سختی گیر

سختی گیر چیست؟

سختی گیر یا Water Softener واحدی است که برای نرم کردن آب به کار برده می‌شود، در این واحد مواد معدنی که منجر به سختی آب می‌شوند (کلسیم و منیزیم)، حذف می‌گردند. آب سخت باعث گرفتگی لوله‌ها می‌شود و  صابون در آن به راحتی حل نمی‌شود. با استفاده از سختی‌گیرها می توان از این مشکلات جلوگیری کرد. یک دستگاه سختی‌گیر خوب می‌تواند تا سال‌های سال مورد استفاده قرار گیرد و به نگهداری کم نیاز دارد. برای آشنایی با سختی‌گیرها، انواع آن‌ها، نحوه کارکرد و کاربردهایشان ابتدا باید با مفهوم سختی و آب سخت آشنا شد.

آب سخت چیست؟

آب سخت به آبی اطلاق می‌شود که مقادیر مواد معدنی موجود در آن از حد معمول بیشتر است. منظور از مواد معدنی بیشتر کلسیم و منیزیم می‌باشد. هرچه میزان کلسیم و منیزیم محلول موجود در آب بیشتر باشد، میزان سختی آب افزایش می‌یابد. با توجه به این که کلسیم و منیزیم یون‌هایی با بار مثبت هستند، هنگام حضور این کاتیون‌ها در آب یا به عبارت دیگر هنگام سخت بودن آب، کاتیون‌های دیگر به میزان خیلی کمی در آب حل می‌شوند؛ به همین علت صابون در آب سخت به خوبی حل نمی‌شود؛ همچنین آب سخت باعث گرفتگی لوله‌ها می‌شود از این رو در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند تولید آب آشامیدنی، تولید نوشیدنی‌ها، آب تغذیه برج‌های خنک کننده و بویلرها سختی آب اهمیت بسیار زیادی دارد.
منابع آبی به طور طبیعی می‌توانند سخت یا نرم باشند. آب‌هایی که از دریاچه ها یا رودخانه ها برداشت می‌شوند، اغلب نرم هستند درحالی‌که منابع آب زیرزمینی اغلب سخت می‌باشند زیرا آب باران هنگام نفوذ به اعماق زمین از لایه‌های سنگی عبور می‌کند و بدین‌ترتیب سختی آب افزایش می‌یابد. مناطقی که سنگ‌های از جنس آهک یا گچ در آن‌ها زیاد است، عموما آب سخت دارند در حالی که مناطقی که سنگ‌های غالب آن‌ها گرانیت یا دیگر سنگ‌هایی با مقادیر کم کلسیم هستند، عموما به طور طبیعی دارای آب نرم می‌باشند. همچنین در مناطق کشاورزی که از برخی ترکیبات مانند آهک زیاد استفاده می‌کنند، آب سخت است.

سختی آب چگونه اندازه گیری می‌شود؟

سختی آب به صورت دانه‌های سختی بر گالن آب (grains of hardness per gallon=gpg) یا قسمت در میلیون (parts per million=ppm) یا میلی‌گرم بر لیتر (milligrams per liter=mg/l) بیان می‌شود. هر gpg معادل 17 ppm (mg/l) است. در جدول زیر طبقه بندی سختی بر اساس سازمان جهانی NSF نمایش داده شده است. مصرف کنندگان متعقدند که زمانی که سختی آب از 6 تا 7 gpg فراتر رود، مشکل ایجاد می‌شود.

مشکلات ناشی از استفاده از آب سخت

آشامیدن آب سخت که دارای مقادیری ترکیبات معدنی محلول مانند کلسیم و منیزیم است، از نظر سلامتی مشکلی ایجاد نمی‌کند و البته مقادیر کم این مواد برای سلامتی انسان ضروری هستند. اما وجود مقادیر بالای این ترکیبات معدنی می‌تواند در لوله‌ها گرفتگی ایجاد و به تدریج عملکرد آن‌ها را مختل کند. همچنین آب سخت قابلیت کف کردن صابون را کاهش می‌دهد و مواد معدنی موجود در آب می‌توانند با صابون واکنش و یک لایه چسبناک را تشکیل دهند. برای مثال اگر شما در هنگام شستشوی ظروف با حضور لکه ها روی ظروف مشکل دارید، ممکن است نشان دهنده این باشد که آب مصرفی شما سخت است.

