Dieper in het water gedoken (4)

Het lezen van een waterrapport

Het oude gezegde “als je water goed smaakt, is het prima om ermee te brouwen” kan een gezegde zijn dat werkt voor een niet al te kritische thuisbrouwer, maar een professionele brouwer of een gepassioneerde amateur-brouwer kan de watersamenstelling niet negeren. Hoewel het waar is dat slecht smakend water slecht smakend bier zal opleveren, is het omgekeerde niet altijd waar. Waterchemie is ingewikkeld, maar we hebben voldoende informatie nodig om te begrijpen hoe geschikt brouwwater samengesteld dient te zijn. Het analyseren van de samenstelling van je beschikbare watervoorziening is een essentiële eerste stap.

Zoals reeds in het tweede deel is aangegeven is water is een polair oplosmiddel, wat betekent dat elk watermolecuul polen heeft, of negatief en positief geladen uiteinden. De waterstofkant van het molecuul is positiever geladen dan de zuurstofkant, vanwege de elektronenverdeling. Door de polariteit van het molecuul kan het andere polaire moleculen aantrekken, zoals natriumchloride, calciumsulfaat en calciumcarbonaat. Polaire moleculen dissociëren (splitsen) vaak in positieve en negatieve ionen onder invloed van een polair oplosmiddel. In onderstaande tabel worden een aantal van deze ionen weergegeven.
 

Wat is een ion?

Een ion is een atoom of een groep atomen met een netto positieve of negatieve lading als gevolg van het verlies of de winst van elektronen. Een ion kan positief of negatief geladen zijn door respectievelijk een tekort of een overschot van een of meer elektronen. Een ionische verbinding is een polair molecuul dat bestaat uit 2 of meer ionen die bij elkaar worden gehouden door ionische bindingen (d.w.z. elektrostatische aantrekking). De elektrische lading van een ion wordt aangegeven als een superscript na het chemische symbool voor het ion. In de natuur- en de sterrenkunde beschouwt men meestal geïsoleerde atomen of moleculen; in de scheikunde en de biologie bevinden de geladen atomen en moleculen zich doorgaans in een waterige oplossing (elektrolyt). In dat laatste geval spreekt men van een kation als het ion positief geladen is. Als het negatief geladen is spreekt men van een anion (uitgesproken als “an-ion"). Zo lost het mineraal natriumchloride, ook bekend als keukenzout, (NaCl) op in het kation Na⁺¹ en het anion Cl^-1. Het gehydrateerde mineraal calciumchloride (CaCl₂•2H₂O) valt uiteen in 1 Ca⁺², 2 Cl^-1 en 2 watermoleculen. Merk op dat de som van de positieve en negatieve ladingen voor alle ionisatieproducten van een enkele verbinding altijd nul is. Bijvoorbeeld, de +2 lading van het calcium en de twee -1 ladingen van de chloride-ionen zijn opgeteld tot nul. Dit is ook een goed punt om te stellen dat de som van de opgeloste kationen en anionen in een natuurlijke watervoorziening ook nul moet zijn.

Parameters van een rapport over de waterkwaliteit

Veel mineralen en verbindingen komen van nature voor in water en lossen op in de oplossing uit verschillende milieubronnen. Ook de mens levert hieraan een bijdrage die echter veelal ongewenst is. We spreken dan van verontreiniging. Verontreinigingen kunnen ook natuurlijk zijn: schimmels, bacteriën, nitraten, enz. zijn allemaal van nature voorkomende waterverontreinigingen. Het belangrijkste doel van waterbehandeling is het verwijderen van deze verontreinigingen en het doel van een rapport over de waterkwaliteit is om het publiek te informeren over de soorten en gehaltes van deze stoffen in de watervoorziening.

We beginnen onze beoordeling van een waterrapport met het identificeren van de belangrijkste bestanddelen: de belangrijkste ionen, chemicaliën en verbindingen in typische drinkwatervoorzieningen. Rapporten over de waterkwaliteit richten zich op hoe het water voldoet aan de wetten voor veilig drinkwater voor verontreinigingen zoals pesticiden, micro-organismen en giftige metalen. Hoewel de primaire normen belangrijk zijn voor het waarborgen van de waterkwaliteit, zijn we als brouwers meestal meer geïnteresseerd in de secundaire of esthetische drinkwaternormen. Secundaire normen zijn richtlijnen voor parameters die van invloed zijn op smaak, pH en de gehaltes aan carbonaten. Deze laatste is bepalend voor de alkaliteit van het water. De bron van de openbare watervoorziening kan op bepaalde plaatsen per seizoen veranderen en dit kan een verschil maken in het karakter van leidingwater als brouwwater.

