سختی آب کیفیتی است که بر اثر وجود بیش از اندازه نمک های محلول کلسیم و منیزیم و تا اندازه ای آهن، منگنز، آلومینیوم و روی در آن پدید می آید و سبب می شود که مصرف آب به طور کلی و به ویژه در صنعت دشواری هایی به وجود آورد.خوردگی، رسوب گذاری، ممانعت از انتقال حرارت، گرفتگی دریچه ها و... از جمله این موارد هستند.
مکانیزم ایجاد سختی آب بدین صورت است که بخار آب در جو چگالیده شده، دی اکسید کربن هوا را در خودحل میکند و تشکیل اسید ضعیفی بنام اسید کربنیک میدهد این اسید همراه با قطرات باران به زمین میبارد ، از خاکهای سطحی عبور کرده و به بسترهای سنگی زیر زمین که معمولاً سنگ آهک میباشند میر سد سنگ آهک مخلوطی از کربنات کلسیم و منیزیم میباشد اسید ضعیف، آهک را در خود حل میکند و موجبات سختی آب را فراهم میآورد.
منیزیم و کلسیم به عنوان عناصر دو قلوی سختی زا شهرت دارند و از آنجایی که از لحاظ خواص به هم نزدیک هستند هرچه در باره آنها طرح گردد در باره دیگری نیز صادق است.
سختی آب ناشی از یونهای کلسیم، منیزیم، باریم، هیدرو کربنات، کلر، سولفات و نیتراتها و آهن و منگنز میباشد ولی چون غیر از ترکیبات کلسیم و منیزیم سایر ترکیبات قابل صرفنظر کردن هستند (بدلیل غلظت بسیار کم آنها) بنا براین اصطلاحاً به مجموع کاتیونهای کلسیم و منیزیم سختی آب میگویند معمولاً سختی آب به دو قسمت موقت و دائم تقسیم میشود.
2. عناصر ایجاد کننده سختی آب :
مهمترین عناصر در ایجاد سختی، کلسیم و منیزیم میباشند ولی به غیر از آنها فلزات دیگری نظیر آلومینیوم ، آهن ، منگنز ، استرانسیم و روی نیز در ایجاد سختی آب شرکت میکنند، این دو عنصر اولی در مقادیر زیادی در آبهای طبیعی وجود دارند، لذا سختی آب بطور عمده بر اساس این دو عنصرسنجیده میشود. ولی با وجود این ، اگر مقادیر فلزات دیگر قابل توجه باشد، باید آنها را نیز محسوب داشت.
3. انواع سختی آب:
الف) سختی موقت
سختی موقت (Temporary Hardner) را سختی کربناتی (Carbonate Hardner) نیز مینامند. این سختی ، مولود بیکربنات کلسیم و منیزیم است که عمدتا به کمک حرارت و یا ازدیاد PH کاهش مییابد. منظور از سختی موقت یا سختی کربناتی و یا سختی بی کربناتی، املاح بی کربنات کلسیم و منیزیم است که دراثر حرارت دادن از حالت محلول بصورت غیر محلول در میآید مثلاً بی کربنات کلسیم در آب در اثر حرارت به رسوب کربنات کلسیم تبدیل میشود .
ب) سختی دائم
سختی دائم (Permanent Hardner) را سختی غیرکربناتی (Non Carbonate Hardner) نیز مینامند. این سختی ، با حرارت دادن قابل حذف نیست.
سختی دائم یا سختی غیر کربناتی، املاح سولفات، کلراید، نیترات و... و کلسیم و منیزیم است که به مقدارمعینی تابع درجه حرارت آب است بصورت محلول در آب میباشد ولی در اثر ازدیاد درجه حرارت و بخار شدن آب،حد حلالیت تقلیل یافته و در نتیجه رسوب ظاهر میگردد
.
