حذف سختی آب(Softeneing) از طریق فرایندهای سختی گیری آب از نوع حذف سختی موقت و حذف سختی دائم صورت می پذیرد. فرایندهای افزودن آهک و سودا برای حذف سختی موقت آب و افزودن کاستیک برای حذف سختی موقت و دائم به طور سنتی در تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند. فرایند اسمز معکوس نیز با حذف یونهای دو ظرفیتی قابلیت بالایی در کاهش سختی آب دارد. استفاده از رزینهای تبادل یون نیز در حذف سختی آب خصوصاً قبل از بویلرهای صنعتی متداول است. شرکت مهندسی فران طراح و مجری انواع تصفیه خانه های آب صنعتی با انواع فرایندهای سختی گیری می باشد.

 

سختی آب ناشی از وجود کاتیون های دوظرفیتی مانند کلسیم، منیزیم، آهن و منگنز است. لیکن به دلیل وجود غلظت های بسیار کم آهن و منگنز در اغلب آب های سطحی، معمولاً به مجموع غلظت کلسیم و منیزیم موجود در آب، سختی (Hardness) گفته می شود.

تجربه نشان می دهد به طور معمول در آب های سطحی، غلظت کلسیم حدوداً دو برابر منیزیم و در آب دریا غلظت منیزیم حدوداً ۵ برابر غلظت کلسیم است.

سختی موقت و دائم

انواع مختلف آب اعم از آبهای زیرزمینی، آب دریا، آبهای سطحی و آب آشامیدنی حاوی یونهای کاتیون و آنیون با مقادیر و کیفیت متفاوت هستند. متناظر با کاتیون های کلسیم و منیزیم، آنیون هایی در آب وجود دارند. متناظر با کلسیم و منیزیم موجود در آب، اگر آنیون موجود در آب از نوع بی کربنات (HCO₃^–) باشد، به این نوع سختی، سختی موقت، سختی کربناتی (بی کربناتی) می گویند. دلیل اطلاق عنوان “موقت” این است که بر اثر حرارت دادن به این نوع از آب، یون های مولد سختی به جدار ظرف رسوب می کنند و از آب جدا می شوند.

در مقابل اگر آنیون متناظر با کاتیون های منیزیم و کلسیم، آنیون هایی نظیر سولفات، کلراید و یا نیترات باشند، به این نوع سختی، سختی دائم یا غیر کربناتی می گویند.در این نوع از سختی، مادامی که در اثر حرارت و تغلیظ نمونه آب، غلظت نمک ها به سطح اشباع نرسند، رسوبی شکل نخواهد گرفت.

 

فرایند حذف سختی آب با آهک (Lime Softening)

در فرایند حذف سختی آب تا میزان موردنظر لازم است کاتیون های کلسیم و منیزیم را به صورت نامحلول درآورده و رسوب داد. در بین نمک های کلسیم، نامحلول ترین آن کربنات کلسیم و در بین نمک های منیزیم، نا محلول ترین آن، هیدروکسید منیزیم است.

افزودن آهک به آب سخت منجر به تولید رسوب کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم می شود که نتیجه آن جداسازی املاح مازاد کلسیم و منیزیم از آب و کاهش سختی تا میزان موردنظر است.

 

واکنش های شیمیایی تزریق آهک به آب

افزودن آهک(CaO) به آب منجر به واکنشهای شیمیایی و ترسیب رسوبات کلسیم کربنات و منیزیم هیدروکسید براساس واکنشهای ذیل می شود:

                                            

آهک و فرایند تولید آن

کلسیم به میزان فراوانی در طبیعت یافت می شود و عمدتاً به صورت سنگ آهک(CaCO₃)  است. سنگ آهک پس از برداشت از معدن و انجام خردایش، در کوره تبدیل به اکسید کلسیم می شود.

اصطلاحاً به اکسید کلسیم، آهک زنده نیز می گویند.

 

چنانچه اکسید کلسیم با آب مخلوط شود به فرم هیدروکسید کلسیم در خواهد آمد:

به فرم هیدروکسید کلسیم اصطلاحاً آهک مرده می گویند. با توجه به حلالیت کم هیدروکسید کلسیم در آب، مخلوط آب و هیدروکسید کلسیم به صورت سوسپانسیون شیری رنگ در می آید که به آن شیر آهک می گویند.