Van de parameters die van belang zijn voor brouwers, zijn de belangrijkste ionen die van invloed zijn op de prestaties van het brouwwater bij het maischen en fermenteren calcium (Ca⁺²), magnesium (Mg⁺²) en de totale alkaliteit als CaCO₃, dat soms eenvoudig maar onvoldoende wordt vermeld als bicarbonaat (HCO₃^-1). Hun interactie in de maischketel, kookketel en fermentor beïnvloeden de pH en andere factoren tijdens het brouwproces. Natrium (Na⁺¹), chloride (Cl^-1) en sulfaat (SO₄^-2) kunnen de smaak van zowel water als bier beïnvloeden, maar hebben over het algemeen geen invloed op de pH of fermentatieprestaties zoals de eerste drie hierboven genoemde ionen. Concentraties ionen in water worden meestal weergegeven als delen per miljoen (ppm) of milligram per liter (mg/l), wat over het algemeen equivalent is in verdunde oplossingen zoals drinkwater, waarvan één liter ongeveer één kilogram weegt.
 
In de USA hebben ze twee normen voor de niveaus aan stoffen die in het bronwater aanwezig mogen zijn:

1. Primaire normen hebben maximale verontreinigingsniveaus die wettelijk afdwingbare vereisten zijn;
2. Secundaire normen zijn officiële richtlijnen en hebben doorgaans (niet-afdwingbare) secundaire maximale verontreinigingsniveaus.

Niet-gereguleerde normen zijn industrierichtlijnen.
In Nederland worden er ook eisen gesteld aan de kwaliteit van het drinkwater. Het toezicht op drinkwater in Nederland is opgedragen aan de 'Inspectie Leefomgeving en Transport’(ILT).
"De ILT houdt toezicht op de naleving van bepalingen in de Drinkwaterwet en de daaronder vallende regelingen. Het betreft toezicht op de winning, de zuivering en de distributie van drinkwater door drinkwaterbedrijven en (eigenaren van) eigen winningen. De ILT is onderdeel van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat. In dit rapport beoordeelt de ILT of het drinkwater in Nederland in 2016 voldeed aan de gestelde normen. Ze baseert haar oordeel op de controles van de drinkwaterkwaliteit door de drinkwaterbedrijven, zoals wettelijk is vastgesteld.
Het rapport gaat over de kwaliteit van geproduceerd en gedistribueerd drinkwater.

Drinkwaterbedrijven

Nederland telt tien drinkwaterbedrijven: Waterbedrijf Groningen (WBG), Waterleidingmaatschappij Drenthe (WMD), Waterleidingbedrijf Noord-Holland (PWN), Waternet, Dunea, Evides, Oasen, Vitens, Brabant Water en WML. Zij zorgen voor schoon en veilig water uit de kraan. Dat doen ze door grond- en/of oppervlaktewater te winnen, te zuiveren en via een leidingnet aan de klant te leveren. De drinkwaterbedrijven in Nederland produceren jaarlijks meer dan 1 miljard m³ drinkwater.

Regelgeving

De Drinkwaterwet (Dww) en de onderliggende regelgeving reguleren onder meer de productie en de distributie van drinkwater door drinkwaterbedrijven. De wet bevat regels voor de kwaliteit, de leveringszekerheid en de bedrijfsvoering. In het Drinkwaterbesluit (Dwb) en de Drinkwaterregeling zijn respectievelijk de normen voor de kwaliteit van drinkwater voor menselijke consumptie en de vereisten voor monitoring en analyse opgenomen. Deze zijn gebaseerd op de Europese Drinkwaterrichtlijn.

Meetprogramma

Alle drinkwaterbedrijven voeren een meetprogramma uit ter controle van de kwaliteit van het geleverde drinkwater. Het aantal metingen is gekoppeld aan de hoeveelheid drinkwater die ze dagelijks binnen een leveringsgebied produceren of distribueren. De drinkwaterbedrijven rapporteren de resultaten van het meetprogramma aan de ILT. Het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) verzamelt en bewerkt de resultaten voor de ILT. Hiervoor gebruikt het RIVM het programma Registratieopgaven van drinkwaterbedrijven (REWAB).

Eigen winningen

Ook eigenaren van collectieve watervoorzieningen (eigen winningen) moeten een meetprogramma uitvoeren. De ILT houdt toezicht op de kwaliteit van het drinkwater dat deze eigenaren produceren en leveren. Eigen winning is geen onderdeel van deze rapportage.

Hieronder een voorbeeld van een waterrapport van ‘Het Waterlaboratorium’ van het water dat het PWN Waterleidingbedrijf Noord-Holland (PWN) levert aan het waternet Hoofddorp.

Secundaire normen vanuit de regelgeving in de USA

Secundaire maximale verontreinigingsniveaus, Engelstalig: Secundary Maximum Contamination Level (SMCL).

