محدودیت TDS آب ورودی به سختی گیر رزینی

منظور از آب نرم، آبی است که تقریباً عاری از نمک های کلسیم و منیزیوم باشد. برای تعیین کیفیت آب نرم، استانداردهای مختلفی وجود دارد. به عنوان مثال، از نظر سازمان Water Quality Association (WQA) و بر اساس استانداردهای NSF/ANSI 44 و NSF/ANSI 330، سختی کل موجود در آب نرم می بایست کمتر از 1 gpg یا 17.1 ppm کربنات کلسیم باشد. در صورتیکه از نظر سازمان دیگری مانند U.S. Geological Survey (USGS)، سختی کل آب نرم باید کمتر 60 ppm کربنات کلسیم باشد. دلیل این تفاوت، نوع نگاه به مشکلات ناشی از سختی آب است. حد مجاز سختی آب در استاندارد WQA برای جلوگیری از مشکل رسوب گذاری و عملکرد شستشو با مواد شوینده در نظر گرفته شده، در صورتیکه استاندارد USGSC، خاصیت خورندگی ناشی از سختی کل خیلی پایین آب را نیز در نظر گرفته است.

اما در عمل و بصورت کیفی، می توان گفت آب نرم (Soft Water) آبی است که مشکلات زیر که ناشی از آب با سختی بالا است را نداشته باشد:

- رسوب گذاری بر اثر حرارت

- واکنش با صابون و مواد شوینده و جلوگیری از کف کردن مناسب این مواد

- رسوب گذاری بر اثر افزایش pH

- تشکیل لکه های سفت روی سطوح بعد از خشک شدن

- واکنش با سایر مواد شیمیایی و تشکیل رسوب

آبی که سختی آن گرفته شده یا اصطلاحاً "آب نرم"، هیچکدام از مشکلات نامبرده فوق را ندارد.

باید به این نکته توجه داشت که تشکیل رسوب در آب، یک پدیده "کیفی" است. یعنی رسوب گذاری حتی در آب نرم که سختی آن کمتر از حدود ذکر شده در استانداردهای مختلف است، باز هم اتفاق می افتد و به صفر نمی رسد.

بحث کنترل رسوب گذاری مخصوصاً در مصارف صنعتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به عنوان مثال، در بویلرهای فشار متوسط، سختی کل آب باید زیر 2 ppm باشد. در سختی آب بالاتر، رسوب گذاری در دمای بالا بسرعت اتفاق افتاده و بویلر حتماً باید خاموش و تمیز شود. رسوب گذاری حتی در آب با سختی کل زیر 2 ppm هم اتفاق می افتد. اما بازه زمانی مورد نیاز برای خاموشی دستگاه و تمیزکاری در حد معقولی خواهد بود. در بویلرهای فشار بالا، حساسیت از این هم بیشتر است. سختی آب ورودی به بویلرهای فشار بالا باید زیر 0.3 ppm باشد! عددی به مراتب کمتر از 17.1 ppm که در استانداردها که برای آب نرم در نظر گرفته شده است.

واقعیت این است که استاندارد سختی کل زیر 17.1 ppm یا 1 gpg برای آب نرم، بیشتر برای مصارف خانگی در نظر گرفته شده است. زیرا حساسیت و مشکلات ناشی از افزایش سختی آب در مصارف خانگی خیلی کمتر از واحدهای صنعتی است. اثرات و مشکلات ناشی از افت عملکرد سختی گیر رزینی در منزل ممکن است چندین روز و یا هفته بعد مشخص شود. اما افزایش سختی آب بر اثر عملکرد نادرست سختی گیر در مصارف و تجهیزات صنعتی بلافاصله و خیلی سریع منجر به بروز هزینه های سنگین و مشکلات جدی می شود.

در طراحی سختی گیر رزینی (حتی در مصارف خانگی) می بایست به این نکته توجه داشت که علاوه بر سختی آب، پارامترهای دیگری از جمله نسبت سختی به سدیم، کل مواد جامد محلول در آب (TDS)، دما و نشتی سختی نیز در عملکرد و تعیین ظرفیت دستگاه تأثیرگذار هستند.

رابطه تعادلی تبادل یون در سختی گیر رزینی

فرآیند تبادل یون در سختی گیر رزینی، یک واکنش شیمیایی دو طرفه است:

فرمول (1): رابطه تعادلی در فرآیند سختی گیری توسط رزین کاتیونی

طبق معادله واکنش فوق، آنچه باعث تبادل یون و سختی گیری مناسب در رزین می شود، بستگی به مقدار یون کلسیم (Ca⁺⁺) در آب و یون آزاد سدیم (Na⁺) در رزین دارد (صورت کسر بالا). هر چه این مقادیر بالاتر باشند، نیروی پیشران تبادل یون در سختی گیر، بیشتر و قوی تر عمل می کند. برعکس، هرچه مقدار یون های کلسیم تجمع پیدا کرده در دانه های رزین و یا یون های سدیم موجود در آب (مخرج کسر بالا) بیشتر باشد، سرعت فرآیند سختی گیری توسط رزین کاهش می یابد.

