ความกระด้างของน้ำ (water hardness) คือน้ำที่มีส่วนผสมของธาตุโลหะที่อยู่ในสภาพไอออนที่มีประจุบวก (cation) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพไอออนที่มีประจุ +2 ทำให้น้ำมีแรงตึงผิว (surface tension) มาก เกิดฟองกับสารซักฟอก (detergent) ได้ยาก
ไอออนของโลหะที่มีอยู่ในน้ำกระด้าง เช่น
โดยทั่วไปใช้ปริมาณเกลือแคลเซียมและแมกนิเซียมเป็นตัวชี้วัดความกระด้างของน้ำ
สาเหตุที่น้ำมีความกระด้าง
น้ำมีความกระด้าง เกิดจากการที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ หรือเกิดจากการย่อยสลายสารอินทรีย์บนชั้นผิวหน้าดินโดยแบคทีเรียแล้วรวมตัวกับน้ำเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (carbonic acid) ซึ่งเป็นกรดอ่อน เมื่อไหลซึมไปสัมผัสกับชั้นหินที่เป็นด่าง โดยเฉพาะชั้นหินปูนซึ่งมีแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) และแมกนีเซียมคาร์บอเนต (MgCO3) เป็นองค์ประกอบหลัก จะละลายหินปูนมากับน้ำทำให้มีปริมาณ Ca2+ และ Mg2+ มากขึ้น ส่งผลให้ความกระด้างของน้ำเพิ่มขึ้น
ระดับความกระด้างของน้ำ
ค่าความกระด้างของน้ำแสดงได้ด้วยค่า total hardness ซึ่ง คำนวณเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) มีหน่วยเป็น มิลลิกรัมต่อลิตร (หรือ 1 ส่วนในล้านส่วน, ppm)
ค่าความกระด้างของน้ำ (total hardness) มิลลิกรัมต่อลิตร |
ชนิดของน้ำ | |
0-75 | น้ำอ่อน | น้ำฝน น้ำกลั่น |
75-150 | น้ำกระด้างปานกลาง | น้ำประปา |
150-300 | น้ำกระด้าง | |
>300 | น้ำกระด้างมาก |
ประเภทของน้ำกระด้างและการแก้ไขความกระด้างของน้ำ
ความกระด้างในน้ำที่มีอยู่ทุกประเภท จะรวมเรียกว่า ความกระด้างทั้งหมด (total hardness)
แบ่งตามไอออนที่มีอยู่ในน้ำได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้
ความกระด้างชั่วคราว (temporary hardness) หรือความกระด้างคาร์บอเนต (carbonate hardness) ซึ่งได้แก่ คาร์บอเนตไอออน (CO32- ) และไบคาร์บอเนตไอออน (HCO3- ) โดยส่วนใหญ่ในน้ำจะเป็นจำพวก Ca(HCO3)2 ซึ่งเมื่อทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น เช่น การต้มน้ำให้เดือดจะสามารถกำจัดความกระด้างประเภทนี้ได้ เพราะเมื่อถูกความร้อนจะตกตะกอนกลายเป็นหินปูน
ความกระด้างถาวร (permanent hardness) เป็นความกระด้างที่ไม่ใช่เกิดจากเกลือคาร์บอเนต (non-carbonate hardness) ซึ่งเกิดจากไอออนอื่น ได้แก่ ซัลเฟตไอออน (SO42- ) คลอไรด์ไอออน (Cl-) ซึ่งอยู่ในรูปเกลือ ได้แก่ แคลเซียมซัลเฟต และแคลเซียมคลอไรด์ หรือ แมกนีเซียมซัลเฟต และแมกนีเซียมคลอไรด์ ละลายอยู่ ความกระด้างประเภทนี้ไม่สามารถถูกกำจัดได้ด้วยการต้มน้ำให้เดือด จะต้องทำให้ไอออนที่มีอยู่ตกตะกอน แล้วอาจแยกออกด้วยการกรองสารเคมีที่ไช้แก้ไขความกระด้างถาวร ได้แก่
ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างไบคาร์บอเนตโดยใช้ปูนขาว
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ---------->2 CaCO3 + 2H2O
Mg(HCO3) 2 + Ca(OH)2 -----------> 2 CaCO3 + Mg(OH)2
ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างแมกนีเซี่ยมด้วยปูนขาว
MgCO3 + Ca(OH)2 ----------> CaCO3 + Mg(OH)2
MgSO4 + Ca(OH)2 -----------> Mg(OH)2 + CaSO4
MgCl2 + Ca(OH)2 -----------> Mg(OH)2 + CaCl2
ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างถาวรเนื่องจากคลอไรด์และซัลเฟตของเกลือแคลเซียม
ด้วยโซดาแอช
CaSO4 + Na2CO3----------> CaCO3 + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ----------->CaCO3 + NaCl
ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างบางชนิดคลอไรด์ และซัลเฟตของแมกนีเซี่ยมด้วยปูนขาว
ปูนขาวและโซดาแอช
MgSO4 + NaCO3 + Ca(OH)2-------->Mg(OH)2 + CaCO3 + Na2SO4
MgCl2 + NaCO3 + Ca(OH)2 ---------->Mg(OH)2 + CaCO3 + 2NaCl
ปฏิกิริยาระหว่างแคลเซียมคลอไรด์กับแมกนีเซียมคาร์บอเนตและโซดาแอชที่เหลือ
MgCO3 + CaCl2--------> MgCl2 + CaCO3
Na2CO3 + CaCl2 --------> 2NaCl + CaCO3
ความกระด้างเทียม (pseudo hardness) ในกรณีที่น้ำนั้นมีปริมาณ Ca2+ และ Mg2+ น้อยแต่มีปริมาณของโซเดียมไอออน (Na+) สูงมากเพียงพอจะทำให้น้ำนั้นไม่เป็นฟองกับสบู่ได้
ความสำคัญของความกระด้างน้ำกับน้ำบริโภคและน้ำที่ใช้ในการแปรรูปอาหาร
Reference