بررسی امکان استفاده از رزینهای تبادل یونی مختلف جهت کاهش سختی و TDS آب آشامیدنی برای جلوگیری از خوردگی و رسوبگذاری

 چکیده

با توجه به اینکه کل جامدات محلول در آب )TDS( و سختی آب باعث کاهش کیفیت آب آشامیدنی، ایجاد مشکلاتی از قبیل خوردگی و رسوبگذاری در خطوط لوله که سبب تحمیل هزینه های فراوانی می شود، الزم است تحقیقات مختلف در جهت کاهش TDS و سختی مورد بررسی قرار گیرد. در این زمینه یافتن جاذبهای مؤثر و اقتصادی برای کاهش سختی آب و TDS از لحاظ صنعتی و یا شرب از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این مقاله سعی شده است تا آخرین تحقیقات در مورد روش های مختلف به ویژه استفاده از روش تصفیه با رزینهای تبادلیونی مختلف برای بهبود کیفی آب آشامیدنی در جهت نرم شدن آب و کاهش TDS ارائه شود. نتایج این تحقیقمیتواند سبب تجاری سازی وکاهش هزینه های تصفیه آب جهت داشتن آب شرب سالم و مناسب برای جلوگیری از خوردگی و رسوب-گذاری، با کاهش اتلاف زمان و هزینه باشد.

کلمات کلیدی: رزینهای تبادل یونی، سختی آب ، TDS،  خوردگی ، رسوبگذاری

 -1 مقدمه

-1-1 اهمیت و ضرورت آب آشامیدنی اگرچه بخش اعظم کرهی زمین را آب فراگرفته است ولی به لحاظ کمی،کیفی و قابلیت دسترسی در زمان و مکان مورد نیاز، محدودیتهای بسیاری وجود دارد. رشد سریع جمعیت به ویژه در بین کشورهای در حال توسعه، از یک طرف سبب تقاضای بیشتر برای آب جهت انواع مصارف کشاورزی، شرب و صنعت شده و از طرف دیگر باعث توسعه روندهای آلوده سازی منابع آب، آبهای سطحی و محیط زیست شده است. لازمه دسترسی به منابع آب جدید، از بزرگترین مشکلات در بسیاری از کشورهای در حال توسعه است .]1[ این در حالی است که مشکالت کیفیت آب نسبت به کمیت آن از اهمیت بیشتری برخوردار بوده، به نحوی که امروزه به عنوان یکی از مشکلات زیست محیطی در نقاط مختلف جهان مطرح است . وجودبرخی املاح خطر میرابهانسانسلامتیآنهامجاز از حد بیش مقدارولی استضروریانسان سالمتی برایدرآباندازد.]2[ این منابع محدود دارای ارزش اقتصادی ویژه همراه با اثرات اجتماعی و اقتصادی و زیست محیطیدرون آن است که باعثو مواد جامد محلول2است. مشکل اصلی آب های قابل شرب وجود سختی1خوردگی1 یا رسوبگذاری آن می شود و این امر عالوه بر ایجاد هزینههای اقتصادی باعث مشکلات بهداشتیسلامت وسطحکه ارتقاءاین در حالی میباشدو نارضایتی استفاده کنندهها و هدر رفت آب میگردددر  حال  حاضر  مسائل  مربوط  بهنیست.میسرسالمآب آشامیدنیدستیابی بهبدونجامعهبهداشتخوردگی و رسوبگذاری درصد قابل توجهی از درآمد سالیانه کشورها را به خود اختصاص می دهد در ایاالت متحده امریکا ساالنه بیش از 300 میلیارد دالر(بیش از 4 تا 5 درصد تولید ناخالص ملی امریکا) صرف زیان های ناشی از خورندگی و جلوگیری از آن می شود با وجود عدم آمار دقیق خسارت ناشیاز خوردگی و رسوبگذاری در ایران، بررسی تلفات آب تصفیه شده شهری نشان می دهد  ساالنه بیش از 30 در صد آب های توزیعی (متوسط جهانی 8 درصد) به علت پوسیدگی حاصل از خورندگی لوله های انتقال و توزیع به هدر می رود بدیهی است که هزینه های تعویض و ترمیم لولههای فرسوده این زیان را چندین برابر خواهند نمود,3[ .]4 بنابراین جلوگیری از خوردگی و رسوبگذاری از این جهت حائز اهمیت است که باعث افزایش عمر مفید تاسیسات و کاهش احتمال نشت آب در مناطق کم آب، افت فشار در سیستم توزیع و نارضایتیبنابراین به.]6مصرف کنندگان، افزایش هزینه پمپاژ و سوخت در سیستمهای گرمایشی خواهد شد,5[

