硬水

硬水は、ミネラル含有量の高い水です（「軟水」とは対照的です）。硬水は、石灰岩、白亜、石膏の堆積物に水が浸透したときに形成されます^[1]。これらの堆積物は主に炭酸カルシウムとマグネシウム、重炭酸塩、硫酸塩で構成されています。

硬水を飲むと、健康に多少のメリットがあるかもしれない。ボイラー、冷却塔、その他の水を扱う機器の故障による高額な費用を回避するために水の硬度を監視する産業現場では、硬水は重大な問題を引き起こす可能性がある。家庭環境では、石鹸を水中でかき混ぜたときに泡立たないことや、やかんや給湯器に水垢が形成されることで、硬水であることが示されることが多い。 ^[2]水の硬度が懸念される場所では、硬水の悪影響を軽減するために 軟水化が一般的に使用されている。

自然の雨水、雪、その他の降水には、通常、カルシウムやマグネシウムなどの二価 カチオンが低濃度で含まれています。海上の風の作用によって生じたナトリウム、塩化物、硫酸塩などのイオンも少量含まれている場合があります。硬くて不浸透性でカルシウムの少ない岩石でできた集水域に降水がある場合、二価カチオンの濃度は非常に低く、その水は軟水と呼ばれます。^[3]例としては、ウェールズのスノードニアやスコットランドの西ハイランド地方などがあります。

地質が複雑な地域では、短い距離でも水の硬度が変化することがあります。^{[4] [5]}

水の永久硬度は、2+以上の電荷を持つ陽イオンの 濃度によって決まります。通常、陽イオンは2+の電荷を持ち、つまり2価です。硬水に含まれる一般的な陽イオンにはCa ²⁺とMg ^{2+があり、これらは}帯水層内の鉱物から浸出することで水道水に混入することがよくあります。一般的なカルシウム含有鉱物は方解石と石膏です。一般的なマグネシウム鉱物はドロマイト（カルシウムも含む）です。雨水と蒸留水はこれらのイオンをほとんど含まないため、軟水です。^[3]

次の平衡反応は、炭酸カルシウムと重炭酸カルシウム（右側） の溶解と形成を説明しています。

反応はどちらの方向にも進む可能性があります。二酸化炭素が溶けた雨は炭酸カルシウムと反応し、カルシウムイオンを運び去る可能性があります。二酸化炭素が大気中に失われると、炭酸カルシウムは方解石として再堆積し、鍾乳石や石筍を形成することがあります。

カルシウムイオンとマグネシウムイオンは、軟水器によって除去されることがあります。^[6]

永久硬度（ミネラル含有量）は、一般的に沸騰させても除去するのが困難です。^[7]これが起こる場合、通常は水中の硫酸カルシウム/塩化カルシウムおよび/または硫酸マグネシウム/塩化マグネシウムの存在が原因であり、これらは温度が上昇しても沈殿しません。水の永久硬度を引き起こすイオンは、水軟化装置またはイオン交換カラムを使用して除去できます。

一時的な硬度は、溶解した 重炭酸 塩鉱物（重炭酸カルシウムと重炭酸マグネシウム）の存在によって引き起こされます。溶解すると、これらのタイプの鉱物はカルシウムとマグネシウムの陽イオン（Ca ²⁺、Mg ²⁺）と炭酸イオンと重炭酸 イオン（CO²⁻³
_...およびHCO⁻
₃）。金属陽イオンの存在により水は硬くなります。しかし、硫酸塩や塩化物化合物によって引き起こされる永久的な硬度とは異なり、この「一時的な」硬度は、水を沸騰させるか、石灰軟化プロセスを通じて石灰（水酸化カルシウム）を加えることで低下させることができます。^[8]沸騰により重炭酸塩から炭酸塩が形成され、炭酸カルシウムが溶液から沈殿するため、冷却すると水が軟らかくなります。

硬水の場合、石鹸水は泡立たず、白い沈殿物（石鹸かす）を形成します。これは、2+イオンが固形沈殿物（石鹸かす）を形成して石鹸の界面活性特性を破壊するためです。このような石鹸かすの主成分はステアリン酸カルシウムで、石鹸の主成分であるステアリン酸ナトリウムから生成されます。

したがって、硬度は、水サンプルの石鹸消費能力、または石鹸の泡立ちを妨げる水の特性としての石鹸の沈殿能力として定義できます。合成洗剤はそのような汚れを形成しません。

