Vattenhårdhet

Vattenhårdhet är ett system av termer inom tillämpad kemi som har utvecklats från behoven av användning av naturligt vatten med dess upplösta ingredienser.

I vattenkemi , vattnets hårdhet betecknar den substanskoncentration av de joner av de alkaliska jordartsmetaller i vattnet lösta , och i särskilda sammanhang även deras anjoniska partners. Dessa "hårdhetsbyggare" inkluderar i huvudsak kalcium- och magnesiumjoner samt strontium- och bariumjoner, som normalt bara finns i spår . Dessa upplösta hårdhetsbyggare kan bilda dåligt lösliga föreningar, särskilt karbonater och kalktvålar . Denna tendens till bildandet av olösliga föreningar är anledningen till att uppmärksamma de lösta alkaliska jordarna, vilket ledde till utvecklingen av konceptet och teorisystemet kring vattenhårdhet.

Historik och härledning av termen

Redan i de gamla hippokratiska skrifterna skilde man mellan mjukt (μαλακός) och hårt (σκληρός) vatten. Den hårda finns bland annat ”i bergskällor, varm jord eller mineralrika källor.” Galenos förklarar: ”Eftersom Hippokrates kallar” hårt vatten ”det grova vattnet som biter tungan när man dricker och kroppen när man tvättar. Det mjuka vattnet är motsatsen till det. "

Till denna dag används regnvatten, som anses vara mjukt, helst för att tvätta tvätten för hand. Källa- eller brunnvatten, däremot, som anses vara hårda, undviks eftersom den höga andelen upplösta mineraler i hårt vatten gör att tvålen alltmer flockas till vattenolöslig kalktvål . Den del av tvålen som är bunden på detta sätt förlorar sin rengöringseffekt. Samtidigt gör den resulterande kalktvålen den tvättade tvätten grå och gör tvätten hård och stel efter torkning på klädstrecket. Genom att använda mjukt vatten för tvätt kan dessa oönskade effekter i stor utsträckning undvikas.

effekter

Regnvatten är " destillerat vatten " och innehåller naturligtvis inga mineraler, utan endast luftkomponenter och luftföroreningar som tvättades ur luften eller kondenserade sig själva när de föll till jordens yta . Det är därför regnvatten är mjukt vatten . I regioner med kristallina stenar i marken, såsom granit , gnejs och basalt , kan regnvattnet bara lösa upp några lättlösliga mineraler, grundvattnet är mjukt vatten. Även ytvatten utan mycket kontakt med stenar anses vara mjukt.

Mjukt vatten är billigare för alla applikationer,

• där vattnet värms upp,
• för tvätt ,
• för vattning av inomhusväxter eller växter som är känsliga för kalk (myrväxter) etc.

En nackdel kan dock vara stark skumbildning i tvättmedel och dålig avlägsnande av tvål z. B. när man tvättar händer.

I kontakt med kalkstenar (som kalksten , marmor eller dolomit ) kan regnvatten lösa upp fler mineraler och det blir hårt vatten .

• Det leder till ökad bildning av skala i hushållsapparater , värmare och varmvattenberedare ,
• försämrade tvättprocesser (ökad efterfrågan och konsumtion av sköljning och tvätt ), detta ledde till utvecklingen av vattenmjukgörare (i diskmaskiner , diskmedel , tvättmedel etc.)
• Beroende på hårdhetsgraden påverkar smaken och utseendet på vissa livsmedel och drycker (t.ex. te ).

Tillväxt

Vattnets hårdhet bildas vid passage av vatten genom karbonatgesteinhaltig jord och stenar och / eller akvifer (akviferer) genom upplösning av karbonater genom att använda koldioxid under bildning av lösliga bikarbonater (HCO ₃ ^- ).

Alla upplösta jordalkalimetaller (som sedan är närvarande som karbonater , sulfater , klorider , nitrit , nitrater och fosfater ) kallas total hårdhet , delarna är endast bundna till kolsyra som karbonathårdhet (även karbonathårdhet eller tillfällig hårdhet eller tillfällig hårdhet ) och skillnaden mellan dem som icke-karbonathårdhet ( permanent hårdhet eller permanent hårdhet ).

Huvuddelen av vattenhårdheten uppstår som karbonathårdhet och är därför av särskild betydelse för vattenhårdheten. Den uppstår från upplösningen av bergarter innehåller karbonat, dvs kalk (CaCOs ₃ ) eller dolomit (Ca-Mg blandade karbonatet) enligt följande formler

${\ displaystyle \ mathrm {CaCO_ {3} + CO_ {2} + H_ {2} O \ rightleftharpoons Ca ^ {2 +} + 2 \ HCO_ {3} ^ {-}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {MgCO_ {3} + CO_ {2} + H_ {2} O \ rightleftharpoons Mg ^ {2 +} + 2 \ HCO_ {3} ^ {-}}}$

Samma reaktioner och jämvikt sker med all alkalisk jord och blandade karbonater: SrCO ₃  , BaCO ₃  , ... Karbonathårdheten motsvarar halva koncentrationen av vätekarbonatanjonen (HCO ₃ ^- ).

