مشاوره و اجرا در خصوص شیمی، سختی و تصفیه اب

سختی آب چیست و چند نوع سختی آب وجود دارد؟

سختی آب (water hardnes) یکی از مهم ترین فاکتورها در صنعت تصفیه آب می باشد که بخاطر وجود املاح معدنی و یون های کلسیم، منیزیم، آلومینیوم و روی و سایر فلزات سنگین در آب ایجاد می گردد. به عبارت دیگر، نمک محلول کلسیم و منیزیم و آهن و غیره اگر بیش از اندازه در آب وجود داشته باشند، اصطلاحا منجر به افزایش درجه سختی آب خواهند شد که مضرات زیادی را برای سلامتی انسان و حتی تجهیزات صنعتی به همراه دارد. گروه صنعتی هفت؛ تولید کننده تجهیزات تصفیه آب و فاضلاب در ادامه نگاهی جامع به water hardnes داشته و انواع مختلف آن را معرفی و روش های کاهش اثرات این نوع آب را شرح خواهد داد.

سختی آب چیست؟

آب سخت یا hard water به آب هایی گفته میشود که مقدار مواد معدنی، نمک ها و فلزات سنگین در آنها به دلایل مختلف از قبیل عبور آب از روی بسترهای سنگی بیش از حد مطلوب می باشد. خارج شدن آب از سفرهای زیرزمینی و عبور آنها از روی سنگ های مختلف در نهایت باعث میشود حجم زیادی از کربنات و بی کربنات های کلسیم، منیزیم، آهن و روی و غیره به آب اضافه شده و موجب سخت شدن آب گردد.  مقدار این مواد با واحد ppm یا میلی گرم بر لیتر تعیین میگردند. از جمله املاح محلول در آب که تاثیر زیادی بر افزایش درجه سختی آب دارند می توان به mg(oh2) ، mgco3، mghco3، mg(no3)2، mgcl2، mgso4، ca(oh)2، caco3، cahco3، ca(no3) اشاره نمود. حجم زیادی از املاح افزایش دهنده درجه سختی بر اثر حرارت رسوب کرده و روی لوله و دیواره های تجهیزات صنعتی و لوازم خانگی انباشته خواهند شد.

درجه سختی آب چیست؟

از مهم ترین فاکتورهایی که در صنعت تصفیه آب در نظر گرفته میشود، اندازه گیری درجه سختی می باشد که بر همین اساس در نهایت راهکارهای متعددی برای کاهش آن ارائه می گردد. با توجه به مقدار و نوع املاح موجود در آب می توان آنها را در گروه های مختلفی درجه بندی کرد. درجه سبک سختی که 0 مقدار املاح موجود در آنها حدود 0 تا 75 میلی گرم می باشد. آب با درجه نسبتا سخت دارای 75 تا 150 میلی گرم املاح است. آب با درجه سخت دارای 150 تا 300 میلی گرم و خیلی سخت بیش از 300 میلی گرم املاح می باشد که به شدت به سلامت انسان و همچنین تجهیزات بویلر و دیگ های بخار و مبدل های حرارتی آسیب وارد می کنند.

درجه سختی آب

انواع سختی آب

یکی از مهم ترین نکاتی که لازم است درباره سختی آب مد نظر قرار گیرد، تفاوت زیاد در نوع مواد معدنی و نمک های حل شده در آب ها می باشد. در نتیجه می توان در حالت کلی سه نوع سختی را معرفی نمود که تفاوت های زیادی با هم دارند. این دسته بندی شامل موارد زیر می باشد:

سختی موقت (سختی کربناتی)

سختی موقت یا temporary hardner به نوعی از سختی آب گفته میشود که مقدار بی کربنات کلسیم و منیزیم و آهن در آن بیش از حد مجاز است. یکی از مهم ترین ویژگی های این نوع سختی، قابلیت حذف آن با حرارت دهی و جوشاندن می باشد. علاوه براین، می توان ph آب را کاهش داد تا اثر این نمک های کربناتی حذف گردد.

