Água não filtrada - Hard water

Uma torneira de banheira com calcificação acumulada de água dura no sul do Arizona.

Água dura é a água com alto teor de minerais (em contraste com a " água macia "). A água dura é formada quando a água se infiltra através de depósitos de calcário , giz ou gesso, que são amplamente constituídos por carbonatos de cálcio e magnésio , bicarbonatos e sulfatos .

Difícil de água potável pode ter benefícios para a saúde moderados. Isso pode representar problemas críticos em ambientes industriais, onde a dureza da água é monitorada para evitar quebras dispendiosas em caldeiras , torres de resfriamento e outros equipamentos que manuseiam água. Em ambientes domésticos, a água dura é frequentemente indicada pela falta de formação de espuma quando o sabão é agitado na água e pela formação de calcário em chaleiras e aquecedores de água. Onde quer que a dureza da água seja uma preocupação, o amaciamento da água é comumente usado para reduzir os efeitos adversos da água dura.

Origens

A água da chuva natural, neve e outras formas de precipitação normalmente têm baixas concentrações de cátions multivalentes , como cálcio e magnésio. Eles podem ter pequenas concentrações de íons como sódio , cloreto e sulfato derivados da ação do vento sobre o mar. Onde a precipitação cai na bacia de drenagem que é formada por rochas duras, impermeáveis ​​e pobres em cálcio, apenas concentrações muito baixas de cátions multivalentes são encontradas e a água é chamada de água mole . Exemplos no Reino Unido (Reino Unido) incluem Snowdonia no País de Gales e Western Highlands na Escócia.

Áreas com geologia complexa podem produzir vários graus de dureza da água em curtas distâncias.

Tipos

Dureza Permanente

A dureza permanente da água é determinada pela concentração de cátions multivalentes na água. Os cátions multivalentes são complexos metálicos carregados positivamente com uma carga maior do que 1+. Normalmente, os cátions têm carga de 2+. Os cátions comuns encontrados em água dura incluem Ca 2+ e Mg 2+ . Esses íons entram em um suprimento de água por vazamento de minerais dentro de um aquífero . Os minerais comuns que contêm cálcio são calcita e gesso . Um mineral comum de magnésio é a dolomita (que também contém cálcio). A água da chuva e a água destilada são macias porque contêm poucos íons .

A seguinte reação de equilíbrio descreve a dissolução e formação de carbonato de cálcio e bicarbonato de cálcio (à direita):

CaCO 3 (s) + CO 2 (aq) + H 2 O (l) ⇌ Ca 2+ (aq) + 2  HCO-
3
(aq)

A reação pode ir em qualquer direção. A chuva contendo dióxido de carbono dissolvido pode reagir com o carbonato de cálcio e levar os íons de cálcio para longe. O carbonato de cálcio pode ser depositado novamente como calcita à medida que o dióxido de carbono é perdido para a atmosfera, às vezes formando estalactites e estalagmites .

Os íons de cálcio e magnésio às vezes podem ser removidos por amaciantes de água.

A dureza permanente (conteúdo mineral) é geralmente difícil de remover por fervura . Se isso ocorrer, geralmente é causado pela presença de sulfato de cálcio / cloreto de cálcio e / ou sulfato de magnésio / cloreto de magnésio na água, que não precipitam com o aumento da temperatura . Os íons que causam dureza permanente da água podem ser removidos usando um amaciante de água ou uma coluna de troca iônica .

Dureza temporária

A dureza temporária é causada pela presença de minerais de bicarbonato dissolvidos ( bicarbonato de cálcio e bicarbonato de magnésio ). Quando dissolvidos, esses tipos de minerais produzem cátions de cálcio e magnésio (Ca 2+ , Mg 2+ ) e ânions carbonato e bicarbonato ( CO 2−
3
e HCO-
3
) A presença de cátions metálicos torna a água dura. No entanto, ao contrário da dureza permanente causada pelos compostos de sulfato e cloreto , esta dureza "temporária" pode ser reduzida fervendo a água ou pela adição de cal ( hidróxido de cálcio ) através do processo de amaciamento da cal . A ebulição promove a formação de carbonato a partir do bicarbonato e precipita o carbonato de cálcio da solução, deixando a água que é mais macia após o resfriamento.

