كيفية اختبار صلابة المياه

يمكن أن تؤثر كمية أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم الذائبة في الماء على العديد من التجارب والعمليات. يجب إجراء اختبارات عسر الماء قبل إجراء التجارب لضمان دقة النتائج. واستخدام الماء العسر في التجارب قد يؤدي إلى تكون القشور داخل الجهاز. وهذا يمكن أن يقلل من دقة الاختبار وعمر الخدمة للأداة. من أجل فهم صلابة المياه بشكل أفضل، وكيفية اكتشاف صلابة المياه، وكيفية تقليل صلابة المياه وسلسلة من القضايا، سنناقش هذه المقالة بعمق معًا.

ما هي صلابة الماء？

عندما يتلامس الماء مع الصخور والتربة الجوفية، فإنه يذيب معادنها، بما في ذلك الأيونات المعدنية مثل الكالسيوم والمغنيسيوم. إن تركيز الكالسيوم والمغنيسيوم في المياه الطبيعية يتجاوز بكثير تركيز أي كاتيون آخر متعدد التكافؤ. لذلك، تعتبر الصلابة عادة هي تركيز أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء. تتسبب هذه الأيونات في جعل الماء قاسيًا، مما يؤثر على خصائصه واستخداماته. اعتمادًا على درجة الصلابة، يمكن تصنيف الماء إلى ماء ناعم، وماء عسر متوسط، وماء عسر.

1. الماء العذب: 0-60 ملجم/لتر

2. الماء العسر المتوسط: 60-120 ملجم/لتر

3. الماء العسر: 120 ملغم/لتر فما فوق

تؤثر عسر الماء على العديد من التجارب والعمليات، لذا فإن اختبار عسر الماء مطلوب في المختبرات والإنتاج الصناعي.

صلابة الكربونات وغير الكربونات

هناك طريقة أخرى لتحديد صلابة الماء وهي صلابة الكربونات والصلابة غير الكربونية. صلابة الكربونات هي محتوى بيكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم الذي كتبنا عنه أعلاه. يُعرف هذا أيضًا بالصلابة المؤقتة لأن الغليان يمكن أن يزيلها أو يقللها. عندما يتم تسخين هذه البيكربونات، فإنها تترسب على شكل كربونات صلبة. هذا هو السبب الرئيسي للتحجيم في سخانات المياه والغلايات.

من ناحية أخرى، تنتج الصلابة غير الكربونية بشكل رئيسي عن النترات والكلوريدات وكبريتات الكالسيوم والمغنيسيوم. تسمى الصلابة غير الكربونية أحيانًا بالصلابة الدائمة. إذا كنت بحاجة إلى تقليل عسر هذا النوع من الماء في المختبر، فلن ينجح التسخين وحده. يمكنك إجراء التبادل الأيوني والتناضح العكسي والمعالجة بالترسيب الكيميائي.

إذًا، كيف يمكن للمختبر أو أي صناعة أخرى تتطلب درجة عالية من عسر الماء تحديد مستوى الكربونات وغير الكربونات؟

العلاقة بين القلوية وعسر الماء

محاولة تحديد كمية الكربونات والصلابة غير الكربونية يمكن تحديدها عن طريق قياس القلوية. القلوية هي قدرة الماء على تحييد الأحماض. إذا كانت القلوية تساوي أو تتجاوز الصلابة، فإن كل الصلابة تكون كربونات. أي صلابة زائدة هي صلابة غير كربونية. وهذه هي العلاقة بين القلوية والصلابة:

القلوية = 2 × صلابة الكربونات

لماذا قياس صلابة الماء؟

تستخدم المختبرات الماء في أجهزة الطرد المركزي، والمنظفات بالموجات فوق الصوتية، والماصات، وغيرها من معدات المختبرات. إذا كان الماء عسرًا، يمكن أن تتشكل رواسب صلبة بسهولة داخل الجهاز، مما يؤدي إلى الإضرار بدقة الجهاز. من ناحية أخرى، قد تكون المياه الغازية مسببة للتآكل. ولذلك، فمن المهم قياس وفهم مستوى صلابة المياه المعالجة. غالبًا ما نحتاج إلى تخفيف الماء عن طريق الترسيب أو التبادل الأيوني لإزالة العسر قبل إجراء التجربة. من أجل تحسين هذه العمليات، من المهم أحيانًا مراقبة مستويات الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل فردي، بالإضافة إلى الصلابة الكلية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتداخل المغنيسيوم مع اختبارات جودة المياه الأخرى، مثل ساليسيلات النيتروجين والأمونيا. فيما يلي قائمة بمعدات الاختبار للكشف عن مستويات الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء أو إدارتها:

