کاربرد سختی گیر آب - سختی گیر

مضرات سختی آب مصرفی :

• تشدیدخوردگی و رسوب گذاری در تاسیسات حرارتی
• کاهش راندمان انتقال حرارت و افزایش مصرف بی رویه انرژی به دلیل وجود لایه های ضخیم رسوبی
• ایجاد لکه و رسوبات سفید رنگ بر روی سطوح شیشه، فلز، پارچه، لباس و نظایر آن .
• کاهش ظرفیت انتقال جریان آب در اثر تشکیل رسوبات سخت در جداره داخلی لوله ها و مخازن .
• افزایش مصرف مواد شوینده به دلیل کاهش خاصیت کف کنندگی آنها در آب سخت .

روش تعویض یون در سختی گیر

در این روش از رزین های تعویض یونی ، یا همان سختی گیر رزینی ، استفاده می شود. یکی از روش های کاهش املاح محلول در آب ، استفاده از روش تعویض یون (Ion Exchange) می باشد . که روش بسیار موثر برای حذف پاره ای از املاح موجود در آب است.

سختی آب بالا در آب آشامیدنی مسبب اصلی طعم خاص و امراض گوناگون می باشد. استاندارد سختی آب اشامیدنی مطابق با استاندارد بین المللی WHO به میزان حدود 250 میلی گرم برلیتر برحسب CACO3 مشخص شده است که با دستگاه سختیگیر میتوان به آن مهم دست یافت.

عملکرد دستگاه سختی گیر

نحوه عملکرد سختی گیر رزینی با جایگزینی یون های سخت منفی در آب سخت با اتم سدیم مثبت که در رزین موجود در سختی گیر موجود است،بیان می شود . این رزین باید به طور متناوب احیاء شود تا از رسوب مواد معدنی سخت در آن جلوگیری شود .

 این فرآیند با خارج شدن سختی گیر از سیکل و عبور نمک محلول در آب صورت می گیرد و در طول فرآیند احیا آب سختی گیر به همراه نمک محلول عبوری از رزین از سیستم تخلیه می گردد . در این بازه زمانی که عموما در طول شب صورت می پذیرد، آب موجود در سیکل بدون سختی گیری وارد سیستم می شود تا روند شست و شو پایان یابد.

ساختار سختی گیر چگونه است ؟

بدنه اصلی سختی گیر از ورق فولادی با مشخصات و محاسبات فنی طبق استاندارد متناسب با فشارکاری مورد نیاز طراحی و ساخته شده و کلیه سطوح داخلی پس از سند بلاست با سه لایه رنگ اپوکسی پوشش داده می شود.

 سختی گیر رزینی معمولا به همراه یک شیر نیمه اتوماتیک و کلیه لوله کشی ها و اتصالات لازم و ظرف نمک از جنس پلی اتیلن ارائه می گردد.

آب ورودی به وسیله دیسک ­های آب پخش کن در قسمت فوقانی به طور یکنواخت بر روی سطح رزین پاشیده شده و آب نرم درقسمت تحتانی توسط نازلهای آب جمع کن که بر روی عدسی  دوبل تعبیه شده جمع آوری میگردد. نازل ها از جنس پلی اورتان مقاوم در برابر خوردگی و شکنندگی می باشد.

این محصول به همراه رزین با مارک های معروف دنیا همچون رزین پرولایت انگلیس و یا رزین دئولایت هند که تحت لیسانس انگلستان می باشد ارائه می گردد. جهت جلوگیری از عبور رزین از نازل ها، سطح بین صفحه نازل ها و بستر رزین به ارتفاع مناسب توسط سیلیس با دانه بندی درشت تر پوشانده می شود.

کاربرد سختی گیر آب

·         آب آشامیدنی

·         بویلر و راکتور وآب جبرانی

·         برج خنک کننده با آب

·         آب با درجه خلوص بالا

·         خشکشویی ها و رستوران های بزرگ

·         حفاظت از عناصر انتقال حرارت و نازل اسپری

·         استفاده در اسمز معکوس و یا سیستم دیونیزه

·         تصفیه ی فاضلاب

·         بازسازی آب

رزین کاتیونی

رزین کاتیونی, رزین سختی گیر

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آن‌ها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانی‌های طبیعی بخصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف کرده و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند. استفاده از زئولیت‌های سدیمی در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چرا که از طرفی نیازی به حضور مواد شیمیایی نبود و از طرف دیگر اثرات جانبی نیز نداشتند.

رزین‌های موازنه کننده یون، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یون‌های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال، یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکال‌های آنیونی SO23- می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل  H+ یا  Na+ به آن هستند.