Efeitos

Com água dura, as soluções de sabão formam um precipitado branco ( espuma de sabão ) em vez de produzir espuma , porque os íons 2+ destroem as propriedades surfactantes do sabão, formando um precipitado sólido (espuma de sabão). O principal componente dessa escória é o estearato de cálcio , que surge do estearato de sódio , o principal componente do sabão :

2 C 17 H 35 COO - (aq) + Ca 2+ (aq) → (C 17 H 35 COO) 2 Ca (s)

Dureza pode então ser definida como a capacidade de consumo de sabão de uma amostra de água, ou a capacidade de precipitação do sabão como uma propriedade característica da água que impede a formação de espuma. Os detergentes sintéticos não formam esse tipo de espuma.

Parte do antigo aqueduto romano Eifel na Alemanha. Depois de estar em serviço por cerca de 180 anos, o aqueduto apresentava depósitos minerais de até 20 cm de espessura ao longo das paredes.

Como a água macia tem poucos íons de cálcio, não há inibição da ação de espumação dos sabonetes e nenhuma espuma de sabão é formada na lavagem normal. Da mesma forma, a água mole não produz depósitos de cálcio nos sistemas de aquecimento de água.

A água dura também forma depósitos que obstruem o encanamento. Esses depósitos, chamados de " incrustações ", são compostos principalmente de carbonato de cálcio (CaCO 3 ), hidróxido de magnésio (Mg (OH) 2 ) e sulfato de cálcio (CaSO 4 ). Carbonatos de cálcio e magnésio tendem a ser depositados como sólidos esbranquiçados nas superfícies internas de tubos e trocadores de calor . Esta precipitação (formação de um sólido insolúvel) é causada principalmente pela decomposição térmica dos íons bicarbonato, mas também ocorre nos casos em que o íon carbonato está em concentração de saturação. O acúmulo de incrustações resultante restringe o fluxo de água nas tubulações. Nas caldeiras, os depósitos prejudicam o fluxo de calor para a água, reduzindo a eficiência do aquecimento e permitindo o superaquecimento dos componentes metálicos da caldeira. Em um sistema pressurizado, esse superaquecimento pode levar à falha da caldeira. Os danos causados ​​pelos depósitos de carbonato de cálcio variam na forma cristalina, por exemplo, calcita ou aragonita .

A presença de íons em um eletrólito , neste caso, água dura, também pode levar à corrosão galvânica , na qual um metal irá corroer preferencialmente quando em contato com outro tipo de metal, quando ambos estiverem em contato com um eletrólito. O amolecimento da água dura por troca iônica não aumenta sua corrosividade per se . Da mesma forma, onde encanamento de chumbo está em uso, a água amaciada não aumenta substancialmente a solvência de plumbo.

Em piscinas, a água dura se manifesta por uma aparência turva ou turva (leitosa). Os hidróxidos de cálcio e magnésio são solúveis em água. A solubilidade dos hidróxidos dos metais alcalino-terrosos aos quais pertencem o cálcio e o magnésio ( grupo 2 da tabela periódica ) aumenta ao descer a coluna. As soluções aquosas desses hidróxidos metálicos absorvem o dióxido de carbono do ar, formando os carbonatos insolúveis, dando origem à turbidez. Isso geralmente resulta do pH ser excessivamente alto (pH> 7,6). Portanto, uma solução comum para o problema é, ao mesmo tempo que se mantém a concentração de cloro no nível adequado, baixar o pH pela adição de ácido clorídrico, estando o valor ótimo na faixa de 7,2 a 7,6.

Amolecimento

Muitas vezes é desejável amaciar a água dura. A maioria dos detergentes contém ingredientes que neutralizam os efeitos da água dura nos surfactantes. Por esse motivo, o amaciamento da água costuma ser desnecessário. Onde o amaciamento é praticado, geralmente é recomendado amaciar apenas a água enviada para sistemas domésticos de água quente, de modo a prevenir ou atrasar ineficiências e danos devido à formação de incrustações em aquecedores de água. Um método comum para o amaciamento de água envolve o uso de resinas de troca iônica , que substituem íons como Ca 2+ pelo dobro do número de mono cátions, como íons de sódio ou potássio .