أداة	ميزة	طلب
سحاحة المعايرة	ستختلف طرق المعايرة المحددة وصيغ الحساب وفقًا للمؤشر ونظام التفاعل المستخدم. الايجابيات: غير مكلفة نسبيًا، ومناسبة للتجارب التعليمية العامة أو الاختبارات التي تتطلب دقة منخفضة سلبيات: يستغرق وقتًا طويلاً، وغير مناسب للاختبار السريع يتطلب استخدام الكواشف الكيميائية وتتأثر دقة النتائج بمهارة المشغل. لا يوفر تركيزات منفصلة للكالسيوم والمغنيسيوم.	التعليم ومرافق معالجة المياه على نطاق صغير
مقياس صلابة المياه	الايجابيات: سهل الاستخدام، لا يحتاج إلى مواد كيميائية يقيس الصلابة الإجمالية لمصدر المياه بسرعة صغيرة بشكل عام بما يكفي لحملها في الاختبارات الميدانية والاستخدام غير الاحترافي. سلبيات: لا يمكن تحليل الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء. غير مناسب لمتطلبات الدقة العالية	صناعة معالجة المياه ومراقبة مياه الشرب واختبار المياه المنزلية.
اللوني الأيوني (IC)	الايجابيات: دقيق للغاية، ويحلل مجموعة واسعة من الأيونات، بما في ذلك الكالسيوم والمغنيسيوم. يمكن توفير قياسات منفصلة للكالسيوم والمغنيسيوم سلبيات: معدات باهظة الثمن يتطلب المعرفة المتخصصة والتعامل معها غير مناسب للاختبار السريع	المراقبة البيئية والأغذية والمشروبات والأدوية
مطياف الامتصاص الذري (AAS)	الايجابيات: دقة عالية لقياس مجموعة واسعة من العناصر المعدنية، بما في ذلك الكالسيوم والمغنيسيوم يمكن استخدامها مع مجموعة واسعة من أنواع العينات السلبيات: معدات باهظة الثمن يتطلب المعرفة المتخصصة والمواد الكيميائية غير مناسب للاختبار السريع	التحليل البيئي، صناعة الأغذية والمشروبات، الأدوية، صناعة المعادن
برنامج المقارنات الدولية-MS	الايجابيات: دقة وحساسية عالية جدًا لقياس مجموعة واسعة من العناصر المعدنية، بما في ذلك الكالسيوم والمغنيسيوم مناسبة لمجموعة واسعة من أنواع العينات سلبيات: معدات باهظة الثمن للغاية يتطلب درجة عالية من الخبرة والتعامل عادة ما تكون مناسبة فقط للمختبرات الكبيرة	التحليل البيئي، الجيولوجيا، الأدوية، تحليل المعادن، التعدين
مقياس الطيف الضوئي	الايجابيات: تكلفة منخفضة نسبيا لقياس المحتوى الأيوني لتفاعلات لون كاشف محددة مناسبة للاختبار السريع سلبيات: عادةً ما يقدم فقط تقديرات تقريبية نسبيًا تتأثر النتائج بظروف الكاشف والتفاعل	التعليم، مراقبة مياه الشرب، الفحوصات المخبرية البسيطة

يتمتع كل جهاز اختبار مياه بمجالات تطبيق وفوائد فريدة، ويعتمد الاختيار المحدد على الدقة والسرعة والتكلفة والتشغيل المطلوب. وفي التطبيقات العملية، قد يكون من الضروري الجمع بين عدة طرق للحصول على تحليل أكثر شمولاً.

كيفية اختبار صلابة الماء？

في الحياة اليومية أو قبل التجربة، إذا كنت تريد فقط قياس صلابة الماء ولا تريد معرفة محتوى الأيونات أو قيمة اختبار أكثر دقة. يمكنك اختيار الطريقة التالية لإجراء اختبار سريع:

1. استخدم ورق الاختبار. انقع ورقة الاختبار في عينة الماء المراد اختبارها وقارنها بمخطط مقارنة الألوان. سيحدد هذا بسرعة مستوى صلابة الماء.

2. مجموعة اختبار المياه: هذه مجموعة تستخدم لاختبار جودة المياه وقد تحتوي على أدوات مثل الكوفيت، وقضبان التحريك، والسحاحة، وما إلى ذلك.

3. من السهل حمل المقياس الرقمي المحمول ويستخدم لاختبار المواد الكيميائية المختلفة الموجودة في الماء.