ج) سختی کل
سختی کل عبارت از مجموع سختی کربناتی و غیر کربناتی یعنی سختی غیر کربناتی+ سختی کربناتی =سختی کل
4. محاسبه سختی آب:
مقدار سختی آب ، برحسب اکیوالان کربنات کلسیم آنها محاسبه و بیان میشود
5. طبقه بندی آب از لحاظ سختی :
طبقه بندی آب ها از لحاظ سختی بشرح ذیل است :
آب های سبک 150-0 میلی گرم در لیتر
آب های با سختی متوسط 300-150 میلی گرم در لیتر
آب های سخت 400-300 میلی گرم در لیتر
آب های خیلی سخت بیشتر از 400 میلی گرم در لیتر
6. اهمیت سختی آب:
مقدار سختی آب ، علاوه بر اینکه در آبهای صنعتی خیلی حائز اهمیت است، از نظر بهداشت عمومی هم اهمیت خاصی دارد. آب های سخت در درجه حرارت بالا مشکلاتی را به همراه دارد از جمله در جداره کتری و دیگ های بخار رسوبات کربنات کلسیم ایجاد میکند. جالب اینجاست مصرف آب های سخت تر بعلت وجود منیزیم و کلسیم مرگ های ناگهانی ناشی از امراض قلبی و عروقی را به شدت کاهش میدهد، از طرفی کلسیم و منیزیم در آبهای آشامیدنی سخت ،مانع جذب فلزات سنگین نظیر سرب، کادمیوم، روی ،مس و رسوب آنها در استخوانها می شود.کلسیم که یکی از عوامل سختی آب است، در رشد استخوان و حفظ تعادل بدن دخالت داشته، ولی به همان اندازه ، سولفات کلسیم به علت کمی قابلیت هضم ، ناراحتیهایی در دستگاه هاضمه بوجود میآورد.
گاهی توصیه میشود که جهت تامین بهداشت و سلامت مصرف کنندگان ، آهک به آب آشامیدنی افزوده شود. بعضی دانشمندان معتقدند، بهتر است کلسیم و منیزیم لازم بدن توسط غذا تامین شود و حتیالامکان از آبهای سبک برای شرب استفاده شود.
باید توجه داشت که بدن نسبت به سنگینی موجود در آب مورد مصرف خود حساسیت دارد، چنانچه این نوشیدنی تغییر یابد، ممکن است در دستگاه گوارش ایجاد اخلال نماید و این موضوع را به اصطلاح آب به آب شدن میگویند البته شایان ذکر است استاندارد بین المللی آب ایران حد نرمال آب شرب را با سختی 150 میلی گرم در لیتر و حداکثر مجاز جهت شرب سختی 500 میلی گرم در لیتر را مورد تایید قرار داده است. و در مناطق بعضی استانها بین سختی 280 میلی گرم در لیتر و متاسفانه تا 600 میلی گرم در لیتر هم مورد استفاده قرار می گیرد.
7. واحد های بکار رفته در سنجش سختی آب:
در صورتی که مقادیر کاتیونهای مختلف برحسب میلی گرم بر لیتر (ppm) در دست باشد، معمولا جهت سهولت ، به کمک فاکتورهایی که از تقسیم وزن مولکولی کربنات کلسیم به وزن اتمی هر یک از عناصر بدست آمده ، کلیه این مقادیر برحسب کربنات کلسیم محاسبه و بیان میگردد. سختی آب ، معمولا بر حسب ppm یعنی mg/lit بیان میشود. علاوه بر این ، واحدهای آلمانی ، انگلیسی ، فرانسوی ، آمریکایی را نیز در بیان آن بکار میبرند؛هر یک از درجات فوق به ترتیب برابر 17.9 و 14.3 و 10 و 17.2 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم است
8. رسوب گذاری:
در تبدیل سختی آب به رسوب ( Scale ) و تشکیل آن در سیستمها، سه پارامتر مهم نقش اساسی را ایفا میکنند. این عوامل عبارتند از: دما، قلیاییت و فشار
دمای آب
افزایش دمای آب باعث کاهش حلالیت فلزات قلیایی خاکی و ترکیبات آنها (بارزترین نمونه آن کلسیم میباشد) در آب شده و افزایش رسوب گذاری را در پی خواهد داشت.
