‏ افزایش راندمان احیا در دستگاه های سختی گیر (بخش اول)‏

برای اندازه گیری راندمان احیا در دستگاه های سختی گیر، دو شاخص مهم وجود دارد: راندمان محلول احیا کننده (Brine Efficiency) و راندمان آب (Water Efficiency). شاخص راندمان محلول احیا کننده، بیانگر میزان نمکی است که برای احیای رزین سختی گیر مورد استفاده قرار می گیرد و برابر است با میزان سختی حذف شده بر حسب واحد گرین (grain) به ازای هر پوند نمک استفاده شده برای احیای رزین (grain/lb). راندمان آب، معرف میزان مصرف آب برای احیای سختی گیر است و معمولاً برابر است با میزان مصرف آب بر حسب گالن در هر مرتبه احیا و یا میزان مصرف آب در احیا بر حسب گالن برای کاهش 1000 گرین سختی.

دستگاه های سختی گیری که بر اساس کد 44 استاندارد NSF/ANSI (Residential Cation Exchange water Softeners) تست می شوند، در صورتی که مکانیزم شروع احیای آنها بر اساس میزان سختی گرفته شده از آب باشد (نه زمان سپری شده از پیش تعیین شده)، می توانند در صورت دارا بودن شرایطی، به عنوان دستگاه های سختی گیر با راندمان بالا شناسایی شوند. برای شناخته شدن به عنوان دستگاه سختی گیر با راندمان بالا، می بایست دارای شاخص راندمان محلول احیا کننده حداقل 3350 گرین به ازای هر پوند نمک استفاده شده در احیا و شاخص راندمان آب حداکثر 5 گالن آب برای حذف 1000 گرین سختی باشند.

در دستگاه های سختی گیر تبادل یونی، یونهای کلسیم و منیزیم موجود در آب، جای خود را با یونهای سدیم رزین عوض می کنند. زمانی که کلیه یونهای سدیم رزین با یونهای کلسیم و منیزیم جایگزین شدند، رزین به حالت اشباع رسیده و لازمست تا احیا شوند. احیای رزین بوسیله در معرض قرار دادن رزین با محلول ماده احیا کننده صورت می گیرد. برای احیای رزین، معمولاً از محلول کلرید سدیم (نمک طعام) و گاهی کلرید پتاسیم استفاده می کنند. ما در ادامه بحث عمدتاً روی کلرید سدیم به عنوان ماده احیا کننده متمرکز می شویم. هر چند که فرآیند احیا برای هر دو ماده احیا کننده معرفی شده، مشابه است. غلطت محلول احیا کننده باید به میزانی باشد که بتواند یونهای سدیم خود را جایگزین یونهای کلسیم و منیزیم قرار گرفته روی رزین نماید. یونهای سختی گرفته شده از رزین و همینطور یونهای کلر و یونهای سدیم مازاد در فرآیند احیا نهایتاً تخلیه شده و وارد فاضلاب می شوند.

طبعاً برای اینکه بتوان سدیم از دست رفته رزین را در احیا جایگزین کنیم، مقداری سدیم مازاد در محلول احیا وجود خواهد داشت. اما برای بالابردن راندمان محلول احیا کننده، تلاش می شود تا طراحی سیستم سختی گیر بگونه ای باشد که میزان سدیم مازاد، به حداقل خود برسد تا کمترین میزان تخلیه آنهارا به فاضلاب داشته باشیم. بهبود راندمان محلول احیا کننده، باعث کاهش هزینه های عملیاتی و میزان هدررفت محلول احیا کننده می شود.

راه های مختلفی برای افزایش راندمان محلول احیا کننده و همینطور راندمان کل سیستم سختی گیر وجود دارد. این عوامل شامل میزان نمک، دبی محلول احیا کننده، جهت جریان محلول احیا کننده و سایر عواملی است که در این چند مقاله در مورد آنها توضیح داده خواهد شد.

بخش اول: ملاحظات مربوط به فرآیند احیا

1- میزان نمک و غلظت محلول احیا کننده

میزان نمک، اولین عامل تأثیرگذار روی راندمان محلول احیا کننده است. منحنی ظرفیت و راندمان رزین های تبادل یونی در شکل زیر آورده شده است:

همانطور که در منحنی بالا نشان داده شده است، با افزایش میزان نمک، ظرفیت دستگاه سختی گیر بالا می رود. اما اگر دقت شود، ملاحظه می شود که علیرغم این ارتباط، میزان افزایش ظرفیت دستگاه سختی گیر از میزان افزایش نمک کمتر است. لذا بصورت کلی، با افزایش میزان نمک، راندمان محلول احیا کننده کاهش پیدا می کند. به عنوان مثال، شما ملاحظه می کنید که میزان 4 پوند نمک، باعث ایجاد ظرفیتی معادل 17900 گرین می شود. افزایش میزان نمک به 9 پوند، باعث می شود تا طرفیت دستگاه سختی گیر حدوداً به 26600 گرین برسد. در این مثال، میزان نمک 2/25 برابر شده در حالیکه ظرفیت دستگاه سختی گیر تنها 1/5 برابر افزایش پیدا کرده است.

