Duretat de l'aiga

La duretat es una qualitat de l'aiga ligada al respècte de la dissolucion de cations metallics non alcalins, basicament los cations alcalinoterrencs calci, Ca²⁺, e magnèsi, Mg²⁺.

L'aiga amb fòrça duretat provòca d'incrustacions dins las conduchas e de depauses

La duretat compren tanben los efièches d'autres cations divalents coma la estronci, Sr²⁺, lo fèrre (II), Fe²⁺, e lo manganès (II), Mn²⁺, e tanben lo trivalent alumini, Al³⁺, mas aqueles cations se tròban pas abitualament dins las aigas superficialas o sosterranhas o sa concentracion es negligibla comparant amb aquesta dels cations Ca²⁺ e Mg²⁺. Los efièches de la duretat de l'aiga s'obsèrva dins la precipitacion dels sabons en empachan que realizen lor foncion netejaanta, e dins las incrustacions de carbonat de calci, CaCO₃, que se produsisson dins los depauses que contenon d'aiga cauda o dins las conduchas per ont circula.

La duretat, es notada Dt, en mg CaCO₃/L, s'obten amb l'expression:

$D_{t}(mgCaCO_{3}/L)=\left({\frac {mgCa^{2+}}{20}}+{\frac {mgMg^{2+}}{12}}\right)50$

Tipe de duretat

Se definís tres tipe de duretat en foncion dels anions que se son associats als cations alcalinoterrencs: la duretat temporala, la duretat permanenta e la duretat totala.

Duretat temporala

L'aiga en s'esvaporanr de las caunas produsís d'estalagmitas, lo meteis fenomèn que las inscrutacions

La duretat temporala, tanben nomenada duretat carbonica, es la duretat a causa dels cations Can²⁺ e Mg²⁺ associats als anions carbonat, CO₃^2¯ e idrogencarbonat, HCO₃^¯. Se simboliza per Dc. Aquesta duretat es la causa màger de las incrustacions de carbonat de calci, CaCO₃, dins las aisinas o conduchas que contenon o conduson d'aiga cauda e de las marcas blanquinosas que daissa l'aiga sus las superfícias quand s'esvapora.

Duretat permanenta

La duretat permanenta fa referéncia al contengut total de cations Ca²⁺ e Mg²⁺, subretot, après un temps dins un estat de bolh de l'aiga. Pendent lo procès d'ebullicion se desliga lo dioxid de carbòni, CO₂, e precipitan los carbonats d'aqueles cations, demoran en dissolucion los cations Ca²⁺ e Mg²⁺ associats a al sulfats, clorurs e silicats. La reaccion que debana pendent l'ebullicion es la reaccion entre los cations Can²⁺ o Mg²⁺ amb los anions idrogencarbonat, HCO₃^¯, (que son en equilibri quimic amb los anions carbonat, CO₃^¯) e que se pòt simbolizar mejançant l'equacion quimica:

$Ca^{2+}+2HCO_{3}^{-}\longrightarrow CaCO_{3}(s)\downarrow +CO_{2}(g)\uparrow +H_{2}O$

La duretat permanenta se simboliza per Dp.

Duretat totala

La duretat totala aquesta que considèra la concentracion totala de cations divalents (Can²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺) e dels trivalents Fe₃⁺ e Al₃⁺, dins una aiga, e que se redusís generalament los cations Ca²⁺ e Mg²⁺. Es aquesta que causa de la precipitacion dels sabons qu'empacha son accion netejanta. Se nota Dt e correspond a la soma de las doas precedentas:

$D_{t}=D_{c}+D_{p}$

Se pòt diferenciar dins aqueste tipe la duretat calcica e la duretat magnesica que se revenon a las concentracions totalas del cation Can²⁺ e del cation Mg²⁺ respectivament.

