ความกระด้างของน้ำ (Water Hardness)

ความกระด้างของน้ำ (Water Hardness)

ความกระด้างของน้ำ (Water Hardness)

ความกระด้างของน้ำเกิดจากธาตุโลหะที่อยู่ในสภาพไอออนที่มีประจุบวก (Cation) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพไอออนที่มีประจุ +2 เช่น แคลเซียมไอออน (Ca²⁺ ), แมกนีเซียมไอออน (Mg²⁺) เป็นต้น และอาจมีธาตุอื่นๆ เช่น เหล็ก (II) ไอออน(Fe²⁺), แมงกานีส (II) ไอออน (Mn²⁺ ) และสทรอนเซียมไอออน (Sr²⁺ ) แต่มีอยู่ในปริมาณน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณของ Ca²⁺ และ Mg²⁺

สาเหตุที่น้ำมีความกระด้างเกิดจากการที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ หรือที่เกิดจากการย่อยสลายสารอินทรีย์บนชั้นหน้าดินของแบคทีเรียรวมตัวกับน้ำเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (Carbonic acid) ซึ่งเป็นกรดอ่อนเมื่อไหลซึมไปสัมผัสกับชั้นหินที่เป็นด่าง โดยเฉพาะชั้นหินปูนซึ่งมีแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) และแมกนีเซียมคาร์บอเนต (MgCO₃) เป็นองค์ประกอบหลักจะละลายหินปูนมากับน้ำทำให้มีปริมาณ Ca²⁺ และ Mg²⁺ มากขึ้น ส่งผลให้ความกระด้างของน้ำเพิ่มขึ้น

ดังนั้น คำจำกัดความของความกระด้างของน้ำจะแทนค่าด้วยความเข้มข้นทั้งหมดของ Ca²⁺ และ Mg²⁺ โดยจะแสดงในหน่วยของมิลลิกรัมต่อลิตรของแคลเซียมคาร์บอเนต (mg/l as CaCO₃) อย่างไรก็ตาม ถ้าไอออนตัวอื่นๆ ดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น มีอยู่ในน้ำเป็นจำนวนมากก็จะต้องคิดรวมด้วย โดยสามารถจัดแบ่งระดับคุณลักษณะของน้ำตามความกระด้างดังนี้

ตารางแสดงเกณฑ์ความกระด้างของน้ำ

เกณฑ์ความกระด้างของน้ำ                   ปริมาณความกระด้างของน้ำ (mg/l as CaCO₃)

น้ำอ่อน                                                 0-75

น้ำค่อนข้างกระด้าง                               75-150

น้ำกระด้าง                                            150-300

น้ำกระด้างมาก                                     มากกว่า 300

ความกระด้างไม่มีผลเชิงลบต่อสุขภาพ จึงไม่มีการกำหนดค่าสูงสุดของความกระด้าง ในเกณฑ์แนะนำองค์การอนามัยโลก มาตรฐานอุตสาหกรรม (มอก.) มาตรฐานกระทรวงสาธารณสุข และมาตรฐานกระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม 

               เกณฑ์ปกติในกระบวนการผลิตน้ำประปาผลิตจ่ายจะควบคุมความกระด้างสุดท้ายอยู่ในช่วง 70 ถึง 120 mg/l asCaCO₃ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนในเส้นท่อและเพื่อประโยชน์ในการซักล้าง หากความกระด้างน้อยกว่านี้จะเกิดการกัดกร่อนสูงเนื่องจากเป็นน้ำอ่อน และความกระด้างสูงสบู่จะไม่เกิดฟองทำให้สิ้นเปลืองสบู่

ประเภทของความกระด้าง

ความกระด้างในน้ำที่มีอยู่ทุกประเภท จะรวมเรียกว่า ความกระด้างทั้งหมด (Total Hardness) แบ่งตามไอออนที่มีอยู่ในน้ำได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้

1.แบ่งตามไอออนประจุลบที่มีอยู่ในน้ำสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท

1.1 ความกระด้างคาร์บอเนต หรือความกระด้างชั่วคราว (Carbonate Hardness or Temporary Hardness) ซึ่งได้แก่ คาร์บอเนตไอออน (CO₃^2- ) และไบคาร์บอเนตไอออน (HCO₃^- ) โดยส่วนใหญ่ในน้ำจะเป็นจำพวก HCO₃^- ซึ่งเมื่อทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะสามารถกำจัดความกระด้างประเภทนี้ได้ (เมื่อถูกความร้อนจะตกตะกอนกลายเป็นหินปูน)

