سختی گیر

مقدمه

سختی آب ناشی از وجود کاتیونهای کلسیم و منیزیم محلول در آب می باشد. هر چند کاتیونهای دیگر چون آهن و منگنز می توانند تولید سختی کنند ولی چون غلظت آنها در مقایسه با دو کاتیون فوق الذکر بسیار کم است، لذا اصطلاحا به مجموع کاتیونهای کلسیم ومنیزیم سختی آب می گویند.

معمولا سختی را در انواع زیر بیان می کنند:

  1. سختی کل: به مجموع غلظت یون کلسیم ومنیزیم گفته می شود.
  2. سختی کربناتی یا موقت: سختی برابر یا کمتر از قلیائیت کل می باشد.
  3. سختی غیر کربناتی یا دائم: سختی بیش از سختی کربناتی که برابر با اختلاف سختی کل و قلیائیت کل است.

منظور از سختی موقت (کربناتی) یا به عبارت بهتر، سختی بی کربناتی، املاح بی کربنات کلسیم و منیزیم است که در اثر حرارت دادن و یا افزایش PH آب از حالت محلول به صورت غیر محلول در آمده و رسوب می کنند.

H2O + Ca (HCo3)2 Co2 + 2H2O + CaCo3

منظور از سختی دائم یا غیر کربناتی، املاح سولفات، کلراید، نیترات و … کلسیم و منیزیم است که در اثر حرارت دادن رسوب نمی کنند. اگر قلیائیت کل آب برابر یا بیشتر از سختی کل آن باشد، سختی آب به صورت سختی کربناتی خواهد بود اما اگر قلیائیت کل آب کمتر از سختی کل آن باشد، سختی کربناتی آب معادل قلیائیت بوده و سختی دائم اختلاف بین سختی کل و قلیائیت می باشد.

طبق آزمایشات و تجربه های علمی و عملی، میزان سختی مناسب آب جهت هر نوع مصرف در استانداردهای مربوطه مشخص می باشد. لذا بالا بودن این میزان (در اغلب موارد این حد در منابع آبی بالاتر از میزان مجاز مصرف است) باعث بروز مشکلاتی در هر سیستم می گردد.

برای آگاهی از میزان این پارامتر نظر شما را به جداول مشخصات آب مصرفی طبق استانداردهای ملی ایران مانند استاندارد شماره 1053 مربوط به کیفیت آب آشامیدنی جلب می نماییم.

با توجه به اهمیت مناسب بودن این مقادیر، در ذیل پاره ای از اثرات زیان بخش وجود سختی بیش از حد مجاز در آب مصرفی بیان می شود:

  • سختی آب عامل اصلی تشکیل رسوب در دستگاههای حرارتی، دیگهای بخار و برج های خنک کننده می باشد. این رسوب می تواند باعث کاهش انتقال حرارت، کاهش عمر مفید سرویس دادن و بهره گیری از تجهیزات و اجزا آن و حتی تعطیلی واحد و نهایتا کاهش راندمان تولید و همچنین پایین آمدن کیفیت محصول می گردد. مشکلات دیگر شامل: تولید بخار با کیفیت پایین، خوردگی در بویلرها و سیستمهای حرارتی و لوله های ارتباطی و … می باشد.
  • در زمینه مصرف مواد شیمیایی مانند صابون یا شامپوها، بدین صورت بوده که سختی آب با این مواد ترکیب شده و آن را به صورت نامحلول در آورده، لذا با رسوب دادن مواد صابونی عملا ماده شوینده را از نقش اصلی خود باز داشته و باعث مصرف بیش از اندازه این مواد می شود.
  • در صنایع نساجی و غذایی وجود سختی در آب باعث باقی گذاردن لکه روی محصولات نساجی و غذایی گردیده و کیفیت محصول را پایین می آورد.
  • در آب آشامیدنی وجود سختی بیش از حد مجاز باعث بروز بیماریهایی از قبیل برخی ناراحتی های کلیوی و مثانه، سخت شدن جدار رگها، سوء هاضمه و اختلال در سیستم گوارش می گردد.

