سختی آب یکی از مهمترین ترین مشخصه های آبهای مصرفی است و تعیین میزان سختی آب  از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. از متداول ترین  راههای اندازه گیری سختی آب می توان به تیتراسیون کمپلکسومتری با EDTA اشاره کرد. در این مقاله به بررسی سختی آب و نحوه اندازه گیری سختی کل آب به روش کمپلکسومتری خواهیم پرداخت.

آب یکی از مهم ترین عناصر طبیعی است و علاوه بر مصارف خوراکی و زیست محیطی در صنعت نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. برای مصارف مختلف از آبهایی با کیفیت های متفاوت استفاده می شود. از جمله پارامترهای مهمی که در تعیین کیفیت آب مصرفی مهم هستند می توان به کدر بودن، سختی، قلیایی بودن، مقدار اسیدهای معدنی آزاد و … اشاره کرد.  لازم است که مشخصات آب مصرفی به دقت اندازه گیری شود و اگر آب کیفیت مورد نظر را نداشته باشد با کمک روشهای شیمیایی و یا فیزیکی، به مشخصات مطلوب رسانده شود.

 آب سخت چیست؟

آب سخت (Hard water) آبی است که حاوی مقدار زیادی مواد معدنی مانند کلسیم ، منیزیم  است. سختی آب به صورت طبیعی اتفاق می افتد و زمانی که آب از میان سنگهایی مانند سنگ آهک و گچ حاوی مواد معدنی مانند کربنات کلسیم و کربنات منیزیم حرکت  میکنند نمکهای معدنی در آن حل شده و محلول باقی می مانند و منجر به سختی آب می شوند. آب های زیرزمینی متداول ترین منبع آب سخت هستند و از آنجاییکه غلظت یونهای کلسیم و منیزیم در آبهای طبیعی از هر یون فلزی بیشتر است،به همین دلیل مجموع میلی گرم های کلسیم و منیزیم موجود در یک لیتر آب تعیین کننده سختی آب می باشد و بر حسب کلسیم کربنات بیان می گردد. هرچقدر غلظت کاتیون ها بیشتر باشد، سختی آب نیز افزایش می یابد.

انواع سختی آب

سختی آب توسط درجه هیدروتی متریک (Hydrotimetric) بیان شده و اغلب به ۳ نوع سختی موقت، سختی دائم و سختی کل تقسیم بندی می شود:

• سختی موقت

سختی موقت به دلیل وجود بیکربنات های کلسیم و منیزیم ایجاد می شود. این املاح در اثر حرارت تجزیه شده و به صورت رسوب ته نشین می شوند ولی همواره مقداری کربنات کلسیم به صورت محلول باقی می ماند که به آب معادل ۳ درجه سختی هیدروتی متری میدهد.   چون بخشی از بیکربنات های کلسیم و منیزیم در اثر حرارت به صورت کلسیم کربنات و منیزیم کربنات رسوب کرده و سختی آب کم میشود، سختی مربوط به این ترکیبات، سختی موقت نامیده می شود. توجه داشته باشید که اگر حرارت دادن آب در داخل دیگه های مولد بخار یا آبگرمکن ها در فضای بسته انجام شود، تجزیه این املاح علاوه بر تشکیل رسوب، باعث خوردگی و بروز مشکلاتی نیز می شود، به خاطر اینکه CO2 حاصل از تجزیه بی کربنات ها منجر به تولید کربنیک اسید می شود.

• سختی دائم 

سختی دائم را سختی غیر کربناتی می نامند. سختی دائم ناشی از نمکهای سولفات، کلرید یا نیترات کلسیم و منیزیوم است که در اثر جوشیدن رسوب نمی کنند و به صورت محلول باقی می مانند. همچنین برخی از این نمکها مثل کلسیم کلرید و منیزیم کلرید، در لوله های دیگه بخار، ایجاد خوردگی می کنند. برای حذف و یا کاهش این املاح باید از روشهای شیمیایی استفاده شود به عنوان مثال از سدیم کربنات می توانیم برای رسوب دادن یون های کلسیم و منیزیم استفاده کنیم. 

