اساس سختی آب:
سختی آب (Hardner) ، اساسا به معنی ظرفیت آن در ترسیب صابون است
محاسبه سختی آب:
مقدار سختی آب ، برحسب اکیوالان کربنات کلسیم آنها محاسبه و بیان میشودتقسیم بندی سختی آب:
سختی آب را میتوان به دو نوع تقسیم کرد:
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.
سختی دائم:
سختی دائم (Permanent Hardner) را سختی غیرکربناتی (Non Carbonate Hardner) نیز مینامند. این سختی ، با حرارت دادن قابل حذف نیست.
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
اهمیت سختی آب:
مشکلاتی که آب سخت ایجاد می کند :
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.
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.
ب- سختی موقت
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 .
پ- سختی دائم
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.
ت- سختی کل
سختی کل عبارت از مجموع سختی کربناتی و غیر کربناتی یعنی سختی غیر کربناتی+ سختی کربناتی =سختی کل
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.
معمولا آب استفاده شده در کاربردهای حرارتی و برودتی از نوع آب سخت (با سختی بیش از 150 ppm) است که توضیحات آن در شرح کامل سختی گیر داده شده است.
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.
هنگامیکه آبهای سخت حرارت داده می شوند تشکیل رسوب خیلی سریعتر انجام
میگیرد که مشکلات زیادی را در بویلرها و مبدلهای حرارتی به وجود میآورند.
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.
ث- رسوب
در تبدیل سختی آب به رسوب و تشکیل آن در سیستمها، سه پارامتر مهم نقش اساسی را ایفا میکنند. این عوامل عبارتند از: دما، قلیاییت و فشار
1- 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.
2- 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
3-فشار آب
کاهش فشار آب، کاهش حلالیت را در پی خواهد داشت که ماحصل آن نیز مانند موارد قبلی، افزایش میزانرسوبگذاری خواهد بود.
ج- روشهای مهار املاح و رسوب آب
برای برطرف کردن آثار آب سخت، روش های گوناگونی وجود دارد که مهمترین آنها روش های زیر است:
1- روش تبادل یونی
- 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 و در عین حال
سیستمهای اسمز معکوس میتوانند به عنوان مکمل سیستمهای دی یونایزر استفاده
شوند.
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.
طبقهبندی رزینها
رزینها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم میشوند:
رزینهای کاتیونی قوی SAC (Strong acidis Cation)
رزینهای کاتیونی ضعیف WAC (Weak acids Cation)
رزینهای آنیونی قوی SBA (Strong basic anion)
رزینهای آمونیونی 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.
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 نکاتی را رعایت کرد.
1- اولا 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.
2- حذف سیلیکات از آبهای صنعتی با استفاده از رزینهای آنیونی قوی
3- حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیتهای طبیعی اصلاح شده
محاسبه و انتخاب واحد تبادل یونی
اگر بخواهیم آب بدون یون داشته باشیم باید از دی یونایزر استفاده کنیم، بدین منظور از دو و یا چند دستگاه تبادل یونی کاتیونی و آنیونی که بصورت سری قرارگرفته باشند استفاده میکنیم .
بنابراین مبادله کننده یونی اولی از نوع کاتیون هیدروژنی بوده و مبادله کننده یونی دومی از نوع آنیونی هیدروکسیلی میباشد برای محاسبه واحد تبادل یونی، ابتدائاً باید آنالیز آب را داشته باشیم.
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.
دی یونایزر
صنعت
هایی نظیر دارو سازی ، آب مقطر سازی ، تولید کنندگان قطعات الکترونیکی ،
بعضی از تولید کنندگان قطعات خودرو و غیره ، به آب با کیفیت بالا وبدون یون
نیاز دارند.
دی یونایزر دستگاهی است شامل یک ستون آنیونی، و آنیونی که قابلیت تولید آب بدون یون با هدایت الکتریکی زیر 1میکروزیمنس را دارا میباشد.
در ستون کاتیونی کلیه کاتیونها شامل کلسیم، منیزیم سدیم،پتاسیم ودر ستون آنیونی کلیه آنیونها شامل کربنات سولفات، کلراید نیترات وسیلیکات حذف میگردند.
یونهایی که در اکثر سیستمهای آبی طبیعی در اندازهگیری T.D.S مشاهده میشود، در جدول زیر آورده شده است.
آنهایی که در قسمت اجزای اصلی لیست شده اند، غالباً برای مشخص کردن میزان جامدات محلول آب کافی بوده، و اینها یونهای معمول (Common Ions) نامیده میشود.
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.
شایان توجه است بخشی از طراحی و تولید دستگاههای مبادله کننده یونی از سوی این صنایع از جنس F. R. P استفاده میشود که برای هر ماده شیمیایی مناسب است، و مزیت این مخازن در زمان عدم شستشوی رزین ها که به حالت اشباء می مانند و احیاء نمی گردند با اسید قابل احیاء هستند چرا که بستر شستشو برای رزین ها با توجه به نوع مخزن آماده است.
- 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.
سختیگیر
از آنجاییکه در دیگهای بخار و آب گرم و آب داغ سختی باعث ایجاد رسوب میشود پس باید سختی را حذف نمود لذا بدین منظور از سختیگیر که هم سختی موقت و هم سختی دائم را حذف میکنند استفاده میشود.
در محاسبه و انتخاب یک سختی گیر پارامترهای زیر موثرند:
1- دبی آب ورودی به سختی گیر
2- سختی آب ورودی
3- نوع و ظرفیت رزین
4- 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 به V .
gpm دبی آب سختی گیری شده به گالن بر دقیقه(آب تغذیه – معمولاً 2% تا4% آب در گردش سیرکولاسبون)
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 یی 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.
بسیار مطالب مفیدی بود
بنده یه سوال داشتم به نظرتون برای سختی گیری آب هایی با TDS های خیلی بیشتر از اب دریا به جز اینکه رزین و حتی اسمز معکوس و ممبران جوابگو نیستند چه روشی میتونه راه حل ما باشه ؟
سلام
مطالب جالب و مفیدی بود
اما سوالی داشتم
آیا آبی که بعد عبور از رزین صنعتی بیرون می آید قابل آشامیدن است یا نه ؟
منظورم از نظر رسوب و املاح و مخصوصا
مخصوصا میکروبی بودن آب خروجی آن است
ممنون میشم اگه راهنمایی کنید تا مشکل حل بشه
سلام
مطالب جالب و مفیدی بود
اما سوالی داشتم
آیا آبی که بعد عبور از رزین صنعتی بیرون می آید قابل آشامیدن است یا نه ؟
منظورم از نظر رسوب و املاح و مخصوصا
مخصوصا میکروبی بودن آب خروجی آن است
ممنون میشم اگه راهنمایی کنید تا مشکل حل بشه
با سلام ابی که دستگاههای تصفیه آب خانگی تولید میکنن دارای سختی حدود ۵۰ میباشد آیا استفاده از این آبها نهایتا برای سلامتی مضر هستن؟؟ممنون میشم
با سلام آب با سختی کم برای سلامتی مضر نیست و اما در برخی مطالعات آب با سختی مناسب با کاهش بیماریهای قلبی عروقی مرتبط می باشد.