vzorky vody dovtedy, kým sa nezmení farba vzorky. Titráciu celkovej tvrdosti vody môžete vykonať použitím byrety alebo súpravy na testovanie tvrdosti vody. Vápenatú tvrdosť je možné stanoviť osobitne úpravou hodnoty pH a použitím odlišných indikátorov.
Testovacie súpravy s počítaním kvapiek
Tento test tvrdosti využíva kvapkadlo na pridanie roztoku EDTA do vzorky a počty kvapiek sú úmerné k tvrdosti vody. Súprava na stanovenie celkovej tvrdosti vody, model HA-71A, využíva indikátor ManVer® a má najvyššiu účinnosť v prípade vzoriek prírodnej vody, a to najmä v prítomnosti železa alebo mangánu, alebo pri vysokej alkalite. Testovacie súpravy, modely 5-B, 5-EP a 5-EP/MG-L, ktoré využívajú reagenciu UniVer®, sú najúčinnejšie v prípade vzoriek s vysokými koncentráciami kovov (napríklad medi). Ďalšie testovacie súpravy sú dostupné na osobitné meranie vápenatej a horečnatej tvrdosti.
Celková tvrdosť, model 5-B
Celková tvrdosť, model 5-EP
Celková tvrdosť, model HA-71A
Digitálny titrátor
Súpravy využívajúce digitálny titrátor dokážu merať tvrdosť presnejšie než titračné súpravy založené na počítaní kvapiek. Dôvod je ten, že titrátor dávkuje roztok EDTA s veľmi malými prírastkami a vyššou presnosťou. Testovacie súpravy tvrdosti s digitálnym titrátorom využívajú indikátor ManVer®.
Tvrdosť (celková a Ca), model HAC-DT
Súprava reagencií LR na meranie tvrdosti (vápenatá a celková sekvenčná)
Súprava reagencií HR na meranie tvrdosti (vápenatá a celková sekvenčná)
Testovacie prúžky
Keď ponoríte prúžok na testovanie tvrdosti vody do vzorky vody, prúžok sa zafarbí a farbu je potrebné porovnať s tabuľkou. Tabuľka obsahuje farby pre koncentrácie 0, 25, 50, 120, 250 a 425 ppm alebo 1, 1,5, 3,7, 15 a 25 gpg. Testovacie prúžky použite vtedy, keď postačuje všeobecný rozsah tvrdosti. Testovacie prúžky by sa nemali používať vtedy, keď sa vyžaduje presná hodnota tvrdosti.
Celková tvrdosť, 0 – 425 mg/L
Testovacie prúžky 5 v 1
Online analýza
Online analyzátory umožňujú kontinuálne monitorovanie tvrdosti. Tieto prístroje dokážu aktivovať alarmy alebo regulovať fungovanie čerpadiel s prívodom chemikálií v prípade, ak koncentrácia tvrdosti dosiahne nastavenú hodnotu.
Analyzátory na meranie tvrdosti radu EZ
Zmäkčovanie vody
Na obmedzenie nežiaducej tvrdosti je potrebné vodu zmäkčiť. Metódy zmäkčovania sa spravidla delia na dve hlavné kategórie:
Proces zmäkčovania použitím iónovej výmeny
V rámci tohto procesu dochádza k výmene katiónov spôsobujúcich tvrdosť za katióny, ktoré tvrdosť nespôsobujú (spravidla sodík) použitím prírodnej alebo syntetickej ionexovej matrice (napríklad živica). Prirodzene existujúce matrice sú napríklad piesky a zeolity. Rôzne ionexové živice (alebo matrice) majú rôzne vlastnosti. Syntetické materiály majú obvykle vyššiu kapacitu výmeny, čo znamená, že sú vhodnejšie na odstraňovanie vyšších úrovní tvrdosti. Živice používajúce vodík ako katión sa bežne označujú za demineralizátory a obvykle sa skladajú zo živíc s katiónovou a aniónovou výmenou na zachovanie neutrálnej hodnoty pH. Zo zdravotných dôvodov je potrebné poznamenať, že sodíková živica zvyšuje podiel sodíka v upravenej vode. To môže viesť aj k interferencii s niektorými metódami na meranie tvrdosti v ultra nízkom rozsahu.
Po vyčerpaní výmennej kapacity je živicu väčšinu možné regenerovať, a preto je potrebné monitorovať tvrdosť odtoku na určenie, kedy bude potrebná regenerácia náplne. V rámci tohto dvojkrokového procesu sa jednotka najprv prepláchne na odstránenie sedimentu a potom sa pri konkrétnych podmienkach spustí cirkulácia soľného roztoku cez živicu, aby sa nahradili akumulované ióny vápnika a horčíka katiónmi, ktoré boli pôvodne použité na zmäkčenie.
Výhody
- Táto metóda zásadným spôsobom neovplyvňuje iné vlastnosti vody (napríklad pH).
- Katióny spôsobujúce tvrdosť (iné než horčík a vápnik) sa týmto procesom taktiež odstránia.
