الف- سختی آب

يکي از عمده ترین مشکلات مربوط به آب سختي آن است که همه ساله ميليونها دلار در جهان صرف نگهداري وتعميرات تجهيزات و لوله‌كشي‌هاي آسيب ديده از آن مي‌شود اين مساله عامل اصلي گشوده شدن زمينه اي بنام سختي گيري و صنايع مربوط به آن شده است.

مکانيزم ايجاد سختي آب بدين صورت است که بخار آب در جو چگاليده شده، دي اکسيد کربن هوا را در خودحل مي‌کند و تشکيل اسيد ضعيفي بنام اسيد کربنيک مي‌دهد اين اسيد همراه با قطرات باران به زمين مي‌بارد.

از خاکهاي سطحي عبور کرده و به بستر‌هاي سنگي زير زمين که معمولاً سنگ آهک مي‌باشند مير سد سنگ آهک مخلوطي از کربنات کلسيم و منيزيم مي‌باشد اسيد ضعيف، آهک را در خود حل مي‌کند و موجبات سختي آب را فراهم مي‌آورد.

منيزيم و کلسيم به عنوان عناصر دو قلوي سختي زا شهرت دارند و از آنجايي که از لحاظ خواص به هم نزديک هستند هرچه در باره آنها طرح گردد در باره ديگري نيز صادق است.

سختی آب ناشي از يونهاي کلسيم، منيزيم، باريم، هيدرو کربنات، کلر، سولفات و نيتراتها و آهن و منگنز مي‌باشد ولي چون غير از ترکيبات کلسيم و منيزيم ساير ترکيبات قابل صرفنظر کردن هستند (بدليل غلظت بسيار کم آنها) بنا براين اصطلاحاً به مجموع کاتيونهاي کلسيم و منيزيم سختي آب مي‌گويند معمولاً سختي آب به دو قسمت موقت و دائم تقسيم مي‌شود.

ب- سختي موقت

منظور از سختي موقت يا سختي کربناتي و يا سختي بي کربناتي، املاح بي کربنات کلسيم و منيزيم است که دراثر حرارت دادن از حالت محلول بصورت غير محلول در مي‌آيد مثلاً بي کربنات کلسيم در آب در اثر حرارت به رسوب کربنات کلسيم تبديل مي‌شود .

پ- سختي دائم

سختي دائم يا سختي غير کربناتي، املاح سولفات، کلرايد، نيترات و... و کلسيم و منيزيم است که به مقدارمعيني تابع درجه حرارت آب است بصورت محلول در آب مي‌باشد ولي در اثر ازدياد درجه حرارت و بخار شدن آب،حد حلاليت تقليل يافته و در نتيجه رسوب ظاهر مي‌گردد.

ت- سختي کل

سختي کل عبارت از مجموع سختي کربناتي و غير کربناتي يعني سختي غير کربناتي+ سختي کربناتي =سختي کل

آب مهمترين سيال در حرارت و برودت است كه وظيفه انتقال گرما در مبدلهاي حرارتي را به عهده دارد .

در برجهاي خنك كن، بويلرها و چيلرها از آب به عنوان مايع مبدل استفاده مي‌شود بطوريكه گردش آب موجب تبادل حرارتي مي‌گردد.

معمولا آب استفاده شده در كاربردهاي حرارتي و برودتي از نوع آب سخت (با سختي بيش از 150 ppm) است که توضیحات آن در شرح کامل سختی گیر داده شده است.

آبهاي سخت تشكيل رسوب كربنات كلسيم مي‌دهند كه مشكلات متعددي را بوجود مي‌آورد . اين پوسته به شكل رسوب بر روي سطوح داخلي لوله‌هاي حامل آب باعث كاهش ظرفيت انتقال جريان آب و انتقال جريان حرارت مي‌شود.

هنگامي‌كه آبهاي سخت حرارت داده مي شوند تشكيل رسوب خيلي سريعتر انجام مي‌گيرد كه مشكلات زيادي را در بويلرها و مبدلهاي حرارتي به وجود مي‌آورند.

