سختی آب(Hardness) یک شاخص کمی برای نشان دادن برخی خصوصیات کیفی آب نظیر پتانسیل رسوب گذاری آب است. یونهای کلسیم و منیزیم مهمترین عوامل متشکله سختی آب هستند. هرچه غلظت این یونها در آب بالاتر باشد، سختی آب نیز بالاتر است. با افزایش سختی آب، رسوب گذاری آب بالاتر و توانایی ایجاد کف در حضور مواد شوینده کمتر خواهد بود. 

 

قطعا یکی از اصلی ترین نیازهای انسان آب است. ما برای فعالیت های روزانه خود، از آشپزی گرفته تا نوشیدن و حمام کردن به آب نیازمندیم. صنایع مختلف نیز بدون استفاده از آب نمی توانند به فعالیت خود ادامه دهند. با این حال کیفیت تمام آب ها یکسان نیست. شناسایی خصوصیات کیفی آب متناسب برای هر کاربری نظیر شرب و صنعتی بسیار حایز اهمیت است. 

سختی آب یکی از شاخص های مهم مربوط به شناسایی کیفیت آب است. استفاده از آب با سختی نامناسب در صنعت می تواند خسارت بسیار زیادی را به دنبال داشته باشد. نوشیدن آب با سختی بسیار کم یا سختی بالا در بلند مدت نیز پیامدهای مخربی بر سلامتی انسانها دارد.

*

سختی آب چیست؟

سختی آب(Hardness) شاخصي براي نشان دادن غلظت برخي از تركيبات معدنی محلول درآب می باشد. مهمترين يونهاي تشكيل دهنده “سختي آب” يونهاي کلسیم و منیزیم هستند. البته غلظت يونها يا كاتيونهاي دو يا چند ظرفيتی محلول ديگري نيز نظير آلومينيوم،‌ استرانسيوم،‌ آهن و غيره نيز در در سختی آب اندازه گيري مي شود. ولي به دليل پايين بودن غلظت اين كاتيونها در مقايسه با كلسيم و منيزيم در آبهاي مختلف معمولاً از غلظت آنها در محاسبه سختی آب صرفنظر مي شود. 

مواد معدنی موجود در خاك در تماس با آبهاي زير زميني يا در هنگام عبور آبهاي سطحي از میان سنگ ها و بستر زمين در كوه ها،‌ رودخانه ها،‌ درياچه ها يا درياها در آب حل شده و غلظت آن ها میزان سختی را تعیین می کند. هرچه حضور این تركيبات معدنی يا به تعبير دقيقتر علمي،‌ غلظت آنها در آب بیشتر باشد، آب سخت تر خواهد بود. 

مفهوم فيزيكي يا سنجش كيفي سختي آب متناظر با پتانسيل رسوب گذاري آب مي باشد. هرچه آب سختر باشد، رسوب گذاري بيشتر و هرچه آب نرم تر باشد، رسوب گذاري كمتر دارد. زيرا غلظت یونهای کلسیم و منیزیم محلول در آب بر مشخصات کیفی آب در كاربردهاي مختلف تأثیر می گذارد. در كاربردهاي صنعتي آب با سختي بالا با رسوب گذاري در لوله ها،‌ مخازن،‌ بويلر،‌ مبدلهاي حرارتي و غيره هزينه هاي تعميرات و نگهداري تأسيسات را افزايش مي دهد. حتي نوشيدن آب با سختي با بالا در بلند مدت منجر به بروز سنگهاي كليوي در بدن انسان مي شود. 

*

سختی موقت و سختی دائم

سختی آب به دو گروه سختی موقت(Temporary Hardness) و سختی دائم(Permanent Hardness) طبقه بندی مي شود. به مجموع این دو نوع سختی نيز سختی کل(Total Hardness) گفته می شود.

