آزمایش سختی آب

آزمایش سختی آب اینکه که در آن صابون کف نمی کند و اگر گرم شود روی سطوح در تماس با آب، جِرم گذاری می کند و از طعم مطبوعی نیز برخوردار نیست. سختی یکی از پارامترهای مهم کیفیت آب است که بر کاربری آب در مصارف شهری و صنعتی تأثیر می گذارد. کاتیون های فلزی چندظرفیتی محلول باعث سختی آب می شوند؛ به طوری که جمع غلظت های نرمال آنها، نشان دهنده غلظت کل سختی است.

که در آن TH کل سختی (eq/m³) و Nⁿ⁺ غلظت نرمال کاتیون n ظرفیتی (eq/m³) است. اصلی ترین کاتیون های عامل سختی در آب های طبیعی، کاتیون های کلسیم (Ca²⁺) و منیزیم (Mg²⁺) هستند؛ لیکن در بعضی از آب های زیرزمینی، ممکن است کاتیون های فرو (Fe²⁺) و منگنز (Mn²⁺) قابل ملاحظه ای یافت شوند. آب های محدودی نیز وجود دارند که حاوی 1 تا mg/L 2 استرونسیم (Sr²⁺) هستند. کاتیون های فریک (Fe³⁺) و آلومینیوم (Al³⁺) نیز از عوامل سختی آب محسوب می شوند؛ لیکن در محدوده pH متداول آب های طبیعی، نامحلول اند و می توان از غلظت یونی آنها چشم پوشی کرد. چون کلسیم و منیزیم از عوامل اصلی سختی در همه آب های سطحی و در اکثر آب های زیرزمینی هستند، معمولا جمع غلظت های نرمال آنها به عنوان مقدار کل سختی گزارش می شود. کاتیون های تک ظرفیتی، همچون سدیم (Na⁺) و پتاسیم (K⁺)، بر مقدار سختی بی تأثیرند.

منابع سختی در آب های طبیعی

منبع اصلی کلسیم و منیزیم در آب های طبیعی، سنگ آهک و کانی های کربناتی، همچون دولومیت، است. حضور کربن دی  اکسید (CO₂) جوّ در آب باران، انحلال کانی های کربناتی را در آب های سطحی شتاب می بخشد.  با نفوذ آب در خاک، کربن دیو کسید حاصل از تنفس میکروبی در آب حل می شود. سختی آب های زیر زمینی در آبخوان هایی که در سازندهای سنگ آهکی واقع شده اند، بسیار زیاد است. سختی آب های زیرزمینی، بیشتر از آب های سطحی و سختی آب های مناطق خشک، بیشتر از مناطق تَر (پر باران) است. گاهی نیز تغییرات فصلی در مقدار سختی آب رودخانه ها مشاهده می شود، که بیشترین مقدار آن مربوط به شرایط کَم جریانی و کمترین مقدار مربوط به جریان سیلابی است.

فیلم آموزشی روش آزمایش سختی آب

در بسیاری از آب های طبیعی، چون سختی آنها از انحلال کانی های کربناتی ناشی شده است، مجموع غلظت ها ی نرمال کلسیم و منیزیم آنها تقریباً مساوی قلیائیت آنها (مجموع غلظت های نرمال کربنات و بی کربنات) است. البته آب هایی نیز وجود دارند که سختی انها بیشتر از قلیائت شان و برعکس است.

سختی آب های طبیعی از صفر تا بیش از CaCO₃ as mg/L 10.000 متغیر است، لیکن سختی بیشتر آب ها کمتر از CaCO₃ as mg/L 1.000 است. متوسط سختی آب های اقیانوسی حدود CaCO₃ as mg/L 65.000 است.

طبقه بندی سختی

سختی به دو طریق طبقه بندی می شود: (1) نسبت به یون های فلزی عامل سختی و (2) نسبت به آنیون های مرتبط با یون های فلزی.

چون کلسیم و منیزیم بخش اعظم سختی را در آب های طبیعی تشکیل می دهند، گاهی اطلاع از مقادیر سختی کلسیم (CaH) و سختی منیزیم (MgH)، به طور مجزا، ضروری است. برای مثال، برای تعیین دوز آهک [₂(OH)Ca] و سدیم کربنات (Na₂CO₃) لازم برای فرایند سختی زدایی به روش رسوب دهی، ابتدا باید مقادیر سختی های کلسیم و نیزیم را به دست آورد. در آب های طبیعی، معمولاً سختی کلسیم، گونه غالب (تا 70 رصد کل سختی) است؛ ولی در بعضی از آب ها مقدار سختی منیزیم ممکن است به 50 تا 60 درصد سختی کل برسد.

سختی کربناتی (CH)، آن بخش از سختی است که با انحلال نمک های کربنات و بی کربنات وارد آب می شود؛ به عبارت دیگر، آنیون های مرتبط با سختی کربناتی را یون بی کربنات (HCO₃^–) و کربنات (CO₃^2-) تشکیل می دهند. سختی غیر کربناتی (NCH)، آن بخش از سختی است که مرتبط با دیگر آنیون های محلول (به جز آنیون های کربنات و بی کربنات)، به ویژه آنیون های کلراید (Cl^–) و سولفات (SO₄^2-)، است. از تفاضل مقادیر کل سختی و سختی کربناتی، مقدار سختی غیر کربناتی به دست می آید (NCH=TH-CN).