يك لايه رسوب به قطر يك ميليمتر بر روي سطوح گرم كننده يك آب گرم كن بصورت عايق حرارتي عمل كرده و در نتيجه تقريباً %10 افزايش هزينه به وجود خواهد آمد.

تشكيل رسوب در جدارها و ديوارها باعث آسيبهاي فراواني به تأسيسات حرارتي و برودتي ميشود كه مهمترين آنها كاهش بازدهي مبدلها و در نتيجه افزايش انرژي راهبردي است .

آناليز شيميايي رسوب نشان ميدهد كه تركيب اصلي تشكيل دهنده كربنات كلسيم، سولفات كلسيم، سولفات باريم، سيليكا و آهن است كه در صد فراواني كربنات كلسيم بيشتر از تركيبات ديگر مي‌باشد.

ث- رسوب

در تبديل سختي آب به رسوب و تشكيل آن در سیستم‌ها، سه پارامتر مهم نقش اساسي را ايفا مي‌كنند. اين عوامل عبارتند از: دما، قلياييت و فشار

1- دماي آب

افزايش دماي آب باعث كاهش حلاليت فلزات قليايي خاكي و تركيبات آنها (بارزترين نمونه آن كلسيم مي‌باشد) در آب شده و افزايش رسوب گذاري را در پي خواهد داشت.

2- قلياييت آب

با كاهش اسيديته و افزايش قلياييت آب، حلاليت آن نيز كمتر شده كه نتيجه آن افزايش رسوب خواهد بود. نمودارکاهش حلاليت با افزايش قليائيت

3-فشار آب

كاهش فشار آب، كاهش حلاليت را در پي خواهد داشت كه ماحصل آن نيز مانند موارد قبلي، افزايش ميزانرسوب‌گذاري خواهد بود.

ج- روش‌هاي مهار املاح و رسوب آب

براي برطرف كردن آثار آب سخت، روش های گوناگونی وجود دارد که مهمترین آنها روش های زیر است:

1- روش تبادل يوني

- يکي از روشهايي که موجب حذف املاح وکاتيون‌ها و آنيون‌هاي تشکيل دهنده هدايت الکتريکي آب مي‌گردد سيستمی با روش تبادل يوني است در اين روش از فرآيند تعويض يوني استفاده ميگردد و در عين حال سيستمهاي اسمز معکوس مي‌توانند به عنوان مکمل سيستمهاي دي يونايزر استفاده شوند.

اگر بخواهيم املاحي را که باعث ايجاد رسوب مي‌شود( سختي) حذف کنيم از سختي گير استفاده مي‌کنيم و اگر بخواهيم آب فاقد کليه املاح باشد از ديونايزر استفاده مي‌کنيم.

رزين‌هاي موازنه کننده يون، ذرات جامدي هستند که مي‌توانند يونهاي نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکي والان بر لیتر از يون مطلوب، با بار الکتريکي مشابه جايگزين کنند.

اين روش برای محلولهای با غلظت نسبتاً بالا امكان‌پذير است ولی از نظر اقتصادی اگر T.D.S آب ورودی (آب خام) کمتر از 700 ppm باشد اين فرايند مقرون به صرفه است.

اين کاتيونهاي متحرک مي‌توانند در يک واکنش تعويض يوني شرکت کنند به همين صورت يک تعويض کننده آنيوني داراي نقاط کاتيوني غير متحرکي است که آنيون‌هاي متحرکي مثل يا به آن متصل مي‌باشد.

در اثر تعويض يون، کاتيون‌ها يا آنيون‌هاي موجود در محلول با کاتيون‌ها و آنيون‌هاي موجود در رزين تعويض مي‌شود، بگونه‌اي که هم محلول و هم رزين از نظر الکتريکي خنثي باقي مي‌ماند.

طبقه‌بندي رزين‌ها

رزين‌ها بر حسب گروه عامل تعويض متصل به پايه پليمري رزين به چهار دسته تقسيم مي‌شوند:

رزين‌هاي کاتيوني قوي SAC (Strong acidis Cation) 

رزين‌هاي کاتيوني ضعيف WAC (Weak acids Cation)

رزين‌هاي آنيوني قوي SBA (Strong basic anion) 

رزين‌هاي آمونيوني ضعيف ( WBA (Weak basic anion

بطور کلي رزين‌هاي نوع قوي در يک محدوده وسيع PH و رزين‌هاي نوع ضعيف در يک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. وليکن با استفاده از رزين‌هاي نوع ضعيف، صرفه‌جويي قابل توجهي در مصرف مواد شيميايي مورد نياز براي احيا رزين را باعث مي‌شود.