軟水にはカルシウムイオンが少ないため、石鹸の泡立ちが阻害されることはなく、通常の洗濯では石鹸カスは発生しません。同様に、軟水は給湯システムでカルシウムの沈殿物を生成しません。

硬水は配管を詰まらせる沈殿物も形成します。これらの沈殿物は「スケール」と呼ばれ、主に炭酸カルシウム(CaCO ₃ )、水酸化マグネシウム(Mg(OH) ₂ )、硫酸カルシウム(CaSO ₄ ) で構成されています。^{[3]炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムは、パイプや}熱交換器の内側の表面にオフホワイトの固体として沈殿する傾向があります。この沈殿 (不溶性固体の形成) は主に重炭酸イオンの熱分解によって引き起こされますが、炭酸イオンが飽和濃度にある場合にも発生します。^[9]結果としてスケールが蓄積すると、パイプ内の水の流れが制限されます。ボイラーでは、沈殿物によって水への熱の流れが妨げられ、加熱効率が低下し、金属製のボイラー部品が過熱する可能性があります。加圧システムでは、この過熱によりボイラーが故障する可能性があります。^{[10]炭酸カルシウムの沈殿物によって引き起こされる損傷は、}方解石やアラゴナイトなどの結晶形態によって異なります。^[11]

電解質（この場合は硬水）中のイオンの存在は、ガルバニック腐食を引き起こす可能性があり、ある金属が別の種類の金属と接触すると、両方が電解質に接触して優先的に腐食します。イオン交換による硬水の軟化は、それ自体の腐食性を増加させません。同様に、鉛配管が使用されている場合、軟水は鉛の溶解性を大幅に増加させません。^[12]

スイミングプールでは、硬水は濁った、または曇った（乳白色）水の外観で現れます。カルシウムとマグネシウムの水酸化物は両方とも水に溶けます。カルシウムとマグネシウムが属するアルカリ土類金属（周期表のグループ 2）の水酸化物の溶解度は、カラムの下に行くほど高くなります。これらの金属水酸化物の水溶液は空気中の二酸化炭素を吸収し、不溶性の炭酸塩を形成し、濁りを引き起こします。これは多くの場合、pH が過度に高い（pH > 7.6）ために発生します。したがって、この問題の一般的な解決策は、塩素濃度を適切なレベルに維持しながら、塩酸を加えて pH を下げることです。最適値は 7.2 ～ 7.6 の範囲です。

場合によっては、硬水を軟水化することが望ましいことがあります。ほとんどの洗剤には、界面活性剤に対する硬水の影響を打ち消す成分が含まれています。このため、軟水化は多くの場合不要です。軟水化を行う場合、給湯器のスケール形成による非効率性や損傷を防止または遅らせるために、家庭用給湯システムに送られる水のみを軟水化することが推奨されることがよくあります。軟水化の一般的な方法は、イオン交換樹脂の使用です。イオン交換樹脂は、Ca ^{2+などのイオンを、}ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのモノカチオンの数の 2 倍に置き換えます。

洗濯ソーダ（炭酸ナトリウム、Na ₂ CO ₃）は簡単に入手でき、通常の石鹸や洗剤と組み合わせて、家庭での洗濯用の水軟化剤として長い間使用されてきました。

軟水化処理された水は、軟水と呼ばれることがあります。この場合、水にはナトリウムやカリウム、重炭酸イオンや塩化物イオンの濃度も高くなることがあります。

世界保健機関は、「水の硬度が人間の健康に悪影響を及ぼすという説得力のある証拠はないようだ」と述べている。^[2]実際、米国国立研究評議会は、硬水がカルシウムとマグネシウムの栄養補助食品として機能することを発見した。^[13]

いくつかの研究では、1リットルの水に炭酸カルシウムが170mgまで含まれる場合、男性の水の硬度と心血管疾患の間に弱い逆相関関係があることが示されています。世界保健機関は証拠を検討し、硬度のレベルを推奨するにはデータが不十分であると結論付けました。^[2]

飲料水中のカルシウム（40～80 ppm ）とマグネシウム（20～30 ppm）の最小値と最大値 、およびカルシウムとマグネシウムの濃度の合計として表される総硬度が2～4 mmol/Lであることが推奨されている。^[14]