با عبور آب خام از بستر رزین، بتدریج مقدار کلسیم موجود در آب کاهش و در دانه های رزین افزایش یافته و همزمان، مقدار یون های سدیم در دانه های رزین کاهش و در آب افزایش می یابند. این دو فرآیند باعث کاهش سرعت و قدرت تبادل یون طبق معادله واکنش تعادلی نشان داده شده در سحتی گیر می شوند. با ادامه این روند، به جایی میرسیم که واکنش کاملاً به تعادل رسیده و تبادل یون متوقف می شود. از این نقطه به بعد، آب خروجی سختی گیر دارای سختی خواهد بود که به آن اشباع (Exhaustion) رزین گفته می شود.

باید توجه داشته داشت که پدیده "اشباع" (Exhaustion) رزین را نباید با پدیده "نشتی سختی" (Hardness Leakage) اشتباه گرفت. در طول هر سیکل کاری سختی گیر، مقدار کمی سختی از بستر رزین خارج و وارد آب خروجی سختی گیر می شود. به این پدیده، "نشتی سختی" گفته می شود. نشتی سختی به این دلیل است که در طول فرآیند احیا، تمام یون های کلسیم در دانه های رزین بصورت کامل و 100% از رزین های موجود در بخش زیرین بستر جدا و خارج نشده اند.

مطالعات و بررسی ها نشان داده است که بعد از احیا، حدود 15% یا حتی بیشتر دانه های رزین کماکان دارای یون های کلسیم هستند. وقتی آب با سختی پایین از رزین های بالایی به این رزین های کلسیم دار می رسند، مقداری یون کلسیم وارد آب شده و باعث ایجاد سختی در آب خروجی می شود. بتدریج با عبور آب و خارج شدن این یون های کلسیم رزین های پایینی، سختی آب خروجی شروع به کاهش می کند. تغییرات نشتی سختی در یک سیکل کاری سختی گیر بصورت شماتیک در شکل زیر نمایش داده شده است:

شکل (1): نشتی سختی در یک سیکل کاری سختی گیر رزینی

مقدار نشتی و همچنین ظرفیت سختی گیری رزین به مقدار نمک استفاده شده در فرآیند احیا بستگی دارد. این وابستگی در شکل زیر نمایش داده شده است:

شکل (2): ارتباط نشتی سختی و ظرفیت سختی گیری با میزان نمک مورد استفاده در احیای رزین سختی گیر

تأثیر TDS آب ورودی بر روی عملکرد سختی گیر

طبق فرمول تعادلی شماره (1)، افزایش میزان سدیم در آب باعث کاهش سرعت تبادل یون در فرآیند سختی گیری می شود. این افزایش سدیم در آب هم می تواند ضمن عبور آب از رزین و تبادل کاتیون های سختی آب با یون های آزاد سدیم در دانه های رزین اتفاق بیفتد و هم وجود سدیم از ابتدا در آب ورودی به سختی گیر. به همین دلیل، می توان گفت که هرچه میزان TDS آب ورودی به سختی گیر (و به تبع آن میزان یون سدیم موجود در آب) بیشتر باشد، فرآیند تبادل یون و سختی گیری با رزین دشوارتر خواهد شد. 

حالا با توجه به شکل شماره (2) که نشاندهنده تأثیر افزایش میزان نمک روی کاهش نشتی سختی و افزایش ظرفیت سختی گیری است، این سؤال پیش می آید که آیا با افزایش میزان نمک می توان بر اثر منفی بالا بودن TDS آب ورودی غلبه کرد؟ آیا رابطه ای بین این دو پارامتر وجود دارد؟ پاسخ این سوال در منحنی زیر نشان داده شده است:

شکل (3): رابطه TDS آب ورودی به سختی گیر با میزان نمک و نشتی سختی

شکل فوق نشان می دهد که در یک TDS مشخص آب ورودی و در شرایط نسبت مشخص سدیم به کلسیم (در شکل فوق 50/50)، هر چه میزان نمک استفاده شده در احیا بیشتر باشد، نشتی سختی کمتر خواهد بود. منحنی آبی رنگ، نشاندهنده میزان نمک مورد نیاز برای نشتی 1 gpg یا 17.1 ppm در TDS های مختلف آب ورودی است.

