املاح
املاح موجود در آب یکی از عمده ترین مشکلات و موارد مربوط به آب می باشد که همه ساله میلیونها دلار در جهان صرف نگهداری و تعمیرات تجهیزات و لوله کشی های آسیب دیده و در دیگهای بخار و آبگرم از آن میشود. این مساله عامل اصلی گشوده شدن زمینه ای به نام سختی گیری و صنایع مربوط به آن شده است.
املاح
ضریب هدایت حرارتی رسوبهای توپر: Btu/ft22
ضریب هدایت حرارتی رسوبهای متخلخل: Btu/ft6/0
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 بنام اسید کربنیک می دهد این اسید همراه با قطرات باران به زمین می بارد.
H2O+CO2H2CO3
این اسید ضعیف از خاکهای سطحی عبور کرده و به بستر های سنگی زیرزمین که معمولا سنگ آهک می باشند میرسد سنگ آهک مخلوطی از کربنات کلسیم و منیزیم میباشد. اسید ضعیف، آهک را در خود حل میکند وموجبات سختی آب را فراهم می آورد.
H2CO3+MgCO3———Mg(HCO3)2
H2CO3+CaCO3———–Ca(HCO3)2
منیزیم و کلسیم به عنوان عناصر دو گانه سختی زا شهرت دارند و از آنجایی که از لحاظ خواص به هم نزدیک هستند هر چه درباره هر یک از آنها طرح گردد درباره دیگری نیز صادق است.
سختی آب ناشی از ین های کلسیم، منیزیم، باریم، هیدرو کربنات، کلر، سولفات و نیتراتها و آهن و منگنز می باشد ولی چون غیر از ترکیبات کلسیم و منیزیم سایر ترکیبات (بدلیل غلظت بسیار کم آنها) قابل صرفنظر کردن هستند بنابراین اصطلاحا به مجموع کاتیونهای کلسیم و منیزیم سختی آب می گویند معمولا سختی اب به دو قسمت موقت و دائم تقسیم می شود.
سختی موقت
منظور از سختی موقت یا سختی کربناتی و یا سختی بی کربناتی، املاح بی کربنات کلسیم و منیزیم است که در اثر حرارت از حالت محلول بصورت غیر محلول درمیاید. مثلا بی کربنات کلسیم در آب در اثر حرارت به رسوب کربنات کلسیم تبدیل می شود.
Ca(HCO3)2—————CO2+H2O+CaCO3
اگر تجریه بی کربنات کلسیم در محل و زمانی نا مطلوب اتفاق افتد علاوه بر ایجاد رسوب کربنات کلسیم، گاز انیدرید کربنیک هم حاصل می شود که باعث کاهش شیر کنترل شده PH می شود.
Ca(HCO3)2———– H2CO3+CaCO3
سخنی دائم
سختی دائم یا سختی غیر کربناتی ملاح سولفات، کلراید، نیترات و… و کلسیم و منیزیم است که به مقدار معینی تابع درجه حرارت آب بصورت محلول در آب می باشد ولی در اثر ازدیاد درجه حرارت و بخار شدن آب، حد حلالیت تقلیل یافته و در نتیجه رسوب ظاهر می گردد.
سختی کل
سختی کلی عبارت از مجموع سختی کربنانی و غیر کربناتی یعنی:
سخت غیر کربناتی (سختی دانم) + سختی کربناتی (سختی موقت) = سختی کل
آب مهمترین سیال در حرارت و برودت است که وظیفه انتقال گرما در مبدلهای حرارتی را به عهده دارد. در برجهای خنک کن، بویلرها و چیلرها از آب به عنوان سیال عامل استفاده می شود به طوریکه گردش آب موجب تبادل حرارتی می گردد.
معمولا آب استفاده شده در کاربردهای حرارتی و برودتی از نوع آب سخت (با سختی بیش ازppm 150) است، آبهای سخت تشکیل رسوب کربنات کلسیم میدهند که مشکلات متعددی را بوجود می آورد. این پوسته به شکل رسوب بر روی سطوح داخلی لوله های حامل آب باعث کاهش ظرفیت انتقال جریان آب و انتقال جریان حرارت می شود.
رسوب
هنگامی که آبهای سخت حرارت داده می شوند تشکیل رسوب خیلی سریع انجام می گیرد که مشکلات زیادی را در بویلرها و مبدلهای حرارتی به وجود می آورند یک لایه رسوب به قطر یک میلیمتر بر روی سطوح گرم کننده یک آب گرمکن بصورت عایق حرارتی عمل کرده و در نتیجه تقریبا ۱۰ ٪ افزایش هزینه به وجود خواهد آمد.