مزایای استفاده از سختی‌گیرها 

استفاده از سختی‌گیرهای رزینی محاسن زیادی دارد که از جمله آن‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• از بین بردن رسوبات روی ظروف، لوله‌ها و تجهیزات لوله کشی
• افزایش طول عمر تجهیزات مانند دیگ‌های بخار
• عملکرد بهتر صابون و شوینده‌ها
• سازگاری بهتر آب نرم با پوست 

معایب استفاده از سختی‌گیرها

از معایب استفاده از سختی گیرها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• حذف تمامی یون‌های کلسیم و منیزیم موجود در آب و نیاز به افزون مجدد مقادیر کمی از آن‌ها به آب تصفیه شده
• آب تصفیه شده دارای مقادیری سدیم است که می تواند در سیستم های سپتیک مشکل ایجاد کند
• نیاز به هزینه های نگهداری و سرویس دوره ای
• تخلیه آب شور به سیستم فاضلاب و ایجاد مشکلات بالقوه زیست محیطی
• آبی که برای احیای بستر رزینی سختی‌گیر استفاده می‌شود، در نهایت به صورت پساب و دورریز در می‌آید

کاربردهای سختی‌گیرها

سختی گیرها کاربردهای بسیار متنوعی دارند و در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شوند که از جمله آن‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• پالایشگاه ها
• نیروگاه ها 
• فرآوری مواد غذایی
• بیمارستان ها
• برج های خنک کننده
• تغذیه دیگ‌های بخار
• هتل‌ها و رستوران‌ها 
• کارواش ها و خشکشویی ها 

مکانیسم نرم کردن آب در یک سختی‌گیر رزینی

همانطور که قبلا اشاره شد، یون های کلسیم و منیزیم باعث ایجاد سختی در آب می‌شوند؛ با استفاده از فرایند تبادل یونی می‌توان این یون ها را از آب حذف کرد. دستگاه‌های سختی‌گیر استاندارد دارای رزین‌های کاتیونی هستند. در این سیستم ها یون‌های سختی (کلسیم و منیزیم) توسط بستر رزین با یون‌هایی که ایجاد سختی نمی‌کنند، تعویض می‌شوند. در سیستم‌های سختی‌گیری رزینی عمدتا از یون سدیم به عنوان یون تعویضی استفاده می‌شود. یون‌های سدیم توسط محلول سدیم کلراید یا همان محلول آب نمک تامین می‌شوند. در فرایند تبادل یونی، یون‌های سدیم به صورت پوششی بر روی بستر رزین قرار می‌گیرند. بستر تبادل یونی خود از مواد طبیعی مانند زئولیت یا از مواد سنتزی و مصنوعی ساخته می‌شود.
هنگامی که آب سخت وارد بستر رزین یک دستگاه سختی‌گیر می‌شود، یون‌های کلسیم و منیزیم مطابق شکل زیر با یون سدیم مبادله می‌شوند. در طی این فرایند، یون‎‌های سدیم آزاد و به جای یون‌های کلسیم و منیزیم وارد آب می‌شوند. پس از نرم سازی حجم زیادی از آب، بستر رزین با یون‌های کلسیم و منیزیم اشباع می‌شود و در این شرایط بستر رزین باید مجددا شارژ یا احیا شود. برای شارژ مجدد بستر رزین سختی‌گیر با یون‌های سدیم، شستشوی معکوس با استفاده از محلول آب نمک صورت می‌گیرد. در طی شستشوی معکوس یون‌های سدیم موجود در آب نمک جایگزین یون‌های کلسیم و منیزیم موجود در بستر رزین می‌شوند.