O carbonato de sódio ( carbonato de sódio , Na 2 CO 3 ) é facilmente obtido e há muito tempo é usado como amaciante de água para roupas domésticas, junto com o sabão ou detergente usual.

Água que foi tratada por um amaciamento de água pode ser denominada água amaciada . Nestes casos, a água também pode conter níveis elevados de sódio ou potássio e bicarbonato ou íons de cloreto .

Considerações de saúde

A Organização Mundial da Saúde afirma que "não parece haver nenhuma evidência convincente de que a dureza da água cause efeitos adversos à saúde em humanos". Na verdade, o Conselho de Pesquisa Nacional dos Estados Unidos descobriu que a água dura na verdade serve como um suplemento dietético para cálcio e magnésio.

Alguns estudos mostraram uma relação inversa fraca entre dureza da água e doenças cardiovasculares em homens, até um nível de 170 mg de carbonato de cálcio por litro de água. A Organização Mundial da Saúde revisou as evidências e concluiu que os dados eram inadequados para permitir uma recomendação para um nível de dureza.

As recomendações foram feitas para os níveis máximo e mínimo de cálcio (40-80  ppm ) e magnésio (20-30 ppm) na água potável e uma dureza total expressa como a soma das concentrações de cálcio e magnésio de 2-4 mmol / EU.

Outros estudos mostraram correlações fracas entre a saúde cardiovascular e a dureza da água.

Alguns estudos correlacionam o uso doméstico de água dura com o aumento do eczema em crianças .

O Softened-Water Eczema Trial (SWET), um ensaio multicêntrico randomizado controlado de amaciantes de troca iônica para o tratamento de eczema infantil , foi realizado em 2008. No entanto, nenhuma diferença significativa no alívio dos sintomas foi encontrada entre crianças com acesso a um amaciante de água doméstico e aqueles sem.

Medição

A dureza pode ser quantificada por análise instrumental . A dureza total da água é a soma das concentrações molares de Ca 2+ e Mg 2+ , em unidades mol / L ou mmol / L. Embora a dureza da água geralmente meça apenas as concentrações totais de cálcio e magnésio (os dois íons metálicos divalentes mais prevalentes ), ferro , alumínio e manganês também podem estar presentes em níveis elevados em alguns locais. A presença de ferro confere caracteristicamente à calcificação uma cor acastanhada ( semelhante à ferrugem ), em vez de branca (a cor da maioria dos outros compostos).

A dureza da água muitas vezes não é expressa como uma concentração molar, mas sim em várias unidades, como graus de dureza geral ( dGH ), graus alemães (° dH), partes por milhão (ppm, mg / L ou graus americanos), grãos por galão (gpg), graus ingleses (° e, e ou ° Clark ) ou graus franceses (° fH, ° f ou ° HF; f minúsculo é usado para evitar confusão com graus Fahrenheit ). A tabela abaixo mostra os fatores de conversão entre as várias unidades.

Conversão da unidade de dureza.
1 mmol / L 1 ppm, mg / L 1 dGH, ° dH 1 gpg 1 ° e, ° Clark 1 ° fH
mmol / L 1 0,009991 0,1783 0,171 0,1424 0,09991
ppm, mg / L 100,1 1 17,85 17,12 14,25 10
dGH, ° dH 5,608 0,05603 1 0,9591 0,7986 0,5603
gpg 5,847 0,05842 1.043 1 0,8327 0,5842
° e, ° Clark 7.022 0,07016 1.252 1.201 1 0,7016
° fH 10,01 0,1 1.785 1.712 1.425 1