سختی موقت ناشی از وجود تركيبات بی کربنات در آب است که با جوشاندن آب می توان آن را به شكل رسوب از آب جدا كرد. با گرم كردن آب به دماهاي بالاتر از ۴۰ درجه سانتيگراد،‌ یونهای بی کربنات طي واکنش شیمیایی به یون های کربنات تبدیل می شوند و سپس رسوب می کنند. زيرا با افزايش دما به بيش از ۴۰ درجه سانتيگراد، حلاليت كربنات كلسيم،‌سولفات كلسيم و تركيبات ديگر در آب كم مي شود. با حذف نمكهاي سولفات و كربنات كلسيم از طريق رسوب، سختی موقت آب كاهش پيدا مي كند.

از طرفی سختی دائمی ناشی از وجود تركيبات کلریدها يا سولفيدهاي کلسیم و منیزیم است که با جوشاندن نمی توان آن را از بین برد. این نوع سختی به فرايندهاي دیگری برای حذف شدن نیاز دارد که این روش ها در ادامه بررسی خواهد شد.

جدول زیر حلالیت کلسیم سولفات، کلسیم کربنات و دی اکسید کربن را در آب در دماهای مختلف نشان می دهد.

 

*

واحد و روشهاي اندازه گيري سختی آب 

سختی آب با واحدهای مختلفی از جمله قسمت در میلیون (ppm)، میلی گرم در لیتر (mg/L) و قسمت در گالن (gpg) اندازه گیری می شود. روشهاي اندازه گيري سختي آب  متنوع و با دقتهاي مختلف مي باشد كه به طور خلاصه معرفي مي شوند. 

روش تیتراسیون:

روش تیتراسیون یک تکنیک رایج و قديمي برای اندازه گیری سختی آب است. این روش شامل افزودن یک معرف، به طور معمول اتیلن دی آمین تترا استیک اسید (EDTA) است که با یون های کلسیم و منیزیم موجود در آب واکنش می دهد. واکنش با استفاده از یک نشانگر، مانند اریوکروم سیاه T، که با واکنش تمام یون‌های کلسیم و منیزیم تغییر رنگ می‌دهد، کنترل می‌شود. حجم معرف مصرفي مورد نیاز برای رسیدن به نقطه پایانی متناسب با سختی آب است.

طیف سنجی جذب اتمی (AAS):

AAS یک روش پیشرفته تر سنجض سختي آب است که نتایج دقیقی را ارائه می دهد. این روش عبارت است از تبخیر نمونه آب و عبور آن از یک شعله یا یک کوره گرافیت گرم شده الکتریکی. اتم های نمونه نور را در طول موج های مشخص جذب می کنند و نور جذب شده برای تعیین غلظت یون های کلسیم و منیزیم آنالیز و اندازه گیری می شود. AAS به تجهیزات و تخصص پیچیده ای نیاز دارد اما دقت و حساسیت بالایی را ارائه می دهد.

روش رسانایی:

روش رسانایی(Conductivity) یک روش سریع، آسان و البته نادقيق برای تخمین سختی آب است. با استفاده از این روش، توانایی آب برای هدایت جریان الکتریکی را اندازه گیری می شود که مستقیماً با غلظت مواد معدنی محلول در آب ارتباط است. با توجه به اينكه رسانايي آب تنها ناشي از وجود يونهاي كلسيم و مينيزيم نمي باشد،‌اين روش سنجش سختي آب در مقايسه با روش تیتراسیون یا AAS دقيق نيست. 

استفاده از رسانایی سنج(Conductivity meter) دستی روشي سريع برای اندازه گیری هدایت الکتریکی نمونه آب است. در صورت پايين بودن هدايت الكتريكي آب،‌سختي آب قطعا پايين خواهد بود ولي در صورت بالا بودن هدايت الكتريكي،‌امكان اظهار نظر دقيق در مورد ميزان سختي آب با اين روش وجود ندارد. 

*

معايب و مضرات آب سخت

استفاده از آب سخت معايب، مضرات و تأثيرات منفي بسياري بر تجهیزات و سیستم های لوله کشی در كاربردهاي صنعتي و خانگي دارد. محتوای بالای مواد معدنی در آب سخت می تواند منجر به تشکیل رسوبات آهکی شود که می تواند لوله ها را نيمه مسدود يا مسدود کند، جریان آب را کاهش دهد و به تجهیزات آسیب برساند.