Magnesium- och kalciumjoner kan också komma in i vattnet genom andra upplösningsprocesser, till exempel genom upplösning av gips mineraler (CaSO ₄ × 2 H ₂ O). I extrema fall kan grundvatten från lager som innehåller gips nå mättnadskoncentrationen för gips, vilket motsvarar en hårdhet på 78,5 ° fH eller 44 ° dH. (För måttenheterna ° dH och ° fH, se avsnittet Enheter och konvertering nedan .)

Syrorna i syrautfällning , som har blivit kända genom termen surt regn , leder till en ökning av total hårdhet efter att karbonatstenar har lösts. Främst inblandade är svavelsyra (H ₂ SO ₄ ), som bildas via svaveldioxid och bildandet av svavelsyra vid bränning av svavelhaltiga bränslen, och salpetersyra (HNO ₃ ), som bildas via mellanstadiet av kväveoxider i synnerhet heta brännskador. Genom åtgärder till luftförorening (. T.ex. rökgasavsvavling och fordons katalysatorer och DeNOx system i kraftverk), dessa stammar har minskat drastiskt under de senaste decennierna.

När växtämnen sönderfaller (döda rötter, fallna löv, plöjda stjälkar) i jorden eller när jordbruksgödsel appliceras, frigörs däri ingående kväve som ammonium (NH ₄ ⁺ ). Detta följs av en bakteriell oxidationsprocess , den så kallade nitrifikationen . Ammoniumet oxideras först till salpetersyra (HNO ₂ ) och slutligen till salpetersyra (HNO ₃ ) (och kan också ytterligare denitrifieras till N ₂ ). Denna salpetersyra löser hårdhet från kalk - och i avsaknad av kalk från lermineraler - som då inte längre är tillgänglig för växterna. Därför hotar jordbruksanvänd kalkfattiga jordar med att försuras. I dessa fall är kalkgödsling nödvändig. De karbonater som sedan är rikligt tillgängliga igen kan delvis vara ansvariga för en ökning av hårdheten i grundvattnet.

I grundvatten som påverkas av jordbruksverksamhet kan hårdheten stiga till över 30 ° fH eller 17 ° dH, i enskilda fall till över 40 ° fH eller 23 ° dH. Detta beror på både ökad koldioxidbildning och ökad nitrifikation.

Regnvatten kan endast absorbera hårdhetsbyggare i undantagsfall om atmosfären innehåller kalkhaltiga dammpartiklar. Det är därför regnvattnets hårdhet vanligtvis är nära noll. Även dricksvattentankar och bergssjöar innehåller ofta vatten med låg hårdhet, även i kalkrika områden, om deras upptagningsområde täcker ett litet geografiskt område och regnvattnet huvudsakligen flyter in ytligt.

Kalk-kolsyrabalans

Vattnets hårdhet kännetecknas av ett system med olika kopplade kemiska jämviktsreaktioner och beror på det. Förutom reaktionsjämvikten finns också löslighetsjämvikt mellan de olika jordalkaljonerna och de associerade karbonat- och sulfatutfällningsprodukterna ( kalcit , dolomit , barit , gips, etc.). Lösningen och dissociationsjämvikt för koldioxid-kolsyra-karbonatsystem är också kopplad.

Uppfyller CO ₂ vid (regn) vatten löses mer än 99% av koldioxiden endast fysiskt och mindre än 1% svarar beroende på temperaturen i en jämviktsreaktion ( där förklaras) med vattenmolekylerna kemiskt för att bilda kolsyra (H ₂ CO ₃ ) reagerar vattenlösningen därför svagt sur.

${\ displaystyle \ mathrm {\ CO_ {2} + H_ {2} O \ \ rightleftharpoons \ H_ {2} CO_ {3}}}$.

Kolsyran H ₂ CO _{3 bildas} är i ett jämviktsreaktion med vätekarbonat (HCO ₃ ^- ) joner och oxonium (H ₃ O ⁺ ) joner.

${\ displaystyle \ mathrm {\ H_ {2} CO_ {3} + H_ {2} O \ \ rightleftharpoons \ HCO_ {3} ^ {\, -} + H_ {3} O ^ { +}}}$

Vättekarbonatjonen HCO ₃ ^- dissocieras vidare i vatten för att bilda karbonatjonen CO ₃ ²⁻

${\ displaystyle \ mathrm {\ HCO_ {3} ^ {\, -} + H_ {2} O \ \ rightleftharpoons \ CO_ {3} ^ {\, 2 -} + H_ {3} O ^ { +}}}$

I vatten är dessa jämviktsreaktioner övervägande på sidan av koldioxiden (som sedan övervägande fysiskt löses i vattnet) och vätekarbonatjoner bildas bara i liten utsträckning.