他の研究では、心臓血管の健康と水の硬度の間に弱い相関関係があることが示されています。^{[15] [16] [17]}

硬水の飲料水は、小児のアトピー性皮膚炎（湿疹）の有病率を高める可能性がある。^{[18] [19]}硬水の地域に住んでいることも、幼少期のADの発症に関係している可能性がある。しかし、ADがすでに発症している場合は、家庭で軟水器を使用しても症状の重症度は軽減されない。^[19]

硬度は機器分析によって定量化できます。水の総硬度は、Ca ²⁺と Mg ^2+のモル濃度の合計で、単位は mol/L または mmol/L です。水の硬度は通常、カルシウムとマグネシウム (最も一般的な 2 価金属イオン) の総濃度のみを測定しますが、場所によっては鉄、アルミニウム、マンガンも高濃度で存在します。鉄が存在すると、石灰化は白色 (他のほとんどの化合物の色) ではなく、茶色がかった色 (さびのような色) に なります。

水の硬度は、多くの場合、モル濃度ではなく、一般硬度（dGH）、ドイツ硬度（°dH）、百万分率（ppm、mg/L、またはアメリカ硬度）、ガロンあたりのグレイン数（gpg）、イギリス硬度（°e、e、または°Clark）、フランス硬度（°fH、°f、または°HF。華氏度との混同を避けるために小文字のfが使用される）などのさまざまな単位で表されます。次の表は、さまざまな単位間の変換係数を示しています。

さまざまな代替単位は、単位体積の純水に溶解したときに、Mg ²⁺と Ca ^{2+の合計モル濃度が同じになる酸化カルシウム (CaO) または炭酸カルシウム (CaCO} ₃ ) の等価質量を表します。さまざまな変換係数は、酸化カルシウムと炭酸カルシウムの等価質量が異なり、異なる質量単位と体積単位が使用されているという事実から生じます。単位は次のとおりです。

• 百万分の一（ppm）は通常1 mg/L CaCO ₃と定義されます（以下の定義を使用）。^{[20]これは、化学化合物が指定されていない場合は}mg/Lに相当し、アメリカの度数に相当します。
• 1 ガロンあたりのグレイン(gpg) は、 1 米ガロン(3.79 リットル) あたり 1グレイン(64.8 mg) の炭酸カルシウム、または 17.118 ppmとして定義されます
• 1 mmol/Lは100.09 mg/L CaCO ₃または40.08 mg/L Ca ²⁺に相当します。
• 一般硬度（dGHまたは「ドイツ硬度」（°dH、deutsche Härte））は、10 mg/L CaO または 17.848 ppm として定義されます。
• クラーク度( °Clark) または英国度(°e または e) は、1英ガロン(4.55 リットル) の水あたり1グレイン(64.8 mg) の CaCO ₃として定義され、14.254 ppm に相当します。
• フランスの度数（°fH または °f）は 10 mg/L CaCO ₃と定義され、10 ppm に相当します。

硬度の挙動は、水中に溶解したミネラルの正確な混合と水のpHと温度によって決まるため、単一の数値スケールでは硬度を適切に表すことはできません。しかし、米国地質調査所は硬水と軟水を次のように分類しています。^[5]

海水は様々な塩分が溶けているため非常に硬いと考えられています。通常、海水の硬度は6,570 ppm（1リットルあたり6.57グラム）程度です。^[21]対照的に、淡水の硬度は15～375 ppmの範囲で、一般的には600 mg/L前後です。^[22]

水、油、ガス混合物中の炭酸カルシウムの挙動を記述するためにいくつかの指標が使用されている。^{[23] [より良い情報源が必要]}

ランゲリア飽和指数^[24]（ランゲリア安定指数と呼ばれることもある）は、水の炭酸カルシウムの安定性を予測するために使用される計算値である。^[25]これは、水が沈殿するか、溶解するか、炭酸カルシウムと平衡状態になるかを示す。1936年、ウィルフレッド・ランゲリアは、水が炭酸カルシウムで飽和するpH（pHsと呼ばれる）を予測する方法を開発した_。 [ ^26] LSIは、実際のシステムpHと飽和pHの差として表される：^[27]

• _{LSI > 0 の場合、水は過飽和状態となり、CaCO 3}のスケール層が沈殿する傾向があります。
• _{LSI = 0 の場合、水は CaCO 3}で飽和（平衡状態）します。CaCO ₃のスケール層は沈殿も溶解もしません。
• LSI < 0 の場合、水は飽和状態ではなく、固体 CaCO _{3 を}溶解する傾向があります。

