الكالسيوم (Ca) والماء
الكالسيوم من المعادن الذائبة الشائعة في المياه الطبيعية. وهو يسهم، إلى جانب المغنيسيوم، في عسر الماء، ويمكن أن يُكوّن قشورًا معدنية عندما تُهيّئ كيمياء الماء ظروفًا مواتية للترسيب. وتعتمد العمليات الكيميائية ذات الصلة على الكالسيوم والقلوية والأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والأيونات الذائبة الأخرى.
الكالسيوم في المياه الطبيعية
يصل الكالسيوم إلى الماء نتيجة تجوية المعادن الحاوية على الكالسيوم أو ذوبانها. وتشمل مصادره الشائعة الحجر الجيري والصخور الكربوناتية الأخرى والدولوميت والجبس. وفي معظم المياه الطبيعية، يوجد الكالسيوم الذائب أساسًا على هيئة أيون Ca2+، مع أنه يمكن أيضًا أن يُكوّن أزواجًا أيونية ذائبة مع الكربونات والبيكربونات والكبريتات ومكوّنات أخرى.
عندما يلامس الماء المحتوي على ثاني أكسيد الكربون الذائب الحجر الجيري، يمكن أن يذوب المعدن الكربوناتي. ويمكن تمثيل التفاعل الإجمالي بصورة مبسطة كما يلي:
CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O (l) ⇌ Ca2+ (aq) + 2 HCO3− (aq)
يتفاعل فلز الكالسيوم في حالته العنصرية أيضًا مع الماء السائل، منتجًا هيدروكسيد الكالسيوم وغاز الهيدروجين:
Ca (s) + 2 H2O (l) → Ca(OH)2 (s) + H2 (g)
هيدروكسيد الكالسيوم محدود الذوبان في الماء. ويصف هذا التفاعل سلوك الفلز؛ وهو يختلف عن كيفية وجود الكالسيوم الذائب في الأنهار والمياه الجوفية ومياه البحر.
عسر الماء وقشور الكالسيوم
ينشأ عسر الماء أساسًا عن الكالسيوم والمغنيسيوم الذائبين. ويُعبَّر عنه عادةً بالملليغرام لكل لتر من مكافئ كربونات الكالسيوم (mg/L محسوبة على أساس CaCO3); وهذه طريقة اصطلاحية للتعبير عن العسر، ولا تعني أن العسر كله موجود على هيئة كربونات كالسيوم صلبة. ويُعدّ العسر عمومًا مسألة تشغيلية، لأنه قد يسهم في تكوّن رواسب معدنية ويقلّل فعالية الصابون، وليس مشكلة صحية بحد ذاته.
يمكن أن تتكوّن قشور كربونات الكالسيوم عندما يصبح الماء فوق مشبع بالنسبة إلى الكالسيت. ويؤثر كلٌّ من الأس الهيدروجيني والقلوية وثاني أكسيد الكربون الذائب ودرجة الحرارة وتركيز الكالسيوم في هذا الميل إلى تكوّن القشور. ويُعدّ تكوّن قشور كبريتات الكالسيوم (الجبس/الأنهيدريت) خطرًا منفصلًا، خاصةً عندما يرتفع تركيز الكالسيوم والكبريتات، كما في بعض المحاليل الملحية المركّزة وعمليات المعالجة بالأغشية. ويلزم تحليل الماء ومعرفة ظروف العملية لتقييم أيٍّ من هذين الخطرين.
استكشف حاسبتَي Lenntech:
ملاحظة بشأن الحاسبتين: تقدّم الأداتان حاليًا نتائج توضيحية لأغراض تعليمية. وهذه النتائج ليست تنبؤات هندسية جرى التحقق من صحتها، ولا تُعدّ بديلًا عن نموذج جيوكيميائي جرى التحقق من صحته، أو دراسات قابلية المعالجة، أو تصميم العمليات.
الكالسيوم في البيئة وصحة الإنسان
الكالسيوم عنصر غذائي أساسي للإنسان والحيوان والنبات. وقد تسهم مياه الشرب في توفير بعض الكالسيوم ضمن المدخول الغذائي، لكن تركيزاته تتفاوت كثيرًا بحسب مصدر المياه. ويؤثر الكالسيوم أيضًا في كيمياء المياه العذبة؛ إذ تعتمد تأثيرات العسر على الكائنات المائية على النوع وعلى مجمل الخصائص الكيميائية للماء.
إزالة الكالسيوم من الماء
تقلّل عملية تليين الماء من تركيزَي الكالسيوم والمغنيسيوم. وتستبدل أجهزة التليين بالتبادل الكاتيوني هذين الأيونين بأيونات الصوديوم؛ ويمكن للتليين بالجير أن يزيل الكالسيوم من خلال تغيير الاتزان الكيميائي للكربونات وترسيب كربونات الكالسيوم. ويمكن لعمليات المعالجة بالأغشية أيضًا إزالة الأيونات الذائبة ضمن عملية أشمل لتنقية المياه. ويعتمد الاختيار على تحليل الماء، والغرض من المعالجة، وكيفية التعامل مع المحلول الملحي أو الحمأة أو السائل المركّز الناتج. تعرّف على المزيد حول التبادل الأيوني.