Aluminium

SMCL = 0,2 ppm
Richtlijn voor brouwwater = <0,2 ppm
Aluminium als metaal is relatief slecht oplosbaar in drinkwater, vandaar de aanwezigheid van aluminiumionen niet zeer waarschijnlijk zal zijn als gevolg van samenklontering en flocculatie behandelingen met aluminiumzouten. Afzetting van Aluminiumsulfaten, Aluminiumsilicaten en Aluminiumoxiden kan voor problemen zorgen in systemen voor waterkoeling. Aluminium is op z’n best oplosbaar in water met een pH van zowel lager dan 4 en hoger dan 10. Dus heel zuur of heel basisch.

Chloride (ion)

SMCL = 250 ppm
Richtlijn voor brouwwater = 0 - 100 ppm
Chloride komt voor in de meeste watervoorzieningen. De Chloride-ionen helpen bij het accentueren van moutige zoetheid en de volheid van het bier. Maar niveaus van boven de 250 ppm smaken in de meeste bieren als deegachtig of zoutig. Van niveaus boven de 300 ppm wordt gezegd dat het de gezondheid van gistcellen beïnvloedt. Hogere niveaus aan Chloride kunnen leiden tot een minerale of zoutige smaak wanner het gecombineerd wordt met sulfaat of natrium. Chloride is niet gerelateerd aan achterblijvende chlorine en heeft niet hetzelfde desinfecterende effect.

Koper

SMCL = 1 ppm
Richtlijn voor brouwwater = <1 ppm
De meest voorkomende bron van koper in het water komt van corrosie van messing en koperen leidingen, of het kan een residu zijn van toevoegingen van kopersulfaat om de hoeveelheid algen in het reservoir te beheersen. Koper is giftig in hoge concentraties maar 200 mg per kilogram lichaamsgewicht is laagste dodelijk dosis. Kleine hoeveelheden koper zijn bevorderlijk in het brouwwort om sulfiden en andere zwavelverbindingen te reduceren zoals H₂S in het bier. Gisten zijn zeer goede eters van afval omdat het voor de gist een essentiële voedingsstof is, en achterblijvend koper wordt in het bier meestal nooit aangetroffen. Buitensporige hoeveelheden koper kunnen worden teruggebracht met het verzachten d.m.v. kalk, ionen uitwisseling, of omgekeerde osmose processen.

IJzer

SMCL = 0,3 ppm
Richtlijn voor brouwwater =  streven naar nul.
De meest oplosbare vorm van IJzer is Ferro (Fe+). IJzer in water smaakt metaalachtig of naar bloed. Hoge niveaus aan IJzer kan leiden tot corrosie van roestvrij stalen leidingen, in het bijzonder in combinatie met chlorides en sulfiden. IJzer kan worden verwijderd d.m.v. filtratie na beluchting of oxidatie. Maar het kan ook verwijderd worden d.m.v. ionen uitwisseling, of omgekeerde osmose processen.

Mangaan

SMCL = 0,05 ppm
Richtlijn voor brouwwater = < 0,1 ppm
Mangaan is aanwezig in vele vaste stoffen en is gemakkelijk oplosbaar in water dat vrij is van zuurstof. Mangaan hoopt zich op in sedimenten en kan in hogere concentraties gevonden worden in diepe waterputten. Het is een moeilijk metaal om mee om te gaan omdat het makkelijk samengaat met organische materialen en later neer kan slaan met veranderingen in de pH, soorten van carbonaat evenwicht, of zuurstofconcentraties. Watervoorzieningen die hun water uit diepere delen van meren betrekken kunnen aanzienlijk hogere concentraties aan mangaan bevatten omdat de concentratie aan zuurstof daar lager is. Deze concentraties kunnen variëren onder de seizoensinvloeden als gevolg van thermische inversie in de lente en herfst, en kan worden verminderd als zuurstofrijk water van het oppervlak vermengd word met water afkomstig van de bodem. In relatief hoge concentraties (> 2 ppm), wordt mangaan verbonden met het overstromen van bier (gushing) als gevolg van neerslag, maar is wel een noodzakelijk voedingsmiddel voor de gistcellen in lagere concentraties (< 2 ppm) en wordt gewoonlijk in voldoende mate geleverd door de mout. Mangaan zorgt voor een metaalachtige smaak in water, zelfs in lage concentraties (0,1 ppm). Mangaan kan worden verwijderd d.m.v. filtratie na oxidatie, ionen uitwisseling, een groene soort zandsteen of omgekeerde osmose processen.

Sulfaat

SMCL = 250 ppm
Richtlijn voor brouwwater = 0- 250 ppm
Sulfaat accentueert de hop bitterheid, maakt dat de bitterheid droger lijkt en meer knapperig. Echter, bij concentraties van meer dan 400 ppm, kan de resulterende bitterheid samentrekkend en onplezierig worden. Sulfaat is slechts licht alkalisch en draagt niet bij aan de totale alkaliteit van water. Het wordt aanbevolen dat het bronwater eerder minder dan meer sulfaat dient te bevatten omdat het nog altijd kan worden toegevoegd, en het niet gemakkelijk te verwijderen is. Sulfaatzouten zijn over het algemeen heel goed oplosbaar, maar kunnen verwijderd worden d.m.v. een ionenwisselaar of d.m.v. omgekeerde osmose processen.