در كاربريهاي خانگي وسایلی مانند ماشین ظرفشویی، ماشین لباسشویی و در كابري صنعتي بویلرها و مبدلهاي حرارتي نیز می توانند تحت تاثیر آب سخت قرار گیرند. رسوبهاي آهکي می تواند کارایی آنها را کاهش، مصرف انرژی را افزایش و طول عمر آنها را کوتاه کند.

جدا از تأثیری که آب سخت بر تجهیزات دارد، می‌تواند بر سلامت انسان نیز تأثیر منفی بگذارد. استفاده از آب آشاميدني با سختي بالا در بلند مدت منجر به سنگهاي كليوي مي شود. علاوه بر اين هنگام استحمام با آب حاوی سختی بالا، مواد معدنی موجود در آب می‌توانند با صابون و شامپو واکنش نشان داده و بقایای خود را روی پوست و مو نشان دهند. این مواد باعث خشکی و خارش پوست شده و موها را کدر می کند.

*

چگونه سختي آب را بگيريم؟

چندین فرايند و راه حل مختلف برای مقابله با آب سخت وجود دارد که در ادامه به برسی آن ها می پردازیم. همچنین برای مطالعه بیشتر در خصوص فرایندهای صنعتي جداسازي و كاهش سختي آب پیشنهاد می شود این مقاله را در سايت شركت فران مطالعه كنيد: (حذف سختی آب)

سختی گیری از آب با استفاده از رزین تبادل یونی

رایج ترین روش از بین بردن سختی آب، استفاده از رزین های سختی گیر مانند رزین کاتیونی C100 است. رزین های سختی گیر از فرآیندی به نام تبادل یونی استفاده می‌کنند که در آن آب سخت از بستری که حاوی رزین های تبادل یونی است عبور می‌کند. رزین ها یون های کلسیم و منیزیم را جذب کرده و به دام می اندازند و یون های سدیم یا پتاسیم را به جای آنان آزاد می کنند. رزین های سختی گیر در کاهش سختی و جلوگیری از اثرات منفی آب سخت موثر هستند. آنها می توانند طول عمر و کارایی دستگاه ها را بهبود بخشند، رسوب آهک را کاهش دهند و تمیز کردن را آسان تر کنند. در ادامه به ساز و کار فرایند سختی گیری از آب با استفاده از رزین تبادل یونی می پردازیم.

فرایند حذف سختی آب با استفاده از رزین های سختی گیر

هنگامی که آب سخت وارد مخزن رزین می شود، یون های کلسیم و منیزیم موجود در آب توسط دانه های رزین جذب می شوند. سپس یون‌های سدیم روی دانه‌ها در آب رها می‌شوند و به طور موثر جایگزین یون‌های کلسیم و منیزیم می‌شوند.

با گذشت زمان، دانه های رزین با یون های کلسیم و منیزیم اشباع شده و نیاز به احیا پیدا می کنند. فرایند احیا به وسیله ی شستشوی معکوس مخزن رزین با محلولی مثل آب نمک انجام می شود. یون‌های سدیم در محلول آب نمک با یون‌های کلسیم و منیزیم روی دانه‌های رزین جایگزین می‌شوند و کلسیم و منیزیم خارج خواهند شد. پس از فرآیند احیا، مخزن رزین با آب خالص شستشو داده می شود تا محلول آب نمک باقیمانده از بین برود.

مزایای رزین تبادل یونی:

• حذف موثر: رزین تبادل یونی در از بین بردن سختی آب بسیار کارآمد است. این روش می تواند سطوح سختی آّب را تا نزدیک به صفر کاهش دهد و در نتیجه آب نرم و قابل استفاده حاصل شود.
• مقرون به صرفه: سرمایه گذاری اولیه برای سیستم رزین تبادل یونی در مقایسه با روش های دیگر نسبتاً کم است. علاوه بر این، رزین را می توان احیا کرده و دوباره استفاده کرد که این مسئله استفاده از رزین های تبادل یونی سختی گیر را به یک راه حل طولانی مدت مقرون به صرفه تبدیل می کند.
• تعمیر و نگهداری آسان: سیستم های رزین تبادل یونی به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارند. بستر رزین نیاز به احیای دوره ای دارد که شامل شستشوی آن با محلول آب نمک برای شارژ مجدد یون های سدیم است.