4. مقياس عسر الماء: يعد هذا أحد أدوات اختبار جودة المياه الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا. إنه صغير الحجم ومحمول بشكل عام ويدعم القياسات السريعة.

ومع ذلك، تُستخدم هذه الاختبارات عادةً لإجراء فحوصات أولية، حيث يصعب مقارنة دقتها بدقة التحليلات المتخصصة التي يتم إجراؤها في ظروف المختبر.

في اختبار جودة المياه، يعتمد أخذ العينات على الغرض من التحليل. ولكل غرض متطلباته الخاصة بأخذ عينات المياه ويقدم نتائج محددة. وإذا تمت تلبية هذه المتطلبات، فإن النتائج ستكون محدودة وذات معنى.

على سبيل المثال، عند أخذ عينة من مورد المياه للفحص الميكروبيولوجي، يتم أخذ عينة المياه عند الانتقال من مورد المياه إلى المنزل. إذا تم تركيب محطة معالجة، فمن الضروري أيضًا أخذ العينات في الوقت المناسب. خلاف ذلك، محدودة فقط أو لا يمكن الحصول على نتائج ذات معنى.

منتجات مميزة لقياس صلابة المياه

مقياس صلابة المياه:

القياس الطيفي:

المعايرة:

يمكن أيضًا قياس الصلابة بدقة باستخدام جهاز المعايرة الرقمي. تقوم أجهزة المعايرة الرقمية بتوزيع محاليل EDTA بزيادات صغيرة جدًا وبدقة أكبر.

شرائط الاختبار:

عندما يتم غمر شريط اختبار صلابة الماء في عينة ماء، تظهر الألوان على الشريط وتطابق الشريط مع المخطط. يعرض الرسم البياني الألوان لتركيزات 0 و25 و50 و120 و250 و425 جزء في المليون أو 1 و1.5 و3.7 و15 و25 جالونًا لكل جالون. استخدم شرائط الاختبار عندما يكون نطاق الصلابة العام كافيًا. لا ينبغي استخدام شرائط الاختبار عند الحاجة إلى قيم صلابة دقيقة.

كيفية تقليل صلابة المياه

من أجل تقليل الصلابة غير المرغوب فيها، يجب عليهم تخفيف الماء. تنقسم طرق التليين عادة إلى فئتين رئيسيتين:

عملية تليين التبادل الأيوني

هذه هي إحدى طرق معالجة المياه الأكثر استخدامًا في المختبرات والصناعة. تستخدم العملية راتنجات التبادل الأيوني الطبيعية أو الاصطناعية لإزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم من الماء. راتنجات التبادل الأيوني المختلفة لها خصائص أخرى. تميل المواد الاصطناعية إلى أن تتمتع بقدرة تبادل أعلى، لذا فهي أكثر ملاءمة لإزالة مستويات الصلابة الأعلى.

يمكن تجديد معظم الراتنجات بمجرد استنفاد قدرتها التبادلية، لذلك من المهم مراقبة صلابة النفايات السائلة لتحديد متى يحتاج العمود إلى التجديد. في هذه العملية المكونة من خطوتين، يتم شطف الوحدة أولاً لإزالة الرواسب. يتم بعد ذلك توزيع محلول ملحي خلال الراتينج تحت ظروف معينة لاستبدال أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم المتراكمة بالكاتيونات المستخدمة في البداية للتليين.

المزايا:

1. ولا تؤثر هذه الطريقة بشكل كبير على الخصائص الأخرى للمياه، مثل قيمة الرقم الهيدروجيني.

2. تقوم العملية أيضًا بإزالة الكاتيونات المسببة للصلابة بخلاف المغنيسيوم والكالسيوم.

3. هذه العملية تقلل من الصلابة إلى ما يقرب من الصفر.

العيوب:

1. يمكن أن تؤدي المستويات العالية من الحديد أو المنغنيز في الماء إلى تلويث راتنج التبادل الأيوني.

2. يمكن أن تزيد راتنجات الصوديوم من محتوى الصوديوم في الماء النهائي وتتداخل مع بعض طرق مراقبة صلابة ULR.

3. يمكن لمستويات المواد الصلبة العالية أن تلوث طبقة الراتينج، مما يؤدي إلى تكاليف إضافية.

عملية تخفيف هطول الأمطار

وعادة ما يتم هطول الأمطار من خلال عملية الصودا الجيرية. عندما يضاف الجير إلى الماء العسر، فإنه يتفاعل مع صلابة الكربونات لإنتاج المواد الصلبة. يمكن استخدام الجير ورماد الصودا معًا لإزالة الكربونات والصلابة غير الكربونية. يتطلب ترسيب المغنيسيوم ضعف كمية المضافات الكيميائية وينتج ضعف كمية الحمأة التي يجب إزالتها مقارنة بترسيب الكالسيوم. قم بإزالة ثاني أكسيد الكربون الزائد قبل التليين، لأنه يمكن أن يعيق ترسيب الجير.