Zink

SMCL = 5 ppm
Richtlijn voor brouwwater = 0,1- 0,5 ppm
Zink als metaal is normaliter minder oplosbaar in water maar lost gemakkelijk op in zuren. Natuurlijke niveaus van zink in drinkwater zijn normaal minder dan 1 ppm, meestal rond de 0,05 ppm. Het secundaire maximale verontreinigingsniveau voor zink van 0,5 ppm is gebaseerd op de smaakdrempel ervan. Een samentrekkend mondgevoel kan voor dat niveau worden genoteerd. Echter, Zink is een vitale voedingsstof voor gist en de aanbevolen hoeveelheden in het wort voor een optimale fermentatie zijn 0,1 – 0,5 ppm. Concentraties die hoger zijn dan 0,5 ppm kan overactiviteit van de gist veroorzaken en daarmee smaakafwijkingen in het bier. Zink wordt algemeen gebruikt in gepatenteerde anticorrosie producten. Zink kan uit water verwijderd worden d.m.v. het verzachten van het water d.m.v. kalk, ionen uitwisseling, of omgekeerde osmose processen.

Calcium

Richtlijn voor brouwwater = 50 – 150 ppm
Calcium is het principiële ion dat de hardheid van drinkwater bepaald.
Calcium is behulpzaam voor vele reacties m.b.t. gist, enzymen en proteïnen, zowel tijdens het maischen als het koken. Het reageert met de fosfaat in de mout in de maisch om Calciumfosfaat te doen neerslaan en maakt waterstofionen vrij die op hun beurt de pH van de maisch verlagen. Calcium bevordert helderheid, smaak en stabiliteit in het uiteindelijke bier. Het bevordert de samenklontering van proteïnen en de flocculatie van gist. De toevoeging van calcium kan nodig zijn om je te verzekeren van voldoende enzymatische activiteit voor die maisch waarvan het water een laag calciumgehalte heeft. Aan de andere kant kan een te hoge concentratie aan calcium in het wort (bijv. > 250 ppm), als gevolg van het toevoegen van gips, de opname van magnesium door de gist beletten en de uitvoering van een goede fermentatie aantasten. Concentraties aan calcium kunnen in verschillende eenheden worden uitgedrukt. Deze worden uitgedrukt als: CaCO₃ (Calciumcarbonaat), graden Clark, Duitse graden, Franse graden, korrels per US gallon, milli-equivalenten per liter of millivals. In deze gevallen dient de vermelde concentraties te worden omgerekend naar een actuele concentratie aan calcium in ppm.

Calcium is in essentie smaakneutraal maar het kan de soms wat zure gewaarwording van magnesium reduceren. De aanbevolen concentratie aan calcium in het brouwwater is 50 – 150 ppm. Maar bier kan ook succesvol worden gebrouwen met meer of minder dan dit voorgestelde gebied.

Oxalaat is aanwezig in gerstemout en reageert met calcium om biersteen te vormen. Calciumoxalaat kan op ieder punt in het brouwproces neerslaan, maar is in het bijzonder een probleem als het neerslaat in de fles of in het vat omdat de kristallen Calciumoxalaat werken als plaatsen waar gasvorming ontstaat en veroorzaakt overmatig schuimen en gushing. Het wordt aanbevolen om voldoende Calcium te hebben (d.w.z. 3 keer meer dan de oxalaat in de mout) om de neerslag eerder in het proces in gang te zetten, zoals in de maischketel of de kookketel in plaats van tijdens de fermentatie of in de verpakking. Calcium en magnesium concentratie worden vaak aangemerkt als zijnde tijdelijke en permanente hardheid. Tijdelijke hardheid kan worden weggenomen door te koken of met kalk verzachting, waar het zich combineert met bicarbonaat om dan neer te slaan als Calciumcarbonaat. CaCO₃. Dit is de oorsprong van de eenheid. Als de alkaliteit als CaCO₃ groter is dan de hardheid “als CaCO₃” dan is alle hardheid tijdelijk. Als de hardheid “als CaCO₃” groter is dan de alkaliteit als CaCO₃ dan blijft een deel van de hardheid over na het koken en dat staat bekend als blijvende hardheid. Andere processen om calcium te verwijderen zijn ionen uitwisseling en omgekeerde osmose.