تشکیل رسوب در جداره ها و دیواره ها باعث آسیبهای فراوانی به تأسیسات حرارتی و برودتی میشود که مهمترین آنها کاهش بازدهی مبدلها و در نتیجه افزایش انرژی راهبری است . آنالیز شیمیایی رسوب نشان می دهد که ترکیب اصلی تشکیل دهنده کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریم، سیلیکا و آهن است که درصد فراوانی کربنات کلسیم بیشتر از ترکیبات دیگر می باشد.
مقاومت حرارتی کربنات کلسیم بسیار زیاد بوده و در صورت تشکیل رسوب در دیواره ها نقش یک عایق را بازی میکند که این امر نقش به سزایی در کاهش بازدهی مبدلهای حرارتی دارد.
اگر بتوان از تشکیل کربنات کلسیم در جداره مبدلهای حرارتی جلوگیری کرد روند کاهش باز دهی با گذشت زمان متوقف می شود زمانی که آبهای سخت وارد سیستم های صنعتی با مصارف خانگی می شود .
در اثر سه عامل مهم، سختی آنها تبدیل به رسوب می شود. این سه عامل عبارتند از دمای آب، اسیدی یا قلیایی بودن آب و فشار آب. در این میان نقش دمای آب بسیار بارزتر نمایان می شود. اینک اثر سه عامل فوق در تبدیل سختی آب به رسوب و تشکیل آن در سیستم ها مورد بررسی قرار می گیرند:
دمای آب
افزایش دمای آب باعث کاهش حلالیت فلزات قلیایی خاکی و ترکیبات آنها (بارزترین نمونه آن کلسیم) در آب شده و افزایش رسوب گذاری را در پی خواهد داشت.
قلیاییت آب
با کاهش اسیدیته و افزایش قلیاییت آب، حلالیت املاح آن نیز کمتر شده که نتیجه آن افزایش رسوب خواهد بود.
فشار آب
کاهش فشار آب، کاهش حلالیت را در پی خواهد داشت که ماحصل آن نیز مانند موارد قبلی، افزایش میزان رسوب گذاری خواهد بود. اگر تغییرات فشار در آب رخ دهد بطوریکه فشار آن از زیاد به کم تغییر کند بعلت خارج شدن گاز کربنیک حل شده در آب خاصیت اسیدی آب کاهش پیدا کرده در نتیجه رسوب تشکیل می شود.
روش مهار املاح و رسوب آن
برای برطرف کردن آثار آب سخت، روش های گوناگونی وجود دارد که مهمترین آنها روش های زیر است:
روش تبادل یونی
یکی از روش هایی که موجب حذف املاح و کاتیون ها و آنیون های تشکیل دهنده هدایت الکتریکی آب میگردد سیستم تبادل یونی است. از فرایند تعویض یونی استفاده میگردد و در عین حال سیستمهای اسمز معکوس میتوانند به عنوان مکمل سیستم های یونایزر استفاده شوند.
اگر بخواهیم املاحی را که باعث ایجاد رسوب میشوند حذف کنیم از سختی گیر استفاده میکنیم و اگر بخواهیم آب فاقد کلیه املاح باشد از دیونایزر استفاده میکنیم.
رزین های 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.
این روش برای محلول های با غلظت نسبتا بالا امکان پذیر است ولی از نظر اقتصادی اگر TDS آب ورودی (آب خام) کمتر از ppm700 باشد این فرایند مقرون به صرفه است این کاتیون های متحرک ( معمولا و ) میتوانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون های متحرکی مثل و به آن متصل می باشند.
در اثر تعویض یون، کاتیون ها یا آنیون های موجود در محلول با کاتیون ها و آنیون های موجود در رزین تعویض میشود، به گونه ای که هم محلول و هم رزین از نظر شیمیایی خنثی باقی می ماند.
طبقه بندی رزین ها
رزین ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می شوند:
رزین های کاتیونی قوى (SAC ( Strong Acidis Cation
رزین های کاتیونی ضعیف (WAC ( Weak Acids Cation
رزین های آنیونی قوی (SBA ( Strong Basic Anion
رزین های آمونیونی ضعیف (WBA ( Weak Basic Anion
بطور کلی رزین های نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزین های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولیکن با استفاده از رزین های نوع ضعیف، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیاء رزین را باعث می شود.
رزین های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونهایی هستند که به قلیائیت آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
مزیت رزین های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزینهای کاتیونی قوی می باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیاء مکرر می گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکارگیری توأم رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تراز بکار گیری رزینهای کاتیونی قوی می باشد.