I vattenkemi , löst CO _{2 är} vanligtvis kombineras med den faktiska syra H ₂ CO ₃ som fri kolsyra , dess jämviktsreaktionsprodukter, varvid summan av karbonat och vätekarbonat, som bunden kolsyra .

Formeln

${\ displaystyle \ mathrm {Ca ^ {2 +} \ + \ 2 \ HCO_ {3} ^ {-} \ rightleftharpoons CaCO_ {3} \ + \ H_ {2} CO_ {3}}}$

beskriver kalk-kolsyrabalansen .

Kalciumkarbonat i sig är knappast lösligt i rent vatten. Lösligheten är bara 14 milligram per liter, med karbonatjonen i lösning som vätekarbonatjon. I närvaro av upplöst koldioxid ökar emellertid lösligheten mer än hundrafaldigt och det lättlösliga (dissocierade) kalciumvätekarbonatet bildas

Om en av dessa jämviktsreaktanter tillsätts till vatten (eller avlägsnas från vattnet) finns det ett "överhäng" (eller "brist") på ena sidan i jämvikt, varefter de kemiska reaktionerna löper i den andra (från den andra) riktningen av reaktionsekvationerna har en jämvikt återupprättats med reaktionsprodukterna ( principen om den minsta begränsningen ). Detsamma gäller om pH -värdet eller vattentemperaturen ändras. Vattenavdunstning eller utspädning orsakar också en förändring av CO ₂ -koncentrationen och därmed en förändring i jämvikt. Regnvatten absorberar CO ₂ från atmosfären beroende på temperaturen . Ett överhäng (eller brist) på ena sidan av jämviktsreaktionen leder till en ökning (eller minskning) också på andra sidan, till exempel ...

• om (nederbörd) vatten med ett annat pH -värde införs i en vattendrag ( surt regn ),
• om en baddamm vatten surgörs (t.ex. med humussyror från torv ),
• om luft som innehåller CO ₂ blåses i baddammet i baddammet
• genom solvattenuppvärmning, varigenom oreagerat fysiskt löst CO ₂ avgasar på grund av den ökade vattentemperaturen
• när vatten som innehåller mineraler värms, värms eller kyls,
• när en (kalk) sten kastas i en vattendrag ( kalcium har en massfraktion på 3,39% i jordskorpan är den praktiskt taget allestädes närvarande ; se spårelement och listan över frekvenser för kemiska element )
• när badande har kalkstenhaltig jordsmuts på fötterna och tvättar bort dem i vattnet,
• genom biogen avkalkning när högre växter , vattenväxter och planktonalger i fotosyntesen till vattnet koldioxid (eller dess reaktionsprodukter i kalk-kolsyra-jämvikten) släpper ut (vid koldioxidutsugning från dissociationen även vid upptag av väte genom den tång , finns det en Reduktion av H ₃ O ⁺ -joner, dvs för att öka pH-värdet (vattnet blir mer alkalisk ), med följd av en förändring i massförhållandet mellan vätekarbonat och karbonat till förmån för den Koncentrationerna av upplöst kalcium och karbonat överstiger detta när de multipliceras med varandra Löslighetsprodukt av kalciumkarbonat, vilket följaktligen kristalliserar och fälls ut).

Vattnet är i denna kalk-kolsyra-jämvikt när kalkutfällningen är densamma som kalklösningen, d.v.s. den innehåller tillräckligt med koldioxid så att den inte separerar någon kalk, men den kan inte heller lösa upp någon kalk . Om koldioxid avlägsnas från sådant vatten bildas dåligt lösliga föreningar såsom kalcit och dolomit som särskilt dåligt lösliga (!) Blandat karbonat. Vattnet övermättas sedan med dessa blandade karbonater , varefter de fälls ut .