1.2 ความกระด้างที่ไม่ใช่คาร์บอเนต หรือความกระด้างถาวร (Non-Carbonate Hardness or Permanent Hardness) ซึ่งได้แก่ ซัลเฟตไอออน (SO₄^2- ) คลอไรด์ไอออน (Cl^- ) ซึ่งความกระด้างประเภทนี้จะไม่สามารถถูกกำจัดได้ ต้องใช้วิธีทางเคมีในการแก้ไข

ในกรณีที่น้ำนั้นมีปริมาณ Ca²⁺ และ Mg²⁺ น้อยแต่มีปริมาณของโซเดียมไอออน (Na⁺ ) สูงมากเพียงพอก็จะทำให้น้ำนั้นไม่เป็นฟองกับสบู่ได้ เรียกว่า ความกระด้างเทียม (Pseudo Hardness)

2.แบ่งตามไอออนประจุบวกในน้ำ ส่วนใหญ่เป็น Ca²⁺ เรียกว่า Calcium Hardness และ Mg²⁺ เรียกว่า Magnesium Hardness 

กระบวนการกำจัดความกระด้าง

1) การกำจัดความกระด้างของน้ำด้วยปูนขาว-เถ้าโซดา (โซดาซักผ้า) (Lime-soda ash softening)

เนื่องจาก Ca²⁺ และ Mg²⁺ เป็นสารส่วนใหญ่ที่ทำให้เกิดความกระด้าง วิธีการนี้จะใช้หลักการของปฏิกิริยาการก่อตะกอน (Precipitation) เพื่อทำให้สารทั้งสองเป็นของแข็งแยกตัวออกจากน้ำโดยทำให้ Ca²⁺ อยู่ในรูป CaCO₃(s) และ Mg²⁺ อยู่ในรูป Mg(OH)₂ (s) ดังปฏิกิริยา

Ca²⁺ + CO₃^2- CaCO₃(s)

และ

Mg²⁺ + 2OH^- Mg(OH)₂(s)

ด้วยวิธีการนี้ สารเคมีสำคัญที่เราเติมลงไปในน้ำคือ

• CO₃^2- จะมาจากเถ้าโซดา (โซดาซักผ้า) (soda ash) ซึ่งมีชื่อทางเคมีว่า Sodium Carbonate (Na₂CO₃)

• OH^- ได้มาจากน้ำปูนขาว ซึ่งก็คือ Calcium Hydroxide (Ca(OH)₂) แต่ในทางปฏิบัติ เราจะใช้ผงปูนขาว (Calcium oxide : CaO) มาผสมน้ำให้ละลายได้ Ca(OH)₂

ในการก่อตะกอน CaCO₃ ค่า pH ของน้ำจะต้องสูงถึง 10.3 ในขณะที่การก่อตะกอนของ Mg(OH)₂ จะต้องใช้ค่า pH สูงถึง 11 นอกจากนั้นถ้าน้ำมีสาร Alkalinity (HCO₃^- หรือ CO₃^2-) ไม่เพียงพอต่อการก่อตะกอนของ CaCO₃ จะต้องมีการเติม CO₃^2- ลงไปในน้ำ ซึ่งได้แก่เถ้าโซดานั่นเอง (Na₂CO₃) จะเห็นได้ว่าค่าใช้จ่ายในการกำจัดความกระด้าง Non-Carbonate Hardness สูงกว่า Carbonate Hardness มาก เนื่องจากต้องเติม Na₂CO₃ เพิ่มลงไป ดังนั้น ในทางปฏิบัติจึงยินยอมให้มี Non-Carbonate Hardness อยู่ในน้ำได้บ้าง ซึ่งอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ นั่นก็คือ อยู่ในช่วงน้ำอ่อนถึงน้ำกระด้างปานกลาง

วิธีการนี้ยังมีข้อจำกัดต่างๆ และค่อนข้างยุ่งยาก ไม่สามารถกำจัดความกระด้างได้ทั้งหมด (100%) เนื่องจากสาเหตุหลายประการ เช่น