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 Cl-  یا  OH- به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون، کاتیون‌ها یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شوند، بگونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود.

برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:

    خود دارای یون باشد.
    در آب غیر محلول باشد.
    فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد، بطوریکه یون‌ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.

رزین‌های کاتیونی در اثر واکنش فنل و یا مشتقات آن با فرمالدئید و سپس سولفونه کردن آن‌ها به کمک سولفوریک اسید به حالت توده‌ای تهیه شدند که آنها را خرد و غربال می‌کردند و مورد استفاده قرار می‌دادند. این گونه رزین‌ها نیز از سولفونه کردن پلی استیرن تهیه گردیدند. هرگاه در پلی مریزاسیون استایرن مقداری دی وینیل بنزن افزوده گردد پلی مری با ساختار شبکه‌ای  تولید می‌گردد که در اثر سولفونه کردن آن، رزین کاتیونی قوی تهیه می‌گردد. هرگاه به جای گروه سولفونیک اسید گروه کربوکسیلیک اسید (-COOH) جانشین شود، رزین‌های کاتیونی ضعیف، تولید می‌گردد ولی روش ساده‌تر برای تهیه این رزین‌ها ترکیب متاکریلیک اسید با دی وینیل بنزن می‌باشد.

پرکاربردترین رزین کاتیونی در صنعت آب و فاضلاب رزین کاتیونی سدیمی میباشد که در واحد سختیگیری برای از بین بردن سختی آب استفاده میشود.

رزین‌های کاتیونی معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• رزین‌های کاتیونی قوی  SAC) Strongacidis Cation )
•  رزین‌های کاتیونی ضعیف WAC) Weak acidis Cation)

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.
نوع قوی:Ca(HCO3)2 OR MgSO4 + 2ZSO3H -----> Ca2++2H2CO3 OR Mg2+ + H2SO4
نوع ضعیف:Mg(HCO3)2 OR Ca(HCO3)2 + 2ZCOOH -----> (ZCOO)2+ + Mg(ZCOO)2+Ca + 2H2CO3

مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آن‌ها در مقایسه با رزین‌های کاتیونی قوی می‌باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیاء مکرر می‌گردد. اصولاً زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون‌های آب است بکارگیری توأم رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی‌تر از بکارگیری رزین‌های کاتیونی قوی می‌باشد.

نحوه عملکرد رزین کاتیونی سدیمی
در سختی گیر تعویض یونی، رزین‌های کاتیونی سدیمی وجود دارند که یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) با سدیم رزین تعویض می‌شوند که در نتیجه آب بدون سختی تولید می‌شود چون یون سدیم بسیارمحلول است از این رو خطر تشکیل رسوب از بین می‌رود. این تعویض یون سدیم رزین با یون‌های کلسیم و منیزیم آب ورودی آنقدر ادامه می‌یابد که رزین نیاز به احیاء داشته باشد.

در زمان سرویس سختی‌گیر، واکنش زیر انجام می‌شود:

• تعویض رزین کاتیونی در سختی گیر آب
• عملکرد رزین کاتیونی سدیمی

رزین‌های کاتیونی سدیمی از نوع قوی نه فقط کاتیون‌های مولد سختی آب بلکه همه‌ی یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند.

ترتیب گزینش نسبی کاتیون‌ها برای جذب به وسیله تعویض کننده کاتیونی قوی به شکل زیر می‌باشد:

Th4+>Fe3+>Fe2+>Ca2+>Mg+>NH4+>K+>H+

احیای رزین کاتیونی قوی
برای احیاء این نوع رزین‌ها کافی است که رزین را با آب نمک شستشو دهیم که در طی آن یون‌های منیزیم و کلسیم محبوس در شبکه رزین با سدیم نمک تعویض می‌شوند. در پایان کار احیاء، رزین را با آب تازه می‌شویند تا نمک اضافی حذف شده و دستگاه آماده سرویس گردد.

در زمان احیاء با نمک طعام، رزینی که پر از یون‌های کلسیم است دوباره به صورت رزین سدیمی در می‌آید:

احیا رزین کاتیونی
با وجود اینکه هرچه نمک طعام بیشتری در موقع احیای رزین بکار رود، ظرفیت رزین افزایش می‌یابد ولی این بدان معنا نیست که مثلاً با دو برابر کردن مقدار نمک طعام در موقع احیاء ظرفیت رزین هم دو برابر خواهد شد.

برخی از کاربردهای رزین‌ها
با رزین‌های کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را همچون بقیه کاتیون‌ها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولاً مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولاً 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 آب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.

