موثرترین روش های از بین بردن سختی آب

آب عامل حیات روی کره زمین است که در محیط‌های مختلف ترکیب متفاوتی دارد و حاوی املاح مختلفی است. به همین دلیل آب را می‌توان از نظر درجه سختی طبقه‌بندی کرد. در این مقاله ابتدا به تعریف مفهوم سختی آب و انواع آن می‌پردازیم. سپس روش‌ های حذف سختی آب را بررسی می‌کنیم.

سختی آب

سختی آب به دلیل وجود بی‌کربنات‌های محلول، کلریدها و سولفات‌های کلسیم و منیزیم است. به دلیل وجود این املاح آب سخت با صابون به‌خوبی کف نمی‌کند.

آب را می‌ توان به دو دسته آب سخت و آب نرم تقسیم کرد:

آب نرم

با صابون کف می‌کند. آب باران بدون املاح و آب نرم است. این آب برای مصارف خانگی مانند لباسشویی و نظافت مناسب است.

آب سخت

به دلیل وجود نمک‌های کلسیم و منیزیم به آب سخت معروف است. آب سخت با صابون کف نمی‌کند، بلکه رسوب تشکیل می‌دهد.

آب سخت حاوی مقادیر زیادی مواد معدنی است. سختی آب به مقدار کلسیم و منیزیم آن بستگی دارد. هرچقدر میزان این املاح و سایر مواد معدنی آب بیشتر باشد درجه سختی آب بالاتر می‌رود. سیستم‌های نرم‌کننده آب، غلظت این مواد معدنی را کاهش می‌دهند. آب نرم به‌جای سطح بالاتری از کلسیم و منیزیم، غلظت بالاتری از سدیم یا نمک دارد.

در زندگی روزمره، آب سخت می‌تواند به پوست و مو آسیب وارد کرده و باعث خشکی آن شود. مواد معدنی موجود در آب سخت می‌توانند تعادل pH پوست را تغییر دهد، و آن را به‌عنوان یک مانعی در برابر باکتری‌های مضر و عفونت تضعیف کند. افراد مبتلا به اگزما ممکن است به‌خصوص نسبت به تماس و شستشو با آب سخت، آسیب‌پذیر هستند.

آب سخت به دلیل رسوبات گچ و سنگ‌آهک که از کربنات‌های منیزیم و کلسیم تشکیل شده‌اند، برای دیگ بخار مشکل ایجاد می‌کند. سختی آب باعث کاهش راندمان انتقال حرارت در بویلر می‌شود.

مضرات سختی آب را می‌توان شامل هدررفت صابون، هدررفت سوخت و تشکیل رسوب بر دیواره بویلرهای فلزی دانست.

چگونه سختی آب را بگیریم؟

در پاسخ به این سوال باید ابتدا انواع سختی آب را بشناسیم. سختی آب را ممکن است از نوع سختی موقت یا سختی دائم باشد.

سختی موقت آب

املاح کربنات کلسیم و منیزیم باعث سختی موقت آب می‌شوند. یعنی سختی آب با جوشاندن از بین می‌رود. وقتی آب را می‌جوشانیم نمک‌های محلول Mg(HCO3)2 به Mg(OH)2 تبدیل می‌شود که نامحلول است و در نتیجه رسوب می‌کند و حذف می‌شود و پس از فیلتراسیون، آبی که به دست می‌آوریم، آب نرم است.

دو روش برای حذف سختی موقت آب وجود دارد:

از بین بردن سختی آب با جوشاندن

روش اول همان جوشاندن آب است که به آن اشاره شد و واکنش‌های مربوط به آن را در زیر مشاهده می‌کنید:

Ca(HCO3)2 → ΔCalo3↓ + H2O + CO2

 Mg(HCO3)2 → ΔMgCO3↓ + H2O + CO2 ⇒

روش دیگر “واکنش کلارک” نام دارد. در این واکنش از هیدروکسید کلسیم، برای حذف سختی آب و تبدیل بی‌کربنات‌ها به کربنات استفاده می‌شود.
واکنش کلارک:

CA (OH) 2 + CA (HCO3) 2 → 2Caco3 ↓ + 2H2O

در ادامه به انواع روش‌ های سختی دائم آب می‌ پردازیم

روش پرموتیت گان

در این روش از سدیم آلومینیوم ارتو سیلیکات، معروف به “permutit“ یا زئولیت برای حذف سختی دائمی آب استفاده می‌شود.

