Kare vesi

Kareda vee tõttu lubjastunud vannisegisti Arizonas

Kare vesi (ka kalk vesi) on suure mineraalainete sisaldusega vesi (vastandina pehmele veele).

Kare vesi tekib siis, kui vesi imbub läbi lubjakivi, kriidi või kipsi ladestiste.^[1] Sellepärast sisaldab selline vesi suhteliselt palju Ca²⁺ja Mg²⁺ ioone. Enamasti pärineb vees olev kaltsium kaltsiumkarbonaadist (CaCO₃) ja kaltsiumsulfaadist (CaSO₄), magneesium aga enamasti CaMg(CO₃)₂-st.

Kare joogivesi on tervisele üldiselt kasulik.^[2]

Kareda vee kuumutamisel tekib katlakivi. Seega võib liigne karedus tekitada suuri probleeme tööstuslikes seadmetes, kus tuleb vee karedust hoolega jälgida, et vältida kulukaid rikkeid boilerites, jahutustornides ja muudes vett käitlevates või tarbivates seadmetes. Kodustes tingimustes viitab karedale veele vahu puudumine seebiga pesemisel ning katlakivi moodustumine veekeetjates ja boilerites.^[3] Kui vee karedus on probleemiks, siis kasutatakse kareda vee kahjulike mõjude vähendamiseks vee pehmendamist.

Päritolu

Looduslikus vihmavees, lumes ja muudes sademetes on tavaliselt väga vähe mitmevalentseid katioone, nagu näiteks kaltsiumi ja magneesiumi. Seal võib mõningal määral olla naatriumi, kloriidi ja sulfaadi ioone, mis on võinud sinna sattuda meretuulte tagajärjel. Kui sademed läbivad kõvasid, vett mitteläbilaskvaid ja kaltsiumivaestest kivimitest koosnevaid kihte, leitakse sealt mitmevalentseid katioone samuti väga vähesel määral ja sellist vett nimetatakse pehmeks veeks.^[4]Soomes on põhjavesi pehme just sellel põhjusel. Meil Eestis leidub seevastu palju paekivi ja sellepärast on meie põhjavesi üldiselt kare.

Keerulisema geoloogiaga piirkondades võib isegi lühikeste vahemaade järel leida väga erineva kareduse astmega vett.^[5][6]

Liigid

Püsiv veekaredus

Vee püsiva kareduse määrab mitmevalentsete katioonide kontsentratsioon vees. Tavaliselt on nende katioonide laeng 2+, nagu näiteks on Ca ²⁺ ja Mg²⁺ puhul. Need ioonid jõuavad veevarustusse, leostudes põhjaveekihis olevatest mineraalidest. Levinud kaltsiumit sisaldavad mineraalid on kaltsiit ja kips. Levinuim magneesiumit sisaldav mineraal on dolomiit (mis sisaldab ka kaltsiumit). Vihmavesi ja destilleeritud vesi on pehmed veed, kuna nad sisaldavad vähe ioone.^[4]

Järgmine tasakaalureaktsioon kirjeldab kaltsiumkarbonaadi ja kaltsiumvesinikkarbonaadi lahustumist ja moodustumist:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

See reaktsioon võib kulgeda mõlemas suunas. Lahustunud süsihappegaasi sisaldav vihmavesi võib reageerida kaltsiumkarbonaadiga ja viia kaltsiumi ioonid lahusesse. Kaltsiumkarbonaat võib uuesti ladestuda kaltsiidina, moodustades mõnikord stalaktiite ja stalagmiite, süsinikdioksiidi lendudes atmosfääri.

Vee püsivat karedust põhjustavad ioonid saab eemaldada veepehmendi, ioonivahetuskolonni või pöördosmoosi abil.

Karbonaatne karedus

Karbonaatne ehk mööduv karedus johtub kaltsiumvesinikkarbonaadi ja magneesiumvesinikkarbonaadi sisaldusest vees. Nende soolade lahustumisel vabanevad vette kaltsiumi ja magneesiumi ioonid (Ca²⁺, Mg²⁺) ning karbonaadi ja vesinikkarbonaadi ioonid (CO₃^2- ja HCO₃^-). Erinevalt sulfaat- ja kloriidühenditest põhjustatud püsivast karedusest saab seda "ajutist" karedust vähendada kas siis vee keetmise või kustutatud lubja (kaltsiumhüdroksiidi) lisamise teel.^[7] Keetmine kiirendab vesinikkarbonaadist karbonaadi moodustumist mis sadestab osa kaltsiumi ja magneesiumi ioonidest lahusest välja, mistõttu vee üldkaredus väheneb.