در آب های طبیعی که کل قلیائیت آنها کمتر ازکل سختی است، سختی کربناتی مساوی کل قلیائیت است. این بدان معنی است که مجموع غلظت های نرمال کاتیون های عامل سختی بیشتر از مجموع غلظت های نرمال آنیون های عامل قلیائیت (عمدتاً کربنات و بی کربنات) است و در این آب هامقادیر قابل توجهی از آنیون های سولفات و کلرید وجود دارد. در آب هایی که کل قلیائیت آنها مساوی یا بیشتر از کل سختی است، سختی کربناتی مساوی کل سختی است. در چنین آب هایی، مجموع غلظت های نرمال آنیون های عامل قلیائیت مساوی یا بیشتر از مجموع غلظت های نرمال کاتیون های عامل سختی است و در این ب ها مقادیر قابل توجهی از کاتیون های سدیم و پتاسیم وجود دارند.

اگر آب حرارت داده شود به دلیل خروج کربن دی اکسید از آب، آنیون بی کربنات تفکیک شده و آنیون کربنات تولید می شود. آنیون کربنات نیز با عامل سختی، رسوب تشکیل می دهد. هنگام خروج CO₂ بر اثر حرارت دادن آب، واکنش پیشرفت کرده و کلسیم کربنات (CaCO₃) تولید می شود. سختی کربناتی را به علت رسوب دهی بر اثر حرارت، سختی موقت نیز می نامند. رسوب دهی سختی کربناتی بر اثر حرارت، موجب جرم گاری در جدارۀ دیگ های بخار، لوله های آب گرمف سماور و غیره می شود. سختی باقی مانده پس از جوشاندن آب را سختی دائم نیز می نامند. باید توجه داشت که با جوشاندن آب به مدت کافی، نمی توان سختی کربناتی را به طور کامل حذف کرد؛ که این به علت حل پذیری ناچیز کلسیم کربنات (CaCO₃) و منیزیم کربنات (MgCO₃) حل پذیری کلسیم کربنات، کمتر از منیزیم کربنات است؛ به طوری که در غیاب کربین دیوکسید محلول، کلسیم کربنات در حدود mg/L 14 و منیزیم کربنات در حدود mg/L 80 در آب حل می شود.

در آبرسانی شهری و صنعتی، آب ها را باتوجه به میزان سختی آنها طبقه بندی می کنند، لیکن اتفاق نظر در مورد طبقه بندی آب ها بر حسب میزان سختی وجود ندارد. در جدول زیر دو نوع طبقه بندی متداول آب، برحسب میزان سختی، ارائه شده اند.

آزمایش سختی آب

روش متداول آزمایش سختی آب، تیترسنجی با اتیلن در آمین تترا استیک اسید (EDTA) است. این واکنشگر (عامل تیتر کننده)، با کاتیون های دو ظرفیتی، یون های هَمتافت پایدار تشکیل می دهد. هر مولکول EDTA با یک مولکول یون فلز دوظرفیتی واکنش می دهد؛ بنابراین، هر مول EDTA مصرف شده مساوی یک مول سختی است.

با توجه به حجم EDTA مصرف شده، غلظت سختی آب از معادله زیر به دست می آید:

که در آن TH سختی کل (mg/L as CaCO₃)،  حجم EDTA بر حسب mL، [EDTA] مولاریته EDTA بر حسب mol/L،  حجم نمونه (mL) و 100.000 ضریب تبدیل واحدهاست. برای اطلاع از جزئیات این آزمایش، به روش استاندارد برای آزمایش های آب و فاضلاب مراجعه شود.

تاثیر آزمایش سختی آب بر کاربری آب

در آب سخت، صابون کف نمی کند که این ناشی از ترکیب صابون با عوامل سختی و رسوب دهی آنهاست. امروزه شوینده ها جایگزین صابون شده اند؛ از این رو مشکل صابون با آب سخت برطرف شده است. معمولاً برای لباس شویی ها و دیگر صنایع مصرف کننده صابون، از آب سبک (با سختی کمتر از mg/L as CaCO₃ 50) استفاده می شود.

آب با سختی بیش از mg/L as CaCO₃ 200، پتانسیل جرم گذاری و با سختی کمتر از mg/L as CaCO₃ 100، پتانسیل خورندگی دارد. در دیگ های بخار، کاربرد آب با سختی بیش از mg/L as CaCO₃ 100، مناسب نیست. به طور کلی، باید آب سبک در دیگ های بخار و صنایع مصرف کننده آب گرم به کار می رود و در صورت عدم دسترسی به منابع آب سبک باید از فرایند سختی زدایی برای سبک کردن آب استفاده کرد.

سختی بر طعم آب تأثیرگذار است، به طوری که آستانه طعم برای سختی کلسیم، بسته به آنیون های مرتبط با سختی، بین 100 تا mg/L as CaCO₃ 300 است. آب هایی که سختی آنها بیش از mg/L as CaCO₃ 500 است، طعم نامطبوعی دارند و مورد پذیرش بیشتر مصرف کنندگان نیستند. در مصارف خانگی، معمولاً آب با سختی بیش از 200 تا mg/L as CaCO₃ 300 را سختی زدایی می کنند و سختی آن را به حدود mg/L as CaCO₃ 85 می رسانند. استاندارد آب آشامیدنی ایران، حداکثر سختی مجاز را mg/L as CaCO₃ 500 مقرر کرده است.

مطالعات متعددی نشان داده است که بین بیماری های قلبی و عروقی، و سختی آب، رابطۀ معکوس برقرار است. به طوری که تا سقف سختی mg/L as CaCO₃ 170، با افزایش هر mg/L 10 سختی آب، میزان مرگ و میر ناشی از بیماری های قلب و عروق 8/0 درصد کاهش می یابد. در بعضی از مطالعات، بین سرطان دستگاه گوارش و سختی آب رابطۀ معکوس مشاهده شده است؛ لیکن هنوز در مورد ارتباط بین سرطان و سختی آب اتفاق نظر وجود ندارد.

منبع: تائبی، امیر. (1398). کیفیت آب (مبانی و محاسبات).