المزايا:

1. تعمل هذه العملية على إزالة الحديد الزائد والفلورايد.

2. قد تؤدي هذه العملية إلى إزالة البكتيريا والفيروسات بسبب ارتفاع قيمة الرقم الهيدروجيني.

3. يمكن التحكم في التآكل وتكوين القشور بهذه الطريقة باستخدام الضوابط المناسبة.

العيوب:

1. ينتج كمية كبيرة من الحمأة التي يجب التخلص منها.

2. التكاليف التشغيلية والكيميائية مرتفعة.

3. قد تؤثر إضافة رماد الصودا على محتوى الصوديوم في الماء.

4. من الضروري إعادة الكربنة أو إعادة إدخال ثاني أكسيد الكربون لخفض الرقم الهيدروجيني بعد التليين.

5. هذه العملية لا تقلل من الصلابة إلى الصفر.

6. تتطلب العملية درجة عالية من مهارة المشغل للتحكم فيها.

الغليان

يؤدي غلي الماء إلى تقليل كمية الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء عن طريق ترسب كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم الموجودة في الماء إلى القاع. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة مناسبة فقط لكميات صغيرة من الماء وليس لمعالجة كميات كبيرة.

المزايا:

1. بسيطة ومنخفضة التكلفة

2. يمكن للغلي معالجة كميات صغيرة من الماء، على سبيل المثال، الطبخ، ومياه الشرب، وما إلى ذلك.

العيوب:

1. يمكن للغليان فقط إزالة كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم من الماء، وهو غير فعال في تقليل عسر الماء بالنسبة لأشكال العسر الأخرى، مثل كبريتات الكالسيوم وكلوريد المغنيسيوم.

2. مناسبة فقط لكميات صغيرة من معالجة المياه المنزلية

3. لا يمكن إزالة الملوثات الأخرى من الماء

ما هي العمليات التي تتطلب مراقبة صلابة المياه؟

1. صناعة مياه الشرب: تعد عسر المياه أيضًا أحد العوامل التي يجب مراقبتها في معالجة مياه الشرب. قد تؤدي العسر الشديد في الماء النهائي إلى ظهور القشور، مما قد يضر بطعم ونوعية مياه الشرب، وكذلك الأنابيب والصنابير وما إلى ذلك. إذا كان الماء ناعمًا جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى تآكل الأنابيب. إذا كان الماء ناعمًا جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى تآكل الأنابيب.

2. مياه الصرف الصحي: قد يؤدي تصريف المياه العادمة العسر إلى المسطحات المائية الطبيعية إلى بناء الرواسب والتأثير على توازن النظام البيئي المائي. ولذلك، تتطلب المناطق أو البلدان المختلفة تقارير مراقبة عن صلابة مياه الصرف الصحي الصادرة عن المؤسسات الصناعية أو التجارية للتأكد من أن تصريف مياه الصرف الصحي يتوافق مع المعايير البيئية والحدود التنظيمية.

3. إنتاج المنظفات والصابون: يتطلب إنتاج المنظفات والصابون مراقبة صلابة الماء، إذ أن الماء اليسر والماء العسر لهما تأثيرات مختلفة على أداء المنتج.

4. حمامات السباحة: تضمن مراقبة عسر المياه أن حمامات السباحة والمنتجعات الصحية تتمتع بالجودة المناسبة من المياه للحفاظ على النظافة وأداء المعدات.

5. صناعة التصنيع الكيميائي: في عمليات التصنيع الكيميائي، قد تؤثر التغيرات في صلابة الماء على فعالية التفاعل. قد تؤثر صلابة الماء العالية على معدلات التفاعل، ونقاء المنتج، والإنتاجية، وما إلى ذلك.

6. معالجة مياه الغلايات والتبريد: يمكن أن يؤثر مستوى عسر الماء على أداء أنظمة الغلايات ومياه التبريد. قد تؤدي عسر الماء المفرط إلى اتساخ الغلايات والأنابيب والمكثفات وما إلى ذلك، مما قد يسبب أضرارًا وخسارة في الإيرادات.

7. صناعة المواد الغذائية: في صناعة الأغذية والمشروبات، تعد مراقبة عسر المياه أمرًا بالغ الأهمية للتحكم في جودة المنتج. يمكن أن يؤثر على طعم ولون وملمس المنتجات الغذائية.