مراحل عملکرد یک سختی‌گیر رزینی

به طور کلی می‌توان گفت که یک سختی‌گیر رزینی دارای 4 مرحله اصلی می باشد که عبارتند از:
• سرویس یا نرم سازی (Service or Softening)
• شستشوی معکوس (Backwash)
• احیا (Regeneration)
• شستشو (Rinsing)
سرویس یا نرم‌سازی (Service or Softening): در این مرحله آب سخت از بالا وارد سختی‌گیر می‌شود و از بستر رزین تبادل یونی عبور کرده و به سمت پایین می‌رود، بدین ترتیب یون‌های کلسیم و منیزیم با یون‌های سدیم موجود در دانه‌های رزین مبادله و درنهایت آب نرم شده از پایین خارج می‌شود.
شستشوی معکوس (Backwash): هنگامی که بستر رزین اشباع می‌شود، دستگاه سختی‌گیر رزینی از سرویس خارج می‌شود و شستشوی معکوس انجام می‌شود. در بکواش یا شستشوی معکوس آب خام توسط شیرهایی از پایین به سمت بالا در بستر رزین حرکت می‌کند تا بستر رزین شسته شود. بکواش منجر به انبساط بستر رزین می‌شود و ذرات معلق را از بین می‌برد. 
احیا (Regeneration): با توجه به جهت حرکت محلول آب نمک دو نوع احیا رو به بالا (Upflow) و رو به پایین (Downflow) داریم. در احیا رو به بالا محلول آب نمک از پایین به بستر رزین تزریق می‌شود و به سمت بالا حرکت می‌کند ولی در احیا رو به پایین محلول آب نمک از بالا به بستر رزین وارد می‌شود و جهت حرکت آن رو به پایین است. در هر دو نوع احیا یون‌های سدیم موجود در آب نمک با یون‌های کلسیم و منیزیم موجود در بستر رزین تعویض می‌شوند و بدین ترتیب بستر احیا شده و مجددا آماده سختی‌گیری می‌شود. البته باید توجه داشت که اگرچه یون‌های کلسیم و منیزیم نسبت به سدیم بار قوی‌تری دارند، اما محلول آب نمک غلیظ دارای میلیون‌ها یون سدیم با بار ضعیف است و بدین ترتیب یون‌های سدیم این قدرت را دارند که یون‌های کلسیم و منیزیم را جا به جا کنند و هنگامی که این جابجایی اتفاق افتاد، یون‌های سدیم با بار مثبت به محل‌های تبادل یونی منفی موجود در بستر رزین می‌چسبند. لازم به ذکر است که در هر دو مدل احیا ذکر شده، جهت حرکت جریان آب سخت در مرحله سرویس یا نرم سازی از بالا به پایین است. 
شستشو (Rinsing): در این مرحله آب خام از بالا وارد سختی‌گیر می‌شود و با عبور از بستر رزین تمامی آب نمک باقی مانده از مرحله قبل را می‌شوید. هنگامی که آزمایشات انجام شده روی آب خارج شده از سختی‌گیر نشان دهد که تمامی نمک‌ها شسته شده‌اند؛ سختی‌گیر مجددا می‌تواند سرویس دهی کند.

محاسبه ظرفیت سختی‌گیر رزینی

مقدار سختی که یک سختی‌گیر می‌تواند در بین دو سیکل احیا از آب حذف کند را ظرفیت سختی‌گیر می‌گویند. ظرفیت سختی‌گیر را می‌توان به صورت گرین یا گالن بیان کرد. نحوه محاسبه هرکدام از ظرفیت‌های ذکر شده در ادامه توضیح داده شده است.

ظرفیت سختی‌گیر بر حسب گرین
ظرفیت سختی‌گیر بر حسب گرین را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد.
C=Q*t*TH*15.432
Q = دبی آب در گردش در سیستم بر حسب مترمکعب بر ساعت
t = تایم کاری (فاصله زمانی بین دو احیا متوالی) بر حسب ساعت
TH = سختی کل آب بر حسب میلی‌گرم بر لیتر یا ppm
15.432 = ضریب تبدیل گرم به گرین

