چگونه مشکل سختی آب و ایجاد رسوب را حل کنیم؟

علیرغم اینکه سختی آب برای سلامتی انسان ضرر جدی ندارد، اما مشکلات ظاهری ایجاد شده توسط آب با سختی بالا و همینطور مشکلاتی که در خصوص مصرف آب و انرژی برای افراد و خانوارها ایجاد می کند، مسأله ای است که همواره بحث پیشگیری از رسوب گذاری آب دارای سختی بالا را مورد توجه مصرف کنندگان و همچنین متخصصین این حوزه قرار داده است.

سختی آب باعث تشکیل رسوب در سیستم لوله کشی آب و نیز وسایل موجود در منزل که آب از داخل آنها عبور می کند، شده و به این ترتیب، موجب کاهش راندمان عملکرد سیستم آبرسانی منزل خواهد شد.

علاوه بر این مشکل، از آنجائیکه مواد شوینده بهداشتی در تماس با آب با سختی بالا به سختی کف کرده و توان شویندگی کمتری را دارند، مصرف این مواد نیز در هنگام استحمام و یا شستشوی البسه و ظروف در منازلی که سختی آب بالایی دارند، افزایش یافته و در طول زمان هزینه قابل توجهی را برای خانوار بوجود خواهد آورد.

سختی آب، ناشی از وجود میزان بالای یونهای کلسیم و منیزیم محلول در آب است. زمانی که آب (که دارای خاصیت حل کنندگی قوی است) از روی بسترهای سنگی مانند سنگ آهک (با فرمول شیمیایی CaCO3) و یا دولومیت (با فرمول شیمیایی CaMg(CO3)2) عبور می کند، این مواد معدنی بتدریج وارد آب شده و میزان سختی آب را بالا می برند. به همین دلیل عموماً سختی آب چاه از آبهای سطحی بیشتر است.

رسوب ناشی از سختی آب در واقع ترکیبات نامحلول کلسیم و منیزیوم (مانند کربنات کلسیم و سیلیکات منیزیوم) هستند. حلالیت این ترکیبات در آب با افزایش دما کمتر شده و بر روی سطوح رسوب می کنند.

سختی آب چیست؟

اندازه گیری سختی آب با توجه میزان رسوب گذاری بالای نمک های تشکیل شده از کلسیم و منیزیم (مخصوصاٌ نمک های کربنات کلسیم و منیزیوم) بر روی سطوح و تجهیزات اهمیت بالایی دارد. پارامتر سختی یا به عبارت دقیقتر "سختی کل" (Total Hrdness)، مجموع یون های "کلسیم" و "منیزیم" محلول در آب را در بر می گیرد. شاخص سختی کل با واحدهای mg/lit یا ppm و یا GPG (Grain per Gallon) بیان می شود. هر Grain per Gallon معادل 17.1 mg/lit یا ppm سختی است.

تفاوت سختی کل و TDS

مشکلات رسوب گذاری آب با سختی بالا

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 های جلوگیری از رسوب گذاری آب با سختی بالا

روشهای مختلفی برای کاهش رسوب گذاری سختی آب وجود دارد که در این مقاله به معرفی سه روش پر استفاده در این خصوص پرداخته می شود:

- سختی گیر رزینی

- تصفیه آب به روش اسمز معکوس (RO)

- دستگاه های ضد رسوب مغناطیسی و الکترومغناطیسی

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.

شما در کلیپ زیر می توانید نحوه عملکرد عادی و نیز احیای یک دستگاه سختی گیر را مشاهده کنید:

سختی گیر رزینی

دستگاه سختی گیر رزینی جهت حذف سختی با هدف کاهش رسوبگذاری آب در سیستم های لوله کشی و تجهیزات

مشاهده مشخصات

دستگاه های تصفیه آب اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس (Reverse Osmosis) یک روش فیلتراسیون با تکنولوژی غشایی است که  موجب حذف درصد بسیار بالایی از املاح و یون های محلول در آب می شود. با اعمال فشار روی آب دارای املاح و عبور آن از ممبران اسمز معکوس، املاح در سمت پشت غشاء باقی مانده و آب خالص اجازه عبور به سمت دیگر آن را پیدا می کند.

دستگاه های تصفیه آب RO در ظرفیت های مختلفی قابل استفاده هستند که متداولترین نوع دسته بندی این دستگاه ها به این شرح می باشد:

- دستگاه های تصفیه آب خانگی: این دستگاه ها معمولاً با ظرفیت تولید اسمی 180 تا 375 لیتر در شبانه روز (50 تا 100 گالن در شبانه روز) معمولاً برای تأمین آب شرب و پخت و پز مورد استفاده قرار می گیرند. مزیت استفاده از این دستگاه ها برای جلوگیری از رسوب گذاری، بیشتر برای پیشگیری از رسوب در کتری و یا ظروفی است که آب جوش در آنها قرار می گیرد.