رزين‌هاي کاتيوني قوي قادر به جذب کليه کاتيونهاي موجود در آب مي‌باشد ولي نوع ضعيف قادر به جذب کاتيونهاي هستند که به قليائيت آب مرتبط است و محصول سيستم اسيد کربنيک است.

مزيت رزين‌هاي کاتيوني ضعيف بازدهي بالاي آنها در مقايسه با رزينهاي کاتيوني قوي مي‌باشد، در نتيجه باعث توليد پساب کمتر در احيا مکرر مي‌گردد.

اصولا زماني که هدف جداسازي کليه کاتيونها، آب است ،بکارگيري توام رزين کاتيوني قوي و ضعيف اقتصادي تر از بکارگيري رزينهاي کاتيوني قوي مي‌باشد.

رزين‌هاي آنيوني قوي قادر به جذب کليه آنيونهاي موجود در آب بوده ولي رزين‌هاي آنيوني قادر به جذب آنيون اسيدهاي قوي نظير اسيد سولفوريک، کلريدريک و نيتريک مي‌باشد.

رزين‌هاي آنيوني ضعيف مقاوم تر از رزينهاي آنيوني قوي بوده و به همين جهت در سيستم‌هاي تصفيه آب، رزين‌هاي آنيوني قوي در پاين دست رزينهاي آنيوني ضعيف قرار مي‌گيرند.

برخي از کاربردهاي رزين‌ها 

رزين‌هاي کاتيوني سديمي‌ ، نه تنها کاتيون‌هاي سختي آور آب ،بلکه همه يون‌هاي فلزي را با سديم تعويض مي‌کنند.

براي احيا اين نوع رزين‌ها کافي است که رزين را با آب نمک شست و شو دهيم تا رزين به فرم اوليه خود برگردد.

با رزين‌هاي کاتيوني چه نوع هيدروژني و چه نوع سديمي‌مي‌توان آهن و منگنز را چون بقيه کاتيونها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزين‌ها معمولا مشکلاتي داشته و بايد نکاتي را رعايت کرد.

1- اولا بايد دقت کرد که قبل از حذف يون آهن توسط رزين هيچ هوايي با آب در تماس قرار نگيرد چون در اثر مجاورت

با هوا، آهن و منگنز محلول در اب اکسيده شده و غير محلول در مي‌آيند و در نتيجه روي ذرات رزين رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزين مي‌گردد.

2- حذف سيليکات از آبهاي صنعتي با استفاده از رزين‌هاي آنيوني قوی

3- حذف آمونياک از هوا بوسيله زئوليت‌هاي طبيعي اصلاح شده

محاسبه و انتخاب واحد تبادل يوني

اگر بخواهيم آب بدون يون داشته باشيم بايد از دي يونايزر استفاده کنيم، بدين منظور از دو و يا چند دستگاه تبادل يوني کاتيوني و آنيوني که بصورت سري قرارگرفته باشند استفاده مي‌کنيم .

بنابراين مبادله کننده يوني اولي از نوع کاتيون هيدروژني بوده و مبادله کننده يوني دومي‌ از نوع آنيوني هيدروکسيلي مي‌باشد براي محاسبه واحد تبادل يوني، ابتدائاً باید آناليز آب را داشته باشيم.

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.

دي يونايزر

صنعت هایی  نظير دارو سازي ، آب مقطر سازي ، تولید کنندگان قطعات الكترونيكي ، بعضی از تولید کنندگان قطعات خودرو و غیره ، به آب با كيفيت بالا وبدون يون نياز دارند.

دي يونايزر دستگاهي است شامل يك ستون آنيوني، و آنیونی كه قابليت توليد آب بدون يون با هدايت الكتريكي زير 1ميكروزيمنس را دارا مي‌باشد.

