حذف نیترات از آب با روش تعویض یونی

وجود نیترات موجود در آب آشامیدنی بیشتر از 10 ppm مطابق استانداردهای بهداشتی، مجاز نمی باشد. از آنجائیکه در مقایسه با بخش کثیری از آلاینده های موجود در آب، نیترات دارای طعم و بوی خاصی نیست، تصفیه آن از آب آشامیدنی می بایست با دقت و توجه بالایی صورت گرفته و تحت کنترل قرار گیرد.

حتی در مقادیر پایین غیر مجاز نیترات که خطر جدی متوجه بزرگسالان نمی کند، احتمال بروز بیماری سندروم Blue Baby برای اطفال وجود دارد. این بیماری، توانایی خون را برای نگهداری و حمل اکسیژن به نقاط مختلف بدن را کاهش می دهد.

یکی از روشهای متداول و پذیرفته شده برای حدف نیترات از آب، استفاده از رزین های تعویض یونی است. به صورت کلی، دو نوع رزین برای تصفیه آب حاوی نیترات مورد استفاده قرار می گیرد: رزین های آنیونی استاندارد و رزین های مخصوص حذف نیترات (Nitrate-Selective). تفاوت عمده این دو نوع رزین، به میزان تمایل جذب یونهای سولفات و آرسنات موجود در آب با این رزین ها برمیگردد.

تمایل جذب یونهای محلول در آب به رزین های استاندارد آنیونی قوی نوع 1 و نوع 2، معمولاً به ترتیب زیر است (از چپ به راست: بیشترین به کمترین):

اما در رزین های مخصوص حذف نیترات، تمایل یون نیترات برای جذب به رزین، بیشتر از یونهای سولفات و آرسنات بوده و ترتیب تمایل جذب یونها به این نوع رزین، به ترتیب زیر خواهد بود:

انواع مختلفی از رزین های مخصوص حذف نیترات، ساخته شده اند. اما دو نوع متداول آن برای استفاده در تصفیه آب آشامیدنی عبارتند از Tributylamine (TBA) و Triethylamine (TEA).

برای پیش تصفیه سیستمهای رزینی برای حذف نیترات، تنها به تصفبه ذرات و حذف کلر (در صورت وجود در آب) نیاز است. این دو نوع پیش تصفیه باعث خواهد شد تا رزین در برابر آسیب اکسید شدن و یا ایجاد رسوب فیزیکی، محافظت شود.  

سختی گیری آب پیش از ورود به بستر رزین، الزامی نیست مگر اینکه pH آب بالا باشد و یا سختی آب بیش از اندازه باشد (4 Grain یا بالاتر). در این صورت، با توجه به وجود یونهای کربنات و هیدروکسید در بستر رزین، احتمال تشکیل رسوب کلسیم و منیزیم در رزین ها افزایش پیدا خواهد کرد. اگر چنین اتفاقی افتاد، لازم است تا رزین با مقداری کمی اسید ملایم، شستشو داده شود.

فرآیند تعویض یون برای حذف نیترات در تصفیه آب، یک روش ساده و در عین حال، اثربخش است. کار کردن با این روش، مشابه کارکردن با یک دستگاه سختی گیر است. این روش، براحتی تا بالای 90 درصد می تواند نیترات را از آب حذف کند. برای احیای رزین های آنیونی، از نمک عادی (NaCl) و یا کلرید پتاسیم (KCl) استفاده می شود. به عنوان یک قاعده تجربی، در نظر داشته باشید که 1.27 گرم کلرید پتاسیم، معادل 1 گرم  نمک طعام NaCl در احیای رزین، عمل می کند. یون کلر این نمکها در رزین مورد استفاده قرار گرفته و یونهای سدیم و یا کلسیم تأثیری روی رزین نخواهد داشت.

برای احیای رزین های آنیونی که در حذف نیترات مورد استفاده قرار می گیرند، 10 تا 15 پوند (هر پوند معادل 454 گرم است) نمک به ازاه هر فوت مکعب رزین مورد استفاده قرار می گیرد. این توصیه برای محلول نمک با غلظت 4 تا 8 درصد صدق می کند. میزان جریان پیوسته در این حالت بین 2 تا 4 گالن بر دقیقه بر فوت مکعب می بایست تنظیم شود که در حالت peak خود حداکثر به 10  گالن بر دقیقه بر فوت مکعب ‏می تواند برسد. این مقادیر، تقریباً نزدیک به مقادیری هستند که برای استفاده در سختی گیرهای رزینی معمولی نیز توصیه می شوند. عمق رزین برای حذف نیترات، حداقل 30 اینچ توصیه می شود.

از بسیاری از جنبه ها، کارکردن با دستگاه های رزینی برای حذف نیترات با دستگاه های سختی گیر، شبیه هم هستند. اما برخی تفاوتها در ویژگی های مربوط به احیا، نشتی و همینطور شستشوی معکوس (Backwash) رزین ها وجود دارد:

- رزین های آنیونی نسبت به رزین های سختی گیر دانسیته کمتری دارند و دبی مورد نیاز آنها برای شستشوی معکوس، تقریباً یک سوم رزین های سختی گیر است.