• سختی کل

مجموع سختی های دائم و موقت سختی کل گفته می شود: 

سختی کل = سختی دائم + سختی موقت

واحد اندازه گیری سختی آب

هرگاه سختی آب به روش هیدروتی متری انجام شود، میزان سختی اغلب بر مبنای میلی گرم های کلسیم کربنات در یک لیتر آب محاسبه می شود. بر طبق تعریف، یک درجه سختی هیدروتی متری فرانسوی، معادل با ۱۰ میلی گرم کلسیم کربنات در لیتر است. به عنوان مثال، آبی که معادل ۱۰۰ میلی گرم کلسیم کربنات املاح داشته باشد، به آن سختی با ۱۰ درجه هیدروتی متری نسبت می دهند. به منظور آشنایی با نحوه تبدیل غلظت یونی مواد دیگر به میلی گرم بر لیتر کلسیم کربنات، ویدیوی زیر را مشاهده کنید.

نحوه انجام محاسبات آزمایش اندازه گیری سختی کل آب به روش تیتراسیون با EDTA

معایب آب سخت چیست؟

آب سختی که از مقادیر بالایی مواد معدنی تشکیل شده باشد، می تواند مشکلات زیادی ایجاد کند. از جمله این مشکلات می توان به  خشكی پوست تا رسوب دهی روی وسایل اشاره کرد. ما اغلب نشانه های آب سخت را میبینیم ولی عامل ایجاد آنها را به آب سخت نسبت نمیدهیم. اگر گمان میکنید که آب مصرفی تان سخت است بهتر است موارد زیر را بررسی کنید:

•  تجمع صابون

آب سخت نه تنها  باعث به وجود آمدن رسوبات کلسیم بر روی شیرآلات می شود، بلکه تاثیر صابون ها و شوینده ها را نیز بی اثر می کند و باعث می شود که صابون به جای لغزندگی روی ظروف رسوب کند.

•  انسداد لوله ها

رسوبات کلسیم ناشی از  وجود آب سخت می تواند سر دوش و لوله ها را مسدود کند و مانع جریان مناسب آب گردد. 

•  خشکی و خارش پوست

  وقتی شما با آب سخت دوش می گیرید ، صابون ها کاملا شسته نمی شوند و بر روی پوست باقی می مانند. صابون مانده که در پوست گیر کرده و رطوبت پوست را می گیرد و باعث خشکی و خارش آن می شود. آب سخت باعث ایجاد علائم شبیه اگزما در پوست می شود.

• رنگ پریدگی لباسها

آب سخت تاثیر صابون را از بین میبرد و مواد شوینده نیز از این قاعده مستثنی نیستند! وقتی لباس های خود را در آب سخت بشویید، احساس میکنید که لباسها کاملا تمیز نشده اند. همچنین باقی ماندن مواد شوینده روی لباس، رنگ لباس را کم رنگ می کند. حتی اگر حوله شما نسبت به قبل سفت شده است، نشان می دهد که آن را در آب سخت می شویید.

• فرسودگی زودهنگام لوازم خانگی

رسوب ناشی از آب سخت می تواند باعث خرابی لوازم خانگی شود. از ماشین ظرفشویی گرفته تا ماشین لباسشویی و شیرآلات و…، آب سخت میتواند منجر به کاهش طول عمر لوازم خانگی شود. به عنوان مثال ، طول عمر مورد انتظار برای یک ماشین لباسشویی 11 سال است. اما اگر ماشین لباسشویی با آب سخت کار کنید ، طول عمر دستگاه به 7 سال کاهش می یابد.

مزایای آب سخت

• طعم بهتر: طعم آب سخت بهتر از آب نرم است. آب نرم بی مزه است. اما اگر آب سخت بنوشید مژه آن را متوجه خواهید شد.
• تقویت استخوان و دندان: آب سخت به عنوان یک مکمل غذایی از کلسیم و منیزیم عمل می کند.  استخوان و دندان های شما عمدتا از کلسیم ساخته شده است و مصرف آب سخت باعث تقویت استخوان و دندان ها می شود.
• سلامت گوارشی و یبوست: مخلوط مناسب کلسیم و منگنز یبوست را کاهش می دهد و به مبارزه با آن کمک می کند. همچنین کلسیم موجود در آب سخت با صفرا و چربی های اضافی ترکیب می شود و سپس با حرکات روده از بدن دفع می شود.