محاسبه سرانگشتی حجم رزین مورد نیاز سختی‌گیرها
با توجه که می‌دانیم هر 28 لیتر رزین معادل 32000 گرین است، می‌توانیم با دانستن ظرفیت رزین و با استفاده از فرمول زیر به راحتی حجم رزین مورد نیاز را محاسبه کنیم. 
 32000/ 28* ظرفیت رزین (grains)= حجم رزین (L)
برای نمونه درصورتی که ظرفیت رزین grains 400000 باشد، با استفاده از فرمول بالا می‌توان گفت که به 350 لیتر رزین نیاز داریم.
400000*28/32000=350 Liter

ظرفیت سختی‌گیر بر حسب گالن 
برای محاسبه ظرفیت سختی‌گیر برحسب گالن به اطلاعات زیر نیاز داریم:
1. سختی کل آب خام بر حسب ppm
2. حجم رزین بر حسب فوت مکعب (ft³)
3. دوز نمک بر حسب پوند در حجم رزین بر حسب فوت مکعب (grains/ft³) 
در صورتی که حجم رزین مشخص نباشد، می‌توان با استفاده از جدول 1 و مطابق محیط‌ و ارتفاع تانک‌های مرجع، حجم رزین را تعیین کرد. دوز نمک در طول احیا، ظرفیت تبادل یونی رزین را معین می‌کند. به طور معمول دوز نمک 15 lbs/ft³ برای تامین ظرفیت تبادل یونی رزینی با ظرفیت 30000 grains/ft³ به کار برده می‌شود. دوز نمک کمتر باعث کاهش ظرفیت سختی‌گیری می‌شود، اما صرفه جویی اقتصادی را در پی دارد.

برای درک بهتر نحوه محاسبه ظرفیت سختی‌گیر بر حسب گالن، این مبحث را با یک مثال بیان می‌کنیم. برای نمونه میخواهیم ظرفیت یک سختی‌گیر که آب خام ورودی آن دارای سختی کل 118 ppm، حجم رزین آن 6 فوت مکعب است و با محلول آب نمک 15 lbs/ft³ احیا می‌شود را محاسبه کنیم.

قدم اول: تبدیل سختی آب ورودی از ppm به gpg (grains per gallon)

17.1/سختی کل (ppm)=  سختی کل (gpg)

118 ppm/17.1 =6.9 gpg

قدم دوم: محاسبه ظرفیت سختی‌گیر بر حسب گرین

ظرفیت تبادل رزین (معمولا 30000 grains/ft³)* حجم رزین (ft³) = ظرفیت سختی‌گیر (گرین)

6 ft³ resin * 30000 grains/ft³ = 180000 grains of capacity 

قدم سوم: محاسبه ظرفیت سختی‌گیر بر حسب گالن

سختی کل (gpg)/ ظرفیت سختی‌گیر (grains)=حداکثر ظرفیت سختی‌گیر (gallons)

180000 grains /6.9 gpg = 26087 gallons

اجزای مختلف یک سختی‌گیر رزینی

یک سختی‌گیر رزینی از سه بخش اصلی تانک رزین، تانک آب نمک و شیر کنترل تشکیل می‌شود که در ادامه توضیحاتی در رابطه با هرکدام ارائه شده است. 
مخزن سختی‌گیر (Resin Tank): تانک رزین یک مخزن بلند است که عمل سختی گیری در آن انجام می‌شود. این تانک از دانه‌های رزین پر شده است. هنگامی که آب سخت از آن عبور می‎‌کند، یون‌های کلسیم و منیزیم آن با یون‌های سدیم موجود در رزین تعویض می‌شوند. این عمل تا زمانی ادامه می‌یابد که بستر رزین اشباع شود. 
مخزن آب نمک (Brine Tank): این مخزن ارتفاعی کمتر از تانک رزین دارد و همانگونه که از نامش پیدا است، حاوی محلول آب نمک می‌باشد. از محلول آب نمک غلیظ موجود در این تانک جهت احیای بستر رزین استفاده می‌شود.
شیر هد یا شیر کنترل (Head Valve or Control Valve): شیر هد یا کنترل بر روی تانک رزین قرار می‌گیرد. این شیر نقش مهمی در دستگاه سختی‌گیر دارد و به عبارتی مغز این سیستم محسوب می‌شود زیرا این شیر تمامی چرخه‌ها و میزان آب و جهت جریان آن را کنترل می‌کند. زمان احیای رزین‌ها نیز توسط این شیرها تعیین می‌شود. مدل‌های قدیمی شیرهای کنترل تایمر داشتند، درحالی‌که نمونه‌های جدیدتر آن‌ها توسط یک کامپیوتر کنترل می‌شوند و زمان احیا را مشخص می‌کنند.

