Pengertian Kesadahan Air (hardness)

Air sadah adalah air yang memiliki kandungan mineral tinggi. Air sadah terbentuk ketika air meresap melalui endapan batu kapur , kapur atau gipsum yang sebagian besar terdiri dari kalsium dan magnesium karbonat , bikarbonat , dan sulfat .

Air dengan kandungan mineral tinggi menimbulkan masalah kritis dalam  industri, di mana kesadahan air dipantau dengan teliti untuk menghindari kerusakan pada boiler , cooling tower/menara pendingin , dan peralatan lain yang menggunakan media air untuk prosenya. Dalam rumah tangga, indikasi air sadah  dapat diketahui yaitu kurangnya pembentukan busa ketika sabun diaduk dalam air, dan oleh pembentukan kerak di ceret dan pemanas air.  Di mana pun kesadahan air menjadi perhatian,proses pelunakan air (water softener)biasanya digunakan untuk mengurangi efek buruk  dari air sadah.

Sumber-sumber kesadahan

Kekerasan air ditentukan oleh konsentrasi kation multivalen dalam air. Kation multivalen adalah kompleks logam bermuatan positif dengan muatan lebih besar dari 1+. Biasanya, kation memiliki muatan 2+. Kation umum yang ditemukan dalam air sadah termasuk Ca ²⁺ dan Mg ²⁺ . Ion-ion ini memasuki persediaan air dengan pencucian dari mineral di dalam akuifer . Mineral yang mengandung kalsium umum adalah kalsit dan gipsum . Mineral magnesium yang umum adalah dolomit (yang juga mengandung kalsium). Air hujan dan air suling lunak , karena mengandung beberapa ion .

Reaksi kesetimbangan berikut menjelaskan pelarutan dan pembentukan kalsium karbonat dan kalsium bikarbonat (di sebelah kanan):

CaCO ₃ (s) + CO ₂ (aq) + H ₂ O (l) ⇌ Ca ²⁺ (aq) + 2 HCO - 
 3 (aq)

Reaksi bisa berjalan ke arah mana pun. Hujan yang mengandung karbon dioksida terlarut dapat bereaksi dengan kalsium karbonat dan membawa ion kalsium. Kalsium karbonat dapat disimpan kembali sebagai kalsit karena karbon dioksida hilang ke atmosfer, kadang-kadang membentuk stalaktit dan stalagmit .

Ion kalsium dan magnesium dapat dihilangkan dengan pelunak air. 

kesadahan sementara

Lihat juga: Kekerasan karbonatKekerasan sementara adalah jenis kesadahan air yang disebabkan oleh adanya mineral bikarbonat terlarut ( kalsium bikarbonat dan magnesium bikarbonat ). Ketika larut, jenis mineral ini menghasilkan kation kalsium dan magnesium (Ca 2+ , Mg 2+ ) dan anion karbonat dan bikarbonat ( CO 2−)

3 dan HCO -
3 ). Kehadiran kation logam membuat air keras. Namun, tidak seperti kekerasan permanen yang disebabkan oleh senyawa sulfat dan klorida , kekerasan "sementara" ini dapat dikurangi baik dengan merebus air, atau dengan menambahkan kapur ( kalsium hidroksida ) melalui proses pelunakan kapur . Mendidih meningkatkan pembentukan karbonat dari bikarbonat dan mengendapkan kalsium karbonat dari larutan, meninggalkan air yang lebih lunak saat didinginkan.

kesadahan permanen

Kesadahan permanen (kandungan mineral) umumnya sulit dihilangkan dengan cara direbus .Jika ini terjadi, biasanya disebabkan oleh adanya kalsium sulfat / kalsium klorida dan / atau magnesium sulfat / magnesium klorida dalam air, yang tidak mengendap saat suhu meningkat. Ion yang menyebabkan kekerasan air secara permanen dapat dihilangkan menggunakan water softener, atau tabung penukar ion .

kekerasan permanen = kekerasan kalsium permanen + kekerasan magnesium permanen.

Efek yang ditimbulkan air sadah

Dengan air sadah, larutan sabun membentuk endapan putih ( buih sabun ) alih-alih menghasilkan busa , karena ion  Ca2+ menghancurkan sifat surfaktan sabun dengan membentuk endapan padat (buih sabun). Komponen utama dari buih tersebut adalah kalsium stearat , yang muncul dari natrium stearat , komponen utama sabun :

2 C ₁₇ H ₃₅ COO ^- (aq) + Ca ²⁺ (aq) → (C ₁₇ H ₃₅ COO) ₂ Ca

Dengan demikian, kekerasan dapat didefinisikan sebagai kapasitas mengkonsumsi sabun dari sampel air, atau kapasitas presipitasi sabun sebagai sifat khas air yang mencegah penyabunan sabun. Deterjen sintetis tidak membentuk sampah semacam itu.