Na2 Al2 Si2 O8.KH2O + Ca++→ 2Na+ + Ca Al2 Si2 O8.xH2O

روش کالگون

در این روش از سدیم هگزا متا فسفات معروف به Calgon استفاده می‌شود. سختی آب با جذب یون‌های Ca++ و Mg++ حذف می‌شود.

به‌طورکلی پلی فسفات‌ها مانند هگزامتافسفات سدیم (SHMP) به‌عنوان عوامل نرم‌کننده آب استفاده می‌شوند؛ زیرا این ترکیبات با یون‌های فلزی کلسیم و منیزیم که عامل سختی آب هستند، کمپلکس محلول بسیار پایدار تشکیل می‌دهند و امکان رسوب نمک این یون‌های فلزی یا برهم‌کنش آن‌ها با سایر ترکیبات موجود در سیستم را از بین می‌برند. پس می‌توان گفت سختی آب حذف می‌شود.

روش رزین تبادل یونی

در این روش سختی دائمی آب با استفاده از رزین‌ها حذف می‌شود. یون‌های Ca++/Mg++ با Cl– و یون‌های SO4-2 با رزین تبادل آنیونی (RNH2OH) مبادله می‌شوند. در نتیجه یون‌های عامل سختی دائمی آب حذف شده و آب غیرمعدنی در این فرایند تشکیل می‌شود.

2RCOOH + Ca++ → (RCOO)2Ca + 2H+ ⇒

 RNH2OH + Cl– → RNH2Cl + OH– ⇒

H+ + OH– → H2O ⇒

سیستم رزین تبادل یونی با حذف آلاینده‌های یونی محلول از آب کار می‌کند. این سیستم، یون‌ها را با یون‌های بهتری تعویض می‌کند که کیفیت آب را کاهش نمی‌دهند. رزین تبادل یونی به سایر سیستم‌های نرم‌کننده آب بسیار شبیه است؛ زیرا هر دو سیستم می‌توانند یون‌های منیزیم و کلسیم را از آب حذف کنند.

در بیان تفاوت جزئی مکانیسم عملکرد این دو سیستم باید گفت که مبدل‌های یونی از اصل تبادل یونی برای حذف مواد معدنی مضر از آب استفاده می‌کنند. نرم‌کننده‌های آب‌نمک‌های رسوب ساز مانند سولفات کلسیم و بی‌کربنات منیزیم را به نمک‌های محلول و غیر رسوب ساز که حاوی سدیم هستند تبدیل می‌کنند.

حذف سختی آب با رزین کاتیونی پرولایت C100

سختی دائم آب

زمانی که نمک‌های محلول منیزیم و کلسیم به شکل کلرید و سولفید در آب باشند، سختی آب با جوشاندن از بین نمی‌رود. در نتیجه به آن سختی دائم می‌گوییم. سختی دائم آب را می‌توان با تصفیه آب از بین ببریم.

کاهش سختی اب با جوشاندن

جوشاندن آب باعث رسوب کربنات کلسیم جامد و کربنات منیزیم جامد می‌شود. این روش یون‌های کلسیم و منیزیم را از آب خارج می‌کند و سختی آن را از بین می‌برد. بنابراین؛ سختی ناشی از هیدروژن کربنات ها موقتی است.

به طور کلی افزایش دمای آب باعث افزایش حلالیت بیشتر نمک‌های موجد در آب می‌شود. اما هماهنطور که گفته شد استثناهایی مانند CaCO3، CaSO4، MgCO3، Mg(OH)2 وجود دارند که همگی با افزایش دما رسوب می‌کنند.

چگونه املاح را از آب بگیریم؟

رایج‌ترین و مؤثرترین راه برای حذف نمک از آب، فیلتراسیون فیزیکی است. به طور خاص، سیستم‌های اسمز معکوس قادر به حذف نمک و طیف گسترده‌ای از آلاینده‌های دیگر از آب نرم شده هستند.

سیستم‌های اسمز معکوس در حذف یا کاهش موارد زیر مؤثر هستند:

• سدیم
• نیترات‌ها
• یون‌های معدنی و فلزی
• باکتری (سالمونلا)
• تک یاخته (Giardia)
• ویروس‌ها (نوروویروس)
• مواد پرفلوئوروآلکیل

خنثی سازی PH بعد از حذف سختی آب

در مورد رابطه pH و سختی آب باید گفت که آب با pH پایین اسیدی‌تر است، در حالی که آب با pH بالاتر سخت‌تر یا قلیایی‌تر است، به این معنی که می‌تواند اسیدها را خنثی کند. در واقع از آنجاکه آب سخت دارای مواد معدنی خاصی از جمله کلسیم و منیزیم است، می‌تواند روی اسیدهای موجود در آب تأثیر گذاشته و سطح pH را بالاتر ببرد.