سختی دائم  (سختی بی کربناتی)

سختی دائم (Noncarbonate Hardner) از وجود بیش از حد نمک سولفات، نیترات و کلرید کلسیم، منیزیم و آهن و غیره بوجود می آید. این نوع سختی را به این خاطر دائم می گویند که، افزایش دمای آب و جوشاندن آن منجر به ته نشین شدن نمک های غیرکربناتی نخواهد شد و حذف آنها نیاز به تجهیزات متعدد دارد.

سختی کل

به مجموع سختی موقت و دائم اصطلاحا سختی کل آب گفته میشود و مقدار کربنات کلسیم آن بیش از یک میلی والان خواهد بود. لازم به ذکر است که اگر میزان قلیایی بودن کل آب بیشتر از سختی کل باشد، می توان نتیجه گرفت که سختی آب کربناتی است.

به چه آبی سخت می گویند؟

با توجه به مواردی که در طول متن اشاره شد، در پاسخ به این سوال که به چه آبی سخت می گویند می توان گفت: به تمام آبهایی که یون های مختلفی از قبیل mg(oh2) ، mgco3، mghco3، mg(no3)2، mgcl2، mgso4، ca(oh)2، caco3، cahco3، ca(no3) داشته و مقدار کربنات و بی کربنات های کلسیم و روی و غیره در آنها زیاد باشد، آب سخت گفته میشود. لازم به ذکر است که تمام آب هایی که دارای درجه سختی موقت و دائم می باشند در این گروه از آب ها قرار دارند. به عبارت دیگر، تمام آب هایی که بر روی دیواره ظروف یا تاسیسات و لوله های دیگ های بخار و مبدل های حرارتی ایجاد رسوب می کنند، سختی در آنها وجود دارد.

مضرات سختی آب چیست؟

وجود ترکیبات کربناتی و غیر کربناتی کلسیم، منیزیم، آهن، روی و غیره در آب تاثیرات منفی بر سلامت افراد و همچنین تجهیزات صنعتی ایجاد می کند. از جمله مضرات و اثرات منفی سختی آب می توان به گزینه های زیر اشاره نمود:

سولفات کلسیم و منیزیم منجر به ایجاد رسوب در لوله های آبگرمکن، تاسیسات مولد نیرو و لوله های آب خانگی می گردد

کلریدهای کلسیم و منیزیم محلول در آب باعث خوردگی دیوارهای دیگ بخار و لوله های انتقال آب میشود.

آب ها با درجه خیلی سخت بخاطر وجود کلروسدیم بیش از 300 میلی گرم، باعث شور شدن و طعم بد آب می گردند.

وجود املاح زیاد در آب تاثیر منفی بر کیفیت رنگ در صنایع رنگرزی و نساجی دارد

سختی بیش از اندازه آب منجر به بیماری های گوارشی و ایجاد سنگ کلیه و مثانه خواهد شد

قدرت شویندگی مواد صابونی و شوینده ها در آب های سخت به شدت کاهش پیدا می کند

اثرات سختی آب

تفاوت سختی آب با TDS

علاوه بر تعیین درجه سختی، لازم است فاکتور دیگری به نام TDS نیز در فرآیند تصفیه آب مد نظر قرار گیرد که در اغلب مواقع اشتباها یکسان فرض میشوند. تفاوت water hardner و TDS در این است که سختی به معنای مقدار ترکیبات کربناتی و غیرکربناتی کلسیم و منزیم مرتبط بوده و TDS در واقع سختی کل را اندازه گیری می کند. به همین خاطر است که برای کاهش TDS از تجهیزاتی مانند اسمز معکوس استفاده شده و سختی به کمک سختی گیرهای رزینی کاهش پیدا خواهند کرد.

نشانه های سخت بودن آب

در محیط های صنعتی و حتی منازل مسکونی می توان سخت بودن یا نرم بودن آب را با بررسی چند نشانه تشخیص داد. به طور کلی آب هایی که به مقدار زیاد دارای املاح معدنی می باشند، چند نشانه بارز دارند که عبارتند از:

وجود لکه های قرمز روی سینک ظرفشویی و توالت

وجود لک سفید روی ظروف پس از شستشو

بو و طعم ناخوشانید آب

ایجاد رسوب به مقدار زیاد در سماور و کتری

مسدود شدن لوله های انتقال آب و آبگرمکن

مسدود شدن لوله های انتقال آب در مبدل های حرارتی، چیلر، بویلر

روش های کاهش سختی آب

با توجه به تاثیرات منفی که سخت بودن آب بر تجهیزات صنعتی و حتی سلامتی انسان دارد، روش ها و دستگاه های مختلفی برای کاهش املاح موجود در آبها ارائه شده است. از جمله این روش ها می توان به استفاده از انواع سختی گیر اشاره نمود که رایج ترین آنها عبارتند از:

کاهش سختی آب

سختی گیری آب شامل حذف کلسیم، منیزیم و بعضی دیگر از کاتیون های فلزی موجود در آب سخت می باشد. آب نرم حاصل شده با صابون سازگارتر بوده و باعث افزایش عمر سیستم لوله‌کشی می شود. کاهش سختی آب معمولاً از طریق سختی گیری با آهک یا سختی گیر رزینی انجام می گیرد.

تصویری از فرآیند سختی گیری آب که شامل جایگزینی یون های کلسیم در آب با یون های سدیم می باشد که توسط رزین های تبادل یونی تامین می گردد.

اصول اولیه

وجود یون های فلزی خاص مانند کلسیم و منیزیم که عمدتاً به صورت بی کربنات ها، کلریدها و سولفات ها در آب می باشند، باعث بروز مشکلات متعددی می شوند.

آب سخت غالباً منجر به تولید رسوب آهک می شود، که خود باعث بروز مشکل در لوله کشی، و ایجاد خوردگی در قطعات و مواد گالوانیزه می گردد. در واحدهای سختی گیر آب و کاهش سختی در مقیاس صنعتی، رسوب حاصل از پساب خروجی فرآیند احیا می تواند موجب گرفتگی سیستم های فاضلاب گردد.

رسوب گذاری آهک در یک لوله PVC

حس لغزندگی ای که هنگام شستن دست ها با آب نرم ایجاد می شود، به دلیل تمایل صابون برای چسبیدن به چربی ها در لایه های سطحی پوست می باشد که این امر منجر به پاک نشدن مولکول های آب با رقیق سازی جزئی می شود. در مقابل، در مناطقی که آب سخت وجود دارد، آب حاصل از شستشو شامل یون های کلسیم یا منیزیم می باشد که باعث تشکیل نمک های نامحلولی می شود که به طور موثری صابون های باقی بر روی پوست را شسته و اما در اغلب اوقات نیز لایه ای از استرات های نامحلول را بر روی سطح دوش و حمام که کف صابون نامیده می شود، ایجاد می کند.

خوشایند یا غیرخوشایند بودن هر کدام از این تاثیرات کاملاً سلیقه ای بوده و وابسته به سلیقه‌ی افراد می باشد. افرادی که اثرات نرم بودن (مانند سختی شستن صابون در آب نرم) آب برای آن ها ناخوشایند می باشد، ممکن است با استفاده از مواد شیمیایی ای مانند جوش شیرین، کلسیم کلرید یا منیزیم سولفات آب را سخت نمایند.

روش ها

رایج ترین روش ها برای از بین بردن و کاهش سختی آب متکی به رزین های تبادل یونی یا اسمز معکوس می باشند. سایر رویکردها که شامل روش های ته نشینی، تجزیه و جداسازی می باشند، با اضافه نمودن عوامل چنگاله (در علم شیمی و مهندسی بسپار، به ترکیبی ناجورحلقه که دارای حداقل یک کاتیون فلزی (در هَم‌تافت‌ها) یا یون هیدروژن است، چَنگاله یا کی‌لیت، (Chelate) می‌گویند) صورت می گیرد.

تجهیزات رزین های تبادل یونی

سیستم های متعارفی که برای سختی گیری آب در مصارف خانگی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً در قالب رزین های تبادل یونی می باشند که در آن ها یون های ایجاد کننده سختی – معمولا +Ca 2 و +Mg 2 – با یون های سدیم تبادل می شوند. همانطور که می دانید، تجهیزات تبادل یونی با جابجایی منیزیم و کلسیم (+Ca 2 و +Mg 2) با یون های سدیم یا پتاسیم (+Na و +K) میزان سختی را کاهش می دهند.