Efektid

Kareda vee korral moodustub seebilahusest vahu asemel hoopis heledat värvi soga, kuna 2+ ioonid hävitavad seebi pindaktiivsed omadused, moodustades tahke sademe. See soga koosneb põhiliselt kaltsiumstearaadist, mis tekib naatriumstearaadist, seebi põhikomponendist:

2 C₁₇H₃₅COO^- + Ca²⁺ → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca

Vee karedust võib seega ka defineerida kui seebi tarbimise võimet või kui seebi sadestumisvõimet, mis ei lase seebiveel vahutada. Sünteetilised detergendid kareda veega sellist soga ei moodusta.

Osa iidsest Rooma Eifeli akveduktist Saksamaal. Pärast umbes 180-aastast kasutust olid akvedukti seintele tekkinud kuni 20 cm paksused mineraalsed ladestused.

Kuna pehmes vees on kaltsiumi ja magneesiumi ioone vähe, siis ei teki seebiga pesemisel nii palju kaltsiumi ja magneesiumi stearaate, mis võiksid halvendada seebi pesemisomadusi. Samuti ei teki pehme vee puhul kaltsiumi- ja magneesiumiühendite ladestumist veekütteseadmetes ja -torudes.

Kare vesi seevastu moodustab sadestusi, mis ummistavad torustikke. Need ladestused, mida nimetatakse "katlakiviks", koosnevad peamiselt kaltsiumkarbonaadist (CaCO₃), magneesiumhüdroksiidist (Mg(OH)₂) ja kaltsiumsulfaadist (CaSO₄).^[4] Kaltsium- ja magneesiumkarbonaadid kipuvad ladestuma valkjate kihtidena torude ja soojusvahetite sisepindadele. See sadenemine (lahustumatu tahke aine moodustumine) on peamiselt põhjustatud vesinikkarbonaadi ioonide termilisest lagunemisest, kuid see tekib ka juhtudel, kui karbonaadi ioon on saavutanud küllastuskontsentratsiooni.^[8] Sellest tulenev katlakivi kogunemine piirab vee voolu torudes. Kateldes takistavad need ladestused soojuse ülekandumist vette, vähendades kütte efektiivsust ja lastes katla metallist komponentidel üle kuumeneda. Surve all olevas süsteemis võib see ülekuumenemine põhjustada katla riknemise.^[9] Kaltsiumkarbonaadi ladestumisest põhjustatud kahjustused varieeruvad sõltuvalt selle sadestuse kristallilisest vormist, milleks võib olla näiteks kaltsiit või siis aragoniit.^[10]

Ioonide olemasolu elektrolüüdis, antud juhul siis karedas vees, võib veel ka põhjustada galvaanilist korrosiooni, mille puhul üks metall korrodeerubkokkupuutel teist tüüpi metalliga, eeldades, et mõlemad puutuvad kokku elektrolüüdiga. Kareda vee pehmendamine ioonivahetuse teel ei suurenda iseenesest selle korrosiivsust.

Vee pehmendamine

Sageli on vaja karedat vett pehmendada. Enamik pesuaineid sisaldab koostisosi, mis neutraliseerivad kareda vee mõju pindaktiivsetele ainetele mistõttu pole vee pehmendamine alati tingimata vajalik. Küll aga soovitatakse pehmendada tarbeveevõrku suunatavat sooja vett, et vältida või edasi lükata katlakivi tekkimist veesoojendites. Levinud meetod vee pehmendamiseks on ioonivahetusvaikude kasutamine, mis asendavad kahevalentsed ioonid nagu Ca²⁺ ja Mg²⁺ kahekordse arvu monovalentsete ioonidega, nagu Na⁺ või K⁺.

Pesusooda (naatriumkarbonaat, Na₂CO₃) on kergesti kättesaadav ja seda on pikka aega kasutatud koduses pesupesemises veepehmendajana koos tavalise seebi või pesuainega.

Vett, mida on pehmendatud, võib nimetada pehmendatud veeks. Sellistel juhtudel võib vesi sisaldada ka suurendatud kogustes naatriumi-, kaaliumi-, vesinikkarbonaadi- ja kloriidi ioone.