Air yang keras juga membentuk endapan yang menyumbat pipa. Endapan ini, yang disebut " skala ", terdiri terutama dari kalsium karbonat (CaCO ₃ ), magnesium hidroksida (Mg (OH) ₂ ), dan kalsium sulfat (CaSO ₄ ). Kalsium dan magnesium karbonat cenderung diendapkan sebagai padatan putih di permukaan bagian dalam pipa dan penukar panas . Pengendapan ini (pembentukan padatan yang tidak larut) pada prinsipnya disebabkan oleh dekomposisi termal ion bikarbonat tetapi juga terjadi dalam kasus di mana ion karbonat berada pada konsentrasi jenuh. ^[7] Peningkatan timbangan yang terjadi membatasi aliran air dalam pipa. Dalam boiler, endapan merusak aliran panas ke dalam air, mengurangi efisiensi pemanasan dan memungkinkan komponen boiler logam menjadi terlalu panas. Dalam sistem bertekanan, panas berlebih ini dapat menyebabkan kegagalan boiler. ^[8] Kerusakan yang disebabkan oleh endapan kalsium karbonat bervariasi pada bentuk kristal, misalnya kalsit atau aragonit . 

Kehadiran ion dalam elektrolit , dalam hal ini, air keras, juga dapat menyebabkan korosi galvanik , di mana satu logam lebih disukai akan mengalami korosi ketika kontak dengan jenis logam lain, ketika keduanya bersentuhan dengan elektrolit. Pelunakan air keras dengan pertukaran ion tidak meningkatkan korosivitasnya sendiri . Demikian pula, di mana pipa ledeng digunakan, air lunak tidak secara substansial meningkatkan plumbo- solvabilitas. 

Di kolam renang, air sadah membuat air menjadi keruh(milky). Kalsium dan magnesium hidroksida keduanya larut dalam . Kelarutan hidroksida dari logam alkali-tanah yang menjadi milik kalsium dan magnesium ( kelompok 2 tabel periodik ) meningkat bergerak ke bawah kolom. Larutan berair dari hidroksida logam ini menyerap karbon dioksida dari udara, membentuk karbonat tidak larut, sehingga menimbulkan kekeruhan. Ini sering disebabkan oleh pH yang terlalu tinggi (pH> 7,6). Oleh karena itu, solusi umum untuk masalah ini adalah, sambil mempertahankan konsentrasi klorin pada tingkat yang tepat, untuk menurunkan pH dengan penambahan asam klorida, nilai optimal berada di kisaran 7,2 hingga 7,6.

Pelunakan

Sering diinginkan untuk melunakkan air yang keras. Kebanyakan deterjen mengandung bahan-bahan yang menetralkan efek air keras pada surfaktan. Karena alasan ini, pelunakan air seringkali tidak diperlukan. Ketika pelunakan dipraktikkan, sering direkomendasikan untuk melunakkan hanya air yang dikirim ke sistem air panas domestik untuk mencegah atau menunda ketidakefisienan dan kerusakan karena pembentukan skala dalam pemanas air. Metode umum untuk pelunakan air melibatkan penggunaan resin penukar ion , yang menggantikan ion seperti Ca ²⁺ dengan dua kali jumlah monokasi seperti ion natrium atau kalium .

Soda cuci ( natrium karbonat , Na ₂ CO ₃ ) mudah diperoleh dan telah lama digunakan sebagai pelembut air untuk cucian rumah tangga, bersama dengan sabun atau deterjen biasa.

Pertimbangan kesehatan

Organisasi Kesehatan Dunia mengatakan bahwa "tampaknya tidak ada bukti yang meyakinkan bahwa kekerasan air menyebabkan efek kesehatan yang merugikan pada manusia". Faktanya, Dewan Riset Nasional Amerika Serikat telah menemukan bahwa air keras sebenarnya berfungsi sebagai suplemen makanan untuk kalsium dan magnesium. 

Beberapa penelitian telah menunjukkan hubungan terbalik yang lemah antara kesadahan air dan penyakit kardiovaskular pada pria, hingga level 170 mg kalsium karbonat per liter air. Organisasi Kesehatan Dunia telah meninjau bukti dan menyimpulkan data tidak memadai untuk memungkinkan rekomendasi untuk tingkat kekerasan. 