Separation och utfällning av kalk och blandade mineraler

Dessutom finns det karbonatsilikatcykeln i bergarter, i vilka silikatstenar löses upp och sedan deponeras igen. Det kolsyrade regnvattnet urholkar silikatstenar genom att lösa upp kalciumsilikatmineraler (föreningar av kalcium , kisel och syre ), varigenom de frigjorda kalcium- och vätekarbonatjonerna kommer in i grundvattnet. Ekvationen för omvandling av fältspat anortit genom kolsyra med bildandet av kaolinit tjänar som ett exempel :

${\ displaystyle \ mathrm {2 \; H_ {2} CO_ {3} \ + Ca [Al_ {2} Si_ {2} O_ {8}] \ + H_ {2} O \ \ högerpil \ Al_ {2} [ (OH) _ {4} | Si_ {2} O_ {5}] \ +Ca ^ {2 +} \ +2 \; HCO_ {3} ^ {-} \}}$

Minerala biomineraler utsöndras från vattnet genom ytterligare biomineralisering . Till exempel kan ljuskronalger eller cyanobakterier som kan fotosyntes ("blåalger") också fälla ut kalciumkarbonat, de senare bildar matformade stromatoliter i mikrobmattor . Mikroorganismerna i biofilmerna är sedan inaktiva vid basen och dör och fortsätter att växa på filmytan. Kiselalger ( kiselalger ) fäller ut kiseldioxid från vattnet och bildas därifrån vid normal temperatur och normalt tryck vattenhaltig amorf kiseldioxid .

Påstådda "kalkavlagringar" i simdammar eller simbassänger består därför vanligtvis av homogena blandningar av kalciumkarbonat, blandade karbonater, apatit, kiseldioxid och silikater och är därför svåra att lösa upp även med syror. Sedimentation av dessa mineralskikt sker i vattendrag , se Mudde - slamavlagringar ( Mulm ) och havskalk - kalkavlagringar.

På grund av beroendet av hela jämviktssystemet temperatur, skalavlagringar utgör också, till exempel, i varmvattensystem, kaffemaskiner eller kastruller när varmvatten framställs från kalkhaltiga vatten.

Buffertkapacitet för sådana vatten

Höga kalkhalter och därmed höga vätekarbonatinnehåll i vattnet fungerar också som kemiska buffertar (med kolsyran som syran och vätekarbonatjonen som bas ).

${\ displaystyle {\ rm {CO_ {2} + 2H_ {2} O \ högerpilar H_ {2} CO_ {3} + H_ {2} O \ höger vänsterpilar HCO_ {3} ^ {-} + H {_ {3} } O ^ {+}}}}$

När syra tillsätts upprättas den kemiska jämvikten genom att släppa ut CO ₂ . Mycket syra måste tillsättas så att pH -värdet ändras avsevärt, vilket samtidigt representerar en skyddande funktion för biocenosen mot starka pH -värdefluktuationer.

Att bestämma buffertkapaciteter , den är syrakapacitet bestäms å ena sidan , hur mycket syra är nödvändig för att ett vattenprov tills pH-värdet 4,3 uppnås, så att den bundna kolsyra är bestämd. Den överskjutande koldioxid är den bas kapacitet bestämmer hur mycket tillsats av alkali till en vatten provet är nödvändigt tills den når pH 8,2.

"Aggressivt vatten"

Om kranvatten i hus avkalkas med hjälp av jonbytarsystem kan detta vatten absorbera mer koldioxid. Inom vattenkemi kallas vatten som fortfarande kan lösa upp mineraler (se även löslighet och löslighet ) aggressivt vatten .

Kalkhaltiga material (betong, asbestcement, etc.) korroderas också om det finns ett överskott av CO ₂ i vattnet . Överskottet av kolsyra påverkar sannolikheten för korrosion av material, och detta gäller särskilt material av järn om så kallad aggressiv kolsyra förekommer. Jämvattensvatten med en minsta hårdhet på 1,5 mmol / l tenderar att bilda ett kalkrostskyddande skikt. Se även Tillmans formel .

Aggressivt vatten med överskott av kolsyra har till följd att kalkavlagringar i gamla vattenrör lossas igen och rost kan uppstå i skadade områden i det inre zinkskiktet . För att förhindra detta, efter avkalkning, tillsätts ofta fosfater till kranvattnet som fosfatering , vilket återigen skapar en beläggning som korrosionsskydd och förhindrar att kalk lossnar.

Från dolomit (CaMg (CO ₃ ) ₂ ) är vid en lägre Kalkbrenn temperatur halv bränd dolomit (CaCO ₃ · MgO; även Magno kallas) framställdes. Detta har visat sig i dricksvatten behandling som kiseldioxid-fri (SiO ₂ -fri) filtergranulat för avsyrning till binder överskott av CO ₂ . Materialet används också i fisk och simdammar för att öka och stabilisera pH -värdet och för mer effektiv kalkning. MgO -komponenten reagerar företrädesvis med vatten. Mer under Magno (kemikalie) .

Betydelsen av total hårdhet

Den totala hårdheten anger summan av koncentrationerna av katjonerna av jordalkalimetaller i vatten. Dessa katjoner har en stor, positiv fysiologisk betydelse , men stör vissa användningar av vattnet.