از دیگر مضرات سختی آب می توان به: از بین رفتن و یا کاهش طعم و مزه نوشیدنی ها، دیر پخته شدن مواد غذایی مانند حبوبات و … اشاره داشت.

در بحث آب مصرفی (بهداشتی) درجه بندی سختی آب را می توان مطابق جدول زیر بیان نمود:

سختی آب
(mg/L)
0 ~ 50 50 ~ 100 100 ~ 200 200 ~ 500
نوع آب نرم سختی کم سختی متوسط سختی زیاد

با ذکر این مقدمه به روشهای متداول کاهش سختی آب می پردازیم:

  1. روش آهک زنی
  2. روش آهک / آهک سودا زنی گرم
  3. روش تبادل یونی

استفاده از دو روش اول در شرایط زیر مطلوب تر است ولی به طور کلی با وجود روش های جدید، کمتر استفاده می شوند:

  • آب خام حتما نیاز به فیلتراسیون داشته باشد.
  • سختی آب بیشتر از نوع موقت باشد.
  • حجم آب خام مورد نیاز و نیز سختی آن زیاد باشد.

در زمینه کاربردهای تجاری، مواد شیمیایی مختلفی تهیه شده که دارای کربنات سدیم بوده و با تزریق آن به آب ورودی به سیستم یا دستگاه ها مانند بویلرها، آهک را رسوب داده و باعث نرم شدن آب تغذیه دیگ بخار می شوند ولی متداولترین روش کاهش پارامتر سختی آب، استفاده از روش تعویض یونی است.

شرایطی که این روش را برای کاهش سختی آب مطلوب تر می کند عبارتند از:

  • مقدار رنگ و کدورت آب کم باشد.
  • سختی آب بیشتر از نوع غیر کربناتی یا دائم باشد.
  • سختی آب متغیر باشد.
  • حجم آب مصرفی در رنج کم یا متوسط باشد.

روش تبادل یونی در تصفیه آب:

در این روش از رزین های تعویض کننده یون استفاده می گردد. رزین های تعویض یونی ذرات جامدی هستند که می توانند یون های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون دیگر با مضرات کمتر یا مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند.

رزین ها به دو دسته معدنی و مصنوعی تقسیم می شوند.به رزین های معدنی اصطلاحا زئولیت می گویند. به عنوان مثال در طبیعت، سنگ هایی یافت می شوند که می توانند یون های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف نمایند و به جای آن یون سدیم آزاد کنند از این رو به زئولیت های سدیمی مشهور شدند.

در فرآیند تعویض یونی، کاتیون های (یا آنیون ها) محلول در آب با کاتیون های (یا آنیون های) موجود در رزین تعویض می شوند به گونه ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می مانند. بدین ترتیب یون عامل سختی با یون موجود در رزین جابجا شده و عامل سختی از جریان آب جدا و حذف می گردد.

امروزه غالبا از رزین های مصنوعی که با ماده تبادل مطلوب پوشش داده شده استفاده می کنند. این رزین ها بدلیل داشتن سطح بیشتری از محل های تبادل و سادگی احیای آنها سودمندتر هستند. رزین های مصنوعی به صورت صنعتی و طی فرآیندهای پیچیده با انواع مختلف و کاربردهای متنوع تولید می شوند ولی به طور کلی به دو دسته اصلی: کاتیونی و آنیونی و به صورت رزین های پایه ضعیف و قوی تقسیم می شوند.

مشخصات سختی گیرهای ساخت شرکت تصفیه آب و فاضلاب ایران

به طور کلی بدنه سختی گیر به صورت استوانه ای شکل و از ورق فولادی با ضخامت متناسب با ابعاد و فشار عملیاتی و تست ساخته می شود. فشار مناسب کارکرد سختی گیرها عموما بین حداکثر 1/2 الی 4 بار ولی تست مخازن فلزی معمولا تا فشار 8 بار می باشد.
سختی گیرهای ساخت این شرکت در دو نوع: نیمه اتوماتیک و تمام اتوماتیک با توجه به سفارش خریداران محترم قابل تحویل می باشد.