مراحل تصفیه آب در دستگاه های تصفیه آب RO خانگی را می توان در قالب شکل زیر مشاهده نمود:

برای درک بهتر نحوه تصفیه آب خانگی به روش اسمز معکوس، می توانید کلیپ زیر را مشاهده کنید:

دستگاه تصفیه آب خانگی مدل RO-50G6

دستگاه تصفیه آب خانگی شش مرحله ای مدل RO-50G6 با روش اسمز معکوس پایه دار به ظرفیت 50 گالن در شبانه روز، به همراه تانک تحت فشار پلاستیکی، شیر سینک اهرمی بلند، مراحل تصفیه شامل یک فیلتر پلی پروپیلن فشرده 5 میکرون، فیلتر کربن گرانول، فیلتر کربن بلاک، ممبران RO، فیلتر کربن پودری کپسولی و فیلتر مینرال

مشاهده مشخصات

- دستگاه تصفیه آب نیمه صنعتی: این دستگاه های معمولاً با ظرفیت تولید اسمی 750 تا 4500 لیتر در شبانه روز (200 تا 1200 گالن در شبانه روز) تولید شده و در موارد زیادی از جمله موارد زیر مورد استفاده قرار می گیرند:

1- رستورانها

2- کافی شاپ ها

3- شرکت ها

4- کارگاه ها و کارخانجات

5- برج های خنک کن

6- پیش تصفیه سیستم های تولید آب مقطر

7- آزمایشگاه ها

8- دستگاه های یخ ساز

9- آب شستشو و آبکشی (مانند کارواش ها)

10- صنایع غذایی و نوشیدنی

11- صنایع دارویی

دستگاه تصفیه آب نیمه صنعتی مدل RO-400G5

دستگاه تصفیه آب نیمه صنعتی مدل RO-400G5  با ظرفیت تولید نامی 400 گالن در شبانه روز، با قابلیت حذف ذرات تا 0.0001 میکرون، پنج مرحله ای، دارای شاسی و پایه فلزی محکم

مشاهده مشخصات

- دستگاه تصفیه آب صنعتی: این دستگاه ها معمولاً از ظرفیت تولید 5000 لیتر در شبانه روز به بالا طراحی و تولید می شوند. یک دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس (RO) دارای اجزای مختلفی است که هر یک، وظیفه و کارکرد مشخص و تعریف شده خود را دارند.

شکل زیر، دیاگرام جریان فرآیندی (Process Flow Diagram) یک سیستم اسمز معکوس و تجهیزات به کار رفته در آن را نمایش می دهد:

مطابق شکل فوق، تجهیزات و سیستم های اصلی سیستم اسمز معکوس (RO) شامل موارد زیر هستند:

- فیلترهای کارتریجی

- پمپ تغذیه RO (بوستر پمپ)

- پرشر وسل

- لوله کشی

- ابزار دقیق

- سیستمهای کنترلی

- جمع آوری و مدیریت داده ها

- تجهیزات کمکی

دستگاه های تصفیه آب (آب شیرین کن) صنعتی، در صنایع و کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:

- صنایع غذایی و آشامیدنی

- تصفیه آب بویلر و کولینگ تاور

- تولید آب مقطر

- صایع دارویی

- سیستم های تولید بخار

- نیروگاه ها

- شیرین سازی آب دریا

- تصفیه پساب

دستگاه تصفیه آب صنعتی اسمز معکوس (RO) | ظرفیت 5 تا 20 متر مکعب در شبانه روز

دستگاه تصفیه آب صنعتی به روش اسمز معکوس (RO) جهت تولید آب تصفیه شده در ظرفیت های 5 الی 20 متر مکعب در شبانه روز، با طراحی فشرده و دارای شاسی

مشاهده مشخصات

 دستگاه های ضد رسوب مغناطیسی و الکترومغناطیسی

یکی دیگر از روشهای پیشگیری از رسوب گیری، استفاده از میدان مغناطیسی است. اثری که میدان مغناطیسی روی رسوب گذاری دارد، از طریق تغییر شکل کریستالهای کربنات کلسیم است. شکل کریستالی کربنات کلسیم که رسوب گذار است، کریستال "کلسیت" می باشد.

مشاهدات آزمایشگاهی نشان داده است که با عبور آب از میدان مغناطیسی، شکل کریستال کربنات کلسیم از حالت "کلسیت" به شکل کریستال "آراگونیت" که نوعی دیگر از کریستالهای کربنات کلسیم است، تبدیل می شود. کریستال "آراگونیت" در آب رسوب نکرده و نهایتاً بصورت لجن از داخل سیستم لوله کشی و تجهیزات براحتی قابل تخلیه می باشد.

میدان مغناطیسی معمولاً توسط یک عدد یا یک جفت آهن ربای دائمی ایجاد می شود. رسوب گیرهای مغناطیسی پکیج بسته به نوع طراحی می توانند در مسیر و یا دور لوله بسته شوند.

رسوب گیر مغناطیسی کاسپین

رسوب گیر یا سختی گیر پکیج و کولر مغناطیسی کاسپین قابل استفاده در پکیج های حرارتی، آبگرمکن دیواری، کولر آبی، ماشین لباسشویی و ظرفشویی

مشاهده مشخصات

اساس کار رسوب گیر پکیج الکترومغناطیسی مانند مدل مغناطیسی است با این تفاوت که بجای استفاده از آهنربای دائمی، از جریان الکتریکی برای تولید میدان مغناطیسی استفاده می شود. این بدان معناست که رسوب گیر الکترومغناطیسی دائماً به برق متصل است که البته با توجه به مصرف برق کم، جای نگرانی از بابت هزینه وجود ندارد.

امواج الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط رسوب گیر پکیج الکترومغناطیسی نسبت به مدل مغناطیسی قوی تر بوده و از نظر تأئیرگذاری، فاصله و عدم افت عملکرد نسبت به مدل های مغناطیسی برتری دارند.