در صورتی که اجازه ته نشینی به آن داده شود محلول زلالی که در بالا تشکیل می شود در واقع اشباع از هیدروکسید کلسیم بوده و به آن آب آهک گفته می شود.

واکنش های تزریق کربنات سدیم (Soda Ash) به آب برای حذف سختی آب

همان طور که در معادله واکنش ردیف (d) قابل مشاهده است، حذف منیزیم غیر کربناتی با تزریق مقدار کافی آهک باعث ایجاد سختی غیر کربناتی از نوع کلسیم خواهد شد. این میزان کلسیم غیر کربناتی با اضافه نمودن کربنات سدیم قابل حذف است:

               

 

یکی از روش های مقرون به صرفه و در دسترس جهت افزایش PH، به کار گیری مقدار اضافی از آهک (Excess Lime)  است.

 

به عنوان یک محاسبه سر انگشتی، افزودن ۲۵/۱ میلی اکی والان بر لیتر آهک به آب برای افزایش PH به محدوده ۱۱ کافی است.

اگر آب مورد تصفیه حاوی گاز دی اکسید کربن محلول باشد، با آهک تزریقی وارد واکنش شده و رسوب کربنات کلسیم ایجاد خواهد نمود.

 

باید در نظر داشت اگر میزان گاز دی اکسید کربن محلول در آب بیش از ۱۰ میلی گرم بر لیتر باشد، استفاده از آهک جهت حذف آن اقتصادی نیست و بهتر است با فرایند های دیگری مانند هوادهی (Air Stripping) آن را حذف کرده و سپس آب را وارد فرایند حذف سختی نمائیم.

افزودن یون سدیم به آب در قالب نمک کربنات سدیم (Soda Ash) تاثیر چندانی بر کیفیت آب آشامیدنی نخواهد گذاشت. البته وجود غلظت های زیاد یون سدیم در آب آشامیدنی ریسک فشار خون و بروز ناراحتی های قلبی را به دنبال دارد. ولی به دلیل اینکه معمولاً فرایند حذف سختی آب آشامیدنی مقدار تزریق کربنات سدیم ناچیز است، مشکل چندانی ایجاد نخواهد کرد و اساساً محتوای یون سدیم در آب خام معمولا بیش از مقدار افزوده شده طی این فرایند است.

 

حلالیت کربنات و کلسیم و هیدروکسید منیزیم در آب

همان طور که می دانیم، میزان حلالیت نمک کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم وابستگی واضحی به PH آب دارد. این وابستگی در نمودار ذیل نمایش داده شده است.

 

همان طور که در نمودار قابل مشاهده است، PH بهینه برای رسوب دادن کربنات کلسیم(کمترین میزان حلالیت) در محدوده ۵/۹-۹ است در حالیکه PH بهینه برای رسوب دادن هیدروکسید منیزیم(کمترین میزان حلالیت) در محدوده ۱۱ است.

از آنجا که تقریبا تمامی منابع آب های سطحی دارای PH پایین تر از اعداد فوق هستند، لازم است جهت جداسازی و ترتیب نمک های فوق، PH به محدوده مورد نظر افزایش داده شود.

پس از فرایند حذف سختی با افزودن آهک و کربنات سدیم(سودا)، معمولا غلظت گاز دی اکسید کربن در آب کاهش می یابد زیرا PH آب به محدوده عدد ۱۰ رسیده و در چنین شرایط قلیایی، دی اکسید کربن محلول به فرم یون های بی کربنات و کربنات تبدیل می شود.

حذف سختی آب با استفاده از کاستیک سودا (هیدروکسید سدیم)

از دیگر روش های حذف سختی (موقت و دائم) در آب و ترسیب آن، استفاده از محلول هیدروکسید سدیم است. کاستیک قابلیت حذف سختی دایم و موقت آب را مطابق واکنشهای ذیل دارد:

 

کربنات سدیم تولید شده طی واکنش های (j) و (k) و (l) با کلسیم غیر کربناتی وارد واکنش شده و طبق واکنش ردیف (g) باعث حذف سختی کلسیم خواهد شد.