As várias unidades alternativas representam uma massa equivalente de óxido de cálcio (CaO) ou carbonato de cálcio (CaCO 3 ) que, quando dissolvido em um volume unitário de água pura, resultaria na mesma concentração molar total de Mg 2+ e Ca 2+ . Os diferentes fatores de conversão surgem do fato de que as massas equivalentes de óxido de cálcio e carbonatos de cálcio diferem, e que diferentes unidades de massa e volume são usadas. As unidades são as seguintes:

  • Partes por milhão (ppm) é geralmente definido como 1 mg / L CaCO 3 (a definição usada abaixo). É equivalente a mg / L sem o composto químico especificado e ao grau americano .
  • Grãos por galão (gpg) é definido como 1 grão (64,8 mg) de carbonato de cálcio por galão americano (3,79 litros) ou 17,18 ppm.
  • a mmol / L é equivalente a 100,09 mg / L CaCO 3 ou 40,08 mg / L Ca 2+ .
  • Um grau de dureza geral ( dGH ou 'grau alemão (° dH, deutsche Härte ))' é definido como 10 mg / L CaO ou 17,848 ppm.
  • Um grau Clark (° Clark) ou graus ingleses (° e ou e) é definido como um grão (64,8 mg) de CaCO 3 por galão imperial (4,55 litros) de água, equivalente a 14,254 ppm.
  • Um grau francês (fH ° ou ° F) é definida como 10 mg / l de CaCO 3 , equivalente a 10 ppm.

Classificação dura / macia

Como é a mistura precisa de minerais dissolvidos na água, junto com o pH e a temperatura da água , que determinam o comportamento da dureza, uma escala numérica não descreve adequadamente a dureza. No entanto, o Serviço Geológico dos Estados Unidos usa a seguinte classificação para água dura e macia:

Classificação dureza em mg-CaCO3 / L dureza em mmol / L dureza em dGH / ° dH dureza em gpg dureza em ppm
Suave 0-60 0–0,60 0-3,37 0–3,50 0-60
Moderadamente difícil 61-120 0,61-1,20 3,38-6,74 3,56-7,01 61-120
Duro 121-180 1,21-1,80 6,75–10,11 7,06-10,51 121-180
Muito difícil ≥ 181 ≥ 1,81 ≥ 10,12 ≥ 10,57 ≥ 181

A água do mar é considerada muito dura devido a vários sais dissolvidos. Normalmente, a dureza da água do mar está em torno de 6.630 ppm (6,63 gramas por litro). Em contraste, a água doce tem dureza na faixa de 15 a 375 ppm.

Índices

Vários índices são usados ​​para descrever o comportamento do carbonato de cálcio em misturas de água, óleo ou gás.

Índice de saturação Langelier (LSI)

O índice de saturação Langelier (às vezes o índice de estabilidade Langelier) é um número calculado usado para prever a estabilidade do carbonato de cálcio da água. Indica se a água precipitará, se dissolverá ou se estará em equilíbrio com o carbonato de cálcio. Em 1936, Wilfred Langelier desenvolveu um método para prever o pH no qual a água está saturada em carbonato de cálcio (chamado pH s ). O LSI é expresso como a diferença entre o pH real do sistema e o pH de saturação:

LSI = pH (medido) - pH s
  • Para LSI> 0, a água é supersaturada e tende a precipitar uma camada de incrustação de CaCO 3 .
  • Para LSI = 0, a água está saturada (em equilíbrio) com CaCO 3 . Uma camada de incrustações de CaCO 3 não é precipitada nem dissolvida.
  • Para LSI <0, a água está sub-saturada e tende a dissolver o CaCO 3 sólido .

Se o pH real da água estiver abaixo do pH de saturação calculado, o LSI será negativo e a água terá um potencial de incrustação muito limitado. Se o pH real ultrapassar os pHs, o LSI é positivo e, sendo supersaturada com CaCO 3 , a água tende a formar incrustações. Ao aumentar os valores do índice positivo, o potencial de escala aumenta.

Na prática, a água com um LSI entre -0,5 e +0,5 não exibirá propriedades aprimoradas de dissolução mineral ou formação de incrustações. Água com um LSI abaixo de -0,5 tende a exibir habilidades de dissolução notavelmente aumentadas, enquanto a água com um LSI acima de +0,5 tende a exibir propriedades de formação de incrustação notavelmente aumentadas.

