سختی گیر رزینی (نرم کردن آب) Ion Exchange Resin Water Softener لیان تدبیر
سختی گیر رزینی (نرم کردن آب) با استفاده از رزينهاي تعويض يونيIon Exchange Resins ، موجب جلوگيري از تشكيل رسوب در سيستم‌هاي اسمز معكوس مي‌شود. اين كار با حذف سختي (كاتيونهاي چند ظرفيتي) از آب خوراك RO صورت مي‌گيرد.
متداولترين اين يونها شامل كلسيم (Ca+2) ، منيزيم و آهن مي‌باشد. (آهن دو ظرفيتي، (Ferrous [Fe+2]) در آب محلول و آهن سه ظرفيتي، فريك (Fe+3) در آب نامحلول است)
در سختی گیرهای رزینی (Water Softener) آب از رزين‌هايي استفاده مي‌شود كه داراي گروههاي عاملي با مشخصه بار منفي قوي هستند. اين رزينها، قابليت جذب ساير كاتيون هاي رادار هستند و با كلرايد سديم احيا مي‌شوند. زماني كه يونهاي چند ظرفيتي شامل سختي و يا آهن، از ميان رزين عبور داده مي‌شوند، تبادل يوني بين اين يون ها با كاتيون سديم كه يك ظرفيتي است، انجام مي‌گيرد. براي كاتيونهاي دو ظرفيتي( به عنوان مثال، نظير كلسيم و منيزيم با ظرفيت 2+)، دو اتم سديم به ازاي هر اتم سختي‌زا وارد آب مي‌شود.
احيا سختی گیرهای رزینی (Ion Exchange Resin Water Softeners Regeneration)
احياي يك نرم كننده آب شامل 4 مرحله است.
1) شستشوي معكوس سختی گیرهای رزینی (Ion Exchange Resin Water Softeners Back Wash)
جهت حذف جامدات معلق و رزينهاي خرد شده (كه بخاطر انباشته شدن رزينها برروي هم بوجود مي‌آيند) لازم است كه نرم كننده به صورت معكوس شستشو شود. لازمه‌ي اين كار وجود جريان كافي از پايين به بالا با دبي مناسب جهت انتقال رزين به بالاي مخزن حاوي آنها است. انتقال رزينها به بالاي مخزن تا حد 50% عمق بستر، كافي است. زمان لازم براي شستشو، معمولاً حدود 15 دقيقه است يا اينكه تا زماني كه پساب حاصل از شستشوي معكوس كاملاً تميز شود، اين كار بايد ادامه داشته باشد. افزايش حجم بستر تابع دماي آب است. افزايش حجم بستر، براي مقادير مختلف جريان آب معكوس به صورت تابعي از دما نشان داده شده است. در f 040 ، دبي حدود gpm/ft2 5/4 لازم است تا حجم بستر را بيش از 50% افزايش دهيد، در حالي كه در دماي 0F 70 دبي آب بايد به بيش از gpm/ft2 6 افزايش مي‌يابد. با توجه به افت دما در فصل زمستان بايد مواظب بود كه به دليل انبساط بيش از حد بستر، در طي عمليات شستشوي معكوس، رزينها از بالاي بستر خارج نشوند. (اتلاف رزين وجود نداشته باشد)
شكل- تبادل يوني سديم براي سختي با استفاده از سختي‌گير آب
2) تبادل يون توسط نمك
احيا كردن رزين با نمكي كه كاتيونهاي موجود در بستر رزين را مبادله مي‌كند، يك فرآيند تعادلي است. رزين، ترجيحاً يونهاي عامل سختي را كه ظرفيت بار بزرگتري در مقايسه با يونهاي سديم دارند، جذب مي‌كند. به هرحال، تمايل به حذف يونهاي سختي را مي‌توان با افزايش نسبت يونهاي سديم به يونهاي سختي‌زا بيشتر كرد. در صورتي كه غلظت يون سديم در محلول زياد باشد، نرم كننده، قادر به جذب مقدار كمي از يونهاي عامل سختي خواهد بود. سختي آب خوراك (نظير آب دريا) توسط يك سختي‌گير (نرم كننده) حذف مي‌شود كه براي احياي آن لازم است كلرايد سديم با غلظت حدود 10% از بستر رزين عبور داده شود و جهت عبور جريان آب خوراك بايد هم جهت با عبور جريان از بستر رزين، هنگام تصفيه آب باشد. (در جهت بالا به پايين بستر).