همانگونه که قبلا اشاره شد، جهت حذف بهینه سختی منیزیم به صورت هیدروکسید منیزیم لازم است PH تا محدوده ۱۱ افزایش یابد.

افزودن مقدار اضافی هیدروکسید سدیم به میزان ۲۵/۱ میلی اکی والان بر لیتر قادر است PH را تا محدوده ۱۱ افزایش دهد.

افزایش PH در فرایند حذف سختی آب

اگر PH در فرایند آهک زنی به محدوده ۵/۱۰ افزایش یابد، علاوه بر اینکه سختی از نوع منیزیم را حذف خواهد نمود، به دلیل اثر منعقد کنندگی هیدروکسید منیزیم، تاثیر بسیار مناسبی بر حذف کدورت از آب (با ایجاد لخته های قابل ته نشینی) و کاهش مصرف مواد منعقد کننده خواهد داشت.

از سوی دیگر وجود سیلیکا در آب که بر شاخص SDI آب ورودی آب شیرین کن ها تاثیر نامطلوب گذاشته و از عوامل مهم رسوب گرفتگی در غشاهای اسمزمعکوس به شمار می رود، توسط هیدروکسید منیزیم تشکیل شده در این فرایند جذب شده و ریسک رسوب گرفتگی غشاهای اسمز معکوس کاهش خواهد یافت.

فرایند تثبیت (Stabilization) پس از حذف سختی

در شرایط عملیاتی، حذف کامل سختی با عملیات ترسیب، به وسیله تزریق مواد شیمیایی مقدور نیست. در شرایط معمول تصفیه خانه های آب معمولا بخشی از رسوب کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم تولید شده فرصت ته نشینی پیدا نکرده و در آب باقی خواهد ماند. معمولا غلظت کربنات کلسیم باقی مانده در آب در حدود ۴۰ میلی گرم بر لیتر و غلظت هیدروکسید منیزیم در حدود ۱۰ میلی گرم بر لیتر است.

از سوی دیگر به دلیل اینکه فرایند ترسیب و فوق اشباع شدن به کندی صورت می گیرد، کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم اضافی تشکیل شده (فوق اشباع)، پس از گذر از فرایند حذف سختی ممکن است در خطوط انتقال آب باعث بروز مشکل رسوب گرفتگی گردد.

برای جلوگیری از بروز این مشکل در خطوط انتقال آب، انجام فرایند تثبیت پس از سختی گیری الزامی است.

 

برای این فرایند لازم است کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم تشکیل شده با تزریق مقدار مناسبی از اسید مانند اسید سولفوریک و یا تزریق گاز دی اکسید کربن به آب، مجددا به فرم محلول در آیند:

و یا

به فرایند تثبیت با گاز دی اکسید کربن اصطلاحا recarbonation می گویند.

خنثی سازی PH پس از حذف سختی آب

همانطور که اشاره شد، حذف رسوب کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم در PH قلیایی بهتر صورت می گیرد. لذا تنظیم مجدد PH در محدوده خنثی پس از حذف سختی، اجتناب ناپذیر است.

جهت انجام این کار نیز همانند فرایند تثبیت می توان از تزریق اسید سولفوریک و یا گاز دی اکسید کربن استفاده نمود:

 

و یا

طراحی و اجرای واحد حذف سختی آب

طراحی تصفیه خانه یا واحد حذف سختی آب مستلزم طراحی فرایند و طراحی مکانیکال تجهیزات تصفیه خانه آب است. پیش بینی الزامات لازم جهت کنترل بهینه فرایند بهره برداری با توجه به نوسانات کیفیت آب و نکات کلیدی در فرایند حذف سختی آب ضروری است. ذیلاً توجه شما را به تعدادی از نکات مربوط به طراحی و بهره برداری واحد حذف سختی آب جلب می نماییم:

• استفاده از سود سوزآور (هیدروکسید سدیم) برای کاهش سختی نسبت به استفاده از آهک و کربنات سدیم لجن به مراتب کمتری تولید خواهد نمود. استفاده از آهک در مقایسه با هیدروکسید سدیم با مشکلات بیشتری همراه است. حذف منیزیم نیز در فرایند استفاده از سود سوز آور (هیدروکسید سدیم) بهتر انجام می شود.
• با توجه به اینکه فرایند تشکیل رسوب نیاز به هسته اولیه شکل گیری دارد، بعضا مقداری از لجن ته نشین شده در واحد ته نشینی را به حوضچه تزریق آهک باز می گردانند.