Unitats

TAULA DE CORRESPONDÉNCIA ENTRE UNITATS
Unitats de duretat		mg CaCO3/L	mmol CaCO3/L	°F (° francés)	°D (° alemand)	°e (° Anglés)
1 mg CaCO3/L		1	0,01	0,10	0,056	0,07
1 mmol CaCO3/L		100	1	10	5,6	7
1 °f		10	0,1	1	0,56	0,702
1 °d		17,9	0,179	1,79	1	1,253
1 °e		14,3	0,143	1,43	0,798	1

I a agut istoricament diferentas unitats per exprimir la duretat de l'aiga segon los diferents païses. En totas aquestas la concentracion totala de cations s'exprimisson coma se totes los cations èran Ca²⁺ e los anions èran de carbonats, CO₃⁻, es a dire que la duretat se produsís per la dissolucion exclusiva de carbonat de calci, CaCO3, levat lo gra anglés qu'exprimís la concentracion en foncion de l'oxid de calci, CaO. S'emplegan a l'ora d'ara las seguentas:

• mg CaCO₃/L: La concentracion de cations s'exprimís en mg CaCO₃ per litre d'aiga.
• mmol CaCO₃/L: La concentracion de cations s'exprimís en mmol CaCO₃ per litre d'aiga.
• Gra idrotimetric francés, °f o °Hf: Se definís 1 °f egal a 10 mg CaCO₃/L.
• Grau idrotimetric alemand, °d o °Hd: Se definís 1 °d egal a 10 g de CaO/L, qu'equival a 17,8 mg CaCO₃/L.
• Grau idrotimètric anglés, °e o °Ae: Se definís 1 °e egal a 10 mg CaCO₃/701,5 mL.

Classificacion de las aigas

ESCALIÈR MERCK
Tipe d'aiga		Fòrça doça	Doça	Semidura	Dura	Fòrça dura
Duretat (mg CaCO3/L)		0-79	80-149	150-329	330-549	≥550

Las aigas se pòdon classificar segon lo gra de duretat. Entre los diferents classaments una de las mai emplegat es l'escala Merck qu'establís cinc tipe d'aiga segon unes intervals de duretat que se mòstran a la taula çai contre.

Las aigas an abitualament de valors entre 10 e 300 mg CaCO₃/L, e pòdon arribar a 1000 mg CaCO₃/L e, excepcionalament, a 2000 mg CaCO₃/L o mai. L'aiga de la mar es a l'entorn de 1500 mg CaCO₃/L.

Causas

L'aiga amb CO2 dissolgut davala dins d'una ròca e dissòlv lo carbonat de calci

La causa de la duretat de l'aiga es, subretot, la dissolucion de sals de calci e magnèsi pendent lo procès de infiltracion de l'aiga superficiala dins lo terren per formar d'aiga sosterranha. Dins aqueste percors de l'aiga aquesta ven en contacte amb diferents tipes de ròcas que pòdon dissòlvre sas sals. Las ròcas carbonatas, coma la calcita e la dolomita, quitament insolublas, son aquestas que se dissolvon mai aisidament que l'aiga pòrta de dioxid de carbòni, CO₂, dossolgut de l'atmosfèra que reacciona amb l'aiga donadant d'anions idrogenocarbonat acid e carbonat segon los equilibris:

$CO_{2}(aq)+2H_{2}O\rightleftharpoons HCO_{3}^{-}(aq)+H_{3}O^{+}(aq)$ $HCO_{3}^{-}+H_{2}O\rightleftharpoons CO_{3}^{2-}(aq)+H_{3}O^{+}(aq)$

La dissolucion ne resultant es leugièrament acida, çò que permet la dissolucion de carbonats de calci e magnèsi, que son insolubles, mercés a la reaccion:

$CaCO_{3}(s)+H_{3}O^{+}(aq)\longrightarrow Ca^{2+}(aq)+HCO_{3}^{-}(aq)+H_{2}O$

Pasmens la quantitat de diòxid de carbòni, CO₂, dissolgut dins l'aiga se pòt pas explicar sus la sola basa de la dissolucion del diòxid de carbòni atmosferic. Cal prene en compte l'apòrt de diòxid de carbòni causada per la respiracion de microorganismes presents dins l'aiga e en lo sòl.