• Vissa anjoniska ytaktiva medel och tvålar bilda olösliga kalktvålar . Dessa kalktvålar bidrar inte till rengöringseffekten, mängden ytaktiva ämnen eller tvålar som är bundna med dem förblir ineffektiva och förorenar därmed endast avloppsvattnet.Dessutom leder kalksåporna som läggs på tvätten till föroreningar och gråning av textilierna. För att förbättra detta har katjoniska tensider och amfotera ytaktiva ämnen utvecklats som inte reagerar med jordalkaljonjoner (se även modulära tvättmedel och vattenhårdhet och tvätt )
• Sköljmedel: I maskindiskmedel tillsätts mjukgörare (fosfater eller citrater) eller jonbytarmjukgörare eliminerar hårdhetsbyggarna från tvättvattnet (i diskmaskiner eller kommersiella tvättmaskiner) eller för processvatten (t.ex. förångare i värmekraftverk ).

Fysiologisk betydelse

Magnesium och kalcium är viktiga för organismen. Människokroppen innehåller 0,47 g / kg magnesium och 15 g / kg kalcium. Dricksvatten spelar dock en underordnad roll när det gäller att förse kroppen med dessa element. Strontium, liksom kalcium, finns i benen, men har ingen speciell fysiologisk betydelse.

Barium är giftigt i löst form. I vatten som innehåller sulfat uppnås inte toxikologiskt tveksamma koncentrationer eftersom bariumsulfat, som är extremt svårt att lösa upp , bildas. Bariumsulfat är huvudkomponenten i oralt administrerade medicinska röntgenkontrastmedel .

Icke-karbonathårdhet

Den permanenta hårdheten är inte bunden till vätekarbonat eller karbonat och kan därför i princip inte avlägsnas från vattnet som kalcium eller magnesiumkarbonat. Denna icke-borttagbara del beror på sådana anjoner. B. Klorider , nitrater och sulfater balanserade ("bundna"). De exakta koncentrationerna i vilka dessa anjoner förekommer är irrelevant med avseende på vattenhårdheten, men ger information om dessa komponenters ursprung. I själva verket har dock denna permanenta hårdhet ett avgörande inflytande på utfällningsbeteendet för karbonathårdhetskomponenterna, eftersom de resulterande ökade koncentrationerna av kalcium och magnesium ingår i beräkningen av jonprodukterna med karbonatet och därmed tröskelvärdena z. B. öka den "associerade kolsyran" för förekomsten av de typiska hårdhetsutfällningsreaktionerna.

Koncentrationerna av magnesium och kalciumjoner bestäms ofta separat och kallas sedan "magnesiumhårdhet" eller "kalciumhårdhet". Deras summa motsvarar en bra approximation av den totala vattenhårdheten.

Metoder för bestämning

• Den mest kända genomförbara metoden för total hårdhet är den komplexometriska titreringen med en vattenlösning av dinatriumsaltet av etylendiamintetraättiksyra (EDTA, handelsnamn: Titriplex III) med en känd koncentration . EDTA bildar lösliga, stabila kelatkomplex med alla jordalkaliska hårdhetskomponenter Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , Ba ²⁺ , Sr 2 ⁺ ,… . 100 ml av det vattenprov som ska undersökas blandas med 2 ml 25% ammoniaklösning, en pH 11 -buffert ( ammoniak - ammoniumacetat ) och indikatorn eriochrom black T. Indikatorn är vanligtvis tillgänglig tillsammans med bufferten som så kallade ”indikatorbuffertablett”. Indikatorn, när den är maskerad med ett gult färgämne, bildar ett rött komplex med Ca ²⁺ och Mg ²⁺ . Om alla jordalkaljonjoner är bundna av EDTA i slutet av titreringen är Eriochrome Black-T fritt och färgat grönt. Med den omaskerade indikatorn är färgändringen från magenta till blå. Den totala hårdheten beräknas från volymen EDTA -lösning som används. Med ett vattenprov på 100 ml motsvarar 1 ml använd EDTA -lösning (c = 0,1 mol / l) 5,6 ° dH (tyska hårdhetsgrader), vilket motsvarar 1 mmol / l jordalkaljonjoner. För att bestämma kalcium- och magnesiumkoncentrationen individuellt utförs titrering mot Ca2 ⁺ med EDTA vid ett lägre pH av cirka 8 , eftersom Mg-EDTA-komplexet ännu inte är stabilt vid detta pH. Vid övergångspunkten för kalcium justeras sedan pH till 11 och titreras med EDTA mot Mg ²⁺ .
• En något äldre metod är hydrolytisk utfällningstitrering med alkoholhaltig kaliumpalmitatlösning , där palmitationer reagerar med kalcium- och magnesiumjoner (eller alla jordalkaljonjoner som också ingår) för att bilda motsvarande olösliga salter ( kalktvål ) av palmitinsyra. När ekvivalenspunkten överskrids reagerar palmitatjoner hydrolytiskt för att bilda hydroxidjoner , som kan detekteras med fenolftalein som indikator . 1 ml av en kaliumpalmitatlösning med en koncentration av 0,1 mol / l motsvarar en total hårdhet på 1 mekv / l.

