الماء العسر

تُحدد صلابة الماء الدائمة بتركيز الكاتيونات ذات الشحنة 2+ أو أكبر. عادةً ما تكون شحنة الكاتيونات 2+، أي أنها ثنائية التكافؤ . من الكاتيونات الشائعة في الماء العسر الكالسيوم (Ca2 ^{+) والمغنيسيوم} (Mg2 + )، والتي تدخل مصادر المياه غالبًا عن طريق ترشيح المعادن الموجودة في طبقات المياه الجوفية .

من المعادن الشائعة المحتوية على الكالسيوم الكالسيت والجبس . ومن المعادن الشائعة المحتوية على المغنيسيوم الدولوميت ( الذي يحتوي أيضاً على الكالسيوم). مياه الأمطار والمياه المقطرة مياه عذبة ، لأنها تحتوي على كمية قليلة من هذه الأيونات . ^{[ 3 ]}

يصف تفاعل التوازن التالي ذوبان وتكوين كربونات الكالسيوم وبيكربونات الكالسيوم (على اليمين):

يمكن أن يسير التفاعل في أي من الاتجاهين. فالأمطار التي تحتوي على ثاني أكسيد الكربون المذاب تتفاعل مع كربونات الكالسيوم وتحمل معها أيونات الكالسيوم. وقد تترسب كربونات الكالسيوم مرة أخرى على شكل كالسيت مع فقدان ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، مكونةً أحياناً الصواعد والهوابط .

يمكن أحيانًا إزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم بواسطة أجهزة تنقية المياه. ^{[ 6 ]}

يصعب عمومًا إزالة العسر الدائم (المحتوى المعدني) بالغليان . ^{[ 7 ]} وإذا حدث ذلك، فعادةً ما يكون السبب وجود كبريتات الكالسيوم / كلوريد الكالسيوم و/أو كبريتات المغنيسيوم / كلوريد المغنيسيوم في الماء، والتي لا تترسب مع ارتفاع درجة الحرارة . ويمكن إزالة الأيونات المسببة للعسر الدائم للماء باستخدام جهاز تنقية المياه أو عمود التبادل الأيوني .

تنتج العسر المؤقت للماء عن وجود معادن البيكربونات الذائبة ( بيكربونات الكالسيوم وبيكربونات المغنيسيوم ). عند ذوبانها، _تُنتج هذه المعادن كاتيونات الكالسيوم والمغنيسيوم (Ca²⁺ ^، Mg²⁺ ⁾ وأنيونات الكربونات والبيكربونات ( CO₃²⁻ ^، _HCO₃⁻ ) ^. وجود هذه الكاتيونات المعدنية هو ما يجعل الماء عسراً.

مع ذلك، وعلى عكس العسر الدائم الناتج عن مركبات الكبريتات والكلوريد ، يمكن تقليل هذا العسر "المؤقت " إما بغلي الماء أو بإضافة الجير ( هيدروكسيد الكالسيوم ) من خلال عملية تليين الماء بالجير . ^{[ 8 ]} يعزز الغليان تكوين الكربونات من البيكربونات ويرسب كربونات الكالسيوم من المحلول، مما يجعل الماء أكثر ليونة عند التبريد.

في بعض الحالات، يُستحسن تليين الماء العسر. تحتوي معظم المنظفات على مكونات تُعاكس تأثير الماء العسر على المواد الفعالة سطحياً. لهذا السبب، غالباً ما يكون تليين الماء غير ضروري. وعند تليين الماء، يُنصح عادةً بتليين الماء المُرسل إلى سخانات المياه المنزلية فقط، وذلك لمنع أو تأخير حدوث انخفاض في الكفاءة وأضرار ناتجة عن تراكم الترسبات الكلسية في سخانات المياه.

تتضمن إحدى الطرق الشائعة لتليين المياه استخدام راتنجات التبادل الأيوني ، والتي تستبدل الأيونات مثل Ca ²⁺ بضعف عدد الكاتيونات الأحادية مثل أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم .

يمكن الحصول على صودا الغسيل ( كربونات الصوديوم ، Na ₂ CO ₃ ) بسهولة وقد استخدمت منذ فترة طويلة كمنعم للماء لغسيل الملابس المنزلية، إلى جانب الصابون أو المنظفات المعتادة.

قد يُطلق على الماء الذي خضع لعملية تليين اسم الماء المُليّن . في هذه الحالات، قد يحتوي الماء أيضاً على مستويات مرتفعة من أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم ، وأيونات البيكربونات أو الكلوريد .

تؤكد منظمة الصحة العالمية أنه "لا يوجد دليل قاطع على أن عسر الماء يسبب آثارًا صحية ضارة على الإنسان". ^{[ 2 ]} بل إن المجلس الوطني للبحوث في الولايات المتحدة وجد أن الماء العسر يُعد مكملاً غذائيًا للكالسيوم والمغنيسيوم. ^{[ 13 ]}

أظهرت بعض الدراسات وجود علاقة عكسية ضعيفة بين عسر الماء وأمراض القلب والأوعية الدموية لدى الرجال، حتى مستوى 170  ملغ من كربونات الكالسيوم لكل لتر من الماء. وقد راجعت منظمة الصحة العالمية الأدلة وخلصت إلى أن البيانات غير كافية للتوصية بمستوى معين من العسر. ^{[ 2 ]}

تم تقديم توصيات بشأن الحد الأدنى والحد الأقصى لمستويات الكالسيوم (40-80 جزء في المليون ) والمغنيسيوم (20-30 جزء في المليون) في مياه الشرب، والصلابة الكلية التي يتم التعبير عنها كمجموع تركيزات الكالسيوم والمغنيسيوم من 2-4 مليمول/لتر. ^{[ 14 ]}   

أظهرت دراسات أخرى وجود ارتباطات ضعيفة بين صحة القلب والأوعية الدموية وصلابة الماء. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

قد يزيد استخدام المياه العسرة من انتشار التهاب الجلد التأتبي (الإكزيما) لدى الأطفال. ^{[ 18 ] [ 19 ]} كما قد يُسهم السكن في مناطق ذات مياه عسرة في تطور التهاب الجلد التأتبي في سن مبكرة. مع ذلك، عند الإصابة بالتهاب الجلد التأتبي، لا يُخفف استخدام أجهزة تنقية المياه المنزلية من حدة الأعراض. ^{​​[ 19 ]}

بما أن المزيج الدقيق للمعادن الذائبة في الماء، بالإضافة إلى درجة حموضة الماء ودرجة حرارته، هو ما يحدد سلوك عسر الماء، فإن مقياسًا رقميًا واحدًا لا يصف العسر وصفًا كافيًا. ومع ذلك، تستخدم هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية التصنيف التالي للمياه العسرة واليسرة: ^{[ 5 ]}

يُعتبر ماء البحر شديد العسر لاحتوائه على أملاح ذائبة متنوعة. ويبلغ عسر ماء البحر عادةً حوالي 6570 جزءًا في  المليون (6.57 غرامًا لكل لتر). ^{[ 21 ]} في المقابل، يتراوح عسر الماء العذب بين 15 و375 جزءًا في المليون، ويبلغ عمومًا حوالي 60 جزءًا في المليون. ^{[ 22 ]}

تُستخدم عدة مؤشرات لوصف سلوك كربونات الكالسيوم في الماء أو الزيت أو مخاليط الغاز. ^{[ 23 ]}

أظهر تحليل عسر الماء في المدن الأسترالية الكبرى، الذي أجرته جمعية المياه الأسترالية ، تباينًا يتراوح بين الماء العذب جدًا (ملبورن) والماء العسر (أديلايد). وفيما يلي مستويات عسر الماء الكلي لكربونات الكالسيوم بوحدة جزء في المليون:

• كانبرا : 40 ^{[ 33 ]}
• ملبورن : 10-26 ^{[ 34 ]}
• سيدني : 39.4–60.1 ^{[ 35 ]}
• بيرث : 29-226 ^{[ 36 ]}
• بريسبان : 100 ^{[ 37 ]}
• أديلايد : 134-148 ^{[ 38 ]}
• هوبارت : 5.8–34.4 ^{[ 39 ]}
• داروين : 31 ^{[ 40 ]}

تحتوي مقاطعات البراري (وخاصة ساسكاتشوان ومانيتوبا ) على كميات كبيرة من الكالسيوم والمغنيسيوم، وغالبًا ما يكون ذلك على شكل دولوميت ، وهي مواد قابلة للذوبان بسهولة في المياه الجوفية التي تحتوي على تركيزات عالية من ثاني أكسيد الكربون المحتجز من العصر الجليدي الأخير .

في هذه المناطق من كندا، غالباً ما تتجاوز العسر الكلي، مقاساً بوحدة جزء في المليون من مكافئ كربونات الكالسيوم، 200 جزء في المليون، إذا كانت المياه الجوفية هي المصدر الوحيد لمياه الشرب. وعلى النقيض من ذلك، يتميز الساحل الغربي بمياهه العذبة بشكل استثنائي، والتي تستمد أساساً من بحيرات جبلية تتغذى من الأنهار الجليدية وذوبان الثلوج.

بعض القيم النموذجية هي:

• مونتريال ، كيبيك: 116 جزء في المليون ^{[ 41 ]}
• كالجاري ، ألبرتا: 165 جزءًا في المليون
• ريجينا، ساسكاتشوان : 496 جزء في المليون ^{[ 42 ]}
• ساسكاتون ، ساسكاتشوان: 160-180 جزء في المليون ^{[ 43 ]}
• وينيبيغ ، مانيتوبا: 77 جزء في المليون ^{[ 44 ]}
• تورنتو ، أونتاريو: 121 جزء في المليون ^{[ 45 ]}
• فانكوفر ، كولومبيا البريطانية: < 3 جزء في المليون ^{[ 46 ]}
• شارلوت تاون ، جزيرة الأمير إدوارد : 140-150 جزء في المليون ^{[ 47 ]}
• منطقة واترلو ، أونتاريو: 400 جزء في المليون
• غويلف ، أونتاريو: 460 جزء في المليون ^{[ 48 ]}
• سانت جون (غرب) ، نيو برونزويك: 160-200 جزء في المليون ^{[ 49 ]}
• أوتاوا ، أونتاريو: 30 جزءًا في المليون ^{[ 50 ]}

تُظهر المعلومات الواردة من هيئة تفتيش مياه الشرب أن مياه الشرب في إنجلترا تعتبر عمومًا "شديدة العسر"، حيث تُظهر معظم مناطق إنجلترا، وخاصة شرق الخط الفاصل بين مصب نهري سيفرن وتيز ، نسبة أعلى من 200 جزء في المليون من مكافئ كربونات الكالسيوم.

على سبيل المثال، يُستمد معظم الماء في لندن من نهري التايمز وليا ، اللذين يستمدان نسبة كبيرة من تدفقهما في موسم الجفاف من ينابيع في طبقات المياه الجوفية الجيرية والطباشيرية. أما ويلز وديفون وكورنوال وأجزاء من شمال غرب إنجلترا، فتتميز بمياهها الأقل عسراً، حيث تتراوح نسبة عسر الماء فيها بين 0 و200 جزء في المليون. ^{[ 58 ]} وفي صناعة التخمير في إنجلترا وويلز، يُضاف الجبس عمداً إلى الماء في عملية تُعرف باسم "البرتنة" .

عموماً، تكون المياه عسرة في المناطق الحضرية في إنجلترا حيث لا تتوفر مصادر المياه العذبة. وقد قامت العديد من المدن ببناء مصادر لإمدادات المياه في القرن الثامن عشر مع ازدياد عدد السكان نتيجة للثورة الصناعية .

