Tvrdá voda a vysoká teplota ‒ ideální podmínky pro vznik vodního kamene

Ve vodárenství je pitná voda ke koncovému uživateli často vedená na dlouhé vzdálenosti. Chemické a biologické pochody, které mohou její kvalitu významně snižovat, tak získávají široké pole působnosti.

Obsahuje-li voda ionty, začnou se tyto při změně podmínek (teplota, rychlost proudění) srážet a tvořit pohyblivé kaly nebo se usazovat. Vzniká vodní kámen, který omezuje tok vody potrubím, zvyšuje tlak na jeho stěny a přispívá ke korozi.

Člověka pití tvrdé vody nijak zvlášť neomezuje. Ta přiměřeně tvrdá je dokonce zdraví prospěšná. Nadměrně tvrdá však už lidské zdraví ohrozit může, neboť se v organismu ukládá velké množství minerálů, jež představuje zátěž zejména pro ledviny.

Tvrdá voda – roztok, z něhož krystalizuje vodní kámen

Vodní kámen se tvoří v potrubích a v zařízeních, jimiž protéká hlavně teplá voda. Čím je voda teplejší, tím více se ho ukládá. V domácnostech vodní kámen snižuje životnost průtokových ohřívačů, myček, praček a varných konvic. V tvrdé vodě se hůře rozpouští mýdlo a další prací prostředky. Snižují se proto jejich dezinfekční a čistící účinky.

Doprovodným jevem tvorby vodního kamene bývá koroze kovových materiálů. Tu však způsobuje i voda, která žádné další ionty neobsahuje. K vyvolání koroze postačí jen kyslík v ní obsažený. Voda sama o sobě má díky němu oxidační schopnosti. I další rozpuštěné plyny přispívají ke korozi ‒ oxid uhličitý, případně amoniak, který se do ní může dostat ve stopovém množství jako kontaminant.

Mechanismus tvorby vodního kamene

Prvky, jenž se podílejí na tvorbě vodního kamene, se ve vodě nacházejí ve formě iontů. Pokud je překročen koeficient rozpustnosti, tvoří se precipitáty, které se usazují na vnitřních stěnách potrubí. Usazeniny mohou i volně plavat. Vodní kámen také slouží jako pevný základ pro baktérie rostoucí v biofilmech. S jeho odloučenými částmi se efektivně šíří celou vodovodní sítí.

Vápenaté a hořečnaté soli – hlavní složky vodního kamene

Sůl vzniká sloučením aniontu kyseliny a kationtu určitého prvku (většinou kovu). Kationt je nabitý kladně, zbytek kyseliny zase nese negativní potenciál. Výsledná sloučenina je neutrální.

Každá sůl krystalizuje v jiné soustavě. Pod elektronovým mikroskopem můžeme vidět porézní změť jehlic, krychliček, kuliček a dalších útvarů.

Nejčastěji vodní kámen obsahuje následující soli:

• Uhličitan vápenatý
• Hydrogenuhličitan vápenatý
• Síran vápenatý
• Uhličitan hořečnatý
• Síran hořečnatý

Ve vodním kameni se mohou vyskytnout i další minoritní sloučeniny:

• Depozity železných rud (krevel)
• Magnetit
• Oxid zinečnatý

Nalézt v něm je možné také volné prvky jako hořčík, křemík, fosfor, zinek, měď a síru. Nejčastější složkou vodního kamene zůstává stále uhličitan a hydrogenuhličitan vápenatý.

Vznik uhličitanových depozitů

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca²⁺ + 2HCO₃⁻

Reakce probíhá v obou směrech

Jak se měří tvrdost vody – dříve v německých stupních, dnes v milimolech

Tvrdost vody se u nás dříve měřila v německých stupních (1 stupeň představoval 10 mg oxidu vápenatého, případně 7,2 mg oxidu hořečnatého na 1 litr). Dnes je tvrdost definovaná součtem koncentrací vápníku a hořčíku. Jednotkou je milimol na litr. Norma, dnes již zrušená, udávala, že tvrdost teplé vody nesmí být vyšší než 6°dH (zdroj Wikipedie)

Poznámka: Mol je jednotka látkového množství a jedna ze základních jednotek SI. Vyjadřuje počet částic jakékoliv látky v jednom litru.

Metody odstranění vodního kamene z potrubních systémů

• Chemické metody ‒ používají se inhibitory ukládání minerálních solí. Například do vody pro topné systémy se přidává směs obsahující etylenglykol. Přídavek fosforečnanů zase stabilizuje tvrdost. Vodní kámen lze rozpouštět i pomocí kyselin.
• Mechanické odstraňování ‒ úsady se odvrtávají, seškrabávají, nebo narušují vibracemi.

Teorie převedená do praxe – jak se zbavit tvrdé vody v průmyslu i v domácnosti

• Změkčovače vody – pracují na principu iontové výměny. Ionty vápníku a hořčíku se pomocí speciální náplně vyměňují za ionty sodíku.
• Elektrolytické úpravny teplé vody – ochrání bojlery a jejich rozvody, výměníky a potrubí pro vedení teplé vody. Změkčení vody je založeno na principu elektrokoagulace. Vlivem stejnosměrného proudu dojde ke srážení železa a dalších nerozpustných nečistot na vločky, jež zachytí filtry.
• Reverzní osmózy – Reverzní osmóza patří mezi membránové metody. Jedná se o metodu neselektivní, což znamená, že odstraňuje všechny ionty bez rozdílu náboje. Metoda RO je ideální, pokud je cílem vyrobit demineralizovanou vodu pro laboratorní použití a také v mnoha průmyslových aplikacích. Pro účely pití je metoda nevhodná.