Water hardness คือความกระด้างของน้ำเป็นคำที่ใช้อธิบายความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายในน้ำ ซึ่งมีแคลเซียมและแมกนีเซียมที่ละลายอยู่ในน้ำนั้นประกอบขึ้นเป็นส่วนใหญ่ของสิ่งที่เรียกว่าความกระด้างของน้ำ
โดยที่เรียกว่า Ca2+ ความกระด้างของที่มาจากแคลเซียม ส่วนที่เรียกว่า Mg2+ ความกระด้างของแมกนีเซียม และผลรวมของทั้งสองเรียกว่าความกระด้างรวม (Total Hardness) โดยหลักๆ คือแคลเซียมและแมกนีเซียม
ความกระด้างของน้ำเป็นอันตรายต่อหม้อไอน้ำเนื่องจากการสะสมของเกลือเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำลดลง น้ำกระด้างสามารถดื่มได้อย่างปลอดภัย แต่การใช้เป็นเวลานานอาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ ได้ เช่น:
- รอยด่างบริเวณผิวหนัง
- เครื่องใช้ไฟฟ้าน้ำทำงานหนักขึ้นส่งผลให้ค่าน้ำสูงขึ้น
- มีจุดปรากฏบนเสื้อผ้าและผ้าปูที่นอน
ระดับความเข้มข้นของ Water hardness
ระดับความเข้มข้นวัดจากปริมาณของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ในน้ำ โดยทั่วไปหน่วยวัดจะเป็นส่วนในล้านส่วน (ppm) หรือมิลลิกรัมต่อลิตร (มก./ลิตร) แต่ยังมีอีกหลายหน่วยวัดได้แก่เกรนต่อแกลลอน (gpg) ซึ่งเป็นหน่วยวัดที่นิยมในสหรัฐอเมริกา และ องศาฝรั่งเศส (สัญลักษณ์ °fH หรือ °f) องศาเยอรมัน (สัญลักษณ์ °dH)
การจำแนกประเภทของความกระด้างของน้ำ
- น้ำอ่อน: 0-60 มก./ลิตร (0-3.5 gpg)
- น้ำกระด้างปานกลาง: 61-120 มก./ลิตร (3.6-7 gpg)
- น้ำกระด้าง: 121-180 มก./ลิตร (7.1-10.5 gpg)
- น้ำกระด้างมาก: มากกว่า 180 มก./ลิตร (มากกว่า 10.5 gpg)
ปัญหาของน้ำกระด้าง:
- ทำให้ผมแข็ง
- ทำให้น้ำดื่มมีรสชาติเฉพาะตัว (ไม่น่าพอใจสำหรับคนส่วนใหญ่)
- ก่อให้เกิดการตกตะกอนหรืออุดตันท่อน้ำและอุปกรณ์ต่างๆ เช่นเครื่องทำความร้อน เตารีด และการตกตะกอนนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อน้ำอุ่นขึ้น
- ประจุบวกของความแข็งทำให้มันจับกับฟอสเฟตซึ่งเป็นประจุลบอย่างแรง เนื่องจากการออกฤทธิ์ของผงซักฟอกส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับฟอสเฟตหรือสารลดแรงตึงผิวที่มีประจุลบอื่นๆ ความกระด้างจึงลดประสิทธิภาพลง
- น้ำกระด้างยังเป็นปัญหาสำหรับอุปกรณ์กรองน้ำรีเวิร์สออสโมซิส ทำให้ใส้กรองอุดตันอย่างรวดเร็ว
ผลกระทบของ Water hardness
น้ำกระด้าง (Water hardness) อุดมไปด้วยแร่ธาตุที่ละลายอยู่ โดยเฉพาะแคลเซียมและแมกนีเซียม คุณอาจเคยรู้สึกถึงผลกระทบของน้ำกระด้างมาแล้วในชีวิต รู้สึกราวกับว่ามีชั้นของสารตกค้างเหลืออยู่บนมือหรือผิวหนังและเส้นผมที่แห้ง
สบู่ในน้ำกระด้างทำปฏิกิริยากับแคลเซียม (ซึ่งมีปริมาณแคลเซียมค่อนข้างสูงในน้ำกระด้าง) ให้เกิดฟอง เมื่อใช้น้ำกระด้าง จำเป็นต้องใช้สบู่หรือผงซักฟอกเพิ่มเติมเพื่อทำความสะอาดทุกอย่าง ไม่ว่าจะเป็นมือ ผม หรือเสื้อผ้า
นอกจากนี้เวลาล้างจานและแก้ว คุณสังเกตเห็นจุดหรือคราบขาวบนก๊อกน้ำหรือฝักบัวหรือไม่ ซึ่งเกิดจากการสะสมของน้ำกระด้าง ซึ่งไม่เป็นอันตราย แต่ไม่น่าดูหรืออาจอุดตันท่อได้ ผู้ใช้น้ำเพื่อการอุตสาหกรรมประสบปัญหาร้ายแรงเมื่ออุปกรณ์หรือท่อส่งน้ำเกิดการเปรอะเปื้อนอย่างหนัก