كانت مانشستر مدينة بارزة من هذا النوع في شمال غرب إنجلترا، وقد شيدت مؤسستها الثرية عدة خزانات في ثيرلمير وهاوزووتر في منطقة البحيرات شمالاً . لا توجد رواسب من الحجر الجيري أو الطباشير في منابع هذه الخزانات ، ولذلك تُصنف مياه مانشستر بأنها "عذبة جدًا". ^{[ 52 ]} وبالمثل، فإن مياه الصنبور في برمنغهام عذبة أيضًا لأنها تُستمد من خزانات وادي إيلان في ويلز، على الرغم من أن المياه الجوفية في المنطقة عسرة.

نشرت وكالة حماية البيئة دليلًا معياريًا لتفسير جودة المياه في أيرلندا، يتضمن تعريفات لعسر الماء. ^{[ 59 ]} يناقش القسم 36 العسر. ويُشار فيه إلى وثائق الاتحاد الأوروبي الأصلية، التي لا تحدد حدًا للعسر. كما لا يتضمن الدليل أي "قيم حدية موصى بها أو إلزامية" للعسر.

يشير الدليل إلى أنه عند تجاوز منتصف النطاق المحدد بـ "صلابة متوسطة"، تزداد الآثار السلبية: "من أبرز عيوب المياه العسرة أنها تُضعف رغوة الصابون  [...] والأهم من ذلك، أنها قد تُسبب انسداد الأنابيب وانخفاضًا حادًا في كفاءة الغلايات بسبب تراكم الترسبات الكلسية. وتزداد هذه الآثار مع ارتفاع نسبة العسر إلى 200 ملغم/لتر من كربونات الكالسيوم أو أكثر."₃ .

تُجري جنوب أفريقيا مراقبة شاملة لجودة إمدادات المياه، وتُجري البلديات الكبرى اختبارات دورية في مواقع إمدادات المياه. وقد نشرت الدولة إرشادات بشأن جودة المياه للاستخدامات المنزلية والترفيهية والصناعية والري وتربية الماشية والاستزراع المائي والاستخدامات المائية. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

تمتد جنوب أفريقيا على مساحة 1,221,037 كيلومترًا مربعًا، وتتنوع تضاريسها بشكل كبير. ففيها مناطق ذات مياه عذبة جدًا، وأخرى ذات مياه عسرة جدًا. ويتجلى هذا التباين حتى داخل مدنها الرئيسية، حيث تختلف درجة عسر الماء اختلافًا ملحوظًا بين الضواحي والمناطق الحضرية.

يمكن العثور على بيانات صلابة المياه لبعض المناطق الحضرية في جنوب إفريقيا، بما في ذلك أكبر 3 مدن من حيث عدد السكان (كيب تاون، جوهانسبرج، ودربان)، في الجدول أدناه.

أظهرت مجموعة بيانات من الولايات المتحدة أن حوالي نصف محطات المياه التي تم اختبارها كانت عسرتها تتجاوز 120 ملغم/لتر من مكافئ كربونات الكالسيوم، مما يصنفها ضمن فئتي "العسر" أو "العسر الشديد". ^{[ 5 ]} أما النصف الآخر فصُنِّف على أنه ماء يسر أو متوسط ​​العسر. وتعاني أكثر من 85% من المنازل الأمريكية من عسر الماء.

توجد المياه الأقل عسراً في أجزاء من نيو إنجلاند ، وجنوب المحيط الأطلسي والخليج، وشمال غرب المحيط الهادئ ، وهاواي . وتنتشر المياه متوسطة العسر في العديد من أنهار تينيسي ، والبحيرات العظمى ، وألاسكا . أما المياه العسرة والشديدة العسر فتوجد في بعض الجداول في معظم مناطق البلاد. وتوجد المياه الأكثر عسراً (أكثر من 1000 جزء في المليون) في جداول تكساس ، ونيو مكسيكو ، وكانساس ، وأريزونا ، ويوتا ، وأجزاء من كولورادو ، وجنوب نيفادا ، وجنوب كاليفورنيا . ^{[ 68 ] [ 69 ]}