دستگاه سختی گیر چیست؟ (آخرین ویرایش۲۰۱۸)

    دستگاه سختی گیر یکی از روش های موثر حذف سختی آب و به عنوان پیش تصفیه دستگاه تصفیه آب صنعتی استفاده می گردد.

    اگر به دنبال اطلاعات کاملی درباره دستگاه های سختی گیر و یا صحیح ترین راه کارهای علمی برا انتخاب بهترین دستگاه سختی گیر می باشید، مطالب زیر را مطالعه کنید .

    سختی، مقدار کاتیون های فلزی دوظرفیتی در آب است که برحسب میلی گرم بر لیتر کربنات کلسیم (mg/l CaCO3) بیان می شود. این کاتیون ها عبارتند از: کلسیم، منیزیم، استرونسیم، آهن و منگنز. عوامل اصلی سختی Ca+2 و Mg+2 هستند و به همین دلیل سختی (Hardness) به صورت مجموع یونهای کلسیم و منیزیم نمایش داده می شود.

    وجود سختی در آب می تواند اثرات زیان آوری را بخصوص در صنعت به دنبال داشته باشد، بنابراین باید با دستگاه سختی گیر به روشهای مناسب از آب حذف شود. عملیات حذف سختی می تواند به طریقه دستگاه سختی گیر به روش افزودن مواد شیمیایی و یا به کمک رزین های تبادل یون انجام شود. همچنین برخی روش های دیگر نظیر الکترودیالیز، اسمز معکوس، تقطیر و انجماد نیز در سختی مؤثر هستند که با تماس با شرکت شیمیایی و تحقیقاتی رسوب آب پویا از مشاوره رایگان در زمینه ساخت انواع دستگاه های تصفیه آب بهره ببرید.

    انواع دستگاه سختی گیر آب:

    روش سختی گیری در تصفیه آب می تواند به دو روش ته نشینی یا رسوبدهی شیمیایی (Chemicical Precipitation) و روش تبادل یون (Ion Exchange) انجام گیرد. در روش رسوبدهی شیمیایی هیچ گاه سختی به صفر نمی رسد چون عوامل سختی که رسوب می نمایند (عمدتاً کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم) مقداری در آب، محلول می باشند.

    الف) دستگاه سختی گیر تبادل یون (Ion Exchange)

    دستگاه سختی گیر تبادل یونی فرآیندی است که در آن یونهای متصل به گروه های عامل باردار سطح یک جسم یا یونهای با بار مشابه در یک محلول که جسم جامد در آن قرار گرفته، مبادله می گردند. این مبادله قابل برگشت است و برای انجام آن لازم است که یک فاز جامد و یک فاز مایع در تماس با هم قرار گیرند. جسم جامد به نحوی انتخاب می شود که یونهای آن با یونهای محلول هم علامت باشند.

    در تصویر زیر دستگاه سختی گیر تبادل یونی و اجزای آن را مشاهده می کنید:

    دستگاه سختی گیر تبادل یون

    مکانیسم دستگاه سختی گیر تبادل یون چیست؟

    در دستگاه سختی گیر تبادل یونی، فاز محلول در واقع یک محلول الکترولیت است و دارای یونهایی می باشد. هدف فرآیند دستگاه سختی گیر تبادل یونی جداسازی آنها از محلول است و فاز جامد همان ماده ای است که عمل تبادل یون را به کمک آن انجام می دهیم.

    دستگاه سختی گیر تبادل یون

    در تصویر بالا نحوه تبادل یونی در آب حاوی نمک توسط رزین آنیونی و رزین کاتیونی را مشاهده می کنید. در این تصویر یون های با بار مثبت به رزین های کاتیونی و یون های با بار منفی به رزین های آنیونی متصل می گردد.

    محلول الکترولیت باید چه ویژگی هایی داشته باشد؟

    این فاز باید متخلخل ( سطح زیاد در واحد حجم ) و در شبکه مولکولی خود دارای گروه های عامل (Functional Groups ) باشد که به هر گروه یک یون متصل است و بالاخره اینکه بار یونهای محلول الکترولیت با بار یونهای سطح جامد مشابه باشند. بر همین اساس مبادله کننده ها یا مبدلهای یونی تهیه شده اند.

    انواع مبدل های یونی:

    این مبدلها به طور کلی به دو دسته طبیعی و رزینهای سنتتیک تقسیم می شوند. مبدلهای یونی را بر اساس نوع یونی که مبادله می نمایند به سه دسته رزین کاتیونی، رزین آنیونی و رزین آمفوتریک تقسیم می کنند.

