سختی گیری آب شامل حذف کلسیم، منیزیم و بعضی دیگر از کاتیون های فلزی موجود در آب سخت می باشد. آب نرم حاصل شده با صابون سازگارتر بوده و باعث افزایش عمر سیستم لوله‌کشی می شود. کاهش سختی آب معمولاً از طریق سختی گیری با آهک یا سختی گیر رزینی انجام می گیرد.
تصویری از فرآیند سختی گیری آب که شامل جایگزینی یون های کلسیم در آب با یون های سدیم می باشد که توسط رزین های تبادل یونی تامین می گردد.
اصول اولیه
وجود یون های فلزی خاص مانند کلسیم و منیزیم که عمدتاً به صورت بی کربنات ها، کلریدها و سولفات ها در آب می باشند، باعث بروز مشکلات متعددی می شوند.
آب سخت غالباً منجر به تولید رسوب آهک می شود، که خود باعث بروز مشکل در لوله کشی، و ایجاد خوردگی در قطعات و مواد گالوانیزه می گردد. در واحدهای سختی گیر آب و کاهش سختی در مقیاس صنعتی، رسوب حاصل از پساب خروجی فرآیند احیا می تواند موجب گرفتگی سیستم های فاضلاب گردد.
رسوب گذاری آهک در یک لوله PVC
حس لغزندگی ای که هنگام شستن دست ها با آب نرم ایجاد می شود، به دلیل تمایل صابون برای چسبیدن به چربی ها در لایه های سطحی پوست می باشد که این امر منجر به پاک نشدن مولکول های آب با رقیق سازی جزئی می شود. در مقابل، در مناطقی که آب سخت وجود دارد، آب حاصل از شستشو شامل یون های کلسیم یا منیزیم می باشد که باعث تشکیل نمک های نامحلولی می شود که به طور موثری صابون های باقی بر روی پوست را شسته و اما در اغلب اوقات نیز لایه ای از استرات های نامحلول را بر روی سطح دوش و حمام که کف صابون نامیده می شود، ایجاد می کند.
خوشایند یا غیرخوشایند بودن هر کدام از این تاثیرات کاملاً سلیقه ای بوده و وابسته به سلیقه‌ی افراد می باشد. افرادی که اثرات نرم بودن (مانند سختی شستن صابون در آب نرم) آب برای آن ها ناخوشایند می باشد، ممکن است با استفاده از مواد شیمیایی ای مانند جوش شیرین، کلسیم کلرید یا منیزیم سولفات آب را سخت نمایند.
روش ها
رایج ترین روش ها برای از بین بردن و کاهش سختی آب متکی به رزین های تبادل یونی یا اسمز معکوس می باشند. سایر رویکردها که شامل روش های ته نشینی، تجزیه و جداسازی می باشند، با اضافه نمودن عوامل چنگاله (در علم شیمی و مهندسی بسپار، به ترکیبی ناجورحلقه که دارای حداقل یک کاتیون فلزی (در هَم‌تافت‌ها) یا یون هیدروژن است، چَنگاله یا کی‌لیت، (Chelate) می‌گویند) صورت می گیرد.
تجهیزات رزین های تبادل یونی
سیستم های متعارفی که برای سختی گیری آب در مصارف خانگی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً در قالب رزین های تبادل یونی می باشند که در آن ها یون های ایجاد کننده سختی – معمولا +Ca 2 و +Mg 2 – با یون های سدیم تبادل می شوند. همانطور که می دانید، تجهیزات تبادل یونی با جابجایی منیزیم و کلسیم (+Ca 2 و +Mg 2) با یون های سدیم یا پتاسیم (+Na و +K) میزان سختی را کاهش می دهند.
رزین های تبادل یونی پلیمرهای آلی ای می باشند که شامل گروه های فعال آنیونی ای هستند که در آن ها کاتیون های دو بار مانند +Ca 2 پیوندهای قوی تری نسبت به کاتیون های یک بار مانند +Na ایجاد می کنند. مواد غیرآلی ای که زئولیت نامیده می شوند نیز دارای خصوصیات تبادل یونی می باشند. این مواد آلی به طور گسترده ای در مواد شوینده مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین از رزین ها می توان برای حذف کربنات ها، بی کربنات ها و یون های سولفات نیز استفاده نمود که با جذب این موارد، رزین ها اقدام به آزاد نمودن یون های هیدروکسید می کنند.
پس از آنکه تمام یون های موجود +Na با یون های کلسیم و منیزیم جایگزین شد، بسته به رزین استفاده شده و با استفاده از محلول سدیم کلرید یا سدیم هیدروکسید، باید اقدام به شارژ مجدد رزین از طریق جداسازی یون های+Ca 2 و+Mg 2 نماییم. برای شارژ مجدد رزین های آنیونی غالباً از محلول سدیم هیدروکسید یا پتاسیم هیدروکسید استفاده می شود. فاضلاب خروجی از ستون تبادل یونی که دارای نمک های کلسیم و منیزیم نامطلوب می باشد، معمولاً به سیستم فاضلاب تخلیه می شود.
سختی گیری آب با آهک
سختی گیری وکاهش سختی آب توسط آهک فرآیندی می باشد که در آن برای از بین بردن سختی آب به آن آهک اضافه می کنند. این فرآیند مزایای متعددی نسبت به تبادل یونی دارد اما نیازمند نیرویی تمام وقت و با تجربه برای بهره برداری از تجهیزات می باشد.
