MJUKT, HÅRT, SURT ELLER ALKALISKT VATTEN?

 För att bereda dricksvatten måste men kunna mäta och kontrollera vilka joner och kemiska föreningar som finns i vattnet. Till de viktigaste parametrarna hör hårdhet, alkalinitet, pH, surhet och salinitet, begrepp som ibland är överlappande.

Det är förekomsten och kombinationerna av ett antal joner som bestämmer dessa egenskaper.

Kalcium- och magnesiumjon ger hårdhet. Bikarbonat-, karbonat- och hydroxyljon ger alkalinitet. Kloridjon och sulfatjon ger surhet och salinitet.

Således ger föreningen kalcium-karbonat både hårdhet och alkalinitet åt vattnet, medan kalcium-klorid ger hårdhet och salinitet osv, beroende på kombinationen av joner. Först några definitioner:

Salt: förening av positiva hydroxyljoner, oftast av metaller, och negativa syrajoner. Salter kan vara mer eller mindre vattenlösliga.

Klorid: salt av saltsyra, HCl.

Sulfat: salt av svavelsyra, H2SO4.

Nitrat: salt av salpetersyra, HNO3.

Fosfat: salt av fosforsyra, PO4.

Karbonat, CO3: salt av kolsyra, H2CO3.

Bikarbonat (vätekarbonat), HCO3: surt salt av kolsyra, en sur karbonat.

Salinitet: När klorid- och sulfatjoner förenar sig med magnesium-, kalcium- eller natriumjoner, uppstår salinitet (salthalt, sälta).

Hårdhet
Hårdhet känns igen på att hårt vatten kräver mera tvål för att bilda lödder. Mängden kalciumjon (Ca) och magnesiumjon (Mg) bestämmer vattnets hårdhet. Ett hårt vatten minskar tvåltvättmedels tvättförmåga genom att kalcium- och magnesiumjonerna fäller ut fettsyrorna i tvålen. Underjordiskt vatten är ofta hårt, särskilt vatten från krit- och kalklager. Man skiljer på temporär hårdhet och permanent hårdhet.

Temporär hårdhet (karbonathårdhet) består av vätekarbonater (bikarbonater) och karbonater av kalcium- och magnesium. Kalcium och magnesium bildar salter med den kolsyra som i sin tur bildas i jordlager genom oxidering av organisk materia. Därvid uppstår kalciumbikarbonat Ca(HCO3)2 och magnesiumbikarbonat Mg(HCO3)2.

Temporär hårdhet fälls ut av uppvärmning och kokning och bildar avlagringar, s.k. pannsten, i kokkärl, rörsystem, pannor, varmvattenberedare och andra maskiner.

Permanent hårdhet (mineralsyrahårdhet) innefattar sulfater, klorider, nitrater och fosfater av kalcium och magnesium. Permanent hårdhet orsakas främst av kalciumsulfat CaSO4 och magnesiumsulfat MgSO4 (som även ger mineralsurhet, se avsnittet om pH) eller av kalciumklorid CaCl2 och magnesiumklorid MgCl2 (som även ger salinitet).

Permanent hårdhet fälls inte ut av kokning. En viktig källa till permanent hårdhet hos ytvatten är den kalciumsulfat som finns i lera.

Summan av temporär och permanent hårdhet kallas totalhårdhet. Den definieras som summan av de alkaliska jordartsmetallernas salter med karbonat, bikarbonat, sulfat, klorid och fosfat. De alkaliska jordartsmetallerna är kalcium, magnesium, strontium och barium, de två sistnämnda förekommer dock i försumbara mängder. Totalhårdheten mäts i tyska hårdhetsgrader (^odH):

0 – 2,1 ^odH – mycket mjukt

2,2 – 4,9 ^odH – mjukt

5,0 – 9,8 ^odH – medelhårt

9,9 – 21 ^odH  – hårt

över 21 ^odH – mycket hårt

För att beräkna hårdhet räknar man om summan av de ingående salterna till motsvarande mängd kalciumkarbonat (CaCO3) i milligram per liter. En tysk hårdhetsgrad (1 ^odH) motsvarar 20 mg CaCO3. En hårdhetsskala kan se ut så här:

mg/l CaCO3

0 – 50,   mjukt

50 – 100,   medelmjukt

100 – 150,   något hårt

150 – 200,  medelhårt

över 200,   hårt

över 300,   mycket hårt

De problem som orsakas av hårdhet över 15 ^odH (300 mg CaCO3/l) är huvudsakligen ekonomiska genom att de, särskilt vid uppvärmning, ger utfällningar på textilier och i kärl, pannor och varmvattensystem. Å andra sidan så blir vatten som är mjukare än 3 ^odH (60 mg CaCO3/l) korrosivt och kan därmed lösa ut bly och andra tungmetaller.

Avhärdning. Olika metoder används för att göra ett hårt vatten mjukt. I kalk-sodametoden tillsätts kalk (kalciumhydroxid, Ca(OH)2) och soda (natriumkarbonat, Na2CO3), vilket förändrar beståndsdelarna så att de blir olösliga och fäller ut. (För att fälla ut alkalinitet i form av natriumbikarbonat, Na(HCO)3, används kalciumklorid, CaCl2.) För att förbättra utfällningen används ett koaguleringsmedel, aluminiumsulfat eller något järnsalt. Därefter sedimenteras och filtreras vattnet. Kalk-sodaprocessen reducerar vattnets hårdhet med ungefär en tredjedel. Metoden resulterar i stora mängder slam och har numera begränsad användning.