با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان لیزین را که جز اسید آمینه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خوک‌ها، ماهیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسید آمینه، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندی‌های آنها در مصرف مواد خام و ... است با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها‌، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

نحوه تشکیل سختی آب :

مکانیزم ایجاد سختی آب بدین صورت است که بخار آب در جو چگالیده شده ،دی اکسید کربن هوا را در خود حل می کند و تشکیل اسید ضعیفی به نام اسید کربنیک می دهد این اسید همراه با قطرات باران به زمین می بارد .از خاک های سطحی عبور کرده و به بسترهای سنگی زیر،زمین که معمولا سنگ آهک می باشند می رسد، سنگ آهک مخلوطی از کربنات کلسیم و منیزیم می باشد اسید ضعیف ،آهک را در خود حل می کند و موجبات سختی آب را فراهم می آورد . منیزیم و کلسیم به عنوان عناصر دو قلوی سختی در جهان شهرت دارند . وظیفه اصلی سختی گیر تبادل یون ها در آب است که همین یون منیزیم و کلسیم را جایگرین نموده و بدین وسیله سختی آب را حذف می نماید.

گرچه سختی آب ناشی ازیون های کلسیم ، منیزیم ، باریم ، هیدروکربنات ، سولفات و نیترات ها آهن منگنز می باشد ولی چون غیر از ترکیبات کلسیم و منیزیم سایر ترکیبات قابل صرفنظرکردن هستند (به دلیل غلظت بسیار کم آنها ) بنابراین اصطلاحا به مجموع کاتیون های کلسیم و منیزیم سختی آب می گویند

اساس کار سختی گیر رزینی

اساس کار دستگاههای سختی گیری نوع رزینی استفاده از فرایند تبادل یونی توسط رزین های کاتیونی می باشد. خواص رزین ها این است که وقتی در حضور آب سخت قرار می گیرند، یون سدیم آنها با یون های رسوب گذار از قبیل کلسیم و منیزیم موجود در آب جا به جا می شوند. به این ترتیب با حذف املاح کلسیم و منیزیم کاملا محلول بوده و تمایلی به رسوب گذاری ندارد. مبادله یون ها تا زمانی ادامه می یابد که همه سدیم رزین ها با کلسیم و منیزیم آب تعویض شوند، پس از این زمان ، به تدریج بازده فرایند سختی گیری کاهش می یابد و رزین ها می بایست دوباره بازیابی و احیاء شوند. احیاء مجدد این نوع رزین ها با عبور محلول غلیظ کلرید سدیم (نمک طعام) از بستر رزین انجام می پذیرد .

معمولا جهت احیاء رزین از آب و نمک با غلظت 10 % باید استفاده کرد. غلظتهای کمتر و یا بیشتر از 10 % نمک ، اثر کمتری دارند و خلوص نمک عامل بسیار مهمی در احیاء مناسب رزین کاتیونی سختی گیر می باشد. اگر از سنک نمک و نمک معمولی استفاده گردد بسبب ناخالصی در نمک عمر رزین بسیار کاهش می یابد.

نکات راهبردی و تعمیر نگهداری :

استفاده از آب چاه یا آب ورودی به کارخانه برای تهیه آب نمک اشتباهی است که بعضا در موتورخانه ها دیده می شود ، ناخالصی آب مورد استفاده برای تولید آب نمک احیاء رزین دوباره به رزین انتقال می یابد و احیا ء مناسب صورت نمی گیرد و عمر مفید رزین که بالای 5 سال می باشد کم می شود .

توصیه می گردد برای بار اول احیاء از آب مقطر استفاده گردد و برای دفعات بعد از آب سبک شده توسط سختی گیرتان که در ظروف نگهداری برای احیاء ذخیره نموده اید استفاده نمایید که باعث عدم احیاء مناسب رزین به علت داشتن املاح در خود می گردد و عمر رزین را کاهش می دهد .

یکی دیگر از مشکلات عدم بهره برداری درست از سختی گیر رزینی متاسفانه به دلیل وجود رزین های نا مرغوب چینی در بازار کشور که با برندهای معروف و به صورت غیر اصل ارائه می گردد باعث شده است مشکلات و هزینه زیادی به صنایع گوناگون وارد گردد. عمر کوتاه یکساله و کمتر و عدم سختی گیری مناسب و هزینه تعوض زود هنگام و معطل بودن کارخانه جهت تعویض رزین از مشکلات رزین های چینی می باشد که متاسفانه حتی با برندهای پرولایت انگلیس و یا داو امریکا بطور قلابی بفروش می رسند.