Rekomendasi telah dibuat untuk kadar kalsium maksimum dan minimum (40-80 ppm ) dan magnesium (20-30 ppm) dalam air minum, dan total kekerasan dinyatakan sebagai jumlah konsentrasi kalsium dan magnesium 2-4 mmol / L. 

Studi lain menunjukkan korelasi yang lemah antara kesehatan jantung dan kesadahan air. 

Beberapa studi menghubungkan penggunaan air keras domestik dengan peningkatan eksim pada anak-anak .

Uji Eksim Air yang Dilembutkan (SWET), uji coba terkontrol multicenter secara acak dari pelembut penukar ion untuk mengobati eksim pada anak-anak, dilakukan pada tahun 2008. Namun, tidak ada perbedaan yang bermakna dalam menghilangkan gejala yang ditemukan antara anak-anak dengan akses ke pelembut air rumah dan mereka yang tidak. 

Pengukuran

Kekerasan dapat diukur dengan analisis instrumental . Kekerasan air total adalah jumlah dari konsentrasi molar Ca 2+ dan Mg 2+ , dalam satuan mol / L atau mmol / L. Walaupun kekerasan air biasanya hanya mengukur konsentrasi total kalsium dan magnesium (dua ion logam divalen yang paling umum), zat besi , aluminium , dan mangan juga dapat hadir pada tingkat yang tinggi di beberapa lokasi. Kehadiran zat besi secara khas memberikan warna kecoklatan (seperti karat ) pada kalsifikasi, bukan putih (warna sebagian besar senyawa lain).
Kekerasan air sering tidak dinyatakan sebagai konsentrasi molar, melainkan dalam berbagai unit, seperti derajat kekerasan umum ( dGH ), derajat Jerman (° dH), bagian per juta (ppm, mg / L, atau derajat Amerika), butiran per galon (gpg), derajat bahasa Inggris (° e, e, atau ° Clark ), atau derajat Prancis (° fH, ° f atau ° HF; huruf kecil f digunakan untuk mencegah kebingungan dengan derajat Fahrenheit ). Tabel di bawah ini menunjukkan faktor konversi antara berbagai unit.

Konversi unit kekerasan.

	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	5.608	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

Berbagai unit alternatif mewakili massa setara kalsium oksida (CaO) atau kalsium karbonat (CaCO 3 ) yang, ketika dilarutkan dalam satuan volume air murni, akan menghasilkan konsentrasi molar total yang sama yaitu Mg 2+ dan Ca 2+ . Faktor konversi yang berbeda muncul dari fakta bahwa massa setara kalsium oksida dan kalsium karbonat berbeda, dan bahwa satuan massa dan volume yang berbeda digunakan. Satuannya adalah sebagai berikut:

• Bagian per juta (ppm) biasanya didefinisikan sebagai 1 mg / L CaCO 3 (definisi yang digunakan di bawah). Ini setara dengan mg / L tanpa senyawa kimia yang ditentukan, dan untuk derajat Amerika .
• Butir per Galon (gpg) didefinisikan sebagai 1 butir (64,8 mg) kalsium karbonat per galon AS (3,79 liter), atau 17,118 ppm.
• a mmol / L setara dengan 100,09 mg / L CaCO 3 atau 40,08 mg / L Ca 2+ .
• Tingkat Kekerasan Umum ( dGH atau 'gelar Jerman (° dH, deutsche Härte ))' didefinisikan sebagai 10 mg / L CaO atau 17,848 ppm.
• Derajat Clark (° Clark) atau Derajat Inggris (° e atau e) didefinisikan sebagai satu butir (64,8 mg) CaCO 3 per Imperial gallon (4,55 liter) air, setara dengan 14,254 ppm.
• Derajat Perancis (° fH atau ° f) didefinisikan sebagai 10 mg / L CaCO 3 , setara dengan 10 ppm.

Klasifikasi keras / lunak


Survei Geologi Amerika Serikat menggunakan klasifikasi berikut ke dalam air keras dan lunak,

Klasifikasi	kekerasan dalam mg-CaCO3 / L	kekerasan dalam mmol / L	kekerasan dalam dGH / ° dH	kekerasan dalam gpg	kekerasan dalam ppm
Lembut	0–60	0–0,60	0–3,37	0–3,50	0–60
Cukup sulit	61–120	0,61–1,20	3.38–6.74	3.56-7,01	61–120
Keras	121–180	1.21–1.80	6.75-10.11	7.06-10.51	121–180
Sangat keras	≥ 181	≥ 1.81	≥ 10.12	≥ 10,57	≥ 181

Air laut dianggap sangat keras karena berbagai garam terlarut. Kekerasan air laut biasanya berada di area 6,630 ppm (6,63 gram per liter). Sebaliknya, air tawar memiliki kekerasan di kisaran 15 hingga 375 ppm.
Indeks