เมื่อน้ำร้อนที่กระด้าง ผลเกิดผลเสียจะทวีคูณเช่นในเครื่องทำน้ำอุ่นในครัวเรือนหรือในโรงงานอุตสาหกรรม การสะสมของแคลเซียมคาร์บอเนตสามารถก่อตัวได้เร็วขึ้น
สามารถทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์อุตสาหกรรมและหม้อไอน้ำสั้นลง เพิ่มต้นทุนการทำน้ำร้อน ลดประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำอุ่นไฟฟ้า และทำให้เกิดการอุดตันในท่อ
การสะสมของแร่ธาตุจะเกิดขึ้นในหม้อกาแฟของร้านอาหารด้วย ซึ่งเป็นสาเหตุที่บางครั้งต้องใส่น้ำส้มสายชู (กรด) ลงในหม้อกาแฟเพื่อกำจัดคราบตะกรัน
การวัด
Hardness หรือความกระด้างนั้นสามารถวัดปริมาณได้โดยการวิเคราะห์ด้วยเครื่องมือ Total Hardness คือผลรวมของความเข้มข้นทางโมลของ Ca2+ และ Mg2+ ในหน่วยโมล/ลิตรหรือมิลลิโมล/ลิตร
แม้ว่าเรามักจะนิยมวัด Water hardness เฉพาะความเข้มข้นรวมของแคลเซียมและแมกนีเซียม (ไอออนโลหะไดวาเลนต์สองชนิดที่แพร่หลายมากที่สุด) แต่เหล็ก อะลูมิเนียม และแมงกานีสก็มีอยู่ในระดับสูงในบางพื้นที่เช่นกัน การมีอยู่ของเหล็กมีลักษณะพิเศษทำให้กลายเป็นปูนกลายเป็นสีน้ำตาล (คล้ายสนิม) แทนที่จะเป็นสีขาว (สีของสารประกอบอื่นๆ ส่วนใหญ่)
ความกระด้างของน้ำมักไม่ได้แสดงเป็นความเข้มข้นของโมลาร์ แต่จะแสดงเป็นหน่วยต่างๆ เช่น องศาความกระด้างทั่วไป (dGH) องศาเยอรมัน (°dH) ส่วนในล้านส่วน (ppm มก./ลิตร) เกรนต่อแกลลอน (gpg), องศาภาษาอังกฤษ (°e, e หรือ °คลาร์ก) หรือองศาฝรั่งเศส (°fH, °f หรือ °HF; f ) ใช้ f ตัวพิมพ์เล็กใช้เพื่อป้องกันความสับสนกับองศาฟาเรนไฮต์) ตารางด้านล่างแสดงการแปลงระหว่างหน่วยต่างๆ
| การเปลี่ยนหน่วย | 1 mmol/L | mg/L | 1 dGH, °dH | 1 gpg | 1 °e, °Clark | 1 °fH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| mmol/L | 1 | 0.009991 | 0.1783 | 0.171 | 0.1424 | 0.09991 |
| ppm, mg/L | 100.1 | 1 | 17.85 | 17.12 | 14.25 | 10 |
| dGH, °dH | 5.608 | 0.05603 | 1 | 0.9591 | 0.7986 | 0.5603 |
| gpg | 5.847 | 0.05842 | 1.043 | 1 | 0.8327 | 0.5842 |
| °e, °Clark | 7.022 | 0.07016 | 1.252 | 1.201 | 1 | 0.7016 |
| °fH | 10.01 | 0.1 | 1.785 | 1.712 | 1.425 | 1 |
แต่หน่วย SI International Standard คือมิลลิกรัมต่อลิตร (มก./ลิตร)
ภาพตัวอย่างเครื่องวัดความกระด้าง
ประเภทของความกระด้างของน้ำแบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ
กระด้างชั่วคราวของน้ำ (Temporary Hardness)
การมีแมกนีเซียมและแคลเซียมคาร์บอเนตอยู่ในน้ำจะทำให้น้ำแข็งตัวชั่วคราว ในกรณีนี้ความกระด้างของน้ำสามารถขจัดออกได้โดยการต้มน้ำ
เมื่อเราต้มน้ำ เกลือที่ละลายได้ของ Mg(HCO3)2 จะถูกแปลงเป็น Mg(OH)2 ซึ่งไม่ละลายน้ำ จึงตกตะกอนและถูกกำจัดออกไป หลังจากกรองแล้วน้ำที่เราได้มาจะเป็นน้ำอ่อน
กระด้างถาวรของน้ำ (Permanent Hardness)
เมื่อมีเกลือที่ละลายน้ำได้ของแมกนีเซียมและแคลเซียมอยู่ในรูปของคลอไรด์และซัลไฟด์ในน้ำ เราเรียกมันว่าความกระด้างถาวร เนื่องจากไม่สามารถขจัดความกระด้างนี้ได้โดยการต้ม
เราสามารถขจัดความกระด้างนี้ได้โดยการบำบัดน้ำด้วยโซดาซักผ้า คาร์บอเนตที่ไม่ละลายน้ำเกิดขึ้นเมื่อโซดาล้างทำปฏิกิริยากับเกลือซัลไฟด์และคลอไรด์ของแมกนีเซียมและแคลเซียม ดังนั้นน้ำกระด้างจึงถูกเปลี่ยนเป็นน้ำอ่อน