طبق شکل شماره (3)، میزان نمک مورد نیاز برای رسیدن به نشتی سختی 1 gpg یا 17.1 ppm در آب ورودی با TDS = 2000 ppm حدود 9 پوند بر فوت مکعب یا 144 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین می باشد. طبعاً اگر بخواهیم به نشتی سختی نصف این مقدار یعنی 8.5 ppm برسیم، میزان نمک مورد نیاز به حدود 15 پوند بر فوت مکعب یا 240 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین افزایش خواهد یافت. همچنین با افزایش TDS آب ورودی به 3000 ppm و 4000 ppm برای رسیدن به همان نشتی سختی 1 gpg میزان نمک مورد نیاز به ترتیب به حدود 17 پوند بر فوت مکعب (272 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین) و 26 پوند بر فوت مکعب (416 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین) می رسد. با توجه به این موارد می توان گفت که رسیدن به سختی 0.5 gpg یا 8.5 ppm برای آب با TDS بالای 3000 ppm توسط یک سختی گیر رزینی به تنهایی، عملاً با توجه به مقدار نمک زیادی که نیاز دارد، برای استفاده خانگی اصولاً امکانپذیر نخواهد بود.

تأثیر نسبت سدیم به سختی آب ورودی بر روی عملکرد سختی گیر

شکل شماره (3) با فرض نسبت مساوی 50/50 سدیم به کلسیم آب ترسیم شده. طبعاً با افزایش نسبت سدیم به کلسیم در آب و با توجه به فرمول تعادلی شماره (1)، فرآیند تبادل یون مشکل تر خواهد شد. در این حالت، نشتی سختی و همچنین نمک مورد نیاز برای احیا در یک نشتی مشخص، افزایش پیدا می کند.

جدول زیر نشان دهنده محدودیت TDS آب خوراک در سختی گیر رزینی با توجه به نسبت سدیم به کلسیم و مقدار نمک مورد استفاده در احیا می باشد:

جدول (1): حداکثر TDS مجاز برای 1 gpg یا 17.1 ppm نشتی سختی خروجی

همانطور که مشاهده می شود، با افزایش نسبت یون سدیم به کلسیم، مقدار حداکثر TDS آب ورودی برای سختی گیری تا یک نشتی مشخص کاهش می یابد.

بصورت تقریبی می توان گفت که با در نظر گرفتن احیا با 8 پوند نمک به ازای هر فوت مکعب رزین (معادل 120 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین)، حداکثر TDS مجاز آب ورودی حدود 1650 ppm و با 10 پوند نمک به ازای هر فوت مکعب رزین (معادل 160 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین)، حداکثر TDS مجاز آب ورودی حدود 2000 ppm خواهد بود.

بنابراین تنها دانستن سختی کل برای طراحی دقیق سختی گیر رزینی کافی نیست و علاوه بر آن دانستن نسبت یون سدیم به کلسیم آب خوراک نیز اهمیت دارد. طبق جدول شماره (1) حداکثر TDS مجاز در نسبت های مختلف سدیم یه کلسیم می تواند بین 35% تا 40% تفاوت ایجاد کند. برای رسیدن به نشتی سختی قابل قبول با آب خوراک دارای سدیم بالا، نیاز به مقدار نمک بیشتری خواهد بود.

معمولاً هر چه TDS آب بالاتر رود، احتمالاً میزان سدیم به سختی نیز افزایش می یابد. اگر آنالیز دقیق آب در دسترس نبود، می توان نسبت سدیم به کلسیم را 50/50 در نظر گرفت.

شکل زیر نشان دهنده نشتی سختی با مقادیر مختلف نمک در TDS های مختلف آب خوراک است:

شکل (4): رابطه TDS آب ورودی به سختی گیر با میزان نمک و نشتی سختی با فرض عدم وجود یون سدیم در آب خوراک

شکل شماره (4) با فرض نسبت 100% یون کلسیم نسبت به سدیم در آب است. بنابراین برای استفاده از این شکل بهتر است مقدار TDS واقعی آب ورودی را حدوداً20% بالاتر در این شکل در نظر گرفت تا اثر وجود یون سدیم نیز لحاظ شود. به عنوان مثال، اگر TDS آب ورودی 2500 ppm باشد، برای استفاده از شکل شماره (4) مقدار TDS را 3000 ppm در نظر گرفته و مشاهده می شود که برای نشتی 1 gpg یا 17.1 ppm میزان نمک مورد نیاز حدود 10 پوند نمک به ازای هر فوت مکعب رزین (معادل 160 گرم نمک به ازای هر لیتر رزین) خواهد شد.