水の実際の pH が計算された飽和 pH より低い場合、LSI は負になり、水のスケール形成能は非常に限られます。実際の pH が pH を超える場合、LSI は正になり、CaCO ₃で過飽和状態になり、水はスケールを形成する傾向があります。正の指数値が増加すると、スケール形成能が増加します。

実際には、LSI が -0.5 から +0.5 の間の水では、ミネラル溶解特性やスケール形成特性は向上しません。LSI が -0.5 未満の水では溶解能力が著しく向上する傾向があり、LSI が +0.5 を超える水ではスケール形成特性が著しく向上する傾向があります。

LSI は温度に敏感です。水温が上昇するにつれて、LSI はより正になります。これは、井戸水が使用される状況で特に意味を持ちます。井戸から最初に出る水の温度は、井戸が供給されている建物内や LSI 測定が行われる実験室の温度よりも大幅に低いことがよくあります。この温度上昇は、特に給湯器などの場合にスケーリングを引き起こす可能性があります。逆に、水温を下げるシステムでは、スケーリングは少なくなります。

• 水質分析:
  • pH = 7.5
  • TDS = 320 mg/L
  • _{カルシウム = CaCO 3}として150 mg/L（またはppm）
  • _{アルカリ度 = CaCO 3}として34 mg/L（またはppm）
• LSI式:
  • LSI = pH − pH _s
  • pH _s = (9.3 + A + B) − (C + D) ただし:
    • A = ⁠ログ₁₀ [TDS] − 1/10⁠ = 0.15
    • B = −13.12 × log ₁₀ (°C + 273) + 34.55 = 25 °C では 2.09、82 °C では 1.09
    • C = log ₁₀ [Ca ²⁺ as CaCO ₃ ] – 0.4 = 1.78
      • （Ca ²⁺はCaCO ₃としてカルシウム硬度とも呼ばれ、2.5[Ca ²⁺ ]として計算されます）
    • D = log ₁₀ [CaCO ₃としてのアルカリ度] = 1.53

Ryznar安定指数（RSI）^{[24] ：525は、}水道システムのスケール厚さ測定値のデータベースを使用して、水質化学の影響を予測します。^{[25] ：72  [28]}これは、鋼管の腐食速度と皮膜形成の経験的観察から開発されました。

この指標は次のように定義される: ^[29]

• 6.5 < RSI < 7の場合、水は炭酸カルシウムとほぼ飽和平衡にあると考えられる。
• RSI > 8の場合、水は飽和していないため、既存の固体CaCO _{3を溶解する傾向がある。}
• RSI < 6.5の場合、水はスケール状になる傾向がある

Puckorius スケーリング指数 (PSI) は、わずかに異なるパラメータを使用して、水の飽和状態と堆積した石灰スケールの量との関係を定量化します。

その他の指数としては、ラーソン・スコルド指数^[30] 、スティフ・デイビス指数^[31]、オッド・トムソン指数^{[32]などがある。}

地域の水道水の硬度は水源によって異なります。火山（火成岩）の上を流れる小川の水は軟水ですが、多孔質の岩に掘削されたボーリング孔から出る水は通常非常に硬水です。

オーストラリア水道協会によるオーストラリアの主要都市の水の硬度分析では、非常に軟水（メルボルン）から硬水（アデレード）までの範囲であることが示されています。炭酸カルシウムの総硬度レベル（ppm）は次のとおりです。

• キャンベラ:40 ^[33]
• メルボルン：10–26 ^[34]
• シドニー: 39.4–60.1 ^[35]
• パース：29–226 ^[36]
• ブリスベン: 100 ^[37]
• アデレード：134–148 ^[38]
• ホバート：5.8–34.4 ^[39]
• ダーウィン: 31 ^[40]

プレーリー地方（主にサスカチュワン州とマニトバ州）には、多くの場合ドロマイトとしてカルシウムとマグネシウムが多く含まれており、最終氷期に閉じ込められた高濃度の二酸化炭素を含む地下水に容易に溶解します。カナダのこれらの地域では、地下水が唯一の飲料水源である場合、炭酸カルシウム換算のppmで表した総硬度が200 ppmを超えることがよくあります。対照的に、西海岸の水は異常に軟水で、主に氷河と雪解け水が水源となっている山間の湖から得られます。