این بدان معناست که اگر در منطقه‌ای با آب سخت زندگی می‌کنید، pH معمولاً بالاتر است، یعنی آب قلیایی است. pH استاندارد آب آشامیدنی بین 6 تا 8.5 است.

دو نوع سیستم افزایش pH برای آب آشامیدنی وجود دارد که در ادامه هرکدام را بررسی می‌کنیم:

1) فیلترهای خنثی کننده

فیلترهای خنثی‌کننده برای تنظیم pH آب آشامیدنی اسیدی (PH پایین) کاربرد دارند. این سیستم، یک دستگاه تصفیه ساده است که با افزودن یک ماده خنثی کننده PH آب را افزایش می‌دهد. با این حال، باید توجه داشت که فرایند خنثی‌سازی ممکن است سختی آب را مجددا افزایش دهد.

نحوه عملکرد این فیلترها به گونه‌ای است که آب از فیلتری که با کربنات کلسیم (سنگ آهک) یا اکسید منیزیم پر شده است، عبور می‌کند. این ماده در آب حل می‌شود و سطح pH آن را بالا می‌برد.

بزرگترین عیب فیلترهای خنثی‌کننده این است که در صورت استفاده از کلسیم و منیزیم در فیلتر ممکن است باعث افزایش یا سختی آب شوند.

2) تزریق خاکستر سودا یا سدیم هیدروکسید

اگر آب اسیدی باشد (PH پایین) از این روش تصفیه استفاده می‌شود. خاکستر سودا (کربنات سدیم) و هیدروکسید سدیم هنگامی که به سیستم آبی تزریق می‌شود، pH آب را تقریباً خنثی می‌کند. برخلاف فیلترهای خنثی کننده، آن‌ها مشکل سختی در آب تصفیه شده ایجاد نمی‌کنند.

سیستم‌های تزریق سیستمی شامل یک نقطه ورود هستند. به طوری‌که یک پمپ تغذیه شیمیایی مقاوم در برابر خوردگی، خاکستر سودا یا محلول هیدروکسید سدیم را به آب تزریق می‌کند تا PH را افزایش دهد. محلول باید مستقیماً وارد چاه شود تا بدنه چاه و پمپ در برابر خوردگی محافظت شود.

اگر آب نیاز به ضد عفونی و همچنین خنثی‌سازی داشته باشد، با افزودن محلول کلر (هیپوکلریت سدیم) همراه با ماده شیمیایی خنثی‌کننده، امکان تصفیه دوگانه در سیستم تزریق وجود دارد. سیستم‌های تزریقی می‌توانند آب با PH پایین 4 را تصفیه کنند.

اگر از این سیستم برای تنظیم pH آب آشامیدنی استفاده شود باید توجه داشت که این سیستم میزان سدیم آب را افزایش داده و برای افرادی که رژیم کم سدیم دارند، مناسب نیست. در این سیستم، می‌توان از هیدروکسید پتاسیم به عنوان جایگزینی برای هیدروکسید سدیم استفاده شود؛ اما ممکن است هزینه بیشتری داشته باشد.

 

از آنجا که کاهش pH خطر خوردگی را افزایش می‌دهد، در سیستم برج خنک کننده که با استفاده از آب نرم طبیعی یا آبی که سختی آن حذف شده، کار می‌کند، کنترل خوردگی چالش اصلی برنامه تصفیه آب است.

در نتیجه، روش متداول صنعت تصفیه آب در به کارگیری آب سخت و قلیایی به منظور دستیابی به بخش عمده‌ای از اهداف کنترل خوردگی با این نوع آب کار نمی‌کند.

در واقع، متداول‌ترین بازدارنده‌های خوردگی، یعنی پلی فسفات‌ها و فسفونات‌ها، اگر سختی کلسیم کمتر از 50 میلی گرم در لیتر در آب خنک کننده باشد، کارایی لازم را ندارند. در نتیجه انتخاب مواد شیمیایی سختی گیر آب در برج خنک کننده باید با توجه به افزایش پتانسیل خوردگی فولاد گالوانیزه و با دقت بسیار زیادی انتخاب شود.