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ RCOO ^ {-} + Ca ^ {2 +} \ \ longrightarrow \ (RCOO) _ {2} Ca}}$

${\ displaystyle \ mathrm {\ RCOO ^ {-} + H_ {2} O \ \ rightleftharpoons \ RCOOH + OH ^ {-}}}$

• Karbonathårdheten bestäms av saltsyrabindningskapaciteten (SBV), karbonathårdheten motsvarar syrakapaciteten (se även buffertkapacitet ). För detta ändamål titreras 100 ml av vattnet med saltsyra (c = 0,1 mol / l) upp till pH 4,3 ( pH -mätare eller förändring av metylorange indikator). Här omvandlas (nästan) allt karbonat och vätekarbonat till "fri kolsyra". Syraförbrukningen i ml motsvarar därför vätekarbonatkoncentrationen i meq / l. Multiplicering med 2,8 ger tyska hårdhetsgrader (° dH), förutsatt att resultatet av beräkningen inte överstiger den totala hårdheten. Bestämningen av fri kolsyra bestäms genom bestämning av baskapaciteten .
  Om analysen av naturligt vatten resulterar i ett högre värde för karbonathårdheten än för den totala hårdheten, innehåller detta vatten också natriumvätekarbonat. I detta fall är karbonathårdheten identisk med den totala hårdheten, eftersom den inte kan vara större än den totala hårdheten.
• I analyslaboratorier kan alkaliska jordjoner såväl som anjonerna i syroresterna bestämmas med hjälp av jonkromatografi eller kapillärelektrofores . Kalcium kan också bestämmas spektroskopiskt med hjälp av flamatomspektrometri (F-AES).

Enheter och konvertering

Enligt SI -mätsystemet anges halten av jordalkaljonjoner , dvs. den totala hårdheten, i mol per liter eller, med tanke på de låga koncentrationerna, i millimol per liter (mmol / l).

I Tyskland och Österrike angavs tidigare vattenhårdhet i grader av tysk hårdhet (° dH). 1 ° dH definierades formellt som 10 mg CaO per liter vatten. De andra hårdhetskomponenterna, såsom magnesium, definierades som motsvarande mängd (7,19 mg MgO per liter). Senare användes indikationen på vattenhårdhet i den praktikorienterade substansmängden ekvivalent enhet millival per liter (mval / l). Idag krävs ovanstående molära information enligt lag, oavsett praktiska krav.

I Schweiz är de franska hårdhetsgraderna ° fH avgörande.

Andra måttenheter var eller används i andra länder, men dessa är endast jämförbara i begränsad omfattning. De blir jämförbara om man antar ett standardjonförhållande. Detta är möjligt eftersom de flesta naturliga vatten har en relativt liknande katjonfördelning, oberoende av den totala salthalten. Följande tabell kan endast användas för konvertering om så är fallet:

Omvandling för enheterna för vattenhårdhet

		° dH	° e (° Clark)	° fH	° rH	ppm (° aH)	mval / l	mmol / l
Tysk examen	1 ° dH =	1	1.253	1,78	7.118	17.8	0,357	0,1783
Engelska examen (examen Clark)	1 ° e =	0,798	1	1,43	5,695	14.3	0,285	0,122
Fransk examen	1 ° fH =	0,560	0,702	1	3.986	10	0,2	0,1
Rysk examen	1 ° rH =	0,140	0,176	0,251	1	0,146	0,050	0,025
ppm CaCO 3 (amerikansk klass)	1 ppm =	0,056	0,07	0,1	6,834	1	0,02	0,01
mval / l alkaliska jordjoner	1 meq / l =	2.8	3.51	5.00	20.040	50	1	0,50
mmol / l jordalkaliska joner	1 mmol / l =	5.6	7.02	10.00	40.080	100,0	2,00	1

Enheten 1 ppm används här, i motsats till ordets egentliga betydelse, i betydelsen 1 mg CaCO ₃ per liter vatten, d.v.s. H. i betydelsen cirka 1 mg per kilo.