Consequéncias

Una duretat nauta de l'aiga causa difrents problèmas que se venon greus quand la valor aumenta. Aqueles son:

• Precipitacion dels sabons: Los cations calci e magnèsi precipitan lo estearat compausant principal dels sabons en forma d'estearat de calci e lo de magnesi. Aiçò provòca la reduccion del rendiment dels sabons, que pèrdon lor capacitat netejanata. Aquel problèma se pòt resòlvre de diferents biais: Dins los lavalinges se pòt addicionar una quantitat suplementària de detergent, atal una partida dels estearats precipitaràn mas demorarà una autra en dissolucion que poirà realizar sa foncion. Aumenta lo còst del netejatge a causa de la màger quantitat de detergent utlizada. Dins los lavavaissèlas s'utiliza una resina d'escambi iònic que permet d'escambia los cations Ca²⁺ per  de cations sòdi abans que l'aiga venga en contacte amb lo detergent, redusissent atal la duretat de l'aiga e evitant la precipitacion dels estearats. La resina pèrd, dins aquel procès, los cations Na⁺ que se cal recuperats per realzar un nòu procès, aquò se fa mejançant lo contacte amb una dissolucion extrèmament salina de clorur de sòdi, NaCl. Çò que causant aquesta precipitacion es la duretat totala, que lo fenomèn depend de la concentracion de cations e non pas dels anions. La reaccion que se debana se pòt simbolizar mejançant la seguenta equacion:

$2C_{17}H_{35}COO^{-}+Ca^{2+}\longrightarrow (C_{17}H_{35}COO)_{2}Ca\downarrow$

Pèça d'un lavalinge amb incrustacions blanquinosas

• Incrustacions: L'aument de la temperatura d'una aiga fa que se produsís un desligament de dioxid de carbòni, çò que causa lo cambiament de l'equilibri cap a la formacion de carbonat de calci e son depaus sus las superfícias de contacte, interior de tudèls, serpentins, restancas, caudièras, resisténcias, eca. Aquel fenomèn depend de la duretat carbonica o temporala, causat pels carbonats. Se produson d'incrustacions de carbonat de calci que creisson amb lo passatge del temps e tapan las conduchas per ont circula l'aiga produsent una diminucion del diametre, las sortidas d'aquestas conduchas se pòdon obstuir coma pels fèrres d'alisar, e las resisténcias pèrdon capacitat de calfament. Per evitar aquel problèma se cal emplegar d'aiga de pauca duretat quand serà possible.

• Problèmas sanitaris: Los estudis realizats indican que la duretat de l'aiga provòca pas problèmas de santat epls consumators. Las aigas duras pòrtan de cations calci al regime que son fondamentals per la calcificacion dels òsses. Pasmens unes estudis mòstran que l'usatge d'aigas fòrça duras dins la igièna personala poiriá aumentar l'incidéncia de eczèmas pels enfants.

Tanben, una bassa duretat de l'aiga pausa de problèmas. Las aigas fòrça pauc duras produson granda corrosion a l'interiors de las conduchas e restancas metallicas. Las incrustacions de carbonat de calci que produson las aigas duras protegisson de la corrosion los interiors de las conduchas e restancas. Doncas las aigas doças son mai corrosives que las duras a causa d'aqueste manca de proteccion.

Metòdes de determinacion dirècta

S'utiliza dos metòdes per la determinacion dirècta de la duretat:

Valorizacio complexometrica

La valorizacion complexometrica amb l'acid etilendiamintetraacetic (EDTA) es la tecnica mai abituala per determinar la duretat de l'aiga. S'agís d'una volumetria ont lo reactiu es una dissolucion 0,01 M d'EDTA que forma un complèxe de coordinacion amb lo calci e lo magnèsi. La determinacion se cal far a pH = 10, que s'emplega per çò far una dissolucion tampon de clorur d'amoni/amoniac e l'indicator es lo nègre d'eriocròma T, que ven roge vinós a blau.

Metòde de Boutron-Boudet

Aquel metòde es lo mai ancian e se basa sus la proprietat qu'an los cations calci e magnèsi de precipitar l'estearat, o palmita, que forma los sabons. Se prepara una dissolucion d'estearat de sòdi de concentracion coneguda dins un idrotimetre e s'apond de gotas de l'aiga que duretat se vòl determinar amb una bureta idrotimetrica. Se cobrís e se mescla. Se se forman bofigas significa que se cal contunhar apondre de gotas de l'aiga que se precipitèt pas encara tot l'estearat. Quand se forman pas pus de bofigas se legís lo volum apondut a l'aiga e se'n dedusís la duretat.