همانطور که در منحنی نشان داده شده است، راندمان محلول احیا کننده در مقادیر پایین نمک، بالاتر است و این بدان معناست که هر چه میزان نمک کمتر باشد، میزان سختی بالاتری به ازای هر پوند نمک از رزین جدا شده و احیا می شود. البته برای کاهش میزان نمک، در عمل محدودیت هایی نیز وجود دارد که بستگی به ویژگی های آب و همینطور میزان مورد نیاز تصفیه آب خروجی دارد. بصورت تئوری، حداکثر راندمان محلول احیا کننده می تواند در حدود 6000 grain/lb باشد، در صورتیکه در عمل معمولاً میزان نمک را کمتر از 3  lb/ft3 قرار نمی دهند و این بدان معناست که راندمان محلول احیا کننده عملاً حداکثر حدود 5100  grain/lb خواهد بود.   

معمولاً این محدودیت ها به دلیل تمایل آب به رسوب گذاری آهن و ذرات معلق روی رزین و نازلها و همینطور کیفیت مورد نیاز آب تصفیه شده خروجی ایجاد می شود. میزان نمک پایین، باعث افزایش میزان سختی آب خروجی خواهد شد. علاوه بر آن، برای میزان نمک پایین در احیا، نیاز به نازلهای با سایز کوچک می باشد که احتمال ایجاد رسوب و گرفتگی در این نازلها به مراتب بالاتر خواهد بود. با توجه به موارد فوق، در مواردی که میزان آهن موجود در آب بالا باشد و یا نیاز به آب خروجی با سختی خیلی پایین داشته باشیم، عملاً نمی توان به حداکثر راندمان محلول احیا کننده دستگاه سختی گیر برسیم.

از طرف دیگر، کاهش میزان مصرف نمک برای بالابردن راندمان محلول احیا کننده، باعث کاهش راندمان آب در فرآیند احیا خواهد شد. چرا که در صورت کاهش میزان نمک، ظرفیت احیا در هر مرتبه انجام احیا پایین خواهد بود و مجموعاً تعداد دفعات احیای مورد نیاز در یک بازه زمانی مشخص (مثلاً در هر سال) بالاتر خواهد رفت. این در حالی است که مقدار آب مورد نیاز برای هر بار احیا، تفاوت چندانی با حالت احیای با میزان نمک بالاتر ندارد. بنابراین، مجموعاً با کاهش میزان نمک، مقدار آب مصرفی برای احیای هر 1000 گرین، افزایش پیدا خواهد کرد.  پس باید در نظر داشت که همانگونه که کاهش میزان نمک، تأثیر مثبتی روی افزایش راندمان محلول احیا کننده دارد، اما همزمان باعث کاهش راندمان آب احیا خواهد شد.

برای تفهیم بیشتر موضوع، مثالی را با هم مرور می کنیم:

یک دستگاه سختی گیر با حجم رزین 1 فوت مکعب را در نظر بگیرید که میزان نمک احیای آن را در سه حالت 4، 9 و 15 پوند بر فوت مکعب تنظیم می کنیم. میخواهیم تأثیر این سه حالت مختلف را روی راندمان آب احیا بررسی کنیم.

فرض می کنیم میزان مصرف آب در هر روز معادل 250 گالن بوده و میزان سختی آب، 20 گرین در هر گالن می باشد (بنابراین میزان سختی کل که در یک سال می بایست توسط دستگاه سختی گیر از آب حذف شد، معادل 1825000 گرین خواهد بود). ظرفیت و راندمان دستگاه سختی گیر نیز مطابق منحنی نشان داده شده فوق می باشد

در حالت تنظیم میزان نمک روی 15 پوند بر فوت مکعب برای هر احیا و با توجه به مفروضات بیان شده، ظرفیت سختی گیری دستگاه در فاصله میان هر دو احیا برابر 30400 گرین خواهد بود.  این بدان معناست که این دستگاه سختی گیر حدوداً در سال می بایست حدود 60 بار احیا شود (هر 6 روز یکبار). بنابراین، مصرف نمک در این حالت معادل 900 پوند خواهد بود (15*60). مصرف آب احیای این سختی گیر برابر 65/97  گالن در هر احیا و مجموعاً 3958 گالن در سال می باشد.