Om värdena för magnesium (Mg) och kalcium (Ca) är kända kan vattnets hårdhet (t.ex. för mineralvatten) beräknas enligt följande:

Vattnets hårdhetsgrad i ${\ displaystyle \ mathrm {mmol / l} \ approx [{\ text {Ca -värde i mg / l}}] / 40 + [{\ text {Mg -värde i mg / l}}] / 24 {,} 3}$

eller i ${\ displaystyle {\ text {° dH}} \ approx 0 {,} 14 \ cdot [{\ text {Ca värde i mg / l}}] + 0 {,} 23 \ cdot [{\ text {Mg- värde i mg / l}}]}$

Hårdhetsintervall

Tyskland

Hårdhetsintervall för dosering av tvättmedel

Sedan 1988 , enligt avsnitt 7, punkt 1, mening 1, nr 5 i tvätt- och rengöringsmedelslagen (WRMG), har graderade dosrekommendationer i milliliter för hårdhetsintervall 1 till 4 varit tvungna att ges på förpackningen av tvättmedel och rengöringsmedel som innehåller fosfater eller andra hårdhetsbindande ämnen . Informationen angående millimol total hårdhet per liter föreskrevs i lag . Följande hårdhetsintervall har definierats:

Hårdhetsintervall	Millimol total hårdhet per liter	° dH
1 (mjuk)	till 1.3	till 7.3
2 (medium)	1,3 till 2,5	7,3 till 14
3 (hårt)	2,5 till 3,8	14 till 21.3
4 (mycket svårt)	över 3,8	över 21,3

Ny reglering av svårigheterna

Den 1 februari 2007 antog tyska förbundsdagen revideringen av tvätt- och rengöringsmedelslagen (WRMG), som trädde i kraft den 5 maj 2007. Detta inkluderade bl.a. hårdhetsområdena har anpassats till europeiska standarder och indikationen på millimol total hårdhet per liter ersätts med indikationen millimol kalciumkarbonat per liter (vilket är meningslöst ur kemisk synvinkel) . Vattenförsörjningsföretag kommer förmodligen att fortsätta publicera den totala hårdheten, men detta krävs inte enligt lag. Enligt uttalanden från BMU till DVGW , bör millimol kalciumkarbonat per liter tolkas oförändrad som millimol total hårdhet per liter . De nya hårdhetsområdena skiljer sig knappast från de tidigare, bara områden 3 och 4 slås samman för att bilda hårdhetsområdet "hårt" och siffrorna 1, 2, 3 och 4 ersätts av de - redan vanliga - beskrivningarna "mjuka", " medium "och" hårt "ersatt. De nya hårdhetsområdena definieras enligt följande:

Hårdhetsintervall	Millimol kalciumkarbonat per liter	° dH
mjuk	mindre än 1,5	mindre än 8,4 ° dH
mitten	1,5 till 2,5	8,4 till 14 ° dH
hård	mer än 2,5	mer än 14 ° dH

Enligt avsnitt 8, stycke 1, punkt 1 i WRMG, måste de rekommenderade mängderna och / eller doseringsanvisningarna i milliliter eller gram för en normal tvättmaskin fyllning med mjuka, medelstora och hårda vattenhårdhetsnivåer och med hänsyn till en eller två tvättar måste anges på förpackningen av tvättmedel . För att spara tvättmedel måste du känna till den lokala vattenhårdheten och sedan läsa av motsvarande mängd tvättmedel på förpackningen. Vid hårdare dricksvatten (från hårdhetsområde 3 - "hårt") bör en separat, fosfatfri mjukgörare tillsättas vid temperaturer på 60 ° C och högre. Vattenförsörjningsföretaget informerar kunden om den lokala vattenhårdheten eller skickar klistermärken som på ett ändamålsenligt sätt fastnar på tvättmaskinen.

För dricksvatten finns det bestämmelser om vattenhårdhet, se där.

Mjukgöringsmetoder

Dekarbonisering : Denna åtgärd minskar bara karbonathårdheten. Kalciumhydroxid tillsätts till vattnet som "kalkvatten", vilket utlöser följande reaktion:

${\ displaystyle \ underbrace {\ mathrm {Ca ^ {2 +} + 2 \ HCO_ {3} ^ {-}}} _ {\ text {Carbonate hardness}} \, \ mathrm { + \, Ca (OH) _ {2}} \ \ mathrm {\ longrightarrow 2 \ CaCO_ {3} \ downarrow \ +2 \ H_ {2} O}}$

I vissa tyska vattenverk utförs avkolning på mycket hårt vatten.

Mjukning genom jonbyte: Jonbytare som regenereras med bordsalt kan byta ut kalcium- och magnesiumjoner mot natriumjoner. Denna princip är z. B. används i diskmaskiner för att skydda värmeelementen och för att undvika "kalk" på disken. Vattenmjukgörande system för icke-professionellt bruk för mjukgörande av dricksvatten använder denna princip. Ibland används det också för att behandla små mängder vatten, till exempel för att vattna blommor eller göra te.

Full avsaltning: Full avsaltning tar inte bara bort hårdhetsbyggare utan alla joner. Det uppnås genom en kombination av katjon- och anjonbytare. Fullt demineraliserat vatten används överallt där vatten behövs i sin rena form. De största mängderna används som pannmatningsvatten . Omvänd osmos och destillation , som också tar bort icke-joniska lösta fasta ämnen, uppnår ett liknande resultat .