O LSI é sensível à temperatura. O LSI torna-se mais positivo à medida que a temperatura da água aumenta. Isso tem implicações particulares em situações onde a água de poço é usada. A temperatura da água quando sai do poço pela primeira vez é frequentemente significativamente mais baixa do que a temperatura dentro do prédio servido pelo poço ou no laboratório onde a medição LSI é feita. Este aumento de temperatura pode causar descamação, especialmente em casos como aquecedores de água. Por outro lado, os sistemas que reduzem a temperatura da água terão menos incrustação.

Análise da água:
pH = 7,5
TDS = 320 mg / L
Cálcio = 150 mg / L (ou ppm) como CaCO 3
Alcalinidade = 34 mg / L (ou ppm) como CaCO 3
Fórmula LSI:
LSI = pH - pH s
pH s = (9,3 + A + B) - (C + D) onde:
A = log 10 [TDS] - 1/10 = 0,15
B = −13,12 × log 10 (° C + 273) + 34,55 = 2,09 a 25 ° C e 1,09 a 82 ° C
C = log 10 [Ca 2+ como CaCO 3 ] - 0,4 = 1,78
(Ca 2+ como CaCO 3 também é chamado de dureza de cálcio e é calculado como 2,5 [Ca 2+ ])
D = log 10 [alcalinidade como CaCO 3 ] = 1,53

Índice de estabilidade de Ryznar (RSI)

O índice de estabilidade Ryznar (RSI) usa um banco de dados de medições de espessura de escala em sistemas de água municipais para prever o efeito da química da água.

O índice de saturação de Ryznar (RSI) foi desenvolvido a partir de observações empíricas de taxas de corrosão e formação de filme em canalizações de aço. É definido como:

RSI = 2 pH s - pH (medido)
  • Para 6,5 ​​<RSI <7, a água é considerada aproximadamente em equilíbrio de saturação com carbonato de cálcio
  • Para RSI> 8, a água está sub-saturada e, portanto, tenderia a dissolver qualquer CaCO3 sólido existente
  • Para RSI <6,5, a água tende a ser em forma de escala

Índice de Escala de Puckorius (PSI)

O Índice de Escala de Puckorius (PSI) usa parâmetros ligeiramente diferentes para quantificar a relação entre o estado de saturação da água e a quantidade de calcário depositado.

Outros índices

Outros índices incluem o Índice Larson-Skold, o Índice Stiff-Davis e o Índice Oddo-Tomson.

Informação regional

A dureza do abastecimento de água local depende da fonte de água. A água em riachos que fluem sobre rochas vulcânicas (ígneas) será macia, enquanto a água de furos perfurados em rochas porosas é normalmente muito dura.

Na Austrália

A análise da dureza da água nas principais cidades australianas pela Australian Water Association mostra uma faixa de muito mole (Melbourne) a dura (Adelaide). Os níveis de dureza total de carbonato de cálcio em ppm são:

Canberra : 40; Melbourne : 10–26; Sydney : 39,4–60,1; Perth : 29–226; Brisbane : 100; Adelaide : 134–148; Hobart : 5,8–34,4; Darwin : 31.

No Canadá

As províncias das pradarias (principalmente Saskatchewan e Manitoba ) contêm grandes quantidades de cálcio e magnésio, geralmente como dolomita , que são prontamente solúveis na água subterrânea que contém altas concentrações de dióxido de carbono retido da última glaciação . Nessas partes do Canadá, a dureza total em ppm do carbonato de cálcio equivalente frequentemente excede 200 ppm, se a água subterrânea for a única fonte de água potável. A costa oeste, por outro lado, tem água incomumente macia, derivada principalmente de lagos de montanha alimentados por geleiras e derretimento de neve.

Alguns valores típicos são:

Montreal 116 ppm, Calgary 165 ppm, Regina 496 ppm, Saskatoon 160-180 ppm, Winnipeg 77 ppm, Toronto 121 ppm, Vancouver <3 ppm, Charlottetown , PEI 140-150 ppm, Waterloo Region 400 ppm, Guelph 460 ppm, Saint John (Oeste) 160–200 ppm, Ottawa 30 ppm.