I jonbytarmetoden förändras beståndsdelarna genom att vattnet får passera genom en bädd av jonbytarhartser. I en variant byts kalcium- och magnesiumjoner mot natriumjoner så att de nya komponenterna inte reagerar med tvål. I en annan ersätts kalcium, magnesium, natrium och kalium med vätejoner, och därefter tar man bort klorid, sulfat och nitrat.

Även omvänd osmos används för att reducera hårdhet.

pH – vätepotential
pH är ett mått på surhet och basiskhet hos en vätska på en skala från 0 till 14, där 7 representerar neutralitet, tal lägre än 7 tilltagande surhet och tal högre än 7 tilltagande alkalinitet.

pH ("vätepotential"): mäter koncentrationen av vätejon i en vätska. Ju mera vätejon, desto lägre pH.

Syra är en protongivare, ex. H+ + Cl- (saltsyra).

Bas är en protontagare, ex. Na+ + OH- (natronlut, kaustiksoda).

Neutral lösning: H+ = OH-

Sur lösning: H+ > OH-

Basisk lösning: OH- > H+

Basisk lösning = alkalisk lösning

Många av de processer som ingår i vattenbehandling är pH-beroende. Rent vatten är svagt joniserat till positiva vätejoner (H+) och negativa hydroxyljoner (OH–). En lösning sägs vara neutral (pH 7,0) när antalet vätejoner och antalet hydroxyljoner är lika.

När det gäller att behandla vatten för att modifiera pH räcker det inte med att veta pH-värdet. Man måste också kvantifiera innehållet. Exempelvis kan ett naturligt vatten med pH 7,0 innehålla 50 ppm bikarbonat-alkalinitet, eller det kan innehålla 200 ppm.

Enligt dricksvattenkungörelsen ska pH-värdet i kommunalt dricksvatten ligga mellan 7,5 och 9. Vatten som lämnar vattenverket ska vara icke-korrosivt, med pH-värdet förhöjt för att korrigera för surhet när så behövs.

Vissa behandlingsprocesser, särskilt koagulation med aluminiumsulfat, reducerar vattnets pH-värde och gör det surare, och vatten som är förorenat av industriutsläpp kan innehålla fri mineralsurhet från starka syror och deras salter, med pH-värden under 3,7.

Om pH-korrigering inte tillämpas och ett surt vatten (med pH under 7) släpps ut i distributionssystemet, så kan korrosionsproblem uppstå. Det kan resultera i angrepp på cementrör och i att tungmetaller som koppar, zink och bly löses ut.

Om pH-värdet är mycket lågt får vattnet en sur smak. Surheten härrör vanligtvis från löst koldioxid som bildar svag kolsyra. Humussyror och andra organiska syror, som bildas av multnade växter, kan också göra vattnet surt, som i fallet med vatten från torvhedar. När surheten har sådana naturliga orsaker är vattnets pH-värde vanligtvis över 3,7.

Hårda vatten som har silats genom kalksten har höga pH-värden. pH-värden på 10,5 och däröver gör vattnet otjänligt pga risken för skador på ögon och slemhinnor.

Koldioxid: en tung, färglös gas, CO2, som framförallt bildas genom förbränning och förmultning av organisk substans.

Kolsyra: en svag syra, H2CO3, som bildas när koldioxid löses i vatten, och som reagerar med baser för att bilda karbonater.

Alkalinitet
Alkalinitet är ett mått på känslighet för försurning, alltså buffertkapacitet för syratillskott. Måttet anger vattnets förmåga att neutralisera syror, dvs. dess förmåga att tåla tillskott av vätejoner H+ utan att reagera med pH-sänkning. Den egenskapen är viktig vid kemisk koagulation. Ju högre alkalinitet desto större är vattnets förmåga att stå emot försurning. Om alkaliniteten är noll, så sjunker pH vid varje tillskott av sura produkter. Är alkaliniteten större än noll, ändras inte pH proportionellt mot tillskottet av vätejon (H+), men alkaliniteten minskar. Det är främst bikarbonat-, karbonat- och hydroxyljoner som påverkar alkaliniteten.

Hydroxid: kemisk förening som liknar ett salt och vars negativa jon är en hydroxyljon.

Hydroxyljon: anjonen OH– hos basiska hydroxider – kallas även hydroxidjon.

Alkalinitet har tillsammans med pH och hårdhet betydelse för vattnets metallangripande egenskaper. Mängden alkali kan bestämmas utifrån pH-värdet. Alkaliniteten bör överstiga 60 mg HCO3 (bikarbonat) per liter för att korrosion på ledningar ska undvikas.

Bikarbonat-, karbonat- och hydroxyljoner ger vattnet olika typer av alkalinitet:

Bikarbonat-alkalinitet. När sådan existerar ensam, sker det bara vid pH under 8,3. Eftersom de flesta naturliga vatten har ett pH mellan 5 och 8, så består nästan all alkalinitet i naturliga vatten av bikarbonater.

Bikarbonat-alkalinitet + karbonat-alkalinitet. Sådana alkaliniteter kan endast förekomma tillsammans vid pH-värden mellan 8,3 och 9,4.

Karbonat-alkalinitet kan existera ensam vid pH över 8,3 eller i kombinerad alkalinitet vid pH-värden mellan 8,3 och 9,4 (se ovan). I kombination med hydroxyl-alkalinitet kan det förekomma vid pH över 9,4.

Kaustisk (frätande) alkalinitet (hydroxyl-alkalinitet från natriumhydroxid, NaOH) kan existera enbart vid pH över 9,4

.