رزین های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونهای موجود در آب بوده ولی رزین های آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک، کلریدریک و نیتریک می باشد. رزین های آنیونی ضعیف مقاوم تر از رزینهای آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم های تصفیه آب، رزین های آنیونی قوی در پایین دست رزینهای آنیونی ضعیف قرار می گیرند.
برخی از کاربردهای رزینها
رزین های کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیونهای سختی اور آب بلکه همه یونهای فلزی را با سدیم تعویض می کنند. برای احیاء این نوع رزین های کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به حالت اولیه خود برگردد.
با رزین های کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می توان آهن و منگنز را چون بقیه کاتیونها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین ها معمولا مشکلاتی بوجود می آید و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا باید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی در تماس با آب قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا، آهن و منگنز محلول در آب اکسیده میشود و به صورت غیر محلول در می آیند، در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می گردد.
محاسبه و انتخاب واحد تبادل یونی
صنایع حساسی نظیر دارو سازی، آب مقطر سازی، شستوشوی قطعات الکترونیکی به آب با کیفیت بالا و بدون یون نیاز دارند. یکی از راه های تولید آب بدون یون، استفاده از سیستم تبادل یونی است. برای محاسبه واحد تبادل یونی، ابتدا باید آنالیز آب را داشته باشیم.
دی یونایزر دستگاهی است شامل یک ستون آنیونی و آنیونی که قابلیت تولید آب بدون یون با هدایت الکتریکی کمتر از ۱ میکروزیمنس را دارا می باشد. در ستون کاتیونی کلیه کاتیون ها شامل کلسیم، منیزیم سدیم، پتاسیم و در ستون آنیونی کلیه آنیون ها شامل کربنات سولفات، کلراید نیترات و سیلیکات حذف میگردند.
میتوان از دو و یا چند دستگاه تبادل یونی کاتیونی و آنیونی که به صورت سری قرار گرفته باشند استفاده کرد. بنابراین مبادله کننده یونی اولی از نوع کاتیون هیدروژنی بوده و مبادله کننده یونی دومی از نوع آنیونی هیدروکسیلی میباشد.
همانطوریکه ملاحظه میشود خروجی دستگاهها، آب بدون املاح است. یونهایی که در اکثر سیستمهای آبی طبیعی در اندازه گیری TDS مشاهده میشود، در جدول آورده شده اند. آنهایی که در قسمت اجزای اصلی لیست شده، غالبا برای مشخص کردن میزان جامدات محلول آب، کافی بوده و« یون های معمول » (Common Ions) نامیده میشوند.
یونهای موجود در آب
تولید آب بدون یون
ابتدا آب خام وارد مبادله کننده کاتیونی قوی شده و سپس وارد دی گازر شده و گازها از جمله CO2 آن خارج شده سپس وارد یک مخزن شده و از انجا توسط پمپ به مبادله کننده قوی هدایت میشود در اینحالت ممکن است TDS آب به چند ppm کاهش یافته و مقدار سیلیس آن نیز به حدود ppm 1/0 برسد.
نکات مهم در مورد سیستم تبادل یونی و دستگاه RO
یونهای مجاز در آب
– برای تصفیه آب نباید رزین های آنیونی پیش از کاتیونی قرار گیرد زیرا PH آب خروجی از دستگاه تبادل یونی کاتیونی قلیایی بوده و برخی از کاتیون ها روی آنیونها رسوب کرده و باعث تخریب رزین ها میشوند.
– آب عبوری از ستون تبادل یونی همیشه باید بدون مواد کلوئیدی و معلق باشد مواد ریز معلق موجب مسدود شدن خلل و فرج رزین ها می شود.
– جهت نگه داری طولانی مدت رزین ها و جلوگیری از تخریب و آسیب دیدن در توقف های طولانی مدت میتوان رزین را توسط کلرید سدیم اشباع کرد.
– قسمت رزین های آنیونی به دلیل پیچیده بودن فرایند تولید آنها خیلی بیشتر از رزین های کاتیونی می باشد.
-به دلیل اسیدی یا قلیایی بودن آب درون دستگاه های مبادله کننده یونی کاتیونی و آنیونی، جداره داخلی مخازنبایستی در مقابل اثرات آن مقاوم باشد بنابراین بایستی درون دستگاههای مبادله کننده یونی از جنس FRP استفاده میشود که برای هر ماده شیمیایی مناسب است.
– آب تولید شده توسط R.O و یا الکترودیالیز دارای یون میباشند برای تهیه آب بدون یون (آب مقطر) لازم است یک سیستم تبادل یونی به دنبال سیستمهای فوق قرار داده شود.