Metòdes de determinacion indirècta

S'emplegan abitualament dos metòdes de determinacion indirecta de la duretat:

Mejans la conductivitat electrica

Experimentalament se verifica qu'i a una relacion entre la duretat d'una aiga e sa conductivitat electrica que permet de far una estimacion fòrça aproximativa cada còp qu'i aja pas salinizacion marina de l'aiga, doncas que l'aiga de la mar pòrta d'anions clorur, Cl^–, e de cations sòdi, Na⁺, fòrça conductors, que son pas ligats a la duretat.

La relacion es:

$2\,\mu S/cm=1\,mg\,CaCO_{3}/L$

A partir d'aquesta relacion mesurant la conductivitat electrica en μS/cm amb un conductimetre es possible d'obténer una valor aproximativa de la duretat decesissent simplament per 2.

Mejans las concentracions dels cations dissolguts

COEFICIENTS PER CALCULAR LA DURETAT
Cation		Ca2+	Mg2+	Sr2+	Fe2+	Al3+	Zn2+	Mn2+
Coeficient		2,497	4,116	4,142	1,792	3,710	1,531	1,822

La duretat se pòt calcular exactament a partir dels diferents cations presents dins l'aiga, levat l'ion idròni, H₃O⁺, e los cations alcalins, Li⁺, La⁺ e K⁺. Atal lo contengut en mg/L de CaCO₃ equivalent se calcula multiplicant las valors obtengudas, en mg/L, pels coeficients de la taula e somar los resultats. Sufís normalament de realizar lo calcul amb los cations Ca²⁺ e Mg²⁺.

Adociment

Existisson diferents biais per reduire la duretat d'una aiga quand sa duretat empacha son usatge, es l'adociment.

Adociment Amb carbonat de calci

Usina de tractament de l'aiga

Aqueste metòde, lo mai ancian, utiliza l'oxid de calci o calç, CaO, e lo carbonat de sòdi, Na₂CO₃, que s'apond a l'aiga que se vòl adocir. En contacte amb l'aiga l'oxid de calci forma l'idroxid de cali segon la reaccion:

$CaO(s)+H_{2}O(l)\longrightarrow Ca(OH)_{2}(aq)$

L'idroxid de calci insolubiliza las sals correspondentas a la duretat temporala. Atal l'idrogencarbonat de calci, Ca(HCO₃)2, soluble, se transforma en carbonat de cali, CaCO3, insoluble que se separa de l'aiga per precipitacion:

$Ca(OH)_{2}(aq)+Ca(HCO_{3})_{2}(aq)\longrightarrow 2CaCO_{3}(s)\downarrow +H_{2}O(l)$

e lo idrogencarbonat de magnèsi, Mg(HCO₃)₂, soluble, se transforma en carbonat de calci, CaCO₃, insoluble e carbonat de magnesi, MgCO₃, soluble.

$Ca(OH)_{2}(aq)+Mg(HCO_{3})_{2}(aq)\longrightarrow CaCO_{3}(s)\downarrow +MgCO_{3}(aq)+H_{2}O(l)$

Lo carbonat de magnèsi soluble precipita en forma d'idroxid de magnèsi, Mg(OH)₂, insoluble:

$Ca(OH)_{2}(aq)+MgCO_{3}(aq)\longrightarrow Mg(OH)_{2}(s)\downarrow +CaCO_{3}(s)\downarrow +H_{2}O(l)$

Los lavavaissèla emplegan de resinas d'escambi iònic per docir l'aiga se cal

La duretat permanenta s'elimina tanben per precipitacion mejans addicion de carbonat de sòdi, Na₂CO₃:

$CaSO_{4}(aq)+Na_{2}CO_{3}(aq)\longrightarrow CaCO_{3}(s)\downarrow +Na_{2}SO_{4}(aq)$ $CaCl_{2}(aq)+Na_{2}CO_{3}(aq)\longrightarrow CaCO_{3}(s)\downarrow +Na_{2}Cl_{2}(aq)$

O amb lo meteis idroxid de calci per las sals de magnèsi:

$MgSO_{4}(aq)+Ca(OH)_{2}(aq)\longrightarrow Mg(OH)_{2}(s)\downarrow +CaSO_{4}(s)\downarrow$