شكل انبساط بستر براي سرعت جريانهاي معكوس به عنوان تابعي از دما براي يك نوع از كاتيون تبادل يوني اين عمل موجب انتقال يونهاي عامل سختي از رزين به محلول شستشو و مبادله آنها با سديم مي‌شود. سرعت جريان در حين احياي سختي‌گير بايد در حدود gpm/ft3 1 رزين باشد.
ظرفيت يك سختي‌گير رزینی (نرم كننده) به منظور حذف سختي، بستگي به غلظت كلرايد سديمي دارد كه در عمل احيا مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين ظرفيت، به علاوه در صد سختي جدا شده توسط بستر، در احياي ادواري مورد نياز تأثير خواهند گذشت. به دليل اينكه استفاده از كلرايد سديم جهت حذف مفيد قسمت اعظم سختي از آب خوراك اسمز معکوس RO واقع شده است، به منظور پيش تصفيه آب خوراك اسمز معکوس RO ، غلظت زياد كلرايد سديم، مثلاً 15 پوند نمك به ازاي هر فوت مكعب رزين مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اگر مورد نظر است كه غلظت سختي پس آب اسمز معکوس RO بيشتر كاهش يابد، سختي‌گير (نرم كننده) را مي‌توان با محلولي كه داراي غلظت بالاتر نمك باشد، احيا كرد. اين كار، استفاده مطلوب از نمك نيست، اما به اين وسيله كارآيي اسمز معکوس RO بهتر مي‌شود.
شكل – تبادل يوني در طي احياي سختي‌گير
جدول – ظرفيت رزين كاتيوني برحسب تابعي از تزريق نمك احيا كننده
3) شستشوي آهسته سختی گیرهای رزینی (Ion Exchange Resin Water Softeners Slow Rinse)
شستشوي آهسته رزين توسط آب به منظور خارج كردن محلول نمكي غليظ موجود در بستر و به ميزان 1 gpm به ازاي هر فوت مكعب رزين انجام مي‌شود. شستشوي آهسته به رزينهاي موجود در پايين بستر اين امكان را مي‌دهد تا زمان تماس لازم را با محلول نمكي در حال خروج از بستر بدست آورند. بعد از تخليه بستر از محلول نمكي غليظ، سيستم آماده شستشوي سريع مي‌شود.
4) شستشوي سريع سختی گیرهای رزینی (Ion Exchange Resin Water Softeners Fast Rinse)
شستشوي سريع رزين به ميزان 1.5 gpm آب به ازاي هر فوت مكعب و به منظور دورريز كردن سختي باقيمانده و كلرايد سديم اضافه از بستر، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. ابتدا سختي، تمايل به شستشو شدن دارد. در بعضي از موارد، سيستم را بعد از اينكه غلظت سختي در پساب خروجي به حالت نرم بازگشت، مي‌توان در سرويس قرار داد، به هرحال، لازم است شستشوي معكوس آن هم به مدت طولاني انجام شودتا غلظت كلرايد سديم پساب خروجي از بستر با آب ورودي به بستر برابر شود.