    رزین تبادل یونی

    در زمینه حذف کاتیونهای مولد سختی آب با کمک سختی گیر رزینی، فاز محلول آب است و فاز جامد یک مبادله کننده کاتیونی می باشد. معمولاً در دستگاه سختی گیر تبادل یونی، کاتیونها با سدیم (Na+) یا هیدروژن ( H+ ) تعویض می شوند.

    انواع رزینهای کاتیونی:

    رزینهای تبادل کاتیون شامل دو گروه می باشند :

    رزینهای تبادل کاتیون دارای یکی از گروههای عامل یونی مانند کربوکسیلیک، سولفونیک، فسفونیک و یا فنلیک هستند.

    نحوه عملکرد رزین های تبادل یونی به چه صورت می باشد؟

    در دستگاه سختی گیر رزینی نیز همانند سختی گیری با مواد شیمیایی، یونهای کلسیم و منیزیم موجود در آب با یونهای دیگر یعنی کاتیون غیرمولد سختی که معمولاً سدیم است، تعویض می شوند. در کاربردهای اولیه تبادل یونی، از مواد معدنی طبیعی نظیر زئولیت های ماسه سبز (Green Sand Zeolites) که شامل مواد آنالسیت (Analcites)، کلین اپتیلولیت (Clinoptilolite) و مونت مورینولیت (Montmorinolite) می باشد، استفاده می شد. اما در کاربردهای جدید از رزینهای سینتک (Synthetic Resins) که بیشتر پلیمرهای مصنوعی هستند، استفاده می شود. این رزینها دارای محل های تبادل بیشتری هستند و به سادگی احیا می شوند.

    نحوه کارکرد دستگاه سختی گیر تبادل یونی

    در فیلم زیر نحوه عملکرد دستگاه سختی گیر تبادل رزینی را با جزییات کامل می توانید مشاهده کنید:

    مکانیسم تماس آب سخت با دستگاه سختی گیر تبادل یونی چیست؟

    وقتی آب سخت در تماس با مبدل یونی دستگاه سختی گیر قرار می گیرد، مبادله زیر به طور کلی رخ می دهد:

    دستگاه سختی گیر

    این واکنش تقریباً آنی رخ می دهد و عمل تبادل تا زمانی ادامه دارد که تمام محل های تبادل در مبدل اشغال شود.

     

    مقدار ظرفیت رزین چقدر است؟

    هر رزین یک ظرفیتی دارد که آنرا ظرفیت کل یا تئوریک ( Total or Theoretical Capacity ) می نامند و عبارت است از مقدار کل یونهای قابل تبادل از نظر تئوریک در واحد حجم رزین که برحسب اکی والان در لیتر گزارش می شود.

    آیا ظرفیت کل رزین با ظرفیت عملی آن متفاوت است؟

    اما ظرفیت عملی ( Operating Capacity ) ظرفیت مفید در هنگام عملیات و انجام واکنش است. ظرفیت عملی همواره از ظرفیت تئوریک کمتر است و انتخاب شرایط مناسب در دستگاه سختی گیر تبادل یونی می تواند این دو ظرفیت را به هم نزدیک نماید.

    هنگام اشباع رزین تبادل یونی چه باید کرد؟

    وقتی ظرفیت عملی رزین مورد استفاده قرار گرفت به تدریج عوامل مولد سختی در آب خروجی پدیدار می شوند که به این حالت، شکست (Breakthrough) می گویند. در این شرایط باید با عبور یک محلول غلیظ محتوی یونهای سدیم از درون بستر (مثلاً کلرور سدیم ۵ تا ۱۰ درصد) عمل احیا (Regeneration) را انجام داد:

     

    دستگاه سختی گیر

    آیا می توان ظرفیت رزین سختی گیر تبادل یونی را محاسبه کرد؟

    محاسبه ظرفیت رزین سختی گیر تبادل یونی و بازدهی آن به عوامل متعددی نظیر نوع ماده تبادل کننده، کیفیت آب، نوع سطح جاذب جامد، مقدار مواد احیاکننده و زمان تماس جهت احیا بستگی دارد. به طور کلی ظرفیت مواد تبادل یونی در محدوده meq/g ۲-۱۵ حدود kg/m3 ۱۰-۱۵ قرار دارد و احیای آنها با کمک ۸۰-۱۶۰ کیلوگرم کلرور سدیم برای هر مترمکعب رزین به صورت محلول ۵ تا ۲۰درصد و جریان l/min-m2 ۴۰ انجام می شود.