Magnesium

Richtlijn voor brouwwater = 0 – 40 ppm
Dit ion gedraagt zich in water overeenkomstig als calcium, maar is minder effectief in het verlagen van de pH in de maisch door het reageren met fosfaat. Magnesium draagt eveneens bij aan de hardheid van water. Magnesium is een belangrijk voedingsmiddel voor de gist voor het metabolisme van pyruvaat decarboxylase (enzym) en dient in het wort aanwezig te zijn in een minimum concentratie van 5 ppm. Een meting van een wort bestaande uit puur mout, gemaakt met gedestilleerd water, van 10^o Plato (1040) gaf 70 ppm Magnesium aan. Het is daarom aannemelijk dat een wort wat verkregen is met een pure samenstelling van mout in alle magnesium voorziet die gist nodig zou hebben. Het is mogelijk dat een wort waarin veel geraffineerde suikers of toevoegingen zijn toegepast dat er een klein beetje magnesium moet worden toegevoegd om het wort van een minimale 5 ppm te voorzien. Niveaus hoger dan 125 ppm hebben een laxerend en urine afdrijvend affect op de drinker. Ofschoon magnesium over het algemeen niet nodig is in brouwwater, kan het worden toegevoegd om het karakter van het bier te verrijken met z’n zure, mond samentrekkende smaak. Magnesium kan uit het water worden verwijderd d.m.v. het verzachten van het water d.m.v. kalk, ionen uitwisseling, of omgekeerde osmose processen.
Zoals hierboven werd aangegeven voor Calcium, kunnen de concentratie aan Magnesium in diverse eenheden worden weergegeven. Indien de concentratie niet wordt weergegeven als de actuele Magnesiumconcentratie in ppm, zal er een conversie nodig zijn naar deze meer praktische eenheid.

Fosfaat

Richtlijn voor brouwwater = onbepaald (maar dient laag te zijn).

Fosfaten vormen geen deel van de standaard richtlijnen voor bronwater, maar ze kunnen zowel een vervuiling voor het water zijn als een gebruikelijke toevoeging bij de waterbehandeling. Vervuiling komt meestal van de uitspoeling van agrarische oorsprong en industrieel afval en kan worden behandeld met aluminium- of ijzerzouten door het onoplosbaar te maken en het daarna uit te filteren.

Fosfaatverbindingen overheersen in de mout en het wort. Hoge niveaus aan achterblijvende fosfaten zijn normaal in het afvalwater van de brouwerij en dit kan behandeld worden, op zowel aerobe als anaerobe wijze. Fosfaten kunnen ook verwijderd worden d.m.v. ionen uitwisseling, of omgekeerde osmose processen.

Kalium

Richtlijn voor brouwwater = < 10 ppm.

Het vermogen om op te lossen van Kaliumzouten lijkt erg op die van Natrium, maar komt veel minder voor in natuurlijke watervoorzieningen. Hoge niveaus aan Kalium in bronwater kan veroorzaakt worden door overmatig slib, d.w.z. water met een hoge troebelheid. Kaliumionen kunnen naar zout smaken bij concentraties die hoger zijn dan 500 ppm. Wort en bier hebben relatief hoge natuurlijke concentraties aan Kalium (300 – 500 ppm), die door de mout wordt bijgedragen. Daarom is water dat verzacht is met Kalium potentieel net zo gevaarlijk als brouwen met water dat verzacht is met Natrium. Echter, het is te verkiezen boven natriumzouten als middel om het aantal kationen in het bier te verhogen indien de initiële hoeveelheden mout dit toestaan. Kalium kan worden verwijder d.m.v. omgekeerde osmose.

Natrium

Richtlijn voor brouwwater = 0 -50 ppm.

Natrium kan in zeer hoge niveaus in drinkwater voorkomen, in het bijzonder als het water zachter is gemaakt met een op zout gebaseerde (Ionen uitwisseling) verzachter. In het algemeen is water dat zacht gemaakt is niet geschikt voor het brouwen, hoewel in zeldzame gevallen gecontroleerde verzachting zinvol is om ijzer en magnesium te verwijderen, ondanks een verhoging van Natrium. Voor niveaus aan Natrium van 70 - 150 ppm, maakt het de smaak van het bier ronder en accentueert het de zoetigheid van de mout, vooral in samenwerking met chloride-ionen. Natrium draagt bij aan een zoute smaak bij concentraties van 150 – 200 ppm en kan wrang en zuur gaan smaken als de concentratie de 250 ppm overstijgt. Brouwen met lagere concentraties zal over het algemeen een schonere smaak in het bier opleveren. De combinatie van een hoge concentratie aan Natrium en sulfaationen zal een zeer wrang, zuur/ bittere minerale smaak opleveren.

Totaal Opgeloste stoffen [Total Disolved Solids] (TDS)

SMCL = 500ppm. Richtlijn voor brouwwater = < 500 ppm.