Andra metoder: Den komplexa formationen med polyfosfater minskar hårdheten, men leder till övergödning av ytvatten. Tvättmedel innehåller ofta små mängder av komplexbildande medel, men den mjukgörande är numera huvudsakligen genom katjonbytare såsom zeolit A . Detta förhindrar bildandet av kalktvålar , ökar stabiliteten hos emulsionen som krävs för tvättcykeln och skyddar tvättmaskinens värmeelement.

När ånglok också är inne i matvattenbehandling används.

Enheter med elektriska eller magnetiska fält tar inte bort hårdhet, och deras effekt är kontroversiell. I bästa fall kan det tänkas att under kristalliseringen av överskottet av kalciumkarbonat under påverkan av dessa fält bildas den instabila aragonitformen , som består av fina nålformade kristaller och förblir suspenderad . Den normala kristalliseringen till den mer stabila kalciten, å andra sidan, bildar de välkända inkrustationerna (skalan). Effekten av denna typ av vattenbehandling är tidsbegränsad och går därför förlorad igen efter ett visst flödesavstånd bakom enheten. En förutsättning för den beskrivna effekten verkar vara att alternerande fält används eller att vatten virvlas runt i ett statiskt fält. Därför z. B. magnetiska skor placerade på vattenröret har ingen effekt.

litteratur

• Walter Kölle: Vattenanalyser - bedömt korrekt. Grunder, parametrar, vattentyper, ingredienser, gränsvärden enligt dricksvattenförordningen och EU: s dricksvattendirektiv. 2: a uppdaterade och utökade upplagan. WILEY-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-30661-7 .
• Hanns-J. Krause: akvarievatten. Diagnos, terapi, behandling. 2: a förbättrade upplagan, ny upplaga. bede-Verlag, Kollnburg 1993, ISBN 3-927997-00-5

webb-länkar

• Översiktskarta över vattenhårdhet i hela Tyskland
• Schweizisk webbplats för att ta reda på vattenhårdhet efter postnummer (Swiss Gas and Water Association SVGW)
• Översiktskarta över vattenhårdhet i Österrike (PDF -fil; 397 kB)
• Katalog över vattenhårdhet i många tyska städer
• Katalog över vattenhårdhet i många tyska städer

Individuella bevis

1. ↑ Anne Liewert: The meteorological Medicine of Corpus Hippocraticum. De Gruyter, Berlin / München / Boston 2015, ISBN 978-3-11-041699-2 , s. 98, Google Books-vy
2. ↑ Anne Liewert: The meteorological Medicine of Corpus Hippocraticum. De Gruyter, Berlin / München / Boston 2015, ISBN 978-3-11-041699-2 , s. 98, fotnot 109, Google Books-vy
3. ^ Wilhelmine Buchholz: vatten och tvål, eller, allmän tvättbok. ; Hamburg och Leipzig; 1866 ( begränsad förhandsvisning i Google boksökning).
4. ↑ ^{a b c} Karl Höll, Helmut Peter, Dietrich Lüdemann: Vatten . ISBN 3-11-125936-6 ( begränsad förhandsvisning i Google boksökning).
5. ↑ Tillämpad kemi och miljöteknik för ingenjörer. S. 340 ( begränsad förhandsvisning i Google boksökning).
6. ↑ Wolfgang F. Tegethoff: Kalciumkarbonat från krittiden till 2000 -talet . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-0348-8259-0 , s. 3 ( begränsad förhandsvisning i Google boksökning). 
7. ↑ Harry H. Binder: Lexikon för de kemiska grundämnena. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
8. ↑ Jander / Jahr / Knoll: Maßanalyse, Göschen Collection Volume 221, de Gruyter Berlin 1966, s. 209 ff.
9. ↑ Tabell baserad på: Hanns-J. Krause: akvarievatten. Diagnos, terapi, behandling. 2: a förbättrade upplagan, ny upplaga. bede-Verlag, Kollnburg 1993, ISBN 3-927997-00-5 , sidan 35.
10. ↑ från 1987, Federal Law Gazette I s. 875
11. ↑ Detergent and Cleaning Agent Act .
12. ↑ Nya hårdhetsintervall för dricksvatten .
13. ↑ i. I samband med förordning (EG) nr 648/2004 (PDF) (senast ändrad genom EG -förordning nr 907/2006 ) artikel 11 punkt 4 och i enlighet med bilaga VII avsnitt B i samma.
14. ↑ Swiss Gas and Water Association: Vattenhårdhet: Vad måste beaktas? (PDF; 333 kB), åtkomst den 8 maj 2017.

Se även

• Karbonatkompensationsdjup