- اگر غلظت آب نمک احیا، بیشتر از 10 درصد باشد، رزین های آنیونی روی محلول آب نمک، معلق می شوند. لذا و با توجه به این خاصیت رزین های آنیونی، باید غلطت محلول نمک احیا بین 4 درصد تا 8 درصد تنظیم شود.

- میزان ماده احیا کننده باید به میزانی باشد که میزان نشتی نیترات پس از احیا، در حد پایین قابل قبول باشد.

میزان یون محلول در آب آشامیدنی که توسط یک رزین جذب می شود، بستگی به تمایل یون برای جذب به رزین و همینطور، غلطت نسبی آن یون در آب دارد.

همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد، تمایل جذب یون سولفات توسط رزین های آنیونی قوی نوع 1 و نوع 2، بیشتر از نیترات است. بنابراین، در این رزین ها، پس از مدتی استفاده، شاهد خواهیم بود تا رزین بجای یونهای نیترات، یونهای سولفات را جذب می کند. در واقع، یون نیترات در رقابت با یون سولفات برای جذب به رزین، بازنده می شود. در این حالت، میزان غلطت یونهای نیترات در آب خروجی رزین به مجموع غلظت یونهای سولفات و نیترات در آب ورودی به رزین، نزدیک می شود. به این پدیده، Nitrate Dumping گفته می شود.

به عنوان مثال،  فرض کنید آب ورودی یک رزین آنیونی استاندارد، دارای 80 ppm یون نیترات و 85 ppm یون سولفات باشد. با توجه به پدیده ای که در بالا به آن اشاره شد، بعد از مدت زمانی که از عمر رزین بگذرد، میزان یون نیترات در آب ورودی رزین شروع به افزایش می کند تا حدی که میزان آن در آب خروجی به نزدیکی 165 ppm می رسد (مجموع غلظت یونهای سولفات و نیترات اولیه در آب ورودی). یکی دیگر از مزایای استفاده از رزین های مخصوص حذف نیترات (Nitrate Selective)  بجای رزین های آنیونی استاندارد این است که رزین های Nitrate Selective، از بوجود آمدن پدیده فوق (Nitrate Dumping) جلوگیری می کنند.

اگر بخواهیم بصورت ساده بیان کنیم، تمایل جذب نیترات به رزین های Nitrate-Selective، ده ها برابر بیشتر از تمایل یون سولفات برای جذب به این نوع رزین ها است. در واقع، برای جذب به رزین های Nitrate-Selective، این یونهای سولفات هستند که در رقابت با یونهای نیترات، بازنده می شوند. در این نوع رزین ها، بعد از گذشت مدتی زمان از عملکرد رزین، غلطت یون نیترات تا نزدیکی میزان آن در آب قبل از ورود به رزین بالا رفته و غلظت یون سولفات در آب خروجی شروع به افزایش به میزان حتی بالاتر از غلظت اولیه در آب ورودی می کند.

همانطور که اشاره شد، انواع مختلفی از رزین های مخصوص حذف نیترات وجود دارد که بسته به نوع استفاده، هر کدام از آنها دارای معایب و مزایای مخصوص به خود هستند. رزین های Triethylamine‎، به دلیل سایز ریزتر دانه های آن، دارای سطح تماس و ظرفیت بالاتری برای تعویض یون نسبت به رزین های  Tributylamine‎ می باشند. اما در عوض، رزین های Tributylamine، بواسطه نیاز به حجم کمتر ماده احیا کننده، هزینه عملیاتی شیمیایی کمتری در سیستمهای بزرگ دارند.

تمام رزین های آنیونی که برای حذف نیترات در تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند، می بایست به احیا و حالت کلرایدی خود برگردند. در واقع، در فرآیند احیا، یون کلر جایگزین یونهای منفی جذب شده به رزین در زمان تصفیه می شود. یونهای جذب شده به رزین در زمان تصفیه آب، تنها محدود به یون نیترات نبوده و یونهای دیگر از جمله سولفات و یونهای قلیایی نیز در این زمره هستند. با حذف یونهای یونهای قلیایی توسط رزین، عموماً شاهد خوایم بود که PH آب خروجی رزین در ابتدای راه اندازی سیستم به زیر 5 هم می رسد.

معمولاً بعد از احیای رزین (چه از نوع آنیونی استاندارد و چه از نوع Nitrate-Selective)، مقداری یون نیترات روی رزین باقی می ماند که در سیکل بعدی کارکرد رزین، مجدداً به عنوان نشتی نیترات وارد آب تصفیه شده می شود. این میزان تقریباً برای هر دو نوع رزین که مشابه هم احیا شده باشند، یکسان خواهد بود.