سختی‌گیر رزینی علاوه بر بخش‌های ذکر شده، قسمت‌های مختلف دیگری نیز دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:
بستر رزین (Resin Media): موادی عمدتا از جنس پلی‌استایرن و به صورت دانه ای هستند و جهت نرم سازی آب و گرفتن یون‌های کلسیم و منیزیم به کار می‌روند.
فلومتر (Flow Meter): میزان آبی که به سختی‌گیر وارد می‌شود را اندازه می‌گیرد. در تمامی سختی‌گیرها فلومتر وجود ندارد.
لوله بلندکننده یا توزیع کننده (Riser Tube or Distribution Tube): این لوله در مرکز تانک رزین قرار دارد و آب را از تانک رزین به شیر کنترل منتقل می‌کند. در انتهای این لوله یک زهکشی وجود دارد که از ورود رزین به لوله جلوگیری می‌کند.
لوله پرکننده (Fill Tube): این لوله مخزن آب نمک را به شیر کنترل متصل می‌کند. از این لوله برای کشیدن آب نمک در هنگام احیا و پرکردن مجدد تانک آب نمک استفاده می‌شود.
نمک (Salt): نمک با آب مخلوط می‌شود تا محلول آب نمک غلیظ را تولید کند.
شناور آب نمک (Brine Float Assembly): شناور ایمنی هنگامی که آب به سطح مشخصی برسد، برای جلوگیری از پر شدن بیش از حد، آن را متوقف می‌کند.
تزریق کننده آب نمک/ شیر ونتوری (Brine Injector/Venturi Valve): آب نمک را به داخل مخزن رزین می‌کشد.
صفحه توری (Grid Plate): صفحه توری در داخل تانک آب نمک قرار داده می‌شود. ارتفاع توری نمک حجم آب موجود در محلول آب نمک را تنظیم می‌کند تا بتوان به محلول با غلظت مشخص دست یافت.
در تصویر زیر یک سختی‌گیر رزینی و اجزای مختلف آن نمایش داده شده است.

مشکلات ایجاد شده در استفاده از سختی‌گیرها

مشکلات ایجاد شده در هنگام استفاده از سختی‌گیرها عموما با کاهش ظرفیت آب نرم شده یا نتایج آزمایشات و کاهش میزان سختی‌گیری خود را نشان می‌دهند. علت این مشکلات را می‌توان در 6 گروه زیر تقسیم بندی کرد.
تغییر در کیفیت آب: سختی آب‌های سطحی معمولا در فصول مختلف تغییر می‌کند و این تغییر سختی آب بر ظرفیت سختی‌گیر اثر می‌گذارد، به طوری که با افزایش سختی آب، ظرفیت تولید آب نرم شده توسط سختی‌گیر کاهش می‌یابد و بالعکس.
نرخ جریان‌های نامناسب: حداکثر نرخ جریان در طول سختی‌گیری آب و چرخه‌های بکواش نباید از مقادیر پیشنهاد شده توسط سازنده افزایش یابد. جریان بیش از اندازه در طول سختی‌گیری منجر به کاهش راندمان سختی‌گیری می‌شود و جریان بیش از حد در طول بکواش خارج شدن دانه‌های رزین از بستر را در پی دارد.
تزریق نامناسب آب نمک در طول احیا: میزان و قدرت آب نمکی که در طول فرایند احیا به سختی‌گیر تزریق می‌شود، باید مطابق با پیشنهادات سازنده باشد. تزریق نامنظم آب نمک می‌تواند در اثر عواملی مانند کافی نبودن نمک موجود در تانک جهت حل شدن، انژکتور فرسوده، شیر شناور معیوب در تانک یا خرابی در تایمر توالی رخ دهد.
گرفتگی مواد تبادل کننده: آلاینده‌های موجود در آب یا رشد بیولوژیکی بر بستر رزین باعث ایجاد تداخل در عملکرد مناسب سختی‌گیر می‌شوند که کاهش ظرفیت یا کیفیت آب نرم شده را در پی دارند.
نقص‌های مکانیکی: شکستگی یا خرابی بافل‌ها یا توزیع کننده ها می‌تواند منجر به پخش ضعیف آب یا محلول آب نمک شود که در نتیجه کاهش ظرفیت آب تصفیه شده یا نرم سازی ناقص آب را در پی دارد.
از بین رفتن مواد تبادل کننده در اثر سایش: سالانه در حدود 3 درصد از کل دانه‌های رزین در سختی‌گیر شسته می‌شوند و از دست می‌روند؛ درنتیجه سالیانه 3 درصد راندمان تصفیه کاهش می‌یابد.