معایب رزین تبادل یونی:

• محتوای سدیم: فرآیند رزین تبادل یونی یون‌های کلسیم و منیزیم را با یون‌های سدیم جایگزین می‌کند، که ممکن است برای افرادی که رژیم‌های غذایی کم سدیم دارند یا کسانی که شرایط خاصی از لحاظ سلامت دارند مناسب نباشد.
• تولید پساب: در طول فرآیند احیای رزین، مقدار قابل توجهی پساب تولید می شود. تولید پساب می تواند در مناطقی که با کمبود آب مواجه هستند یا قوانین سختگیرانه زیست محیطی دارند، موضوعی نگران کننده باشد.

*

فرايند اسمز معکوس در كاهش سختي آب

فرايند اسمز معکوس یک روش متداول برای كاهش طیف گسترده ای از ناخالصی ها از جمله سختی آب است. در این فرآیند، آب از یک غشای نیمه تراوا عبور می کند که مواد معدنی و سایر ناخالصی ها را به دام می اندازد و محصول آن آبی با سختی مناسب است. نصب و نگهداری سیستم های اسمز معکوس می تواند پر هزینه باشد، اما در حذف سختی آب و بهبود کیفیت آب بسیار موثر است.

در آب شيرين كن صنعتي با فرايند اسمز معکوس، آب با فشاری که از طریق یک پمپ فشار قوي به آن اعمال می شود از یک غشاي نیمه‌تراوا عبور می‌کند. این فرآیند به گونه‌ای است که تنها آب و اجزاء مولکولی کوچکتر از آب از ممبران عبور می‌کنند و ذرات محلول درشت، مواد آلی، مواد شیمیایی، و مواد معدنی اجازه عبور از ممبران را ندارند.

اسمز معکوس می‌تواند به خوبی از آب سخت که حاوی املاح معدنی مثل کلسیم و منیزیم است، این املاح را حذف کرده و سختی آب را بهبود بخشد.

*

آهک زنی

آهک زنی یک روش تصفیه شیمیایی است که شامل افزودن آهک به آب سخت است. آهک با یون های کلسیم و منیزیم واکنش می دهد و ترکیبات نامحلولی را تشکیل می دهد که می توانند به راحتی از طریق ته نشینی یا فیلتراسیون حذف شوند.

در فرایند آهك زني، شيره آهك به آب افزوده می‌شوند. در واقع آهک به عنوان منبع یون کلسیم عمل می‌کند. آهک با یون‌های منیزیم و کلسیم در آب واکنش می‌دهد و ترکیبات جدیدی مثل کربنات کلسیم (CaCO3) و هیدروکسید منیزیم (Mg(OH)2) تشکیل می‌شوند. ترکیبات جدید تشکیل شده به صورت رسوبات جامد از آب جدا می‌شوند. رسوبات تشکیل شده به عنوان رسوبات غیرمحلول در آب حاصل از این واکنش، به‌ وسیله ته نشيني، فیلترها یا تجهیزات دیگر جدا می‌شوند. 

طبق تجارب مهندسی فران، پیشنهاد می شود به عناصر دیگر در آب، نظیر یون‌های آلومینیوم یا فلزات سنگین نیز توجه شود. در بعضی موارد، افزودن آهک ممکن است باعث افزایش غلظت این عناصر شود که باید با راهکارهای دیگر مدیریت شوند. همچنین، پیشنهاد می‌شود تحقیقات بیشتری در زمینه آنالیز آب و نحوه اعمال آهک برای مصارف خاص انجام شود.