- Tento proces dokáže eliminovať tvrdosť vody takmer na nulovú hodnotu.
Nevýhody
- Vysoké hladiny železa alebo horčíka vo vode môžu poškodiť ionexovú živicu.
- Sodíkové živice môžu zvyšovať hladiny sodíka v upravenej vode a spôsobovať interferenciu s niektorými metódami monitorovania tvrdosti v ultra nízkom rozsahu.
- Vysoký podiel pevných látok môže poškodiť živicové lôžka, čo prináša ďalšie výdavky.
Proces zmäkčovania zrážaním
Zrážanie sa spravidla vykonáva pridaním haseného vápna. Po pridaní vápna do tvrdej vody dôjde k reakcii s uhličitanovou tvrdosťou, výsledkom čoho sú pevné častice, ktoré je následne potrebné z vody odstrániť. Vápenný a sodný popol je možné použiť spoločne na odstránenie uhličitanovej a neuhličitanovej tvrdosti. V porovnaní so zrážaním vápníka vyžaduje zrážanie horčíka dvojnásobný prídavok chemického aditíva a generuje dvojnásobok kalu, ktorý je potrebné odstrániť. Nadbytočný oxid uhličitý je potrebné odstrániť pred samotným zmäkčovaním, pretože môže narúšať zrážanie oxidu vápenatého.
Výhody
- Tento proces dokáže odstrániť nadbytočné železo a fluoridy.
- V dôsledku vysokej hodnoty pH dokáže tento proces odstrániť aj baktérie a vírusy.
- V prípade dostatočnej regulácie je touto metódou možné regulovať korozívnosť a tvorbu vodného kameňa.
Nevýhody
- Generovanie značného množstva kalu, ktorý je potrebné zlikvidovať.
- Vysoké náklady na prevádzku a chemikálie.
- Pridanie sodného popola môže ovplyvňovať hladiny sodíka vo vode.
- Rekarbonáciu alebo obnovenie oxidu uhličitého je potrebné vykonať po zmäkčení na zníženie hodnoty pH, na odstránenie prebytočného vápna a podporu zrážania všetkého zvyšného uhličitanu vápenatého.
- Tento proces nedokáže znížiť tvrdosť vody na nulovú hodnotu.
- Tento proces vyžaduje rozsiahle schopnosti operátora pri regulácii.
Najčastejšie otázky
Aký je rozdiel medzi tvrdosťou a alkalitou?
Tvrdosť je súčtom viacväzbových kovových iónov (najmä vápnika a horčíka v roztoku) alkalita je schopnosť roztoku neutralizovať kyseliny (súčet hydroxidu, uhličitanu a bikarbonátov). V systémoch s prírodnou vodou sa obvykle nachádza uhličitan vápenatý, ktorý je zodpovedný za rôzne charakteristiky vody. Tvrdosť a alkalita sú vyjadrené ako koncentrácia CaCO 3 na zjednodušenie vykazovania jedného čísla, ktoré predstavuje viaceré chemikálie, ako aj na zjednodušenie výpočtu uhličitanovej a neuhličitanovej tvrdosti roztoku.
Aká koncentrácia tvrdosti sa považuje za tvrdú alebo mäkkú?
Neexistuje žiadna univerzálna dohoda o tom, aké koncentrácie sa považujú za tvrdé a mäkké. Nasledujúce informácie sú prevzaté z amerického Ministerstva vnútra a Asociácie pre kvalitu vody (ďalšie organizácie môžu využívať mierne odlišné klasifikácie):
Klasifikácia
|
mg/L
|
gpg (počet zŕn na galón)
|
Mäkká
|
0 - 17
|
0 - 1
|
Mierne tvrdá
|
17 - 60
|
1 - 3,5
|
Stredne tvrdá
|
60 - 120
|
3,5 - 7,0
|
Tvrdá
|
120 - 180
|
7,0 - 10,5
|
Veľmi tvrdá
|
>180
|
>10,5
|
Čo je dočasná a trvalá tvrdosť?
Dočasná a trvalá tvrdosť sú pojmy používané na odlíšenie tvrdosti, ktorú je možné odstrániť varením vody (dočasná) a tvrdosti, ktorú nie je možné varením odstrániť (trvalá). Dočasná tvrdosť sa uvádza aj pod názvom uhličitanová tvrdosť. Trvalá tvrdosť sa uvádza aj pod názvom neuhličitanová tvrdosť.
Ako je možné vypočítať uhličitanovú a neuhličitanovú tvrdosť?
Uhličitanovú a neuhličitanovú tvrdosť je možné vypočítať vtedy, keď sú známe hodnoty celkovej tvrdosti a celkovej alkality:
Vzťah tvrdosti a zásaditosti
|
Neuhličitanová tvrdosť, mg/L CaCO 3
|
Uhličitanová tvrdosť, mg/L CaCO 3
|
Celková tvrdosť ≤ celková alkalita
|
= Celková tvrdosť
|
0
|
Celková tvrdosť ≥ celková alkalita
|
= Celková alkalita
|
= Celková tvrdosť – celková alkalita
|