    چهار مرحله اصلی کاربرد بسترهای تبادل یون دستگاه سختی گیر:

    در کاربرد بسترهای تبادل یون دستگاه سختی گیر، چهار مرحله اصلی وجود دارد که عبارتند از :

    • بهره برداری (Operation or Service): عبور سیال از بستر رزین و انجام عمل تبادل است که تا رسیدن به حالت تعادل ادامه می یابد.
    • شستشوی معکوس (Backwash): استفاده از آب در جهت عکس است که توده های به هم چسبیده رزین و ذرات ریز را جدا کرده و حبابهای گاز و هوا نیز خارج می شوند.
    • احیا(Regeneration): استفاده از یک محلول احیاکننده مناسب ( نظیر HCl یا NaCl و …) برای جایگزینی یونهای مناسب در رزین برای بهره برداری مجدد است.
    • شستشوی نهایی (Rinsing): این عمل جهت جداسازی بقایای ماده احیاکننده در رزین است که با کمک آب انجام می شود و رزین را برای کار مجدد مهیا می نماید.

    در دستگاه سختی گیر تبادل یونی فاز مایع و جامد چگونه تماس پیدا می کنند؟

    در عمل دستگاه سختی گیر تبادل یونی روش های مختلفی برای تماس فاز مایع و جامد وجود دارد که عبارتند از :

    • سیستم منقطع ( Batch System )
    • سیستم پیوسته ثابت ( Continuous Fixed – Bed System )
    • سیستم پیوسته با بستر سیال ( Continuous Fluidized – Bed System )
    • سیستم پیوسته با جریانهای متقابل ( Continuous Counter – Current System )

    در ادامه به شرح دستگاه سختی گیر به روش رسوب دهی شیمیایی و مکانیسم آن می پردازیم.

    ب: دستگاه سختی گیر به روش رسوب دهی شیمیایی

    انواع مختلف سختی دارای حلالیت های مختلف هستند و از بین آنها کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم کمترین میزان حلالیت را دارند. عمل سختی گیری به روش رسوبدهی شیمیایی از طریق تبدیل سختی کلسیم به کربنات کلسیم و سختی منیزیم به هیدروکسید منیزیم انجام می شود. در این دستگاه سختی گیر می توان از فرآیند آهک کربنات سدیم (Soda Ash) و یا فرآیند سود قلیایی یا سود سوزآور (Caustic Soda) استفاده نمود.

    مکانیسم سختی گیر به روش رسوب دهی شیمیایی چیست؟

    کلسیم و منیزیم می توانند به اشکال کربنات و هیدروکسید فسفات رسوب نمایند. کربنات ها و هیدروکسیدها در این دستگاه سختی گیر به وسیله آهک و آهک – سودا ایجاد می شوند. حلالیت CaCO3 و MgCO3 در ۲۰ درجه سانتی گراد به ترتیب حدود ۸.۴ و ۱۱۰ میلی گرم در لیتر است. در حضور آهک مازاد، MgCO3 به Mg(OH)2 تبدیل می شود که در ۲۰ درجه سانتی گراد حدود ۸.۴ میلی گرم در لیتر حلالیت دارد.

    به عنوان نتیجه می توان این گونه بیان نمود:

    • برای حذف کلسیم کربناته می توان از آهک به تنهایی استفاده نمود.
    • برای حذف کلسیم و منیزیم کربناته نیاز به آهک اضافی می باشد.
    • برای حذف کلسیم غیرکربناته استفاده از کربنات سدیم لازم است.
    • برای حذف کلسیم کربناته و غیر کربناته مصرف آهک و سودا ضروری است.

    لازم به ذکر است که فسفات سدیم نیز می تواند به عنوان یک عامل رسوب دهنده یونهای Ca+2 و Mg+2 مورد استفاده قرار گیرد. فسفاتهای کلسیم و منیزیم حاصله نسبت به کربنات ها و هیدروکسیدهای مشابه کم محلولتر هستند (کمتر از ۳ میلی گرم در لیتر بر حسب CaCO3). واکنش های مربوط عبارتند از :

    دستگاه سختی گیر

    لازم به ذکر است به دلیل قیمت نسبتاً گران فسفات به عنوان یک رسوب دهنده استفاده از فسفات سدیم متداول نیست و گاهی اوقات که به سختی بسیار پایین در آب نیاز است می توان برای حصول بهترین شرایط اقتصادی از آن در ترکیب با آهک و کربنات سدیم استفاده نمود.

    گزینه های مختلف فرآیند سختی گیری از طریق رسوبدهی شیمیایی:

    به طور کلی پنج روش مختلف برای فرآیند سختی گیری به طریقه شیمیایی وجود دارد که به نوع سختی، درجه سختی گیری، سهولت بهره برداری، کاهش تولید لجن حاصل از کاربرد آهک و صرفه جویی مطلوب در هزینه مواد شیمیایی بستگی دارد.