8. صناعة اللب والورق: يمكن أن تؤثر عسر الماء على جودة الورق وأدائه. يمكن أن تؤدي صلابة الماء العالية إلى ترسيب الألياف والمواد المالئة، مما يجعل سطح الورق أقل سلاسة ويزيد من خشونة الورق. ويمكن أن يتسبب أيضًا في عدم استقرار الرقم الهيدروجيني للورقة، مما يجعلها عرضة للاصفرار والهشاشة.

ما هي صلابة الماء الطبيعية في جزء في المليون؟

غالبًا ما يتم قياس عسر الماء 'العادي' أو النموذجي من حيث عسر الماء الإجمالي بأجزاء في المليون (ppm) أو ملليجرام لكل لتر (mg/L) مثل كربونات الكالسيوم (CaCO3). فيما يلي تصنيف عام لعسر الماء:

1. الماء العذب: 0-60 جزء في المليون (أو ملجم/لتر) على شكل CaCO3

2. الماء العسر قليلاً: 61-120 جزء في المليون (أو ملجم/لتر) في صورة CaCO3

3. الماء العسر إلى حد ما: 121-180 جزء في المليون (أو ملغم/لتر) على شكل CaCO3

4. الماء العسر: 181-250 جزء في المليون (أو ملغم/لتر) على شكل CaCO3

5. الماء العسر جدًا: أكثر من 250 جزء في المليون (أو ملجم/لتر) على شكل CaCO3

من المهم ملاحظة أن هذه النطاقات ليست صارمة ويمكن أن تختلف وفقًا للمعايير المحلية والتفضيلات الشخصية.

ما هو مستوى جيد من صلابة في الماء؟

يمكن أن يختلف المستوى 'الجيد' لعسر الماء اعتمادًا على التطبيق أو التفضيل المحدد، ولكن فيما يلي بعض الإرشادات العامة لعسر الماء في إعدادات المختبر والمنزل:

صلابة المياه في المختبر:

صلابة منخفضة إلى متوسطة (ناعمة إلى صلبة قليلاً): بالنسبة لمعظم التطبيقات المعملية، من المثالي الحصول على مياه ذات صلابة منخفضة إلى متوسطة. غالبًا ما يُفضل الماء العذب (0-60 مجم/لتر مثل CaCO3) لمنع التداخل مع العمليات التحليلية ولتقليل مخاطر تكوين القشور في معدات المختبر.

صلابة المياه المنزلية:

التفضيل الشخصي: في المنزل، يمكن أن تكون عسر الماء مسألة تفضيل شخصي. يفضل بعض الأشخاص الماء العذب لأنه يميل إلى أن يكون أسهل على الجلد ويؤدي إلى تراكم أقل للقشور على التركيبات والأجهزة. قد يفضل البعض الآخر الماء العسر قليلاً لأنهم يعتقدون أنه أكثر صحة. وبشكل عام يعتبر الماء:

1. ناعم: 0-60 ملجم/لتر على شكل CaCO3

2. شديد الصلابة قليلاً: 61-120 مجم/لتر على شكل CaCO3

تجدر الإشارة إلى أن عسر الماء يمكن أن يختلف بشكل كبير حسب الموقع، وبالتالي فإن مصدر المياه الطبيعي في منطقة معينة سيحدد مستوى عسر الماء الأساسي. في بعض المناطق، قد يكون الماء ناعمًا بشكل طبيعي، بينما في مناطق أخرى، قد يكون عسرًا جدًا. في الحالات التي يكون فيها الماء عسرًا للغاية بالنسبة للتفضيل الشخصي، يمكن استخدام منقيات الماء لتقليل عسر الماء.

قد يعتمد أيضًا مستوى الصلابة المحدد الذي تعتبره 'جيدًا' على الاستخدام المقصود. بالنسبة لمياه الشرب، التفضيل الشخصي هو عامل رئيسي. بالنسبة للأجهزة وأنظمة السباكة، غالبًا ما يكون من الأفضل أن يكون لديك ماء عسر قليلًا لتقليل خطر التآكل وتراكم الترسبات الكلسية، ولكن ليس بقوة شديدة بحيث تسبب مشاكل.

في النهاية، تعريف صلابة المياه 'الجيدة' هو تعريف شخصي ويمكن أن يختلف من حالة إلى أخرى. من المهم أن تأخذ بعين الاعتبار التفضيل الشخصي والمخاوف العملية عند تحديد ما هو مناسب لتطبيق معين.