Tervislikud kaalutlused

Maailma Terviseorganisatsioon ütleb, et "ei näi leiduvat mingeid veenvaid tõendeid selle kohta, et vee karedus võiks põhjustada inimeste tervisele kahju".^[3] Tegelikult on Ameerika Ühendriikide riiklik teadusnõukogu leidnud, et kare vesi toimib tegelikult kaltsiumi ja magneesiumi toidulisandina.^[11]

Mõned uuringud on näidanud nõrka pöördvõrdelist seost vee kareduse ja meeste südame- veresoonkonna haiguste vahel kuni tasemeni 170 mg kaltsiumkarbonaati liitri vee kohta. Maailma Terviseorganisatsioon on need tõendid üle vaadanud ja jõudnud järeldusele, et andmed ei olnud veel piisavad, et anda soovitusi vee kareduse optimaalse taseme kohta.^[3]

Soovitused on antud kaltsiumi ja magneesiumi maksimaalseks ja minimaalseks tasemeks joogivees vastavalt (40–80 ppm) ja (20–30 ppm) ning soovitavaks üldkareduseks väljenduna kaltsiumi ja magneesiumi kontsentratsioonide summana 2–4 mmol/L.

Teised uuringud on näidanud nõrka korrelatsiooni südame-veresoonkonna tervise ja vee kareduse vahel.^[12][13][14]

Mõned uuringud seostavad kareda vee kasutamist kodus laste suurenenud riskiga haigestuda ekseemi.^{[15][16][17][18]}

Pehmendatud vee ekseemi uuring (SWET), mitmekeskuseline randomiseeritud kontrollitud uuring ioonivahetuspehmendajate kohta laste ekseemi raviks, viidi läbi 2008. aastal. Siiski ei leitud olulist erinevust sümptomite leevendamisel nende laste vahel, kellel oli juurdepääs kodusele veepehmendusele, ja nende laste vahel, kellel seda ei olnud.^[19]

Mõõtmine

Vee karedust saab määrata instrumentaalanalüüsiga. Vee kogukaredus on Ca²⁺ ja Mg²⁺ molaarsete kontsentratsioonide summa mol/L või mmol/L ühikutes. Kuigi vee kareduse mõõtmisel arvestatakse tavaliselt ainult kaltsiumi ja magneesiumi (kaks kõige levinumat kahevalentset metalli iooni) kogukontsentratsiooni, võib rauda, alumiiniumi ja mangaani samuti esineda mõnes kohas tavalisest suuremas koguses. Raua olemasolu annab kaltsifikatsioonile iseloomuliku pruunika(roostelaadse) värvi, samas kui enamik teistest kaltsiumiühenditest on valget värvi.

Vee karedust ei väljendata mitte alati molaarse kontsentratsioonina, vaid väga erinevates traditsioonilistes ühikutes, nagu näiteks üldkaredus (dGH), Saksa kraadid (°dH), miljondikud (ppm, mg/L või Ameerika kraadid), graani galloni kohta (gpg), Inglise kraadid (°e, e või °Clark) või Prantsuse kraadid (°fH, °f või °HF; väiketähte f kasutatakse selleks, et vältida segiajamist Fahrenheiti kraadidega). Allolev tabel näitab erinevate ühikute vahelisi teisendustegureid.

Vee karedusühikute teisendustabel

	1 mmol/L	1 ppm, 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	5,603	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

Erinevad alternatiivsed ühikud esitavad kaltsiumoksiidi (CaO) või kaltsiumkarbonaadi (CaCO₃) ekvivalentset massi, mis lahustatuna mahuühikus puhtas vees annaks tulemuseks sama Mg²⁺ ja Ca²⁺ molaarkontsentratsiooni. Erinevad ümberarvestustegurid tulenevad asjaolust, et kaltsiumoksiidi ja kaltsiumkarbonaatide ekvivalentmassid on erinevad ning kasutatakse erinevaid massi- ja mahuühikuid. Ühikud on järgmised:

• Osa miljoni kohta (ppm) määratletakse tavaliselt kui 1 mg /L CaCO ₃ (allpool kasutatud määratlus).^[20] See on samaväärne mg/L ilma keemilisele ühendile viitamata ja Ameerika kraadiga .
• Graane galloni kohta (gpg) on määratletud kui 1 graan (64,8 mg) kaltsiumkarbonaati USA galloni (3,79 liitri) kohta ehk 17,118 ppm.
• mmol/L mis võrdub kui100,09 mg/L CaCO₃ ehk 40,08 mg/L Ca²⁺.
• Üldkaredus (dGH või „Saksa kraad(°dH, deutsche Härte ))” on määratletud kui 10 mg/L CaO ehk 17,848 ppm.
• Clarki kraad (°Clark) või Inglise kraadi (°e või e) on määratletud kui üks graan (64,8 mg) CaCO₃ Suurbritannia galloni (4,55 liitri) vee kohta, mis vastab 14,254 ppm-le.
• Prantsuse kraad (°fH või °f) määratletakse kui 10 mg/L CaCO ₃, mis vastab 10 ppm-le.