قلیاییت آب
با کاهش اسیدیته و افزایش قلیاییت آب، حلالیت آن نیز کمتر شده که نتیجه آن افزایش رسوب خواهد بود. نمودارکاهش حلالیت با افزایش قلیائیت
فشار آب
کاهش فشار آب، کاهش حلالیت را در پی خواهد داشت که ماحصل آن نیز مانند موارد قبلی، افزایش میزانرسوبگذاری خواهد بود.
9. معضلات ناشی از آب سخت:
ایجاد رسوب در دیگهای بخار و برجهای خنک کننده و همچنین چیلر و سایر سیستمهای حرارتی.
- وجود سختی در آب عامل عدم ایجاد کف مواد شوینده در مصارف شستشو بطوریکه شستشو با آب سخت باعث مصرف 2 برابر مواد شوینده می شود.
- در صنایع تولیدی رنگرزی باعث افت کیفیت رنگ می شود. در مصارف شرب باعث سوء هاضمه و بروز بیماریهای کلیوی ، عفونتهای داخلی خواهد بود.
یکی از عمده ترین مشکلات مربوط به آب سختی آن است که همه ساله میلیونها دلار در جهان صرف نگهداری وتعمیرات تجهیزات و لولهکشیهای آسیب دیده از آن میشود این مساله عامل اصلی گشوده شدن زمینه ای بنام سختی گیری و صنایع مربوط به آن شده است. آب مهمترین سیال در حرارت و برودت است که وظیفه انتقال گرما در مبدلهای حرارتی را به عهده دارد .در برجهای خنک کن، بویلرها و چیلرها از آب به عنوان مایع مبدل استفاده میشود بطوریکه گردش آب موجب تبادل حرارتی میگردد. آبهای سخت تشکیل رسوب کربنات کلسیم میدهند که مشکلات متعددی را بوجود میآورد . این پوسته به شکل رسوب بر روی سطوح داخلی لولههای حامل آب باعث کاهش ظرفیت انتقال جریان آب و انتقال جریان حرارت میشود. یک لایه رسوب به قطر یک میلیمتر بر روی سطوح گرم کننده یک آب گرم کن بصورت عایق حرارتی عمل کرده و در نتیجه تقریباً %10 افزایش هزینه به وجود خواهد آمد. تشکیل رسوب در جدارها و دیوارها باعث آسیبهای فراوانی به تأسیسات حرارتی و برودتی میشود که مهمترین آنها کاهش بازدهی مبدلها و در نتیجه افزایش انرژی راهبردی است .آنالیز شیمیایی رسوب نشان میدهد که ترکیب اصلی تشکیل دهنده کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریم، سیلیکا و آهن است که در صد فراوانی کربنات کلسیم بیشتر از ترکیبات دیگر میباشد.
10. روش تبادل یونی در مهار املاح و رسوب آب
یکی از روشهایی که موجب حذف املاح وکاتیونها و آنیونهای تشکیل دهنده هدایت الکتریکی آب میگردد سیستمی با روش تبادل یونی است در این روش از فرآیند تعویض یونی استفاده میگردد . اگر بخواهیم املاحی را که باعث ایجاد رسوب میشود( سختی) حذف کنیم از سختی گیر استفاده میکنیم و اگر بخواهیم آب فاقد کلیه املاح باشد از دیونایزر استفاده میکنیم.
رزینهای موازنه کننده یون، ذرات جامدی هستند که میتوانند یونهای نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان بر لیتر از یون مطلوب، با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. این روش برای محلولهای با غلظت نسبتاً بالا امکانپذیر است ولی از نظر اقتصادی اگر T.D.S آب ورودی (آب خام) کمتر از 700 ppm باشد این فرایند مقرون به صرفه است.