در ستون كاتيوني كليه كاتيون‌ها شامل كلسيم، منيزيم سديم،پتاسيم ودر ستون آنيوني كليه آنيونها شامل كربنات سولفات، كلرايد نيترات وسيليكات حذف مي‌گردند.

يونهايي که در اکثر سيستمهاي آبي طبيعي در اندازه‌گيري T.D.S مشاهده مي‌شود، در جدول زير آورده شده است.

آنهايي که در قسمت اجزاي اصلي ليست شده اند، غالباً براي مشخص کردن ميزان جامدات محلول آب کافي بوده، و اينها يونهاي معمول (Common Ions) ناميده مي‌شود.

نکات مهم در مورد سيستم تبادل يونی

شرايط و مقادير مجاز آب ورودی به دستگاه تبادل يونی

- برای تصفيه آب نبايد رزين‌های آنيونی پيش از کاتيونی قرار گيرد زيرا PH آب خروجی از دستگاه تبادل يونی کاتيونی قليايي بوده و برخی از کاتيونها روی آنيونها رسوب کرده و باعث تخريب رزينها می‌شوند.

- آب عبوری از ستون تبادل يونی هميشه بايد بدون مواد کلوئيدی و معلق باشد مواد ريز معلق موجب مسدود شدن خلل و فرج رزين‌ها مي‌شود.

- جهت نگهداری طولانی مدت رزين‌ها و جلو گيری از تخريب و آسيب ديدن آنها در توقف‌های طولانی مدت، مي‌توان رزين را توسط کلريد سديم اشباع کرد.

- قيمت رزين‌های آنيونی به دليل پيچيده بودن فرايند توليد آنها خيلی بيشتر از رزين‌های کاتيونی مي‌باشد.

- به دليل اسيدی و يا قليايي بودن آب درون دستگاههای مبادله کننده يونی کاتيونی و آنيونی، جداره داخلی مخازن بايستی در مقابل اثرات خورندگی آن مقاوم باشد.

بنابراين بايستی یا از مخازن فايبر گلاس ويا 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 يونی از سوی این صنایع از جنس F. R. P استفاده مي‌شود که برای هر ماده شيميايي 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 توليد شده توسط R.O و يا الکترودياليز دارای يون مي‌باشند برای تهيه آب بدون يون لازم است يک سيستم تبادل يونی به دنبال سيستمهای فوق قرار داده شود.

سختي‌گير

از آنجاييکه در ديگهاي بخار و آب گرم و آب داغ سختي باعث ايجاد رسوب مي‌شود پس باید سختي را حذف نمود لذا بدين منظور از سختي‌گير که هم سختي موقت و هم سختي دائم را حذف مي‌کنند استفاده مي‌شود.

در محاسبه و انتخاب يک سختي گير پارامترهاي زير موثرند:

1- دبي آب ورودي به سختي گير

2- سختي آب ورودي

3- نوع و ظرفيت رزين

4- سيکل احياء و شستشو (فاصله زماني بين دو تا احياء رزين‌ها)

از مشخصه‌هاي مهم سختي‌گيرها، نوع رزين، حجم رزين، ابعاد سختي‌گير (قطر و ارتفاع) و جنس سختي‌گير مي‌باشد.

سازندگان رزينها معمولاً مشخصات کاملي از محصولات توليدي خود را ارائه مي‌دهند سپس با توجه به فرمول ذیل ظرفيت رزين را بدست آورده سپس حجم رزين را حساب مي‌کنيم:

M=TH(ppm)×V (gpm) ×T(min)/17.1

R.V=V/R.C 

که M مقدار سختي آب (در فاصله دو احياء) به گرين.

R.Vحجم رزين به فوت مکعب.

Thسختي کل ورودي به V .

gpm دبي آب سختي گيري شده به گالن بر دقيقه(آب تغذیه – معمولاً 2% تا4% آب در گردش سیرکولاسبون)

Tزمان بين دو احياء (سيکل احياء به دقيقه معمولاً ضریبی از شبانه روز مثلاً 24 ، 48 و یا 72 ساعت)

R.C ظرفيت رزين بر حسب گرين 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.