    • سختی گیری جزئی با آهک (Softening Lime Partial)

    در این روش تنها کربنات کلسیم حذف می شود. تنها تزریق آهک به فرآیند برای افزایش PH به حدود تقریبی ۹.۵ انجام می گیرد. آب سختی گیری شده سپس بوسیله ری کربناسیون یا از طریق افزودن اسید به منظور کاهش PH به حدود ۸.۸ تثبیت می شود، بنابراین ظهور رسوبگذاری شدید در لوله ها، شیرها و اتصالات به حداقل می رسد.

    • سختی گیری با آهک مازاد (Softening Lime Excess)

    این روش برای جداسازی کاتیون های کلسیم و منیزیم به کار می رود. در این فرآیند مقدار اضافی آهک در یک PH حداقل حدود ۱۰.۶ و ترجیحاً ۱۱ تا ۱۱.۳ به کار برده می شود. زیرا هیدروکسید منیزیم به طور مناسبی تشکیل نخواهد شد؛ مگر آنکه PH آب به بالای ۱۱ افزایش داده شود.

    پس از تشکیل Mg(OH)2 آب تحت فرآیند باید برای کاهش PH به محدوده ۸.۸ – ۸.۷ ریکربناته شود. در این مرحله شکل هیدروکسید را به کربنات یا بی کربنات تبدیل خواهد کرد. زیرا آب در PH حدود ۱۱ دارای هیدروکسید کلسیم با غلظت mg/l ۴۰-۵۰ است و این آب ناپایدار می باشد.

    • سختی گیری با آهک کربنات سدیم (Soda Ash Softening Lime)

    این فرآیند برای جداسازی سختی کربناته و بی کربناته به کار می رود. سختی غیرکربناته به طور کلی بوسیله سولفات کلسیم و کلرور کلسیم تولید می شود و کربنات سدیم می تواند برای جداسازی این ترکیبات استفاده شود. در حین سختی گیری PH باید حداقل به ۱۰.۶ برسد و قبل از فیلتراسیون عمل ریکربناسیون یا اسیدی کردن برای تثبیت آب لازم است.

    • سختی گیری با سود سوزآور (Caustic Soda Softening)

    در روشهای ۱ تا ۳ که در فوق ذکر شده می توان به عنوان جایگزین آهک از سود سوزآور استفاده کرد.

    مزایای مهم استفاده از سود قلیایی عبارتد از :

    • تولید لجن کمتر
    • رفع مشکل گرد و غبار و مواد شیمیایی
    • انتخاب سیستم های نگهداری و تغذیه ساده تر

    محدودیتهای اساسی آن نیز عبارتند از :

    • هزینه ۸ تا ۱۰ برابر آهک
    • خطر بالقوه بهداشتی برای بهره برداران که می تواند دارای نشت زیاد باشد
    • مشکلات یخ زدن محلولهای ۵۰ درصدی در دمای ۱۳ درجه سانتی گراد .

     

    • سختی گیری با آهک و سود سوزآور (With both Lime and Caustic Soda Softening)

    این روش تغییری در فرآیند شماره ۴ است به طوری که هزینه شیمیایی و هزینه سرمایه گذاری سیستم تغذیه آهک کاهش داده شده است. واکنش های شیمیایی مربوط به صورت زیر می باشد:

    دستگاه سختی گیر تبادل یونی

    فرآیند کلی تصفیه سختی گیری آب

    کلیه فرآیندهای سختی گیری از آب به طریقه کاربرد مواد شیمیایی شامل واحدهای متعارف اختلاط سریع، لخته سازی، ته نشینی، ریکربناسیون، ته نشینی ثانویه، فیلتراسیون و کلرزنی هستند. در صورتی که تثبیت آب پس از فرآیند سختی گیری به جای CO2 از اسید استفاده شود، فرآیندهای ریکربناسیون و ته نشینی ثانویه حذف می شوند. در کاربرد اسید افزایش غلظت سولفات و یا کلرور حاصل می شود که در افزودن CO2  این گونه نخواهد شد.

شركت شيميايى تحقیقاتی رسوب آب با بيش از سه دهه تجربه در زمينه سيستم هاى تصفيه آب و فاضلاب، همگام با رشد روز افزون صنعت در كشور عزيزمان ايران و با رویکرد استفاده صحيح از منابع آب کشور به عنوان سرمايه ملى با استعانت از خداوند متعال و بهره گرفتن از متخصصين مجرب و احداث كارخانه تولیدی با اخذ پروانه بهره بردارى و دريافت گواهينامه ISO ،اقدام به توليد سیستم هاى تصفيه آب به روش اسمز معكوس و نانو فيلتراسيون و مواد شيميايى مرتبط با این دستگاه ها نموده است.

تهران - خیابان بهار شمالی – پلاک ۲۱۹ - واحد ۲
021 - 77655035-6 | 021 - 77646102-4

فرم تماس





سوالی دارید؟

● در تلگرام، پاسخگوی شما هستیم :)