البته انجام این کار به دلیل تشکیل لجن های بیولوژیکی و مواد آلی ممکن است برروی طعم و بوی آب اثر نامطلوب بگذارد. لذا می توان به جای آب آهک در فرایند حذف سختی از شیر آهک استفاده نمود تا فرایند ترسیب با راندمان بهتری انجام شود. به این فرایند اصطلاحا سیستم تماس با لجن (جامد) اطلاق می شود. (Solid Contact)

• زمان ماند ته نشینی در حوضچه ته نشینی با سیستم تماس لجن (Solid Contact) حداقل یک ساعت و در حوضچه های عادی حداقل دو ساعت است.
• بار سطحی متداول در ته نشینی عادی در این فرایند در بازه ۶۰-۴۰ متر مکعب برروز به ازای هر متر مربع و در حالت تماس با لجن (Solid Contact) در بازه ۱۰۰-۶۰ متر مکعب برروز به ازای هر متر مربع است.
• مقدار لجن خشک تولیدی در فرایند حذف سختی معمولا به ازای هر کیلوگرم کلسیم حذف شده، در حدود ۵/۲ کیلوگرم و به ازای هر کیلوگرم منیزیم حذف شده در حدود ۴/۲ کیلوگرم برآورد می شود.

 

حذف سختی آب با فرایند تبادل یون

متداول‌ ترین راهکار حذف سختی آب در مصارف صنعتی خصوصاً آب بویلر، سیستم‌ های اسمز معکوس و تأسیسات کارخانه‌ها، فرایند تبادل یون می‌ باشد. در فرایند تبادل یون، یون های کلسیم و منیزیم که بخش اصلی سختی موقت و دائم آب را تشکیل می‌ دهند، با یون سدیم جایگزین می‌ شوند.

رزین‌ های کاتیونی سختی گیر اعم از رزین‌ های کاتیونی اسیدی ضعیف و قوی فرایند تبادل یون سدیم را با یون‌ های کلسیم و منیزیم انجام می‌ دهند.

ظرفیت تبادل یون رزین‌ های مبادله یونی پس‌ از مدتی از شروع عملیات مبادله یون کاهش می‌ یابد. در این زمان رزین اصطلاحاً اشباع‌ شده است و نیازمند احیا برای بازیابی کارایی عملکرد می‌ باشد. احیای عملکرد رزین‌ های کاتیونی در سختی گیرهای شرکت فران با محلول آب نمک انجام می‌ شود.

محلول آب‌ نمک با غلظت مشخص در مخزن مجزایی جهت عملیات احیا ساخته می‌ شود. در طی عملیات احیاء محلول آب نمک برای مدت زمان مشخص از بستر رزینی عبور داده شده تا یون‌ های کلسیم و منیزیم از رزین‌ های اشباع شده جدا شوند. عملیات احیاء یون‌ های عامل سختی آب را مجدداً با یون سدیم جایگزین می‌ کند.

فرایند احیای رزین سختی گیر از عملیات شستشوی معکوس، عبور محلول نمک از بستر رزینی و شستشوی نهایی تشکیل می‌ شود. پس‌از احیای بستر رزین کاتیونی، رزین‌ های کاتیونی با آب نرم شستشو می‌ شوند که باقی‌ مانده محلول نمک از رزین ها شسته می‌ شود. در این زمان سختی گیر رزینی آماده عملیات مجدد می‌ باشد.

 

 

شرکت مهندسی فرایند و انرژی فران با بیش از ۱۶ سال سابقه در طراحی و اجرای تصفیه خانه های آب و واحدهای تصفیه آب صنعتی، آمادگی طراحی، اجرا و راهبری تصفیه خانه حذف سختی آب را دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس بگیرید.