حال اگر همین دستگاه را روی میزان نمک 9 پوند بر فوت مکعب تنظیم می کنیم، بر اساس منحنی ارائه شده، طرفیت دستگاه سختی گیر، حدوداً 26600 گرین خواهد بود. با این مقادیر، دستگاه سختی گیر نیاز به حدود 69 بار احیا در طول سال دارد (هر 5 روز یکبار). میزان نمک استفاده شده در سال برابر خواهد بود با 620 پوند (69*9) و مصرف آب احیا نیز برابر خواهد شد با 59/98 گالن در هر وعده احیا و مجموعاً 4139 گالن در سال. 

در حالت آخر نیز اگر میزان مصرف نمک را روی 4 پوند بر فوت مکعب برای هر بار احیا تنظیم کنیم، ظرفیت دستگاه سختی گیر مغادل 17900 گرین خواهد بود و سیستم حدود 102 بار در سال نیاز به احیا خواهد داشت (هر 3 تا 4 روز یکبار). میزان نمک استفاده شده در سال برابر با 408 پوند (4*102)، مصرف آب در هر وعده احیا برابر 54/99  پوند و مجموعاً در سال معادل 5609 گالن می باشد.

همانگونه که ملاحظه میشود، تنظیم میزان مصرف نمک روی 4 پوند بر فوت مکعب برای هر وعده احیا، باعث صرفه جویی 212 پوند نمک در سال نسبت به حالت 9 پوند بر فوت مکعب و 492 پوند نسبت به حالت 15 پوند بر فوت مکعب میشود. اما از طرف دیگر، این حالت باعث افزایش مصرف آب احیا به میزان 1471 گالن در سال نسبت به حالت 9 پوند بر فوت مکعب و 1651 گالن نسبت به حالت 15 پوند بر فوت مکعب شده است.

 2- دبی فرآیند احیا و زمان تماس

علاوه بر میزان نمک مورد استفاده در هر وعده احیا و همینطور غلطت محلول احیا کننده، دبی محلول احیا کننده نیز روی راندمان دستگاه سختی گیر تأثیرگذار است. با میزان مصرف نمک و غلطت محلول مشخص شده، این میزان دبی محلول احیا کننده است که مدت زمان تماس محلول احیا کننده و رزین را تعیین می کند. زمان تماس بیشتر بین رزین و محلول احیا کننده باعث افزایش ظرفیت احیا و افزایش راندمان دستگاه سختی گیر می شود. بنابراین، سرعت کمتر عبور محلول احیا کننده از رزین، حالت مطلوب تری است. البته برای کاهش بیش از حد دبی محلول احیا کننده نیز در عمل محدودیت هایی وجود دارد. دبی خیلی پایین محلول احیا کننده، باعث پدیده channeling در رزین می شود. در این پدیده، محلول احیا کننده مسیرهایی را از میان دانه های رزین پیدا می کند که کمترین مقاومت را در برابر مسیر جریان داشته و از آنها عبور می کند. این اتفاق باعث خواهد شد تا محلول احیا کننده بصورت یکنواخت از رزین عبور نکرده و عملیات احیا، اثربخشی لازم را نداشته باشد.

در سیستم احیای upflow، باید دبی جریان محلول احیا کننده پایین باشد تا از بلند کردن و معلق شدن دانه های رزین جلوگیری شود. چرا که این اتفاق باعث کاهش زمان تماس رزین و محلول احیا کننده شده و راندمان سیستم سختی گیر را کاهش می دهد.

در جدول زیر شما می توانید توصیه های میزان دبی محلول احیا کننده را برای مخازن با سایزهای مختلف، مشاهده کنید:

البته به پایین بودن دبی محلول احیا کننده، ایراداتی نیز وارد است. اگر میزان دبی محلول احیا کننده پایین باشد، سایز نازلهای استفاده شده در دستگاه سختی گیر، کوچک خواهد بود و همانطور که در بالا اشاره شد، احتمال ایجاد رسوب و گرفتگی در آنها بالا خواهد رفت. علاوه بر مشکل رسوب، استفاده از نازل های با سایز کوچک باعث خواهد شد تا جریان محلول احیا کننده  نسبت به تغییرات فشار بالادست خود بسیار حساس شود. مگر آنکه از نازلهایی استفاده کنیم که یک تنظیم کننده فشار (Pressure Regulator) در آنها برای یکتواخت کردن فشار و دبی طراحی شده باشد. علاوه بر موارد فوق، دبی بالای محلول احیا کننده به معنی طولانی تر شدن زمان احیا است. در مواقعی که چندین مصرف کننده، آب ورودی خود را از یک سیستم سختی گیر دریافت می کنند، طولانی شدن زمان احیا می تواند اشکالاتی را بوجود بیاورد.

نکته آخر این است که کاهش دبی محلول احیا کننده، تأثیر خیلی زیادی روی راندمان احیا ندارد. چرا که عملاً کاهش دبی محلول احیا کننده، باعث طولانی تر شدن زمان احیا شده و میزان آب استفاده شده برای احیا مجموعاً تفاوت زیادی نخواهد کرد.