Het totaal aan opgeloste stoffen (Total Dissolved Solids) is wat overblijft als al het water verdampt. Sommige zijn zouten, sommige zijn organische stoffen en sommige zijn chemische residuen. Het totaal aan opgeloste stoffen is behulpzaam voor industriële doeleinden, maar is niet erg belangrijk voor de beschrijving van geschikt brouwwater. De indicator van het totaal aan opgeloste stoffen is een snelle indicator voor de mate van het gemineraliseerd zijn van de potentiële waterbron. Algemeen geldt dat water met een hoge TDS de neiging heeft om meer carbonaat af te zetten (aanslag te produceren) dan water met een lage TDS. Water met een hoge TDS heeft de neiging om meer corrosief te zijn dan water met een lage TDS, ofschoon de mate van corrosie sterk afhangt van de specifieke materialen die worden gebruikt. Het monitoren van TDS van een waterbron d.m.v. een (elektrische) geleidingstest is een goede manier om alert te kunnen zijn op plotselinge verandering in de waterbron.

Het testen van het totaal aan vaste stoffen (TDS)

Het totaal aan vaste stoffen van water wordt bepaald in het laboratorium. Een watermonster wordt gefilterd om alle zwevende materialen te verwijderen die de test zouden kunnen scheef trekken. Een afgemeten volume van het gefilterde water, verwarmd totdat alle vocht verdampt is en de eerder opgeloste stoffen achterblijven. De massa hiervan wordt gemeten en gedeeld door de hoeveelheid van het oorspronkelijke watermonster om het resultaat te kunnen bepalen, en wordt meestal uitgedrukt in milligrammen per liter (mg/L). In verdunde oplossingen voor drinkwater, is de mg/L doorgaans equivalent aan pats per million (ppm).

TDS Kan ook worden geschat via de (elektrische) geleidingskarakteristieken van water. Een speciale meter wordt gebruikt om de geleiding van de oplossing te meten. Die geleidingswaarden kunnen worden gecorreleerd aan een schatting van de hoeveelheid TDS in de oplossing met de volgende vergelijking:

TDS (pmm) = Geleiding (µS/cm) X F

Waarbij F een conversiefactor is die gewoonlijk varieert tussen 0,54 en 0,96, met een meest voorkomende waarde van 0,67. De geleiding wordt gemeten in micro Siemens (µS) per cm of micro-mho’s per cm. (Mho is hierbij het omgekeerde van Ohm, wat gewoonlijk de weerstand betekent die een elektrische stroom ondervindt.) TDS meters die een directe uitlezing verschaffen zijn geleidingsmeters die de conversie vergelijking al in zich hebben TDS meters kunnen een waardevolle check op de waterkwaliteit opleveren op binnenkomend kraanwater of op de effectiviteit van waterbehandeling in de zin van water demineralisatie processen (RO, Nano filtratie, enz.).

Geleidingsvermogen

Richtlijn voor brouwwater = onbepaald.

Specifieke geleiding of geleidingsvermogen is een maatstaf van het algemeen vermogen van een oplossing om een elektrische stroom te geleiden en hangt af van zowel het type als de hoeveelheid van de opgeloste substanties. Het werkt niet bepaald goed om verschillende waterbronnen met elkaar te vergelijken, maar het is zinvol voor het meten van variaties in één enkele waterbron, omdat het gecorreleerd kan worden aan TDS. Zuiver water is een isolator en geleid daarom geen stroom, maar wordt licht losgekoppeld bij een pH van 7 en heeft de neiging een geleiding te vertonen van 1 micro-Mho/cm. ( De grootheid Mho is het omgekeerde van een Ohm – de eenheid van elektrische weerstand.

Totale alkaliteit

Richtlijn voor brouwwater = < 100 ppm

De alkaliteit is bediscussieerbaar de meest belangrijke parameter voor de brouwer, omdat het het grootste effect heeft op de prestatie tijdens het maischen.

Afhankelijk van de begin pH van het watermonster, kunnen zowel de carbonaat alkaliteit en de porties bicarbonaat van de alkaliteit deel zijn van de titratie en de som definieert de totale alkaliteit. Als de begin pH van het water hoger is dan 8,3, wordt de carbonaat alkaliteit gedefinieerd als de hoeveelheid zuur die benodigd is om de pH naar 8,3 te titreren. Dit wordt aangeduid als de P-alkaliteit en wordt doorgaans gemeten door gebruik te maken van een indicator op basis van oplossing met fenolftaleïne. Als de begin pH van het water lager is dan 8,3, is de bijdrage aan carbonaat niet veelzeggend  en wordt het watermonster doorgaans getitreerd door gebruik te maken van een methyl oranje indicator welke een kleurgebied heeft van 3,2 tot 4,4 pH. Dit, door bicarbonaat gedomineerde deel van de titratie, wordt M-alkaliteit genoemd. De totale alkaliteit is de som van P-alkaliteit en M-alkaliteit. Het totale volume aan zuur dat nodig is om het eindpunt van de pH van 4,3 te bereiken wordt geconverteerd tot mEq/liter en vermenigvuldigd met het equivalent van 50 om de typische eenheid “totale alkaliteit, ppm als CaCO₃" te verkrijgen. Maar, van de methyl oranje kleur verandering dat het 4,3 pH eindpunt bepaald wordt gezegd dat dit te fijn en moeilijk is om dit accuraat te observeren. De huidige ISO standaard specificeert het gebruik van de broomcresolgroen-methyl rood indicator oplossing, waarvan het eindpunt gedefinieerd is op 4,5 pH. Het besluit om welk pH eindpunt te verkiezen is aan het laboratorium, maar de ISO standaard is 4,5 pH. Het verschil in de beide methoden van het berekenen van het eindpunt verschilt niet veel, en bedraagt ongeveer 5%. De nauwkeurigheid is waarschijnlijk beter dan de resolutie van de meeste druppelaartesten die gebruikt worden bij aquaria en zwembaden, en is vergelijkbaar met de fout die potentieel geïntroduceerd wordt in het laboratorium bij het meten van de volumes van het monster en de reagentia. Het zoeken van contact met een laboratorium wordt aanbevolen als het eindpunt of indicator niet is gespecificeerd in het resultaat van de alkaliteit.