• น้ำที่ผ่านการเติมปูนขาว (Calcium oxide : CaO) และเถ้าโซดา (soda ash : Na₂CO₃) หากไม่มีการปรับค่า pH ให้เหลือประมาณ 8.6 จะเกิดการตกตะกอนของ CaCO₃ ทำให้เกิดเป็นตะกรันบนเม็ดทรายในกระบวนการกรอง หรือเกิดการอุดตันในเส้นท่อ ต้องมีกระบวนการเติมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อลดค่า pH ให้เหลือประมาณ 8.6 เพื่อเป็นการป้องกันการตกตะกอนของ CaCO₃

• ค่าความกระด้างต่ำสุดที่ได้จากวิธีนี้จะอยู่ที่ประมาณ 30 mg/l as CaCO₃

โดยปกติในน้ำประปาจะยอมให้ความกระด้างสุดท้ายอยู่ในช่วง 70 ถึง 120 mg/l asCaCO₃ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนในเส้นท่อและเพื่อประโยชน์ในการซักล้าง แต่สำหรับอุตสาหกรรมที่มีหม้อต้ม อาจจะต้องมีการกำจัดเพิ่มให้เหลือความกระด้างน้อยกว่านี้อีกป้องกันการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและการระเบิดเมื่อมีการอุดตัน

2) การทำน้ำอ่อนด้วยการแลกเปลี่ยนไอออน (Ion Exchange)

การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นกระบวนการทางเคมีที่ซึ่งมีการแลกไอออนแบบย้อนกลับได้ระหว่างตัวกลางของแข็งและของเหลว วัสดุที่เป็นสารแลกเปลี่ยนไอออน ได้แก่ ซีโอไลท์ (Zeolites) หรือเรซิน (Resin) โดยปกติแล้วเรซินสังเคราะห์จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าซีโอไลท์ โดยจะมีความสามารถสูงกว่าและใช้เกลือสำหรับ Regeneration น้อยกว่า แต่เรซินก็มีราคาแพงมากกว่าด้วยเช่นกัน

ในการทำงานด้วยวิธีนี้ น้ำกระด้างจะไหลผ่านถัง (หรือหลอด) ที่บรรจุด้วยสารแลกเปลี่ยนไอออน (ซีโอไลท์ (Zeolites) หรือเรซิน (Resin)) Ca²⁺ และ Mg²⁺ ที่ทำให้เกิดความกระด้างในน้ำก็จะแลกเปลี่ยนกับไอออนที่อยู่บนสารแลกเปลี่ยนไอออนนั้น (โดยปกติจะเป็นโซเดียม) ดังตัวอย่างสมการเคมี

Ca(HCO₃)₂    +    Na₂R            CaR + 2NaHCO₃

โดยที่ R เป็นวัสดุของสารแลกเปลี่ยนไอออน จากปฏิกิริยาเคมีข้างต้น จะเห็นได้ว่าแคลเซียม (หรือแมกนีเซียม) จะถูกกำจัดออกจากน้ำและถูกแทนที่ด้วยโซเดียมในปริมาณสมมูลเคมีที่เท่ากัน ในขณะที่ค่า Alkalinity ของน้ำไม่มีการเปลี่ยนแปลง การแลกเปลี่ยนไอออนนี้จะทำให้เกิดการกำจัดความกระด้างของน้ำได้ 100% จนกระทั่งสมรรถนะ (Capacity) ของสารแลกเปลี่ยนฯหมดลง หรือที่เรียกกันว่าเกิดการอิ่มตัว ก็จะไม่มีการกำจัดความกระด้างของน้ำ ณ จุดนี้ซึ่งเรียกว่า จุด Breakthrough ต้องฟื้นประสิทธิภาพ (Regeneration) ด้วยน้ำเกลือหรือน้ำที่มีปริมาณ Na⁺ สูง เพื่อให้ไอออนของความกระด้างหลุดออกจากสารแลกเปลี่ยนไอออน ดังปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอออน

CaR    +     2NaCl          Na₂R    +     CaCl₂

จะเห็นได้ว่ากระบวนการกำจัดความกระด้างทั้งสองวิธีมีขั้นตอนที่ค่อนข้างยุ่งยากและมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นมา ในการจะเลือกใช้วิธีใดนั้นจะต้องคำนึงถึงความจำเป็นในการใช้น้ำว่าใช้ในกิจการใด เช่น ถ้าใช้ในอุตสาหกรรมที่ใช้หม้อต้มไอน้ำควรเป็นน้ำที่ไม่มีความกระด้าง ในน้ำประปาควรเป็นน้ำกระด้างปานกลางเพื่อป้องกันการกัดกร่อนในเส้นท่อและเพื่อประโยชน์ในการซักล้าง  