بهره برداری نگهداري سختی گیر رزینی (Ion Exchange Resin Water Softener Operation)
زماني كه در نظر است از رسوب كربنات كلسيم در سيستم اسمز معکوس RO جلوگيري شود، بهره‌برداري صحيح از نرم كننده آب به منظور افزايش بازدهي سيستم اسمز معکوس RO ، از اهميت زيادي برخوردار است. سختي آب خروجي از نرم كننده به طور روزانه با استفاده از يك كيت كه به mg/lit1 كربنات كلسيم حساس است اندازه‌گيري مي‌شود. شير اتومات براي احياي بسترها بايد به صورت دستي در سرويس باشند. اگر 5 سال از عمر رزين مبادله كننده، گذشته باشد و يا اينكه غلظت سختي در خروجي افزايش يابد، رزين بايد تعويض شود.
اگر آهن يا آلومينيوم، موجب گرفتگي رزين شوند، لازم است گرفتگي رزين با استفاده از يك ماده تميز كننده كه توسط سازنده رزين با فرمول اختصاصي در دسترس قرار مي‌گيرد، انجام شود. بار الكتريكي زياد آهن يا آلومينيوم، موجب مي‌شود كه اين فلزات طي عمل احيا به راحتي از رزين كاتيوني جدا نشوند. اغلب مواقع، غلظت ناخواسته‌يي از كلسيم يا منيزيم از رزين عبور مي‌كند. اين كار چندين علت دارد.
1- در رزين، گرفتگي آهن به وجود آمده است (رزين، تمايل بيشتري به جذب آهن نسبت به كلسيم يا منيزيم دارد)؛
2- در رزين، گرفتگي از نوع مواد آلي يا بيولوژيكي به وجود آمده است؛
3- عمر مفيد رزين تمام شده باشد؛
4- عمل احيا به خوبي انجام نمي‌شود؛
5- غلظت آب نمك موجود در تانك كه جهت احيا مورد استفاده قرار مي‌گيرد، مناسب نيست.
عملكرد نامناسب نرم كننده مي‌تواند به سرعت موجب ايجاد مشكلاتي همچون رسوب و ته نشيني شود كه بارها در سيستم اسمز معکوس RO مشاهده شده‌اند. جهت جلوگيري از تشكيل كربنات كلسيم، بكار بردن يك روش پشتيبان، مانند تزريق اسيد يا بازدارنده‌ي رسوب يا استفاده از يك نرم كننده‌ي يدك توصيه مي‌شود.
چنانچه نرم كردن آب به عنوان تنها راه منحصر به فرد جهت جلوگيري از رسوب كربنات كلسيم مورد استفاده قرار گيرد. داراي مزيت‌هاي ديگري به غير از حذف تزريق اسيد مي‌باشد. نرم كردن آب خوراك علاوه بر حذف كاتيونهاي عامل سختي، احتمال رسوب ساير نمكهاي نامحلول، نظير سولفات يا فسفات را از بين خواهد برد. نرم كردن آب همچنين موجب حذف آهن و منگنزي مي‌شود كه در صورت اكسيد شدن به صورت نامحلول درآمده، سپس رسوب مي‌دهند.
پايداري كلوييدي در سختی گیر رزینی (Water Softener)
يك ستون نرم كننده مي‌تواند موجب پايداري ذرات كلوييدي موجودي در آب خوراك RO شود. ذرات كلوييدي به دليل بار سطحي منفي كه در سطح خارجي‌شان وجود دارد يكديگر را دفع مي‌كنند و در نتيجه به صورت ذرات پراكنده در محلول باقي مي‌مانند. حال، چنانچه كاتيونهاي با بار مثبت بزرگ وجود داشته باشند، اين بار مثبت بزرگ، بار موجود در سطح ذرات كلوييدي را خنثي كرده، موجب جذب ذرات كلوييدي به كاتيونها مي‌شود كه احتمال رسوب دهي آنها نيز افزايش مي‌يابد. جايگزيني كاتيونهاي با بار مثبت بزرگ با يونهاي سديم يك ظرفيتي موجب پراكندگي بيشتر مواد كلوييدي در سيستم اسمز معکوس RO و در نتيجه ، مانع از ته‌نشين شدن آنها مي‌گردد.