رزین های تبادل یونی پلیمرهای آلی ای می باشند که شامل گروه های فعال آنیونی ای هستند که در آن ها کاتیون های دو بار مانند +Ca 2 پیوندهای قوی تری نسبت به کاتیون های یک بار مانند +Na ایجاد می کنند. مواد غیرآلی ای که زئولیت نامیده می شوند نیز دارای خصوصیات تبادل یونی می باشند. این مواد آلی به طور گسترده ای در مواد شوینده مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین از رزین ها می توان برای حذف کربنات ها، بی کربنات ها و یون های سولفات نیز استفاده نمود که با جذب این موارد، رزین ها اقدام به آزاد نمودن یون های هیدروکسید می کنند.

پس از آنکه تمام یون های موجود +Na با یون های کلسیم و منیزیم جایگزین شد، بسته به رزین استفاده شده و با استفاده از محلول سدیم کلرید یا سدیم هیدروکسید، باید اقدام به شارژ مجدد رزین از طریق جداسازی یون های+Ca 2 و+Mg 2 نماییم. برای شارژ مجدد رزین های آنیونی غالباً از محلول سدیم هیدروکسید یا پتاسیم هیدروکسید استفاده می شود. فاضلاب خروجی از ستون تبادل یونی که دارای نمک های کلسیم و منیزیم نامطلوب می باشد، معمولاً به سیستم فاضلاب تخلیه می شود.

سختی گیری آب با آهک

سختی گیری وکاهش سختی آب توسط آهک فرآیندی می باشد که در آن برای از بین بردن سختی آب به آن آهک اضافه می کنند. این فرآیند مزایای متعددی نسبت به تبادل یونی دارد اما نیازمند نیرویی تمام وقت و با تجربه برای بهره برداری از تجهیزات می باشد.

عوامل چنگاله

از چنگاله ها در آنالیزهای شیمیایی، به عنوان سختی گیر آب و بسیاری از محصولات تجاری مانند شامپو ها و مواد نگهدارنده ی غذا استفاده می شود. از سیتریک اسید برای نرم کردن آب در صابون ها و مواد شوینده استفاده می شود. یکی از پرمصرف ترین چنگاله های مصنوعی مورد استفاده اتیلن دی آمین تتراستیک اسید (EDTA) می باشد.

تقطیر و آب باران

از آنجا که +Ca 2 و +Mg 2 نمک هایی غیر فعال هستند، می توان آن ها را با تقطیر آب حذف نمود. در بیشتر موارد تقطیر عملی بسیار هزینه بر است. آب باران به دلیل تقطیر طبیعی در طول فرآیند چرخه ی آب (تبخیر، چگالش و بارش)، نرم می باشد.

اسمز معکوس

اساس کار اسمز معکوس (RO) بهره گیری از گرادیان های فشار هیدرواستاتیک بر روی ممبرانی خاص می باشد. ممبران ها دارای منفذهایی بسیار ریز می باشند که فقط اجازه ی عبور مولکول های اکسیژن را داده و یون های ایجاد کننده ی سختی مانند+Ca 2و +Mg 2 پشت ممبران باقی مانده و توسط آب مازاد به قسمت تخلیه برده می شود. آب عبور داده شده نرم و عاری از هر یون سختی ساز (بدون اضافه کردن یون های دیگر) می باشد. ممبران ها دارای ظرفیت مشخصی می‌باشند و نیاز به تعویض دوره ای دارند.

دستگاه های غیر شیمیایی

برخی از سازندگان تجهیزات ادعا می کنند که دستگاه های الکترونیکی آن ها بر تعامل مواد معدنی با آب تاثیر گذاشته و مانع از چسبیدن مواد معدنی به سطح  آب می گردد. از آنجا که ساز و کار این سیستم بر اساس تبادل یونی نمی باشد (برخلاف سختی گیرهای سنتی)، مزیت بزرگی برای کاربران ایجاد می شود و دیگر نیازی به اضافه نمودن هیچ گونه نمکی به سیستم نیست. تا زمانی که کاهش اندازه ی ذرات و افزایش رشد گیاهان وجود داشته باشد، استفاده از این سیستم ها  منجر به حذف مواد معدنی به تنهایی نخواهد نشد. در عوض تنها توانایی تغییر اثرات آب حاوی مواد معدنی در پایین دست را دارا هستند، که به عنوان مثال می توان به ته نشینی رسوبات کلسیمی و تکه های نمک در خاک اشاره نمود. کارکرد اصلی این سیستم به جای کاهش سختی آب بیشتر مناسب عنوان بهسازی آب می باشد.