قیمت سختی‌گیرها

دستگاه‌های سختی گیر رزینی با توجه به راندمان هایی که دارند، دارای قیمت های متنوعی هستند. برخی از سختی‌گیرها با جریان برق و برخی با نیروی آب کار می کنند. هزینه‌های سختی‌گیر به شدت به نوع سختی‌گیر و نوع انرژی مصرفی بستگی دارد. همچنین میزان کل سختی آب و حجم آبی که باید نرم شود نیز بر هزینه ها اثرگذار است، به طوری که هرچه آب سخت تر باشد، هزینه‌های نرم کردن آن نیز افزایش می‌یابد. به طور کلی می‌توان گفت که هزینه‌های استفاده سختی‌گیرها در مقایسه با مزیت‌های آن‌ها و همچنین صرفه‌جویی که با استفاده از آب نرم در هزینه ها ایجاد می‌شود، خیلی چشمگیر نیست. 

نکات مهم در خرید سختی‌گیر 

جهت انتخاب و خرید مناسب‌ترین دستگاه سختی‌گیر باید به نکات مختلفی توجه کرد که از جمله آن‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• آب خود را آنالیز کنید تا از میزان سختی یا سایر ناخالصی‌های موجود در آن مطمئن شوید.
• محاسبه کنید که روزانه و سالانه به چه میزان آب نرم شده نیاز دارید.
• مدت زمان لازم برای احیای فیلتر سختی‌گیر باید مورد توجه قرار بگیرد تا در زمان قرار گرفتن ستون سختی‌گیر در حالت احیا، مشکلی جهت تامین آب نرم موردنیاز پیش نیاید (در صورت وجود محدودیت‌های عملیاتی برای این موضوع می‌توان از سختی‌گیرهای دابلکس یا موازی استفاده نمود؛ بدین صورت که یک ستون در حالت سرویس بوده و ستون دیگر در حال احیا و سپس آماده جهت سرویس می‌باشد).
• توجه کنید که فضای در دسترس شما برای قراردادن سختی‌گیر چه قدر است و سپس سختی‌گیر با ابعاد مناسب را انتخاب کنید.
• به هزینه‌های نگهداری و تعمیر سختی‌گیر توجه کنید.
• آیا سختی‌گیر نیاز به پیش‌تصفیه برای آهن و منگنز دارد؟
• سدیم موجود در آب خروجی برای سلامتی مشکلی ایجاد نمی‌کند؟
• خرید سختی‌گیر با قیمت بالاتر الزاما به معنی کارکرد بهتر آن نیست و شاید یک سختی‌گیر با قیمت متوسط نیز نیازهای شما را به خوبی برآورده کند.
• از فروشنده‌های معتبر و دارای سابقه در این زمینه خریداری کنید.
• سختی‌گیر باید دارای تاییدیه‌های بین المللی مانند NSF یا WQA باشد.

برای دریافت راهنمایی و مشاوره فنی جهت خرید بهترین سختی‌گیر با بالاترین کیفیت و مناسب‌ترین قیمت می‌توانید با کارشناسان آبکالا تماس حاصل فرمایید. آبکالا با 10 سال سابقه درخشان در زمینه فروش و طراحی تجهیزات تصفیه آب، فروشگاهی معتبر برای خرید سختی‌گیر متناسب با نیازهای شما می‌باشد.