مخزن سختی گیر به صورت دو جداره ای در کف ساخته و به دلیل وجود صفحه دوبل در پایین مخزن، شعاع انحنا عدسیهای طرفین بیش از سایر انواع آن است.

نازلهای تعبیه شده در صفحه دوبل سختی گیرها و یا در کلکتور جمع آوری آب تصفیه شده، از جنس پلی اتیلن و مقاوم در برابر اثرات مواد شیمیایی و با اندازه شکاف مناسب با توجه به قطر ذرات رزین بوده و با توجه به تعداد و آرایش آنها عمل جمع آوری آب تصفیه شده بطور کاملا یکنواخت و یکسان انجام می گیرد.

به منظور انجام تعمیرات، تعویض رزین و یا سرویس دستگاه از دو عدد دریچه بازدید از نوع فلانچی در قسمت فوقانی و کنار بدنه مخزن استفاده می گردد.

با توجه به نوع سیستم انتخابی و به منظور توزیع یکنواخت آب ورودی، از آب پخش کن فوقانی با فرم و مشخصات مناسب استفاده می شود.

جهت جلوگیری از خوردگی، کلیه سطوح مجاور با آب پس از زیرسازی و آماده سازی با سه لایه رنگ اپوکسی مرغوب محافظت و کلیه سطوح خارجی مخزن پس از زیرسازی با دو لایه رنگ مرغوب روغنی رنگ آمیزی می شود. هر دستگاه سختی گیر مجهز به مانو متر، شیر هواگیری، شیر نمونه برداری، شیر کنترل خط مکش نمک، مخزن تهیه محلول آب نمک و لوله کشی ارتباطی بوده به طوری که آماده نصب به خط تصفیه و بهره برداری خواهد بود.

جهت انجام واکنش تبادل یونی از رزینهای کاتیونی مناسب با ظرفیت بالا استفاده می شود. ظرفیت تبادلی این رزینها معمولا بستگی به درجه احیای آنها دارد. عمل تعویض یونی در سیکل مشخص و محدود که بستگی به حجم آب تصفیه شده، میزان سختی آب ورودی و خروجی، درجه احیا و ظرفیت اسمی سختی گیر دارد انجام می پذیرد.

متداولترین رزین کاتیونی قابل استفاده در مصارف عمومی، رزین کاتیونی پایه سدیم (R Na+) می باشد. این رزین معمولا دارای ظرفیت تبادل بین 18 الی 40 هزار گرین به ازای هر فوت مکعب از رزین را داراست. طریقه احیای این نوع رزین به کمک آب نمک با مقدار نمک لازم طبق اطلاعات مندرج در جدول سختی گیرهای این شرکت می باشد.

طریقه محاسبه ظرفیت سختی گیر:

برای محاسبه ظرفیت سختی گیر ابتدا بایستی میزان سختی آب را اندازه گیری نمود که معمولا به صورت آزمایشگاهی یا به کمک تست کیت های مخصوص در محل انجام می پذیرد. واحد سختی به طور کلی بر حسب میلی گرم بر لیتر (mg/L) یا قسمت در یک میلیون (ppm) یا بر حسب گرین بر گالن (grain/gal) بیان می شود. از طرفی باید حجم آب عبوری از دستگاه در محدوده مشخص زمانی تعیین و بر اساس گالن (gal) در نظر گرفته شود.

