سختی گیر رزینی چیست؟

مشکلات ناشی از سختی آب

وجود سختی قابل توجه در آب باعث بروز مشکلاتی می شود که از مهمترین آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

ایجاد رسوب در تجهیزات و سیستم لوله کشی

همانگونه که اشاره شد، افزایش دما در آب دارای سختی بالا، باعث تشکیل رسوب می‌شود. این اتفاق مخصوصاً در تجهیزات مربوط به تأسیسات حرارتی منزل از مهمترین مشکلات و دغدغه‌ها است. تشکیل رسوب در تجهیزات و سیستم لوله‌کشی باعث کاهش کارایی آنها، صدمه دیدگی و نهایتاً افزایش هزینه تعمیر و جایگزینی می‌شود.

جرم گرفتن کتری نیز از شایع‌ترین این موارد است که بخاطر سختی بالای آب اتفاق می افتد. دستگاه هایی که به آب خیلی داغ نیاز دارند (مانند دستگاه های چای ساز یا قهوه ساز)، نسبت به سایر دستگاه با سرعت خیلی بالاتری دچار جرم گرفتگی می شوند. این پدیده باعث نیاز بیشتر برای تعمیر، سرویس و یا رفع مشکل این تجهیزات خواهد شد.

افزایش تدریجی ضخامت رسوب ایجاد شده داخل لوله ها، کویل ها و المنت ها منجر به دو مشکل اساسی می شود:

1- کاهش سطح مقطع و افزایش توان مورد نیاز پمپ برای انتقال جریان

2- کاهش قابل توجه انتقال حرارت روی سطوح و المنت های داخلی تجهیزات حرارتی و به تیع آن هدر رفت انرژی

برای درک بهتر این موضوع لازم است بدانید که ایجاد لایه رسوب به ضخامت یک میلیمتر باعث کاهش انتقال حرارت و افزایش انرژی مصرفی به میزان حدود 40% خواهد شد!

ایجاد لکه های سفید روی ظروف شیشه ای و سطوح

مواد شوینده (به عنوان مثال صابون)، وقتی در معرض آب با سختی بالا قرار می‌گیرند، با کلسیم موجود در آب واکنش شیمیایی انجام می‌دهند. در این واکنش شیمیایی، سدیم موجود در اسید چرب مواد شوینده، جای خود را با یون کلسیم آب عوض می‌کند.

در نتیجه این واکنش، مواد شوینده بخوبی کف نکرده و خاصیت شویندگی و تمیزکنندگی خود را تا حد زیادی از دست می دهند. علاوه بر این، لکه های سفید رنگ نسبتاً سفتی نیز روی سطوح شیشه ای، دیواره حمام، وان و روشویی ها تشکیل می شود که در واقع نتیجه همان واکنش مواد شوینده با کلسیم محلول در آب است. نمونه دیگر، زمانی است که شما ظروف شسته شده در ماشین ظرفشویی را از دستگاه خارج می‌کنید و کماکان می‌بینید روی ظروف شیشه‌ای لکه های سفید رنگ وجود دارد.

روش کار دستگاه سختی گیر رزینی

فرآیند سختی گیری آب (Water Softening) به معنی جایگزینی کاتیون های کلسیم (⁺⁺Ca) و منیزیم (⁺⁺Mg) با کاتیون سدیم (⁺Na) است. این کار باعث جلوگیری از رسوب گذاری در سیستم ها و تجهیزاتی است که با آب در تماس است.

برای سختی گیری آب از رزینی استفاده می شود که یون متحرک آن از نوع کاتیون سدیم (⁺Na) باشد. یون های کلسیم و منیزیم موجود در آب دارای سختی ضمن عبور از ستون این رزین، با یون سدیم جایگزین شده و به این ترتیب سختی آّب حذف می شود. هر کدام از یون های کلسیم و منیزیم با توجه به دو ظرفیتی بودن بار الکتریکی، با دو یون سدیم تک ظرفیتی جای خود را تعویض می کنند. این تعویض یون را می توان با فرمول شیمیایی زیر نشان داد:

2RNa + Ca⁺⁺ → R₂Ca + 2Na⁺1

نحوه انجام این تبادل یونی در شکل زیر نمایش داده شده است. رزین در ابتدا حاوی یون های متحرک سدیم است. ورود هر یون کلسیم و منیزیم به دانه های رزین، با خروج دو یون سدیم از آن همراه است. هیچ آنیونی از آب نمی تواند وارد رزین شود. زیرا همانطور که قبلاً گفته شد، آنیون موجود در رزین (^-SO₃) بصورت ثابت و چسبیده به ساختار پلیمر رزین است. لذا امکان تبادل یونی با آن وجود نخواهد داشت.

دلیل اصلی تبادل یون رزین در سختی گیری، تمایل (Affinity) بیشتر رزین به جذب سختی بجای یون سدیم است. به زبان ساده تر، رزین یون کلسیم و منیزیم را به یون سدیم ترجیح می دهد. به همین دلیل است که وقتی این نوع رزین در معرض آب حاوی یون های کلسیم و منیزیم قرار می گیرد، آنها را به سرعت جایگزین یون متحرک خود یعنی یون سدیم می کند.

نکته بسیار مهمی که در مورد سختی گیری با رزین تبادل یونی وجود دارد، این است که طبق آنچه در مورد عملکرد رزین در این فرآیند گفته شد، عملاً یونهای سختی با یون سدیم جایگزین می شوند. بنابراین، در سختی گیر رزینی هر چند مقدار سختی کل (Total Hardness) آب کاهش می یابد، اما مقدار کل املاح موجود در آب که معمولاً با شاخص TDS اندازه گیری می شود، تغییر قابل ملاحظه ای نمی کند. در این فرآیند تنها ترکیب املاح در آب تغییر می کند. 