一般的な値は次のとおりです。

• ケベック州モントリオール：116 ppm ^[41]
• アルバータ州カルガリー: 165 ppm ^[要出典]
• サスカチュワン州レジーナ：496 ppm ^[42]
• サスカトゥーン、サスカチュワン州：160～180 ppm ^[43]
• マニトバ州ウィニペグ：77 ppm ^[44]
• トロント、オンタリオ州：121 ppm ^[45]
• バンクーバー、ブリティッシュコロンビア州: < 3 ppm ^[46]
• シャーロットタウン、プリンスエドワード島：140～150 ppm ^[47]
• オンタリオ州ウォータールー地域: 400 ppm
• オンタリオ州グエルフ：460 ppm ^[48]
• セントジョン（西）、ニューブランズウィック：160～200 ppm ^[49]
• オンタリオ州オタワ：30 ppm ^[50]

飲料水検査局の情報によると、イングランドの飲料水は一般的に「非常に硬い」と考えられており、特にセヴァーン川とティーズ川の河口の東側では、炭酸カルシウム換算で200 ppmを超えています。たとえばロンドンの水は主にテムズ川とリー川から得られており、どちらも乾季の水量のかなりの割合を石灰岩と白亜の帯水層の湧水から得ています。ウェールズ、デヴォン、コーンウォール、およびイングランド北西部の一部は軟水地域で、0〜200 ppmの範囲です。^{[58]イングランドとウェールズの}醸造業界では、バートン化の過程で石膏を使って水を意図的に硬化させることがよくあります。

一般的に、軟水源が利用できないイングランドの都市部では、水は主に硬水です。18世紀、産業革命と都市人口の急増に伴い、いくつかの都市で給水源が建設されました。マンチェスターは北西イングランドのそのような都市として有名で、その裕福な企業が北部の湖水地方のサールミアとホーズウォーターにいくつかの貯水池を建設しました。源流には石灰岩や白亜質がないため、マンチェスターの水は「非常に軟水」と評価されています。^{[52]同様に、}バーミンガムの水道水も、その地域の地下水は硬水であるにもかかわらず、ウェールズの エランバレー貯水池から水源を得ているため軟水です。

EPAは、アイルランドの水質の解釈に関する基準ハンドブックを発行しており、その中で水の硬度の定義が示されている。^[59]セクション36では硬度について論じている。オリジナルのEU文書への参照が示されているが、そこには硬度の制限は示されていない。ハンドブックには、硬度の「推奨または強制的な制限値」も示されていない。ハンドブックでは、「中程度の硬度」と定義されている範囲の中間点を超えると、影響がますます見られるとしている。「硬水の主な欠点は、石鹸の泡立ちを中和することです [...]そして、さらに重要なことは、スケール形成のためにパイプの詰まりやボイラーの効率の大幅な低下を引き起こす可能性があることです。これらの影響は、硬度が200 mg/L CaCO以上に上昇するにつれて増大します。
₃」

米国のデータ収集によると、検査した給水所の約半数が炭酸カルシウム換算で1リットルあたり120mgを超える硬度を示し、「硬水」または「超硬水」に分類された。^[5]残りの半分は軟水または中程度の硬水に分類された。米国の家庭の85％以上が硬水を使用している。^[要出典]最も軟水は、ニューイングランド、南大西洋・メキシコ湾、太平洋岸北西部、ハワイ地域の一部で見られる。中程度の硬水は、テネシー、五大湖、アラスカ地域の多くの河川で一般的である。硬水と超硬水は、国内のほとんどの地域の河川の一部で見られる。最も硬水（1,000 ppm以上）は、テキサス、ニューメキシコ、カンザス、アリゾナ、ユタ、コロラドの一部、ネバダ州南部、カリフォルニア南部の河川で見られる。^{[60] [61]}

• 汚れ – 固体表面への不要な物質の蓄積
• グレイン（単位）  – 質量の単位
• 浄水 – 水から不純物を取り除くプロセス
• 水質 – 使用基準に対する評価
• 水処理 – 水質を改善するプロセス

• 「Langelier Saturation Index (LSI) Calculato」。Akzo Nobel。2017年8月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年8月29日閲覧。
• 「水の硬度単位コンバーター」。2010年2月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年8月29日閲覧。
• 「英国の硬水マップ」。2018年1月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年1月12日閲覧。
• エリオクロム指示薬とEDTAを使用して水の硬度を測定する手順を説明します。