ادعاهای مشابه مانند تصفیه مغناطیسی آب نیز معتبر نمی باشند. برای مثال زمانی که این دستگاه به صورت علمی مورد آزمایش قرار گرفت، هیچ گونه کاهشی در تشکیل رسوب مشاهده نشد. پرکاربردترین روش های غیر شیمیایی سختی گیری و کاهش سختی آب از بین موارد ذکر شده در بالا، اسمز معکوس و تقطیر می باشد.

اثرات بهداشتی

طبق توصیه ی سازمان پیشگیری و کنترل بیماری (CDC) میزان استفاده از سدیم نباید از ۲۳۰۰ میلی گرم در روز بیشتر باشد، اما این عدد در ایالات متحده در حدود ۳۵۰۰ میلی گرم در روز می باشد. از آنجا که مقدار سدیم موجود در آب شرب (حتی بعد از سختی گیری آب) نشان دهنده‌ی درصد قابل توجهی از مصرف روزانه ی افراد نمی باشد، لذا سازمان حفاظت از محیط زیست امریکا وجود سدیم در آب شرب را باعث بروز اثرات نامطلوب بر روی سلامتی نمی داند.

کسانی که نسبت به سدیم حساس می باشند می توانند با استفاده از اسمز معکوس، سدیم و سایر ناخالصی های احتمالی موجود را از آب شرب و آب مورد استفاده برای پخت و پز حذف کنند. همچنین می توان از پتاسیم کلرید به جای سدیم کلرید استفاده نمود (این کار موجب بالا رفتن هزینه ها می شود). برای افرادی که از عارضه های کلیوی رنج می برند، استفاده ی زیاد از پتاسیم می تواند موجب عوارضی مانند تپش قلب شود.

در مقایسه روش های اسمز معکوس و تقطیر که برای تولید آب نرم استفاده می شوند، آب سخت با کاهش میزان حلالیت یون های سمی فلزی مانند سرب و مس (این مواد حلالیت بیشتری در آب نرم دارند)، باعث ایجاد مزیت های بهداشتی و سلامتی می گردد.

اثرات زیست محیطی

به دلیل جایگزینی کلسیم و منیزیم با سدیم درآب نرم (با اندازه گیری شاخص سدیم کربنات باقی مانده)، این آب برای استفاده در مصارف آبیاری و کشاورزی مناسب نمی باشد، چرا که موجب قلیایی شدن خاک می گردد. به همین دلیل در اغلب مواقع از تجهیزات غیرشیمیایی به جای روش قدیمی کاهش سختی آب استفاده می شود.

سختی گیر رزینی

سختی گیر مغناطیسی

آب شیرین کن (اسمز معکوس)

سختی گیر الکترونیکی

کاهش water hardner با استفاده از فیلتر کربن

به عنوان مثال، در سختی گیرهای رزینی بستری از ذرات رزین در کف مخزن موجود بوده و آب در قسمت بالایی قرار دارد. با این ساختار فرآیند تبادل یونی بین بستر رزینی و املاح موجود در آب صورت می گیرد. به این صورت که، رزین ها کلسیم و منیزیم را از آب گرفته و سدیم را به آب می دهد.

سختی گیر

طراحی و تولید سختی گیر

گروه صنعتی نیرو بخار پویش با چندین سال سابقه فعالیت در حوزه تجهیزات تصفیه فاضلاب و آب، در مجموعه محصولات خود تولید انواع سختی گیر را قرار داده است. تمام محصولات این مجموعه زیر نظر مهندسین و تکنسین ها و کارشناسان حرفه ای حوزه تصفیه آب و فاضلاب صورت گرفته و در پروژه های بزرگ داخلی و خارجی مورد استفاده قرار گرفته اند. برای اطلاع از ویژگی های این محصولات و دریافت مشاوره رایگان می توانید از طریق راه های ارتباطی ذکر شده با کارشناسان ما در ارتباط باشید.