ปัญหาต่างๆที่เกิดจากน้ำกระด้าง

• ทำให้เกิดตะกรันในหม้อน้ำ เครื่องทำความร้อน ท่อน้ำร้อน เครื่องใช้ในครัว ฯลฯ

• เกิดตะกอนแข็งเกาะติดผิววัสดุต่างๆ เมื่อได้รับความร้อนพอเพียง

• ทำให้การซักฟอกไม่มีฟอง เกิดความสิ้นเปลืองน้ำมากกว่าปกติ ในขณะอาบน้ำ ฟองสบู่เกิดได้ยาก

• หากเป็นน้ำดื่มจะมีรสแปลกไปสำหรับผู้บริโภคที่ยังไม่คุ้นรส

• เกิดสีเหลืองติดบนเสื้อผ้าหากซักล้างด้วยความร้อน

ประโยชน์ของแคลเซียม และแมกนีเซียม

ในน้ำที่มีความกระด้างเท่ากับว่ามีแคลเซียมและแมกนีเซียมอยู่ด้วย ซึ่งถ้าร่างกายบริโภคน้ำที่มีความกระด้างเล็กน้อยก็จะได้รับแคลเซียมและแมกนีเซียมด้วย จะมีประโยชน์ดังต่อไปนี้

• น้ำประปาจะยอมให้ความกระด้างสุดท้ายอยู่ในช่วง 70 ถึง 120 mg/l asCaCO₃ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนในเส้นท่อ

• ประโยชน์ในการซักล้างช่วยไม่ให้เกิดการสิ้นเปลืองน้ำในการซักล้าง

แคลเซียม

• ป้องกันโรคหัวใจ กล้ามเนื้อหัวใจมีความไวเป็นพิเศษต่อการขาดแคลเซียม ถ้าร่างกายขาดแคลเซียมจะทำให้หัวใจทำงานหนักอาจเกิดโรคหัวใจได้

• ทำหน้าที่เป็นตัวเร่ง (Co-Factor) ให้กับเอนไซม์หลายชนิดในร่างกายมนุษย์

• ช่วยรักษาสมดุลกรดด่างในร่างกาย

• ช่วยป้องกันการเกิดโรคกระดูกพรุน

แมกนีเซียม

• แมกนีเซียมจะทำงานร่วมกับแคลเซียมในการหดตัวและคลายตัวของกล้ามเนื้อ

• ทำหน้าที่เป็นตัวเร่ง (Co-Factor) ให้กับเอนไซม์ ซึ่งมีหน้าที่เผาผลาญอาหาร แป้ง น้ำตาล และไขมัน

• เป็นองค์ประกอบของเลซิติน (Lecitin) ป้องกันไม่ให้โคเลสเตอรอลในเลือดสูงขึ้น

• ป้องกันการเกิดนิ่วเนื่องจากการจับตัวของแคลเซียมออกซาเลต (Calcium Oxalate) ในไตและในถุงน้ำดี

ผลกระทบต่อสุขภาพของความกระด้าง

ความกระด้างไม่มีผลเชิงลบต่อสุขภาพ ผู้บริโภคมักได้รับข้อมูลไม่ถูกต้องจากผู้ขายเครื่องกรองน้ำว่าจะทำให้เกิดตะกรันในร่างกายโดยเฉพาะในไตทำให้เป็นนิ่วได้ ความจริงคือความกระด้างมีสารแคลเซียมและแมกนีเซียมซึ่งเป็นประโยชน์ต่อสุขภาพดังที่กล่าวข้างต้น และอุณหภูมิในร่างกาย 37° เซลเซียสไม่เพียงพอให้ความกระด้างเปลี่ยนรูปเป็นตะกรัน การเป็นนิ่วเกิดจากกระบวนการเผาผลาญในร่างกาย (Metabolism) ผิดปกติจากการได้รับสารอาหารไม่สมดุล

Link ที่เกี่ยวข้อง : เครื่องวัดคุณภาพน้ำ


 

ขอขอบคุณข้อมูลดีๆโดย : คุณวุฒิพล เล้าอรุณ วท.บ. (เคมี) นักวิทยาศาสตร์ 5 ส่วนตรวจสอบเฝ้าระวัง (น้ำประปา) กองวิเคราะห์คุณภาพน้ำ ฝ่ายควบคุมคุณภาพน้ำประสบการณ์ด้านคุณภาพน้ำ พ.ศ.2538 – ปัจจุบัน