Na Inglaterra e no País de Gales

Nível de dureza da água das principais cidades do Reino Unido
Área Fonte primária Nível
Manchester Lake District ( Haweswater , Thirlmere ) Pennines ( Longdendale Chain ) 1.750 ° clark / 25 ppm
Birmingham Reservatórios de Elan Valley 3 ° clark /
42,8 ppm
Bristol Mendip Hills ( reservatórios de Bristol ) 16 ° clark / 228,5 ppm
Southampton Bewl Water 18,76 ° clark / 268 ppm
Londres (EC1A) Rede de reservatórios de Lee Valley 19,3 ° clark / 275 ppm

Informações do British Drinking Water Inspectorate mostram que a água potável na Inglaterra é geralmente considerada "muito difícil", com a maioria das áreas da Inglaterra, particularmente a leste de uma linha entre os estuários Severn e Tees , exibindo acima de 200 ppm para o carbonato de cálcio equivalente . A água em Londres, por exemplo, é obtida principalmente do rio Tâmisa e do rio Lea, ambos os quais derivam uma proporção significativa de seu fluxo de tempo seco de nascentes em aqüíferos calcários e calcários. Wales , Devon , Cornwall e partes do noroeste da Inglaterra são áreas de águas mais suaves e variam de 0 a 200 ppm. Na indústria cervejeira na Inglaterra e no País de Gales, a água é freqüentemente endurecida deliberadamente com gesso no processo de burtonização .

Geralmente a água é principalmente dura nas áreas urbanas da Inglaterra, onde as fontes de água doce não estão disponíveis. Várias cidades construíram fontes de abastecimento de água no século 18, conforme a revolução industrial e a população urbana cresciam. Manchester era uma cidade notável no noroeste da Inglaterra e sua rica corporação construiu vários reservatórios em Thirlmere e Haweswater no Lake District ao norte. Não há exposição a calcário ou giz em suas cabeceiras e, conseqüentemente, a água em Manchester é classificada como 'muito macia'. Da mesma forma, a água da torneira em Birmingham também é macia, pois é proveniente dos reservatórios de Elan Valley, no País de Gales, embora a água subterrânea na área seja difícil.

Na Irlanda

A EPA publicou um manual de padrões para a interpretação da qualidade da água na Irlanda, no qual são fornecidas definições de dureza da água. Nesta seção, é fornecida referência à documentação original da UE, que não estabelece limites para a dureza. Por sua vez, o manual também não fornece "Valores Limites Recomendados ou Obrigatórios" para dureza. Os manuais indicam que acima do ponto médio das faixas definidas como "Moderadamente Duras", os efeitos são vistos cada vez mais: "As principais desvantagens das águas duras são que elas neutralizam o poder de formação de espuma do sabão ... e, mais importante, que elas pode causar o bloqueio dos tubos e reduzir drasticamente a eficiência da caldeira devido à formação de incrustações. Esses efeitos aumentarão à medida que a dureza aumenta para e além de 200 mg / l CaCO3. "

Nos Estados Unidos

Uma coleção de dados dos Estados Unidos descobriu que cerca de metade das estações de água testadas tinham dureza acima de 120 mg por litro de carbonato de cálcio equivalente, classificando-as nas categorias "duras" ou "muito duras". A outra metade foi classificada como mole ou moderadamente dura. Mais de 85% dos lares americanos têm água dura. As águas mais suaves ocorrem em partes das regiões da Nova Inglaterra , Atlântico Sul-Golfo, Noroeste do Pacífico e Havaí . Águas moderadamente duras são comuns em muitos dos rios das regiões do Tennessee , Grandes Lagos e Alasca. Águas duras e muito duras são encontradas em alguns riachos da maioria das regiões do país. As águas mais duras (maiores que 1.000 ppm) estão em riachos no Texas, Novo México, Kansas, Arizona, Utah, partes do Colorado, sul de Nevada e sul da Califórnia.

Veja também

Referências

links externos