حذف مرحله اضافي منعقد كننده كاتيوني جهت سختی گیری آب
اگر به منظور انعقاد و فيلتر كردن ذرات كلوييدي قبل از فيلترهاي مياني يك منعقد كننده كاتيوني به آب تزريق شود، نرم كردن آب (سختي زدايي) راهي براي حذف كامل سيستم پيش تصفيه انعقاد و جلوگيري از گرفتگي غشا است. در نرم كننده، عامل انعقاد، جذب بار منفي قوي موجود در رزين كاتيوني استاندارد از نوع اسيد قوي مي‌شود. براي تفكيك منعقد كننده از رزين، ممكن است احتياج به شستشوي معكوس رزين به وسيله محلول غليظ باشد.
شكل سمت چپ: تعليق براساس دافعه؛
شکل سمت راست: خنثي سازي دفع كلوئيدي كه توسط مقدار اندكي از فلزات صورت گرفته است.
اسيد- احياء كننده‌ي سختي‌گير (نرم كننده) Water Softener
سختی گیری كه در بالا توضيح داده شد از رزين كاتيوني اسيدي قوي استفاده مي‌كند. اين نوع رزين، بار منفي قوي دارد كه قادر به جذب يون سديم، طي عمل احيا است.
اگر رزيني كه در نرم‌كننده مورد استفاده قرار مي‌گيرد، رزين كاتيوني اسيدي ضعيف باشد، توانايي آن در جذب يون سديم مانند رزين اسيدي، قوي نيست. چنين بستري در بالا دست اسمز معكوس مورد استفاده قرار مي‌گيرد تا حفاظت بيشتري در برابر تشكيل رسوب به وجود آيد. رزين اسيدي ضعيف به وسيله اسيدهاي قوي نظير اسيد كلريدريك يا اسيد سولفوريك احيا مي‌شود. اسيد، جايگزين يونهاي سختي خواهد شد كه در مدت زمان در سرويس بودن بستر، جذب آن شده‌اند.
زماني كه بستر در سرويس است، رزين، يون هيدروژن (H+) را جايگزين pH يونهاي سختي موجود در آب خام مي‌كند. اين كار، احتمال تشكيل رسوب را كاهش خواهد داد. بسته به منبع آب جبراني، pH آب نرم شده بين 5 و 5/6 خواهد بود. اين pH پايينتر با تبديل اكثر يونهاي بي‌كربنات به دي اكسيد كربن پتانسيل رسوب‌دهي كربنات را كاهش مي‌دهد. به علاوه، pH پايينتر حلاليت رسوبهاي سولفات و كربنات را افزايش مي‌دهد. با انجام اين كار، بدون اينكه هيچ آنيوني به آب اضافه شود احتياج به سيستم تزريق اسيد نيز نخواهد بود. بدون اضافه شدن يونهاي سديم به آب، به سيستم نرم‌كننده استاندارد نيز نيازي نيست.
عدم تزريق سديم به آب خوراك اسمز معکوس RO در مواردي كه حتي مقادير ناچيز سديم اهميت دارد، بسيار مفيد است كه از آن جمله مي‌توان به مصرف آب آشاميدني و نيمه رساناها اشاره نمود.
يكي از نتايج نامطلوب اين سيستم پيش تصفيه جهت سیستم اسمز معکوس RO، وجود دي‌اكسيد كربني است كه به خاطر تبديل يون بي‌كربنات به دي‌اكسيد كربن به وجود مي‌آيد. اين دي‌اكسيد كربن از غشاي اسمز معکوس RO نفوذ مي‌كند و ممكن است نياز به حذف آن باشد.
يكي ديگر از نتايج نامطلوب اين سيستم، هزينه گزاف بهره‌برداري از آن به دليل هزينه زياد احيا توسط اسيد به جاي استفاده از نمك است. به هرحال احياي نرم كننده با اسيد براي منابع آبي كه تمايل به تشكيل رسوب در آنها زياد است بايد به عنوان يك مرحله پيش تصفيه اختياري در نظر گرفته شود.