این کاتیونهای متحرک میتوانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیونهای متحرکی مثل یا به آن متصل میباشد. در اثر تعویض یون، کاتیونها یا آنیونهای موجود در محلول با کاتیونها و آنیونهای موجود در رزین تعویض میشود، بگونهای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی میماند.
11. طبقهبندی رزینها
رزینها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم میشوند:
رزینهای کاتیونی قوی SAC )Strong acidic Cation)
رزینهای کاتیونی ضعیف WAC)Weak acids Cation)
رزینهای آنیونی قوی SBA )Strong basic anion)
رزینهای آنیونی ضعیف ( WBA (Weak basic anion
بطور کلی رزینهای نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزینهای نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولیکن با استفاده از رزینهای نوع ضعیف، صرفهجویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث میشود.
رزینهای کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب میباشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونهای هستند که به قلیائیت آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
مزیت رزینهای کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزینهای کاتیونی قوی میباشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر میگردد.
اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونها، آب است ،بکارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی میباشد.
رزینهای آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونهای موجود در آب بوده ولی رزینهای آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک، کلریدریک و نیتریک میباشد.
رزینهای آنیونی ضعیف مقاوم تر از رزینهای آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستمهای تصفیه آب، رزینهای آنیونی قوی در پاین دست رزینهای آنیونی ضعیف قرار میگیرند.
12. برخی از کاربردهای رزینها
رزینهای کاتیونی سدیمی ، نه تنها کاتیونهای سختی آور آب ،بلکه همه یونهای فلزی را با سدیم تعویض میکنند.
برای احیا این نوع رزینها کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.
• با رزینهای کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمیمیتوان آهن و منگنز را چون بقیه کاتیونها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزینها معمولا مشکلاتی داشته و باید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا، آهن و منگنز محلول در اب اکسیده شده و غیر محلول در میآیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین میگردد.
• حذف سیلیکات از آبهای صنعتی با استفاده از رزینهای آنیونی قوی
• حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیتهای طبیعی اصلاح شده
13. محاسبه و انتخاب واحد تبادل یونی
به طور کلی برای سیستم تبادل یونی نیاز به چند فاکتور برای محاسبه سیستم سختی گیر است ، و با در نظر گرفتن میزان نیاز از مصرف آب تولیدی، و آب تولیدی جهت مصارف چه کاری مورد استفاده قرار میگیرد را باید در نظر گرفت که متخصص امر، با اعلام موارد فوق سختی گیر مورد نیاز کارفرما را طراحی خواهد کرد.
14. نکات مهم در مورد سیستم تبادل یونی
شرایط و مقادیر مجاز آب ورودی به دستگاه تبادل یونی:
- برای تصفیه آب نباید رزینهای آنیونی پیش از کاتیونی قرار گیرد زیرا PH آب خروجی از دستگاه تبادل یونی کاتیونی قلیایی بوده و برخی از کاتیونها روی آنیونها رسوب کرده و باعث تخریب رزینها میشوند.
- آب عبوری از ستون تبادل یونی همیشه باید بدون مواد کلوئیدی و معلق باشد مواد ریز معلق موجب مسدود شدن خلل و فرج رزینها میشود.
- - جهت نگهداری طولانی مدت رزینها و جلو گیری از تخریب و آسیب دیدن آنها در توقفهای طولانی مدت، میتوان رزین را توسط کلرید سدیم اشباع کرد.
- - قیمت رزینهای آنیونی به دلیل پیچیده بودن فرایند تولید آنها خیلی بیشتر از رزینهای کاتیونی میباشد.