Aqueste metòde de adociment presenta dos problèmas. Lo primièr es que demòra sempre en dissolucion lo carbonat de calci, CaCO₃, e idroxid de magnèsi, Mg(OH)₂, que se s'eliminan pas pòdon precipitar en produsissent posteriorament de depaus non desirast o turbiditat de l'aiga. Lo segond es l'aument del pH qu'ocasiona l'usatge de carbonat de sòdi, Na₂CO₃, que pòt arribar fins a la valor d'11. Per solucionar s'apond de dioxid de carbòni dins l'aiga que transforma lo carbonat de calci e l'idroxid de magnèsi en idrogencarbonats de calci e de magnèsi, que son solubles.

Adociment mejans de resinas d'escambi ionic

Boletas de resina d'escambi ionic emplegadas dins los lavavaissèla

Aqueste sistèma fonciona mejans l'escambi d'ions d'una solucion amb los ions de carga semblabla d'una resina d'escambi ionic. S'utiliza abitualament de resinas sinteticas qu'an de cations sòdi, Na⁺, flacament retenguts a sa superfícia e que s'escambian amb los cations calci, Ca²⁺, e magnèsi, Mg²⁺, quand l'aiga que los conten ven en contacte amb la resina. D'aqueste biais se lèva de l'aiga solament los cations causants la duretat sens aver de levar, tanben, los anions que li son associats. Amb aquel procès l'aiga aumenta la concentracion de cations sòdi, Na⁺, çò que presenta pas de problèmas al moment d'utilizar l'aiga. Lo procès se pòt representar per:

$2R-SO_{3}Na+Ca^{2+}\longrightarrow (R-SO_{3})_{2}Ca+2Na^{+}$

La resina amb lo passatge de l'aiga perd sa capacitat d'escambi, alara la regenerar amb una solucion fòrça concentrada (aiga-sal) de clorur de sòdi, NaCl, una substància bon mercat, fins a que se produsca l'escambi invèrs, los cations calci, Ca²⁺, e magnèsi, Mg²⁺ passan per la solucion salina e se fixan los cations sòdi, Na⁺, daissant la resina prèsta per un nòu procès d'abociment.

A l'ora d'ara per eliminar la duretat de las aigas dins los lavalinges lo detergent pòrtan dins sa composicion de zeolitas, minerals aluminosilicats naturals o sintetics, d'estructura tridimensionala, la partida anionica que se pòt representar per la formula [(Al, Se)O₂]n. Presentan, la caracteristica mai importanta, de rets dubèrts que determinan l'existéncia de cavitats dins la quita estructura, çò que permet son usatge coma escambiators d'ions e, fondamentalament, coma adsorbents selectius d'una granda efectivitat.

Adociment amb de polifosfats

Quelat de trifosfat de calci

Per evitar la precipitacion dels sabons dins los lavalinges e lavavaissèlas los fabricants de detergents i apondon de polifosfats, dins los detergents solids lo tripolifosfat de sòdi, Na₅P₃O₁₀, e dins unes liquids lo pirofosfat de sòdi, Na₄P₂O₇, qu'agisson coma quelats pels cations Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ e Fe³⁺. Los detergents solids per lavalinges an de quantitats de fosfats nautas, entre 15% e 30% del pes. D'aqueste biais s'evita la precipitacion dels estearats de calci o magnèsi e s'atenh melhorar lo rendiment del detergent pque tot rèsta en solucion e pòt realizar sa foncion.

Pasmens, dins los darrièrs ans aumentèt la preocupacion al subjècte de l'usatge de polifosfats que s'idrolizan dins l'aiga en fosfats. Çò que manda de grands quantitats de fosfats dins lo sistèma de dogat e dins los corses naturals d'aiga, provocan eutrofitzacion. Alara se rason regulèt legalament la quantitat maximala de polifosfats dins los detergents dins l'Union Europèa e d'autres païses. Per los substituir se cerquèt d'autras quelatants que produson pas problèmas environamental, coma l'acid etilendiamintetraacetic (EDTA), l'acid nitriltriacetic (DTA) o l'acid dietilentriaminopentacetic (DTPA).