 آیا آب سخت قابل نوشیدن است؟

از نظر تأثیر آب سخت بر سلامتی شما ، اگر مقدار مواد معدنی موجود در آب سخت در حد مجاز باشد ، نوشیدن آب سخت کاملاً ایمن است. این می تواند نیاز شما به کلسیم و منیزیم را برآورده کند. طبق دستورالعمل BIS ، اگر میزان TDS آب در خانه شما کمتر از 500 میلی گرم در لیتر باشد ، نوشیدن آن بی خطر است. اما سطح ایده آل TDS آب آشامیدنی باید زیر 300 میلی گرم و ترجیحاً در محدوده 80-150 میلی گرم در لیتر باشد. اگر محتوای مواد معدنی آب سخت بیش از حد مجاز باشد می تواند برایتان خطرساز باشد.

اندازه گیری سختی آب به روش کمپلسومتری

تعیین سختی آب به روش تیتراسیون کمپلکسومتری با EDTA یکی از سه روش اصلی برای تعیین سختی آب است. با استفاده از این روش، سختی آب با تیتراسیون نمونه آب با محلول استاندارد اسید اتیلن دی آمین تترا استیک (EDTA) تعیین می شود. EDTA (اسید اتیلن دی آمین تترا استیک) کمپلکسهای پایدار بی رنگی با یون های کلسیم و منیزیم آب در  pH = 9-10 تشکیل می دهد. برای حفظ PH محلول در pH=10، از محلول بافر (NH4Cl + NH4OH) استفاده می شود. همچنین اریوکرم بلک تی (E.B.T) به عنوان شناساگر در این تیتراسیون مورد استفاده قرار می گیرد. در pH 10 ، یون کلسیم ابتدا با شناساگر کمپلکس قرمز رنگ CaIn+(aq) ایجاد می کند. در حین تیتراسیون که EDTA اضافه می شود ، کمپلکس CaIn+(aq) با کمپلکس CaY2-(aq) که آبی است جایگزین می شود و نقطه انتهایی تیتراسیون با تغییر رنگ شدید از قرمز شرابی به آبی نشان داده می شود.

روش عملی اندازه گیری سختی کل آب به روش کمپلکسومتری

با استفاده از پیپت حبابدار 50 میلی لیتر از نمونه آب شهر را در ارلن ریخته و به آن حدود 3 میلی لیتر بافر با 10 =pH و 4-5 قطره شناساگر ECBT اضافه کرده و با EDTA استاندارد 0.01مولار داخل بورت تیتر می کنید. پس از مشاهده رنگ آبی تیتراسیون را متوقف و حجم مصرفی EDTA را یادداشت کنید. این حجم برای کل یون های کلسیم و منیزیم می باشد (V).با استفاده از حجم  مصرفی EDTA برای کلسیم و منیزیم، سختی آب و میلی گرم های کلسیم و منیزیم را محاسبه کنید:

 ویدئوهای زیر در درک اصول تئوری تیتراسیون کمپلکسومتری و نحوه انجام آزمایش می تواند برایتان مفید باشد.

اصول تئوری آزمایش اندازه گیری سختی کل آب به روش تیتراسیون با EDTA

نحوه انجام آزمایش اندازه گیری سختی کل آب به روش تیتراسیون با EDTA

نتایج حاصل از تیتراسیون کمپلکسومتری را چگونه تحلیل کنیم؟

بعد از اینکه محاسبات مربوط به تعیین سختی کل آب را انجام دادید و میلی گرم بر لیتر کلسیم کربنات را محاسبه کردید، می توانید براساس مقدار کلسیم کربنات موجود در نمونه، نوع اب مصرفی را تعیین کنید:

نتیجه گیری

آب سخت حاوی مقدار زیادی مواد معدنی مانند کلسیم ، منیزیم  است. تیتراسیون کمپلکسومتری با EDTA  یکی از راههای اندازه گیری سختی آب است که با کمک آن می توان میزان سختی آب را بر حسب میلی گرم بر لیتر کلسیم کربنات محاسبه کرد.

منابع

• سایت https://www.bestrowaterpurifier.in 
• سایت  https://www.usgs.gov 
• کانال  تلگرامی آموزش شیمی کاربردی دکتر اسدآبادی (Dr_Asadabadi)

امیدوارم اطلاعات ارائه شده برایتان مفید باشد. لطفا نظرات و سوالات خود را با ما در میان بگذارید.