البته باید به این نکته هم توجه کنیم که اگرچه یک لایه نازک کربنات کلسیم یک بازدارنده مؤثر خوردگی است و آب نرم سطوح فلزی را مورد حمله قرار داده و منجر به خوردگی شدید می‌شود، اما مکانیسم خوردگی یک مکانیسم چند متغیره است که علاوه بر pH و قلیاییت، به مواد جامد محلول، اکسیژن محلول و دما نیز بستگی دارد.

در نتیجه بسیاری از برج‌های خنک کننده بدون مشکل خوردگی با خوراک آب نرم کار می‌کنند. از آنجایی که آب نرم است، یعنی فاقد سختی کلسیم یا منیزیم است، قلیائیت‌های کربنات و بی کربنات قادر به واکنش برای تشکیل فلس‌های کربنات کلسیم نیستند.

این نسبت به استفاده کلاسیک اسید سولفوریک برای خنثی‌سازی قلیایی و کنترل pH ترجیح داده می‌شود. با اسید، pH در محدوده 7.2 تا 7.6 کنترل می‌شود. این بازه کمتر از محدوده pH بهینه برای کنترل خوردگی فولاد و مس است.

علاوه‌براین، برای جبران ماهیت تهاجمی اسید، بازدارنده‌های خوردگی شیمیایی برای محافظت از سطوح فلزی در برابر حمله خوردگی موردنیاز است.

pH بین 6.5 و 7.5 به طور کلی محدوده ایده‌آلی برای کاهش تشکیل رسوب در نظر گرفته می‌شود، اگرچه برخی از برنامه‌های غیر اسیدی برای جلوگیری از تشکیل رسوب می‌توانند محدوده pH برج خنک کننده را تا 8.5 هم افزایش دهند.

pH همچنین به چرخه‌های غلظت (COC) بستگی دارد. کار با COC بالاتر به آب برج اجازه می‌دهد PH بالاتری حتی تا 10 داشته باشد. حفظ تعادل pH ایده آل در آب برج یک فرایند مستمر است که نیاز به هوشیاری و کنترل مداوم دارد. رعایت تمام این مراحل به اطمینان از تعادل pH مناسب برای سیستم شما کمک می‌کند.

جهت خرید مواد شیمیایی برج خنک کننده و مشاوره در زمینه روش‌های متعادل سازی آب خوراک با کارشناسان ما در مجموعه دکتر کمیکال در تماس باشید.

مشکلاتی که سختی آب به وجود می آورد (مضرات سختی آب)

مشکل اصلی مرتبط با سختی، تشکیل رسوب است. حتی سطوح پایین 5 تا 8 میلی‌گرم در لیتر برای بسیاری از مصارف (یعنی به عنوان آب تغذیه دیگ بخار) بسیار شدید است. سختی و به ویژه کلسیم، تمایل دارند که با آنیون‌هایی مانند کربنات، فسفات یا سولفات جفت شوند.

انحلال‌پذیری کربنات‌های کلسیم و منیزیم با دما نسبت معکوس دارد، به این معنی که هر چه دما بیشتر باشد، حلالیت کمتری دارد. سختی در آب منبع اصلی تشکیل رسوب در تجهیزات انتقال حرارت، بویلرها و خطوط لوله است:

سختی آب باعث ایجاد رسوب در لوله‌ها می‌شود که جریان را کاهش و افت فشار را افزایش می‌دهد. سپس باعث افزایش هزینه پمپاژ شده و در نهایت باعث می‌شود که لوله‌ها نیاز به تمیز کردن یا تعویض داخلی داشته باشند.

آب سخت در برج‌های خنک کننده می‌تواند اثربخشی انتقال حرارت را کاهش دهد و باعث افزایش هزینه‌های جاری شود. همچنین می‌تواند باعث خوردگی در برج‌ها شود که منجر به تعمیرات پرهزینه یا جایگزینی پر کردن برج‌های خنک کننده شود.

در بویلرها، هنگامی که رسوب شروع به تشکیل روی سطوح لوله می‌کند، لایه دیگری از مواد ایجاد می‌کند که گرما باید از آن عبور کند تا به آب برسد.

دو مشکل اصلی به دلیل اثر عایق مواد رسوبی رخ می‌دهد: تحت خوردگی رسوب و گرمای بیش از حد فلز لوله دیگ (ایجاد “نقاط داغ”)، که منجر به شکست لوله‌های آب و ترک خوردگی تنش می‌شود و هزینه‌های عملیاتی را بالا می‌برد.