نکته مهم ترآنکه درحین بهره برداری از دستگاه سختی گیر آب می بایست اطمینان حاصل کنید که فشار نسبی داخل مخزن بین (1.7-2.5 bar) باشد.اگر فشار داخل مخزن کمتر از (1.7) باشد، در آب بندی شیر سولو ولو و مکش آب نمک اختلال ایجاد خواهد شد. همچنین در فشار های بالا ممکن است قطعات شیر سولو ولو صدمه ببیند. در هر حال بهره برداری از شیر سولو ولو در فشار های بالاتر از (2.5) به هیچ وجه توصیه نمی گردد .

در ساختمان های بلند مرتبه که برج ها و منابع انبساط باز بر روی بام قرار دارند برای تامین آب آب جبرانی آنها ، هیچ گاه فشار آب ورودی به سختی گیر را از رنج داده شده بالاتر نبرید ، برای تامین آب جبرانی تجهیزات در بام بهتر است بعد از سختی گیر از یک منبع ماند و یک پمپ برای تامین آب تجهیزات استفاده کنید .

هنگامی که فشار آب ورودی به سختی گیر زیاد می شود علاوه بر انکه شیر مورد نظر را متسهلک می کند ، باعث می شود رزین های داخل سختی گیر را به بیرون از سختی گیر منتقل کند و بعد از مدتی شاهد آن خواهید بود با تعمیر و نگهداری مکرر هیچ گاه آب خروجی از سختی گیر عدد مورد نظر شما نخواهد شد

انواع سختی

معمولا سختی آب به دو قسمت :

• سختی موقت
• سختی دائم 

تقسیم می شوند

سختی موقت چیست ؟
به صورت ساده منظور از سختی موقت ،سختی می باشد که در اثر حرارت دادن به آب املاح بی کربنات کلسیم و منیزیم از حالت محلول خارج شده و به صورت غیر محلول در آیند .

سختی دائم چیست ؟
منظور از سختی دائم ،سختی می باشد که با حرارت دادن به آب املاح موجود در آب از حالت محلول خارج نشوند .

هنگامی که آب های سخت حرارت داده می شوند تشکیل رسوب خیلی سریع تر انجام می گیرد که مشکلات زیادی را در بویلرها و مبدل های حرارتی به وجود می آورند ، به طوری که 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 آسیب های فراوانی به تأسیسات حرارتی و برودتی می شود که مهم ترین آنها کاهش بازدهی مبدل ها و در نتیجه افزایش انرژی راهبری است .

در تبدیل سختی آب به رسوب و تشکیل آن در سیستم‌ها، سه پارامتر مهم نقش اساسی را ایفا می‌کنند. این عوامل عبارتند از:

• دما

افزایش دمای آب باعث کاهش حلالیت فلزات در آب شده و سبب افزایش رسوب گذاری می گردد .

• قلیاییت

با کاهش اسیدیته و افزایش قلیاییت آب ، حلالیت آن نیز کمتر شده که نتیجه آن افزایش رسوب خواهد بود .

• فشار

کاهش فشار آب ، کاهش حلالیت را در پی خواهد داشت که ماحصل آن مانند موارد قبلی ،باعث افزایش میزان رسوب گذاری خواهد شد .

تا بدین مرحله سختی آب را شناختیم حال نوبت به آن رسیده تا با آن مبارزه کنیم در این بین باتوجه به شرایط و آنالیز شیمیایی آب باید معقول ترین حالت را انتخاب کنیم .
روش‌های مهار املاح و رسوب آب
برای برطرف کردن آثار آب سخت، روش های گوناگونی وجود دارد که مهم ترین آن ها روش های زیر است :

• سختی گیر رزینی
• سختی گیر مغناطیسی
• اسمز معکوس
• تقطیر

و ...

روش های بسیار متنوعی برای مهار کردن املاح آب وجود دارد که برای بررسی هر کدام از حالت ها باید نمونه ای از آب گرفته شود تا باتوجه به آنالیز شیمیایی آن و تحلیل شرایط محیطی و اقتصادی مناسب ترین روش را انتخاب کرد .

در تاسیسات برودتی و حرارتی به شرطی که TDS آب مورد نمونه برداری کمتر از 700ppm باشد مناسب ترین روش برای مهار کردن املاح آب استفاده از روش سختی گیری رزینی می باشد زیرا که سختی گیرهای رزینی بدلیل انجام تبادل یونی و حذف املاح و سختی محلول در آب از نظر عملکرد نسبت به رسوب زداهای مغناطیسی، که املاح را صرفاً در آب معلق نگه می دارند مطمئن ترند ، ولی از طرف دیگر سختی گیرهای رزینی نیازمند عملیات دائمی و منظم بک واش و احیا می باشند.