فرایند آهک زنی معمولاً در تصفیه خانه های آب در مقیاس بزرگ استفاده می شود، اما می توان از آن برای مصارف خانگی نیز استفاده کرد. با این حال، آهک زنی می تواند قلیایی بودن آب را افزایش دهد که ممکن است برای همه کاربردها مناسب نباشد. مصرف زیاد آهک در این فرآیند ممکن است به مشکلات زیست‌محیطی منجر شود، به همین دلیل باید مقدار مصرفی آهک با دقت تعیین شود.

*

مقایسه آب سخت و آب نرم

آب سخت با سطوح بالای یون های کلسیم و منیزیم محلول مشخص می شود. این محتوای معدنی می تواند پیامدهای قابل توجهی برای مصارف مختلف خانگی و صنعتی داشته باشد. از اينرو شناسايي و سنجش كيفي آن حايز اهميت است. 

وقتی صحبت از عملکرد صابون و مواد شوینده به میان می آید، آب سخت توانایی کف کردن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

وجود یون‌های کلسیم و منیزیم در آب سخت به تجمع رسوبات آهکی در لوله‌ها، لوازم خانگی و آبگرمکن‌ها کمک می‌کند که منجر به کاهش راندمان و کاهش طول عمر این دستگاه‌ها می‌شود.

 

آب نرم نيز با سطوح پایین غلظت یون های کلسیم و منیزیم مشخص می شود. معمولاً در مناطقی یافت می‌شود که تماس کمتری با ذخایر معدنی دارند یا از آب حاوی یون‌های سدیم تأمین می‌شوند.

آب نرم برای عملکرد صابون و مواد شوینده مناسبتر است، زیرا اجازه کف کردن را به آسانی می دهد و برای دستیابی به نتایج رضایت بخش به صابون کمتری نیاز دارد. کاهش محتوای مواد معدنی در آب نرم، تشکیل رسوبات رسوب را به حداقل می رساند و باعث افزایش کارایی و طول عمر بیشتر لوازم خانگی می شود. در مصارف بهداشتی، آب نرم شستشوی بهتر را تسهیل می‌کند و معمولا طعم بهتر و ظاهری شفاف تر دارد.

*

تفاوت سختی و TDS

سختی آب و TDS (Total Dissolved Solids) یا مواد محلول کل، دو مفهوم مختلف در شیمی آب هستند، اما هر دو به ویژگی‌های یونهای محلول در آب اشاره دارند. این دو مفهوم در واقعیت با یکدیگر مرتبط هستند، اما اختلافاتی نیز دارند:

سختی

سختی آب عمدتاً به میزان یون‌های کلسیم (Ca²⁺) و منیزیم (Mg²⁺) محلول در آب اشاره دارد. این یون‌ها معمولاً از فرآیند تبادل یون در زمین و آب های زیرزمینی به آب اضافه می‌شوند. مقدار سختی آب با واحد ppm (بخش در میلیون یا میلی‌گرم در لیتر) یا درجه فرانهایت (به معنای تعداد گریدهای سختی) اندازه‌گیری می‌شود.

 

TDS (مواد محلول کل)

TDS به مجموع کل مواد يا يونهاي محلول در آب اشاره دارد. این مواد ممکن است شامل انواع مختلف مواد شیمیایی نظیر مواد معدنی، املاح، یون‌ها، آلاینده‌ها و حتی مواد آلی باشند. مقدار TDS نیز با واحد ppm یا mg/L اندازه‌گیری می‌شود.

به طور خلاصه می توان گفت که سختی آب فقط به میزان یون‌های کلسیم و منیزیم اشاره دارد، در حالی که TDS تمام مواد محلول کل را در نظر می‌گیرد. علاوه بر این در شاخص TDS، ممکن است مواد محلول شامل آلاینده‌ها و مواد شیمیایی مختلف باشند، در حالی که سختی آب به یون‌های خاصی محدود است.

هر دو مقیاس TDS و سختی آب می‌توانند نشانگرهای مهمی از کیفیت آب باشند. افزایش مقادیر هرکدام از این دو می‌تواند تأثیرات مختلفی روی آب و کاربردهای مختلف آب داشته باشد.