Totale hardheid

Richtlijn voor brouwwater = 150 – 500 ppm als CaCO₃

Waarbij de vierkante haakjes [ ] de concentratie van de soorten ionen, in ppm, weergeeft Deze vergelijking converteert de individuele concentratie als de als CaCO₃ equivalent. Andere bivalente ionen zoals ijzer, mangaan, chroom, zink, etc., leveren eveneens een bijdrage aan de hardheid, indien die in aanzienlijke hoeveelheden aanwezig zijn, en zullen worden daarbij worden opgeteld op een gelijke manier. Calcium en magnesium zijn de meest heersende stoffen in de hardheid van drinkwater.

Wat is een MOL

De term “MOL” is afgeleid van “gram molecuul” en wordt gebruikt om een gelijke hoeveelheid chemische “dingen” te beschrijven door hun atomen of moleculen (of ionen of elektrische ladingen). Het is toepasbaar voor chemici voor het aanduiden van de hoeveelheden van “dingen” die betrokken zijn bij een chemische reactie. Daarom kunnen we zeggen dat 2 MOL waterstof reageren met 1 MOL zuurstof om 1 MOL water te vormen. Het interessante is dat de mol ontwikkeld werd met de komst van atomaire theorie en wetenschappers probeerden de atoommassa te kwantificeren. Er waren toen ten minste 3 kandidaten om tot standaard gekozen te worden, namelijk Waterstof, Zuurstof en Koolstof. Uiteindelijk werd het isotoop Koolstof 12 gekozen, en de MOL werd gedefinieerd als het aantal atomen in 12 gram koolstof. Daarvoor is het “getal van Avogadro” gedefinieerd als het aantal atomen in 1 MOL Koolstof 12, en dit aantal werd experimenteel bepaald  op 6, 02214078 X 10²³ +/- 1,8 X 10¹⁷.

Een isotoop van een element heeft het zelfde aantal protonen in z’n kern als het moederelement, maar een verschillend aantal neutronen. Isotopen zijn gedefinieerd door het totaal aantal protonen en neutronen in de kern. Als voorbeeld hier de nomenclatuur Koolstof 12 wat betekend dat het atoom 6 neutronen bevat  bovenop de 6 protonen, aangeduid bij z’n atoomnummer 6.

Waterhardheid, Alkaliteit en Milli-equivalanten

Hardheid en alkaliteit van water worden vaak uitgedrukt “als CaCO₃” omdat wanneer 100 mg calciumcarbonaat in 1 liter water wordt opgelost, gebruik makend van koolzuur (de weg imiterend zoals de natuur kalksteen oplost) zal de calciumhardheid en alkaliteit (zoals met de standaard methoden gemeten wordt) elk 100 ppm bedragen. De hardheid van water wordt in waterkwaliteitsrapporten veelal weergegeven als “Hardheid als CaCO₃ of Totale Hardheid en is gedefinieerd als de som van de concentraties van calcium en magnesium ionen in Milli-equivalenten per liter (mEq/l), vermenigvuldigd met 50 (het equivalente gewicht van als CaCO₃). De hardheid van water wordt vaak gemeten met een chelaat vormende test (chelaat = Molecuul dat op twee plaatsen met een metaal bindt, of verbinding van een organische stof (chelator) met metaalionen.) waarin een chemisch middel zoals EDTA wordt gebruikt om alle kationen te binden en te doen neerslaan vanuit een oplossing. Deze massa wordt gewogen, en dat gewicht per volume is de totale hardheid voor de oplossing. IJzer, Mangaan en andere metalen kunnen eveneens worden geteld in de chelaat vormende test, zodat het getal van de totale hardheid in het waterrapport vaak groter is dan de som van Calcium en Magnesium als CaCO₃.