Beberapa indeks digunakan untuk menggambarkan perilaku kalsium karbonat dalam campuran air, minyak, atau gas.
Langelier saturation index (LSI)

Indeks saturasi Langelier [25] (kadang-kadang indeks stabilitas Langelier) adalah angka yang dihitung yang digunakan untuk memprediksi stabilitas kalsium karbonat air. Ini menunjukkan apakah air akan mengendap, larut, atau berada dalam kesetimbangan dengan kalsium karbonat. Pada tahun 1936, Wilfred Langelier mengembangkan metode untuk memprediksi pH di mana air jenuh dalam kalsium karbonat (disebut pH s ). LSI dinyatakan sebagai perbedaan antara pH sistem aktual dan pH saturasi:

LSI = pH (diukur) - pH s

• 
  
• Untuk LSI> 0, air super jenuh dan cenderung mengendapkan lapisan skala CaCO 3 .
• Untuk LSI = 0, air jenuh (dalam kesetimbangan) dengan CaCO 3 . Lapisan skala CaCO 3 tidak diendapkan atau dilarutkan.
• Untuk LSI <0, air di bawah jenuh dan cenderung larut CaCO 3 padat.

Jika pH aktual air di bawah pH saturasi yang dihitung, LSI negatif dan air memiliki potensi penskalaan yang sangat terbatas. Jika pH aktual melebihi pH, LSI positif, dan jenuh dengan CaCO 3 , air memiliki kecenderungan untuk membentuk skala. Pada peningkatan nilai indeks positif, potensi penskalaan meningkat.
Dalam praktiknya, air dengan LSI antara −0.5 dan +0.5 tidak akan menampilkan sifat pelarutan mineral atau pembentuk skala yang ditingkatkan. Air dengan LSI di bawah −0,5 cenderung menunjukkan peningkatan kemampuan pelarutan sementara air dengan LSI di atas +0,5 cenderung menunjukkan sifat pembentuk skala yang meningkat secara nyata.
LSI sensitif terhadap suhu. LSI menjadi lebih positif dengan meningkatnya suhu air. Ini memiliki implikasi khusus dalam situasi di mana air sumur digunakan. Suhu air ketika pertama kali keluar dari sumur sering jauh lebih rendah daripada suhu di dalam gedung yang dilayani oleh sumur atau di laboratorium tempat pengukuran LSI dilakukan. Peningkatan suhu ini dapat menyebabkan penskalaan, terutama dalam kasus-kasus seperti pemanas air panas. Sebaliknya, sistem yang mengurangi suhu air akan memiliki skala yang lebih kecil.

Analisis Air:

pH = 7,5
TDS = 320 mg / L
Kalsium = 150 mg / L (atau ppm) sebagai CaCO 3
Alkalinitas = 34 mg / L (atau ppm) sebagai CaCO 3

Rumus LSI:
LSI = pH - pH s
pH s = (9,3 + A + B) - (C + D) di mana:
A = log 10 [TDS] - 1/10 = 0,15
B = −13.12 × log 10 (° C + 273) + 34.55 = 2.09 pada 25 ° C dan 1.09 pada 82 ° C
C = log 10 [Ca 2+ as CaCO 3 ] - 0.4 = 1.78
(Ca 2+ sebagai CaCO 3 juga disebut kekerasan kalsium, dan dihitung sebagai 2,5 [Ca 2+ ])
D = log 10 [alkalinitas sebagai CaCO 3 ] = 1,53

Edit Indeks Stabilitas Ryznar (RSI)
Indeks stabilitas Ryznar (RSI) menggunakan database pengukuran ketebalan skala dalam sistem air kota untuk memprediksi efek kimia air.
Indeks saturasi Ryznar (RSI) dikembangkan dari pengamatan empiris laju korosi dan pembentukan film pada pipa baja. Ini didefinisikan sebagai: 

RSI = 2 pH s - pH (diukur)

• Untuk 6,5 <RSI <7 air dianggap sekitar pada kesetimbangan jenuh dengan kalsium karbonat
• Untuk RSI> 8 air berada di bawah jenuh dan, oleh karena itu, akan cenderung untuk melarutkan CaCO3 padat yang ada
• Untuk RSI <6,5 air cenderung membentuk skala

Edit Puckorius Scaling Index (PSI)
Puckorius Scaling Index (PSI) menggunakan parameter yang sedikit berbeda untuk mengukur hubungan antara keadaan saturasi air dan jumlah limescale yang diendapkan.

Indeks lainnya