سختی گیر

آب سخت آبی است که حاوی نمک‌ های معدنی از قبیل ترکیبات کربنات‌های هیدروژنی، کلسیم، منیزیم و … است. سختی آب بر دو نوع است :
۱-دائمی
۲-موقت

تغییرات سختی آب بر حسب آنکه آب در موقع نفوذ در زمین از قشرهای آهکی و منیزیمی و گچی گذشته و یا نگذشته باشد، کم یا زیاد می‌شود. آبهای نواحی آهکی، سختی زیادتری تا آبهای نواحی گرانیتی و یا شنی دارند. سختی آب در عرض سال هم ممکن است تغییر نماید. معمولاً سختی آبها در فصل باران کم و در فصل خشکی زیاد می‌شود.

املاح کاتیون های دو ظرفیتی مانند کلسیم، منیزیم، آهن و استرانسیم باعث ایجاد سختی در آب می شوند. معمولا مقدار یون های کلسیم و منیزیم بسیار بیشتر از سایر کاتیون های دو ظرفیتی است. بنابراین در عمل سختی به املاح این دو فلز اطلاق می شود. سختی به دو دسته دائم و موقت تقسیم می شود. سختی موقت املاح کربنات و بیکربنات کلسیم و منیزیم است که با جوشاندن از آب جدا شده و رسوب می کند.

سختی دائم نیز معمولا املاح سولفات و کلرور کلسیم و منیزیم است که با جوشاندن از آب جدا نمی شود.

مقدار سختی آب بر حسب میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم بیان می شود. آب سخت آبی است که مقدار سختی آن بیش از ۳۰۰ باشد.

با توجه به مشکلاتی که سختی ایجاد می کند معمولا تلاش می شود تا این املاح از آب حذف گردد.

برای حذف سختی از آب می توان از رزین استفاده کرد.

سختی گیرهای رزینی بر اساس تبادل یونها کار می کنند و در حال حاضر از نظر بازده کاری و صرفه اقتصادی پرمصرف ترین نوع سختی گیر هستند.

در روش تبادل یونی، یونهای دو ظرفیتی آب از طریق یک ماده جامد واسط، موسوم به تبادل کننده های یونی، با یون تک ظرفیتی مبادله می شود.

تبادل کننده های بنا به ساختار از ظرفیت محدودی جهت نگهداری از یونها برخوردارند. از این رو هرگاه این ظرفیت تبادل به علت اشباع توسط یونهای نامطلوب کاهش یابد، لازم است ماده تبادل کننده طی یک فرآیند شیمیایی احیاء گردد.

روشهای تبادل یونی، گستردگی فراوانی دارند، و حتی قادرند کلیه املاح محلول در آب را حذف نمایند (نمک زدایی). با توجه به اینکه ناخالصی ها در آب تفکیک شده و یون های مثبت (کاتیونها)، و یونهای منفی (آنیونها)، را ایجاد می کنند، تبادل کننده های یونی به طور کلی به دو دسته تبادل کننده های کاتیونی و تبادل کننده های آنیونی تقسیم می شوند.

در دیگهای بخار عموما حذف املاح کلسیم Ca2+ و منیزیم Mg2++ که در داخل دیگ ایجاد رسوب می کنند مدنظر می باشد، لذا بیشتر از سختی گیرهای تبادل یونی کاتیونی با چرخه سدیمی استفاه می شود.

در این سیستم آب خام در تماس با ماده تبادل کننده، کاتیونهای خود را با سدیم موجود بر روی زئولیت (رزین) تعویض می نماید.

Ca2+ + Na2R –> CaR + 2Na+

Mg2++ + Na2R –> MgR + 2Na+

تبادل یونی (رزینی) کاتیونی شامل چهار مرحله:

۱- بهره برداری

۲- شتشوی معکوس

۳- احیاء

۴- شستشو

دوره احیاء به شدت جریان آب (دبی)، سختی آب خام و میزان نمک مصرف شده برای احیاء بستگی دارد.

یک سختی گیر تبادل یونی کاتیونی می تواند املاح مسبب سختی را از ۰ تا ۲۰ ppm کاهش دهد.

چنانچه لازم باشد آب باخلوص بیشتری بدست آورده شود وکلیه مواد محلول ازقبیل سدیم، سیلیکا، قلیائیت و یونهای معدنی حذف گردند و لازم است آب نمک زدایی گردد.

نمک زدایی، تا تولید آب بدون املاح عبارت است از: حذف دقیق کلیه نمکهای معدنی به وسیله فرآیند تبادل یونی. در این فرآیند رزین کاتیونی (اسیدقوی) با چرخه هیدروژن، تمام نمکهای محلول در آب را به اسید مربوطه تبدیل می کند و رزین آنیونی (بازی قوی) با چرخه هیدروکسید، آنها را، حذف می کند. هزینه این روش در مقایسه با روش تبخیر و تقطیر کمتر می باشد.