Als het ion een grotere lading bezit (bijv. 2), dan wordt 1 MOL van die stof gedefinieerd als (2) equivalenten. Daarom is een equivalent gewicht van een stof gelijk aan het MOL gewicht, gedeeld door het aantal equivalenten die het verschaft. Doorgaans is het aantal equivalenten van een stof gelijk aan diens lading van de valentie-electronen, zoals in het geval van Calcium, hoewel sommige stoffen laden met pH.
Het equivalente gewicht van Ca⁺² is de helft van z’n atoomgewicht van 40, d.w.z. 20. Daarom als je de concentratie Calcium in ppm of mg/l van Ca⁺² door 20 deelt krijg je het aantal milli-equivalenten per liter van Ca⁺².

 
De totale alkaliteit wordt gedefinieerd als het totale volume aan zuur dat vereist is om een watermonster te titreren tot het (kenmerkende) eindpunt van pH 4,5, omgezet naar mEq/liter en te vermenigvuldigen met het equivalente gewicht van 50 om de kenmerkende eenheid van “als CaCO₃” te verkrijgen. In de meeste publieke watervoorzieningen in de USA, met een water pH van ongeveer 8,3, is de totale alkaliteit gelijk aan de M-alkaliteit, d.w.z. de hoeveelheid alkaliteit enkel als gevolg van bicarbonaat [HCO₃^-1], omgezet door de verhouding van equivalente gewichten. Met andere woorden, kun je een omzetting maken van de concentratie bicarbonaat in ppm naar de Totale Alkaliteit als CaCO₃ (calciumcarbonaat) door het vermenigvuldigen van bicarbonaat met 50/61.

Equivalente gewichten zijn de sleutel voor het begrijpen hoe de concentratie aan Calciumionen in ppm zich verhoudt tot het getal van de “Totale Hardheid als CaCO₃”. De omzettingsfactor is het equivalent van de stof. Het concept van equivalenten en equivalent gewicht wordt ingewikkelder met andere stoffen zoals koper en ijzer-elementen die een aantal verschillende oxidatietoestanden kennen (bijv. CU⁺¹, CU⁺², en Fe⁺², Fe⁺³). Deze elementen elk hebben twee equivalente gewichten, afhankelijk van de andere stoffen in de reactie. Maar dat valt even buiten de beschouwing.

Als een voorbeeld nemen we de berekening van de totale hardheid als CaCO³ van een watermonster van de concentratie kationen waarvan je de hoeveelheden ppm eerst moet converteren naar equivalenten. (Eigenlijk milli-equivalenten, aangezien een equivalent doorgaans gemeten wordt in MOL’s (d.w.z. grammen) per liter, en parts per miljoen zijn gram per liter.

Dus, de eerste stap is om zowel de Ca als de Mg ion concentraties in ppm te delen door hun equivalente gewicht, wat hun concentraties in milli-equivalenten per liter oplevert. De conversiefactor tussen de Calcium hardheid en Calciumcarbonaat hardheid is de omgekeerde verhouding tot de equivalenten van hun gewicht, d.w.z. 50/20. Aangezien de totale hardheid als Calciumcarbonaat wordt gedefinieerd als zijnde de som van de Calcium hardheid en de Magnesium hardheid, worden de milli-equivalenten van Calcium en Magnesium bij elkaar opgeteld, en met 50 vermenigvuldigd (het equivalente gewicht van CaCO₃ om de totale hardheid als milli-equivalenten per liter als CaCO₃ te verkrijgen.
(Ca⁺² (ppm)/20 + Mg⁺² (ppm)/21,1) X 50 = de Totale Hardheid als CaCO₃.

Vergelijkbare conversiefactoren zijn samengevat in bovenstaande tabel. Om het samen te vatten, er kunnen honderden stoffen zijn in de watervoorziening, maar slechts een paar dozijn hebben een betekenis voor de brouwer.

Bronnen

De tekstdelen zijn voor een groot deel vertaald en bewerkt vanuit het boek ‘Water, a Comprehensive Guide for Brewers’ van John Palmer en Colin Kaminsky, met de volgende referenties aan geraadpleegde literatuur:

• ISO standard 9963-1: Water Quality — Determination of Alkalinity, Part 1 — Determination of Total and Composite Alkalinity (1994).
• Standard Methods for Water and Waste Water Treatment — Alkalinity, American Water Works Association, 1999.
• Faust, S.D., Osman, M.A., Chemistry of Water Treatment, 2nd Ed., CRC Press, 1998.
• Benjamin, M.M., Water Chemistry, Waveland Press, 2010.
• Flynn, D.J., Ed., The Nalco Water Handbook, 3rd Ed., McGraw Hill, 2009.
• Eumann, M. , Brewing — New Technologies, C. Bamforth, Ed., Ch. 9 - Water in Brewing, CRC Press, 2006.
• Taylor, D. , Handbook ofBrewing, 2nd Ed., F. Priest, G. Stewart, Ed., Ch. 4 - water, CRC Press, 2006.
•  

De kwaliteit van het drinkwater in Nederland in 2016. Inspectie Leefomgeving en Transport ILT/Water, Producten en Stoffen