همچنین باعث می‌شود نیاز به نگهداری و تعمیرات پرهزینه‌تر باشد و طول عمر دیگ را کاهش دهد. از این رو، کیفیت پایین آب مصرفی در صنعت یکی از عوامل عمده زیان اقتصادی ناشی از خرابی مکانیکی تجهیزات و مشکلات نگهداری است.

تفاوت آب سخت و آب نرم

اساساً ما آب سخت را دارای محتوای مواد معدنی بالا تعریف می‌کنیم که برحسب میلی گرم در لیتر اندازه‌گیری می‌شود. هر نمونه آب حاوی کمتر از 60 میلی گرم در لیتر نرم در نظر گرفته می‌شود:

• نرم زیر 60 میلی گرم در لیتر
• نسبتاً سخت بین 60 تا 120 میلی گرم در لیتر
• سخت بین 120 تا 200 میلی گرم در لیتر
• بسیار سخت بالای 200 میلی گرم در لیتر

جدول زیر تفاوت آب نرم و آب سخت را نشان می دهد:

مقایسه آب نرم و سخت	آب نرم	آب سخت
طعم	به دلیل کمبود مواد معدنی ممکن است بدون طعم باشد ولی آب نرم شده با نمک ممکن است طعم کمی شور و حالت لغزنده داشته باشد.	قلیایی دلپذیر و مواد معدنی آن طعم آب را بهبود می‌بخشد.
ویژگی اصلی	محتوای کم منیزیم و کلسیم	حاوی حدود 60-180+ GPG کلسیم و منیزیم است
تأثیرات کاربردی	ممکن است اثرات خوردگی را تشدید کند.	آسیب به سیستم لوله کشی و تشدید رسوب
تأثیر بر سلامتی	حاوی مواد معدنی نیست، بنابراین؛ به اندازه آب سخت سالم نیست، اما برای پوست و مو مناسب‌تر است.	برای آشامیدن سالم‌تر است، اما باعث خشکی مو و پوست می‌شود.

مزایای استفاده از آب نرم

استفاده از آب نرم برای عملیات برج خنک کننده مزایای متعددی نسبت به آب سخت دارد که از جمله آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

آب نرم خطر تشکیل رسوبات مواد معدنی بر روی سطوح انتقال حرارت را از بین می‌برد.

بافر طبیعی کربنات / بی کربنات PH در محدوده 9.2 تا 9.6 تولید می‌کند که فولاد و سایر فلزات را منفعل‌تر و کمتر مستعد خوردگی می‌کند.

استفاده از آب نرم مصرف آب شیرین را کاهش می‌دهد و در نتیجه باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در آب و فاضلاب می‌شود.

کارکردن برج با آب نرم به کنترل رشد ارگانیسم‌های بیماری‌زا با حفظ pH بالاتر از محدوده تقویت (pH > 9.2) کمک می‌کند.

مراحل خرید، ذخیره‌سازی، جابجایی و تغذیه بازدارنده‌های رسوب شیمیایی و یا اسید معدنی حذف می‌شود، زیرا آب نرم غیر رسوب‌کننده است.

به طور کلی، استفاده از آب نرم برای خوراک برج خنک کننده به محافظت از محیط طبیعی، صرفه‌جویی در انرژی، کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش عمر مفید تجهیزات کارخانه کمک می‌کند.

نتیجه‌ گیری برای بهترین روش سختی گیری آب

نمک یون‌های کلسیم و منیزیم عامل سختی موقت یا دائم آب هستند. سختی آب علاوه بر زندگی روزمره در فرایندهای صنعتی نیز می‌تواند مشکلاتی ایجاد کرده و باعث افزایش هزینه‌های انرژی و نگهداری تجهیزات شود.

از بین روش‌های متنوع حذف سختی آب، ساده‌ترین روش جوشاندن آب است و برای حذف سختی دائم آب از رزین‌های تبادل یونی یا ترکیبات شیمیایی نرم‌کننده آب مانند SHMP می‌توان بهره برد.

می‌توانید انواع مواد شیمیایی سختی‌گیر و دیگر مواد شیمیایی تصفیه آب را در فروشگاه مواد شیمیایی دکتر کمیکال در بخش “مواد شیمیایی صنعتی” مشاهده کنید.