جهت نمک زدایی امروزه می توان از روش اسمز معکوس نیز استفاده کرد.

مضرات آب سخت :

آب سخت برای مصرف در کارخانجات مناسب نیست. از مضرات آن ایجاد قشر آهکی بر روی جداره دیگ و خوردگی آن می شود.

سختی آب، عامل تشکیل رسوب در دیگهای بخار، مبدلهای حرارتی، برجهای خنک کننده و سیستمهای سرد کننده می باشد. اگر آب سخت برای شستشو به کار رود، صابون هدر می رود. در صنایع نساجی و رنگرزی کیفیت رنگ افت می کند. انحلال سود سوز آور در آب، منیزیم را به صورت هیدروکسید منیزیم رسوب می دهد.

سختی زدایی :

برای برطرف کردن سختی موقت آب ، با جوشاندن آن کربنات‌ های هیدروژن محلول، به کلسیم نامحلول تبدیل شده و تشکیل رسوب می‌دهند. این رسوب در مناطق دارای آب سخت، درون دیگ ها دیده‌ می‌شود. سختی دایمی آب را می‌توان با کمک نرم‌ کننده‌های تبادل کننده یون، مانند پرموتیت برطرف کرد. آبی که در طبیعت وجود دارد تقریباً همیشه ناخالص می‌باشد. زیرا اغلب دارای گچ، آهک، نمک طعام، ترکیبات منیزیم، آهن، اکسیژن و ازت، انیدرید کربنیک، ترکیبات آلی و غیره است، مقدار این ناخالصی ها در آبهای مناطق مختلف متفاوت است.

یکی از اجسام گیرنده سختی آب تری ناتریم فسفات Na3PO می‌باشد، که با اسم آلبرت ‌تری بکار می‌رود. یون کلسیم موجود در آب بر اثر ناتریم فسفات تبدیل به تری کلسیم فسفات PO42Ca3 می‌گردد و رسوب می‌نماید.

در اثر حرارت، کربنات کلسیم آب رسوب می‌نماید .

درجه سختی آب :

درجه سختی آب را از روی مقدار کلسیم و منیزیم موجود در آن تعیین می‌کنند.

در آلمان اگر آبی ده میلی گرم CaO در یک لیتر داشته باشد می‌گویند درجه سختی آب یک است.

در فرانسه اگر آبی در یک لیتر ده میلی گرم کربنات کلسیم یا همسنگ آن کربنات منیزیم داشته باشد می‌گویند که یک درجه سختی دارد.

در انگلستان اگر آبی ده میلی گرم کربنات کلسیم و یا همسنگ آن کربنات منیزیم در ۰.۷ لیتر داشته باشد یک درجه سختی دارد.

برای تعیین سریع سختی آب می توان از روش های ازمایشگاهی یا کیت های مخصوص استفاده کرد.

سختی گیر :

سختی گیری برای جدا کردن دو عنصر کلسیم و منیزیم بکار میرود. اگر این دو عنصر از آب جدا نشوند، همان اتفاقی در دیگ بخار می‌افتد که در کتری رخ می‌دهد. در واقع رسوبات، سطح مثل عایق عمل کرده و انرژی بیشتری برای تولید میزان معینی فشار مصرف می‌شود. همچنین پاکسازی این لوله ها علاوه بر هزینه بر بودن خط تولید را نیز متوقف می‌کند.

شهرهای با آب سخت :

اکثر شهر های ایران و مانند شهر های قم، زاهدان، دلیجان، ساوه، سمنان و… از شهرهایی هستند که آب آنها از سختی بالایی برخوردار است. بدیهی است که، رفع سختی آب از وظایف بسیار مهم اپراتور در طول نگهداری روزانه و شیفت کاری است، و به جهت جلوگیری از صدمات مخرب و گاهی غیر قابل جبران و مصیبت بار بعدی که در مدت کوتاهی به سیستم تاسیسات وارد می گردد تدبیر لازم با هزینه ای بسیار اندک در قبال تاسیساتی حرارتی که به قطع قسمتی حیاتی برای تولید مداوم و مستمر است، اتخاذ گردد.

مواد کاربرد سختی گیرها :

کاهش سختی آب آشامیدنی که طبق استاندارد WHO مقدار سختی را در آبهای مصرفی بر حسب caco3 ، معادل ۲۵۰ میلی گرم پیشنهاد شده است.

حذف سختی آب دیگ های بخار.

حذف یا کاهش سختی آب در سیستم گرمایش و سرمایش .

حذف یا کاهش سختی آب در صنایع دارویی ، مواد غذایی، نساجی و رنگرزی و….