طبیعتاً فرآیند سختی گیری بصورت دائم نمی تواند ادامه پیدا کند. زمانی که رزین تمامی یونهای متحرک سدیم خود را از دست داده و با یون های کلسیم و منیزیم جایگزین کرده باشد، رزین اصطلاحاً به حالت "اشباع" می رسد. زمانی که رزین اشباع شود، یا می بایست با رزین تازه تعویض شود و یا "احیا" شود.

مراحل مختلف کاری دستگاه سختی گیر رزینی

مراحل مختلف کاری در یک دستگاه سختی گیر رزینی، عبارتند از:

- سرویس (Service)

- بک واش (Backwash)

- مکش محول آب و نمک (Brine Draw)

- شستشوی آهسته (Slow Rinse)

- شستشوی سریع (Fast Rinse)

مرحله اول: سرویس (Service)

به تدریج و به مرور زمان و با افزایش مقدار یونهای کلسیم و منیزیم در بستر رزین، رزین به حالت اشباع رسیده و توان سختی گیری خود را از دست می دهد. از این زمان به بعد شاهد نشتی یونهای کلسیم  منیزیم در آب خروجی دستگاه خواهیم بود.

این حالت معمولاً در حدود بازه 85%-90% ظرفیت نامی سختی گیر اتفاق می افتد و می بایست سختی گیر وارد فاز شستشو و احیا شود.

مرحله دوم: بک واش (Backwash)

بک واش دستگاه سختی گیر رزینی، از مهمترین مراحل شستشوی دستگاه محسوب می شود. دلیل این امر نیز این است که بستر رزین در زمانی که دستگاه سختی گیر در وضعیت سرویس قرار داشته، مدت زیادی تحت جریان مداوم آب از بالا به پایین بوده و به این ترتیب، بستر رزین کاملاً حالت فشرده پیدا کرده است.

در حالت بک واش، جهت جریان آب معکوس شده و آب در داخل سختی گیر از پایین به بالا حرکت می کند. این کار موجب انبساط بستر رزین و شناور شدن دانه های رزین شده و ضمن آماده سازی بهتر آنها برای احیا، ذرات معلق درگیر شده در داخل بستر رزین نیز از دستگاه سختی گیر خارج می شوند.

مدت زمان بک واش دستگاه سختی گیر، بین 5 تا 15 دقیقه (معمولاً 10 دقیقه) و با دبی بین 12 تا 30 متر بر ساعت (حاصل ضرب مترمکعب بر ساعت در سطح مقطع بستر با واحد متر مربع) بوده و حجم مخزن رزین می بایست به گونه ای باشد که بستر رزین بتواند به میزان 50 درصد انبساط داشته باشد.

نهایتاً زمانی بک واش به انتها میرسد که آب خروجی حاصل از بک واش، کاملاً تمیز و شفاف شده باشد.

مرحله سوم: مکش محلول آب و نمک (Brine Draw)

مهمترین مرحله احیای دستگاه سختی گیر رزینی، مرحله مکش محلول آب و نمک در ستون رزین است. میزان و غلطت محلول آب و نمک و کنترل فرآیند انجام احیا در این مرحله، تأثیر زیادی بر روی عملکرد رزین در مرحله سرویس بعدی خواهد داشت.

در این مرحله با وارد شدن محلول آب و نمک، فرآیند تبادل یودن معکوس شده و یون های سدیم موجود در محلول، جایگزین یونهای کلسیم و منیزیم جذب شده در بستر رزین می شوند.

غلطت محلول آب و نمک می بایست در محدوده 8%   تا 20% (معمولاً 10%) و با دبی 1 – 0.5 gpm به ازای هر فوت مکعب رزین باشد.

مدت زمان انجام عملیات مکش آب و نمک حدوداً بین 15 تا 60 دقیقه (معمولاً 25 دقیقه) به طول می انجامد.

میزان نمک مورد استفاده برای احیای رزین حدوداً بین 60 تا 120 گرم به ازای هر لیتر رزین می باشد.

مرحله چهارم: شستشوی آهسته (Slow Rinse)

پس از انجام مکش آب و نمک و مدت زمان سپری شده، لازمست تا ستون رزین کاملاً شستشو داده شود تا محلول آب و نمک بصورت کامل از دستگاه سختی گیر خارج شود.

دبی شستشوی آهسته می بایست مشابه دبی مکش محلول آب و نمک باشد تا فرصت کافی برای گذر آب از لابلای رزین ها در ستون فراهم باشد.

مدت زمان شستشوی آهسته حدوداً بین 15 تا 20 دقیقه تنظیم می شود.

مرحله پنجم: شستشوی سریع (Fast Rinse)

در آخرین مرحله، لازمست تا تمام املاح باقیمانده در ستون (شامل یونهای کلراید و سختی) بصورت کامل از ستون رزین خارج شوند تا امکان قرار گرفتن مجدد دستگاه سختی گیر رزینی در وضعیت سرویس مهیا شود.

دبی شستشوی سریع دستگاه سختی گیر، مشابه دبی وضعیت سرویس (حدوداً بین 3 – 1.5 gpm به ازای هر فوت مکعب رزین) بوده و بین 25 تا 30 دقیقه زمان می برد.

موارد و مقادیر اشاره شده در این مقاله، می تواند به عنوان راهنمای کلی طراحی و برنامه ریزی مراحل مختلف کاری دستگاه سختی گیر باشد. طبعاً مقادیر و دستورالعمل مشخص شده توسط شرکت تولید کننده رزین و یا طراح دستگاه سختی گیر رزینی، بر اعداد اشاره شده در این مقاله اولویت دارند.