- - به دلیل اسیدی و یا قلیایی بودن آب درون دستگاههای مبادله کننده یونی کاتیونی و آنیونی، جداره داخلی مخازن بایستی در مقابل اثرات خورندگی آن مقاوم باشد. بنابراین بایستی یا از مخازن فایبر گلاس ویا استنلس استیل برای سیستم هایی که لازم به احیاء توسط اسید می باشد تعبیه گردد و اگر نحوه احیاء با کلرید سدیم می باشد اکتفا به مخازن فولاد کربنی با پوشش درونی اپوکسی یا پوشش درونی پلاستیکی استتار شود.
- - آب مقطر، آب تولید شده توسط R.O و یا الکترودیالیز دارای یون میباشند برای تهیه آب بدون یون لازم است یک سیستم تبادل یونی به دنبال سیستمهای فوق قرار داده شود.
15. دستگاههای سختیگیر شرکت برف آب ریز
به منظور حذف سختی آب، از سختیگیر که هم سختی موقت و هم سختی دائم را حذف میکنند استفاده میشود. از بین انواع رزین های موجود در بازار که در صفحات قبلی اشاره شده، استفاده از رزین های کاتیونی سیکل سدیم بسیار رایج میباشد. در این رزین ها، مولکولهای کلسیم و منیزیم موجود در آب، جایگزین دو عدد سدیم در ساختار حلقوی رزین میشوند.
بعد از مدتی و با اتمام سدیم ها، سختی گیر نیاز به عملیات احیا دارد که برای این منظور رزینها با محلول 10 درصد آب و نمک شستشو داده میشوند.
انواع نمکهای احیای سختی گیر:
معمولاً برای سختیگیرها در دنیا سه نوع نمک استفاده میشود که به شرح زیر تقسیمبندی میگردد:
نمک سخت
نمک خورشیدی
نمک تبخیرشده
تفاوت عمده این نمک ها با هم در میزان غلظت سدیم کلراید در نمک میباشد. این میزان در نمکهای تبخیر شده بیش از 99 درصد، در نمک های سخت حدود 96 درصد و در نمکهای خورشیدی حدود 86 درصد میباشد. میزان این غلظت در طول زمان عملیات احیا موثر میباشد.
سیکل نرمال و سختی گیری توسط سختی گیر
سیکل احیا و شستشو با نمک
در محاسبه و انتخاب یک سختی گیر پارامترهای زیر موثرند:
دبی آب ورودی به سختی گیر
سختی آب ورودی
نوع و ظرفیت رزین
سیکل احیاء و شستشو (فاصله زمانی بین دو تا احیاء رزینها)
از مشخصههای مهم سختیگیرها، نوع رزین، حجم رزین، ابعاد سختیگیر (قطر و ارتفاع) و جنس سختیگیر میباشد. سازندگان رزینها معمولاً مشخصات کاملی از محصولات تولیدی خود را ارائه میدهند سپس با توجه به فرمول ذیل ظرفیت رزین را بدست آورده سپس حجم رزین را حساب میکنیم:
M=TH(ppm)×V (gpm) ×T(min)/17.1
R.V=V/R.C
که M مقدار سختی آب (در فاصله دو احیاء) به گرین.
R.Vحجم رزین به فوت مکعب.
Thسختی کل ورودی
V gpm دبی آب سختی گیری شده به گالن بر دقیقه(آب تغذیه – معمولاً 2% تا4% آب در گردش سیرکولاسیون)
Tزمان بین دو احیاء (سیکل احیاء به دقیقه معمولاً ضریبی از شبانه روز مثلاً 24 ، 48 و یا 72 ساعت)
R.C ظرفیت رزین بر حسب گرین بر فوت مکعب (معمولاً 30،000 تا 40،000)
دستگاه سختی گیر را به شیوه ای طراحی میکنند که از سطح مقطع (کف نازلها) تا بالا به صورت افقی ایستاده با توجه به تزریق رزین در درون مخزن از سطح رزین تا کف نازل به عمق 24 تا 36 اینچ باشد.