عوامل چنگاله
از چنگاله ها در آنالیزهای شیمیایی، به عنوان سختی گیر آب و بسیاری از محصولات تجاری مانند شامپو ها و مواد نگهدارنده ی غذا استفاده می شود. از سیتریک اسید برای نرم کردن آب در صابون ها و مواد شوینده استفاده می شود. یکی از پرمصرف ترین چنگاله های مصنوعی مورد استفاده اتیلن دی آمین تتراستیک اسید (EDTA) می باشد.
تقطیر و آب باران
از آنجا که +Ca 2 و +Mg 2 نمک هایی غیر فعال هستند، می توان آن ها را با تقطیر آب حذف نمود. در بیشتر موارد تقطیر عملی بسیار هزینه بر است. آب باران به دلیل تقطیر طبیعی در طول فرآیند چرخه ی آب (تبخیر، چگالش و بارش)، نرم می باشد.
اسمز معکوس
اساس کار اسمز معکوس (RO) بهره گیری از گرادیان های فشار هیدرواستاتیک بر روی ممبرانی خاص می باشد. ممبران ها دارای منفذهایی بسیار ریز می باشند که فقط اجازه ی عبور مولکول های اکسیژن را داده و یون های ایجاد کننده ی سختی مانند+Ca 2و +Mg 2 پشت ممبران باقی مانده و توسط آب مازاد به قسمت تخلیه برده می شود. آب عبور داده شده نرم و عاری از هر یون سختی ساز (بدون اضافه کردن یون های دیگر) می باشد. ممبران ها دارای ظرفیت مشخصی می‌باشند و نیاز به تعویض دوره ای دارند.
دستگاه های غیر شیمیایی
برخی از سازندگان تجهیزات ادعا می کنند که دستگاه های الکترونیکی آن ها بر تعامل مواد معدنی با آب تاثیر گذاشته و مانع از چسبیدن مواد معدنی به سطح آب می گردد. از آنجا که ساز و کار این سیستم بر اساس تبادل یونی نمی باشد (برخلاف سختی گیرهای سنتی)، مزیت بزرگی برای کاربران ایجاد می شود و دیگر نیازی به اضافه نمودن هیچ گونه نمکی به سیستم نیست. تا زمانی که کاهش اندازه ی ذرات و افزایش رشد گیاهان وجود داشته باشد، استفاده از این سیستم ها منجر به حذف مواد معدنی به تنهایی نخواهد نشد. در عوض تنها توانایی تغییر اثرات آب حاوی مواد معدنی در پایین دست را دارا هستند، که به عنوان مثال می توان به ته نشینی رسوبات کلسیمی و تکه های نمک در خاک اشاره نمود. کارکرد اصلی این سیستم به جای کاهش سختی آب بیشتر مناسب عنوان بهسازی آب می باشد.
ادعاهای مشابه مانند تصفیه مغناطیسی آب نیز معتبر نمی باشند. برای مثال زمانی که این دستگاه به صورت علمی مورد آزمایش قرار گرفت، هیچ گونه کاهشی در تشکیل رسوب مشاهده نشد. پرکاربردترین روش های غیر شیمیایی سختی گیری و کاهش سختی آب از بین موارد ذکر شده در بالا، اسمز معکوس و تقطیر می باشد.
اثرات بهداشتی
طبق توصیه ی سازمان پیشگیری و کنترل بیماری (CDC) میزان استفاده از سدیم نباید از 2300 میلی گرم در روز بیشتر باشد، اما این عدد در ایالات متحده در حدود 3500 میلی گرم در روز می باشد. از آنجا که مقدار سدیم موجود در آب شرب (حتی بعد از سختی گیری آب) نشان دهنده‌ی درصد قابل توجهی از مصرف روزانه ی افراد نمی باشد، لذا سازمان حفاظت از محیط زیست امریکا وجود سدیم در آب شرب را باعث بروز اثرات نامطلوب بر روی سلامتی نمی داند.
کسانی که نسبت به سدیم حساس می باشند می توانند با استفاده از اسمز معکوس، سدیم و سایر ناخالصی های احتمالی موجود را از آب شرب و آب مورد استفاده برای پخت و پز حذف کنند. همچنین می توان از پتاسیم کلرید به جای سدیم کلرید استفاده نمود (این کار موجب بالا رفتن هزینه ها می شود). برای افرادی که از عارضه های کلیوی رنج می برند، استفاده ی زیاد از پتاسیم می تواند موجب عوارضی مانند تپش قلب شود.
در مقایسه روش های اسمز معکوس و تقطیر که برای تولید آب نرم استفاده می شوند، آب سخت با کاهش میزان حلالیت یون های سمی فلزی مانند سرب و مس (این مواد حلالیت بیشتری در آب نرم دارند)، باعث ایجاد مزیت های بهداشتی و سلامتی می گردد.
اثرات زیست محیطی
به دلیل جایگزینی کلسیم و منیزیم با سدیم درآب نرم (با اندازه گیری شاخص سدیم کربنات باقی مانده)، این آب برای استفاده در مصارف آبیاری و کشاورزی مناسب نمی باشد، چرا که موجب قلیایی شدن خاک می گردد. به همین دلیل در اغلب مواقع از تجهیزات غیرشیمیایی به جای روش قدیمی کاهش سختی آب استفاده می شود.