طریقه محاسبه ظرفیت سختی گیر ها به صورت خلاصه طبق رابطه ذیل انجام می شود:

سختی
قابل حذف
(grain/gal)
× دبی آب عبوری
در هر سیکل طراحی شده
(gal)
= ظرفیت
سختی گیر
(grain)

لازم به ذکر است سختی گیرهای با ظرفیت و مشخصات خاص بر حسب سفارش و طراحی مناسب ساخته می شوند. جهت آشنایی بیشتر یک مثال ذکر تا نسبت به محاسبه ظرفیت سختی گیر ابهامات رفع گردد:

مثال: برای محاسبه ظرفیت سختی گیر برای پروسه ای که میزان آب مصرفی آن معادل 30 متر مکعب در شبانه روز با حد سختی ورودی 650 میلی گرم در لیتر و سختی خروجی در حد صفر به ترتیب ذیل عمل می نماییم:

7936/5 ~ 8,000 (gal) = 3/78 ÷ 30,000 : میزان آب عبوری
در یک سیکل طراحی
(24 ساعت)
38 (grain/gal) = 17/1 ÷ 650 : میزان سختی آب
قابل حذف
304,000 (grain) = 38 × 8,000 : ظرفیت سختی گیر
مورد نیاز
دبی آب لازم جهت
شستشوی معکوس
حجم مخزن
آب نمک
حجم رزین سایز لوله و شیرآلات ابعاد مخزن رزین آبدهی سختی گیر مقدار نمک
جهت هر دوره احیا
ظرفیت سختی گیر مدل سختی گیر
ارتفاع × قطر حداکثر نرمال حداکثر حداقل حداکثر حداقل
m3/h lit Ft3 inch cm m3/h m3/h kg kg grain grain
0/35 120 1 ½ 30 × 100 1/60 1/15 6/8 4/5 30,000 20,000 T.A.F-W.S-22
0/80 120 1/5 ¾ 30 × 100 2/75 2/15 10/2 6/8 45,000 30,000 T.A.F-W.S-34
1/50 150 2 1 30 × 100 3/40 2/27 13/6 9 60,000 40,000 T.A.F-W.S-45
1/50 200 2/5 1 30 × 125 4/54 3/40 17 11/5 75,000 50,000 T.A.F-W.S-57
2 200 3 1 30 × 150 6/80 4/54 20 13/6 90,000 60,000 T.A.F-W.S-67
2 200 4 1 40 × 150 9/07 6/80 27 18 120,000 80,000 T.A.F-W.S-90
2/70 220 5 1 ¼ 50 × 150 9/50 7/90 34 22/6 150,000 100,000 T.A.F-W.S-112
3/50 220 7 1 ½ 60 × 150 14/10 9 47/5 32 210,000 140,000 T.A.F-W.S-160
3/50 220 9 1 ½ 60 × 150 14/10 9 61 41 270,000 180,000 T.A.F-W.S-200
5/70 300 11 1 ½ 75 × 150 14/10 9 75 50 330,000 220,000 T.A.F-W.S-250
5/70 300 15 2 75 × 150 22/20 16 100 68 45,0000 30,0000 T.A.F-W.S-340
8 500 20 2 90 × 150 32 22/70 135 90 60,0000 40,0000 T.A.F-W.S-450
8 1,000 25 2 ½ 90 × 180 32 22/70 170 113 75,0000 50,0000 T.A.F-W.S-560
10/20 1,000 30 2 ½ 100 × 180 40 32 203 135 90,0000 60,0000 T.A.F-W.S-675
13/60 1,500 40 2 ½ 120 × 180 45/30 34 271 180 1,200,000 80,0000 T.A.F-W.S-900
18/20 1,500 50 3 135 × 180 68 45/30 340 225 1,500,000 1,000,000 T.A.F-W.S1120
18/20 1,500 50 4 135 × 180 74 51 340 225 1,500,000 1,000,000 T.A.F-W.S-1125
23 2,000 67 4 150 × 180 85 56/7 452 340 2,000,000 1,500,000 T.A.F-W.S-1700
23 2,500 84 4 150 × 225 91 64 565 452 2,500,000 2,000,000 T.A.F-W.S-2260
25 3,000 100 5 175 × 250 93 66 678 565 3,000,000 2,500,000 T.A.F-W.S-2800
27/20 3,500 117 5 190 × 250 96 68 790 678 3,500,000 3,000,000 T.A.F-W.S-2825
27/20 4,000 134 5 175 × 300 102 80 905 790 4,000,000 3,500,000 T.A.F-W.S-3950