Kareda/pehme vee klassifikatsioon

Kuna vees lahustunud mineraalide täpne segu koos vee pH ja temperatuuriga määrab kareduse käitumise, ei kirjelda ühenumbriline skaala karedust piisavalt rangelt. Ameerika Ühendriikide geoloogiateenistus kasutab aga kareda ja pehme vee puhul järgmist klassifikatsiooni:^[6]

Klassifikatsioon	Kareduse ühikud
	mg-CaCO3/L	mmol/L	dGH/°dH	gpg	ppm
Pehme	0–60	0–0,60	0–3,37	0–3,50	0–60
Mõõdukalt kare	61–120	0,61–1,20	3,38–6,74	3,56–7,01	61–120
Kare	121–180	1,21–1,80	6,75–10,11	7,06–10,51	121–180
Väga kare	≥ 181	≥ 1,81	≥ 10,12	≥ 10,57	≥ 181

Merevesi on mitmesuguste lahustunud soolade tõttu väga kare. Keskmiselt on merevee karedus 6630 ppm (6,63 grammi liitri kohta). Seevastu magevee karedus on vahemikus 15 kuni 375 ppm.^[21]

Vaata ka

• Allikas
• Merevesi
• Mineraalvesi
• Pehme vesi
• Vihmavesi

Viited

1. Hard water National Groundwater Association (vaadatud 28. juunil 2019)
2. ""Drinking Water Hardwater Hardness Calcium Magnesium Scale Stained Laundry". Water-research.net. Retrieved 2013-01-26". KNOW YOUR H2O Water Research Center.
3. World Health Organization Hardness in Drinking-Water, 2003
4. Weingärtner, Herman] (detsember 2006). Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry – Water. Weinheim: Wiley–VCH. DOI:10.1002/14356007.a28_001.
5. "Map showing the rate of hardness in mg/L as Calcium carbonate in England and Wales" (PDF). DEFRA/ Drinking Water Inspectorate. 2009.
6. USGS – U.S. Geological Survey Office of Water Quality. "USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity". usgs.gov.
7. "Lime Softening". Originaali arhiivikoopia seisuga 27. oktoober 2016. Vaadatud 4. novembril 2011.
8. "Wisconisin DNR – Carbonate chemistry" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 12. juuli 2017. Vaadatud 18. novembril 2022.
9. Stephen Lower (juuli 2007). "Hard water and water softening". Vaadatud 8. oktoobril 2007.
10. PP Coetzee (1998). "Scale reduction and scale modification effects induced by Zn" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 9. mai 2016. Vaadatud 29. märtsil 2010.
11. "Drinking Water Hardwater Hardness Calcium Magnesium Scale Stained Laundry". Water-research.net. Vaadatud 26. jaanuaril 2013.
12. "Studies of water quality and cardiovascular disease in the United Kingdom". Sci. Total Environ. 18: 25–34. Aprill 1981. Bibcode:1981ScTEn..18...25P. DOI:10.1016/S0048-9697(81)80047-2. PMID 7233165.
13. "Cardiovascular mortality and calcium and magnesium in drinking water: an ecological study in elderly people" (PDF). Eur. J. Epidemiol. 18 (4): 305–9. 2003. DOI:10.1023/A:1023618728056. PMID 12803370.
14. "Magnesium and calcium in drinking water and death from acute myocardial infarction in women". Epidemiology. 10 (1): 31–6. Jaanuar 1999. DOI:10.1097/00001648-199901000-00007. PMID 9888277.
15. "Atopic eczema and domestic water hardness". The Lancet. 352 (9127): 527–531. 1998. DOI:10.1016/S0140-6736(98)01402-0. PMID 9716057.
16. "Ecological association of water hardness with prevalence of childhood atopic dermatitis in a Japanese urban area". Environ. Res. 94 (1): 33–7. Jaanuar 2004. Bibcode:2004ER.....94...33M. DOI:10.1016/S0013-9351(03)00068-9. PMID 14643284.
17. "Domestic water hardness and prevalence of atopic eczema in Castellon (Spain) school children". Salud Pública de México. 49 (4): 295–301. 2007. DOI:10.1590/S0036-36342007000400009. PMID 17710278.
18. "Association between domestic water hardness, chlorine, and atopic dermatitis risk in early life: A population-based cross-sectional study" (PDF). J Allergy Clin Immunol. 138 (2): 509–516. 2016. DOI:10.1016/j.jaci.2016.03.031. PMID 27241890.
19. A multicentre randomized controlled trial of ion-exchange water softeners for the treatment of eczema in children: protocol for the Softened Water Eczema Trial (SWET) (ISRCTN: 71423189) http://www.swet-trial.co.uk/
20. "Water Hardness". thekrib.com.
21. Total water hardness^{[alaline kõdulink]}