کاربرد بردن شاخصهای خورندگی روش غیرمستقیم در اندازگیری و تشخیص ساده تمایل آب به خورندگی و رسوبگذاری می باشد. شاخصهای متداول عبارتند از: شاخص اشباع النژلیه2  )LSI(، شاخص پایداری رایزنار)RSI(3، شاخص خورندگی4 )AI(، و شاخص پوکوریوس5 .]5[)PI( طبق معیارهای جهانی شاخص های کنترل خورندگی و رسوبگذاری حداقل باید هر دو سال یکبار برای شبکه های توزیع با منابع سطحی وسالی یکبار برای شبکه های توزیع با منابع زیر زمینی تعیین شود.]7[

 -2-1 سختی آب

منگنز ، آهن ، و تا اندازهای و منیزیم محلول کلسیم از اندازه نمکهای آب که بر اثر وجود بیش سختی آلومینیوم و روی در آن پدید می آید و باعث میشود که مصرف آب به طور کلی و به ویژه در صنعت با دشواری هایی مواجه شود. بنابراین آب سخت آبی است که در آن مقدار زیادی مواد معدنی حل شده، عمدتا کلسیم و گاهی اوقات منیزیم وجود دارد بدیهی است هر چه مقدار این مواد در آب بیشتر باشد آب سخت تر خواهد بود. رسوباتی که در اثر ته نشین شدن مواد معدنی از آب سخت تشکیل می گردند، عبارتند از (کربنات بوجود بیکربنات یونهایگرماییتجزیه و اصولا بدلیل و سولفات کلسیم)منیزیم هیدروکسیدکلسیم،می آیند. املاح مربوط به کلسیم بیکربنات و منیزیم بیکربنات در آب را سختی موقت و املاح مربوط به سولفات کلرید و نیترات کلسیم و منیزیم را سختی دائم می نامند. مجموع سختی دائم و موقت، سختی کلآب را تشکیل می دهد. مقدار سختی آب علاوه بر اینکه در آبهای صنعتی حائز اهمیت است، از نظربهداشتی نیز مهم است. آب سخت موجب از بین رفتن طعم و مزه ی نوشیدنی ها می شود. دیر پختن حبوبات نیز از دیگر نشانه های آب سخت می باشد. در صنعت به دلیل ایجاد رسوب درون خطوط لوله و تأسیسات باعث بروز مشکالتی از قبیل افزایش میزان مصرف انرژی در بویلرها می شود. سختی آب عاملتشکیل رسوب در دیگ های بخار، مبدلهای حرارتی، برجهای خنک کننده و سیستمهای سرد کننده می باشد. سختی بیش از حد باعث سوء هاضمه و بروز بیماریهای کلیوی میشود. جهت رفع سختی آب، تعداد زیادی مواد شیمیایی موجود است، که دارای کربنات سدیم هستند این مواد را قبل از ورود آب، به دیگها اضافه می کنند که باعث گرفتن سختی آب می شود و یا در دیگ بر اثر افزودن این مواد، آهک و گچ را رسوب می دهند و دیگر این رسوب، محکم به جدار دیگ نمی چسبد به طوری که میتوان آن را به آسانی پاک نمود.با توجه به عوامل ایجاد پدیدههای خوردگی و رسوبگذاری آب و نقش مواد محلول در آب بهبررسی روشهای حذف آنها می پردازیم.

-2 انواع روش های کاهش سختی آب

اصلی ترین راههای جداسازی مواد محلول (یون ها) در آب: روشهای حرارتی، روشهای غشایی، روش ها جذب سطحی، روشهای مغناطیسی و روش رزینهای تبادل یونی،  میباشد که در ادامه مورد بحث قرارخواهد گرفت.]10[ در روشهای غشایی، گرفتگی بیولوژیکی، قیمت بالای فیلتر، تخریب غشاء، در مورد اسمز معکوس، نیاز به پیش تصفیه، فشار اسمزی بالا، مصرف انرژی بالا، رسوب بیولوژیکی و بالانس آب خروجی از اسمز معکوس از نظر املاح را میتوان نام برد.]11[ در روشهای حرارت نمک زدایی از آب، نیاز به انرژی زیاد و هزینه بالاست و دی اکسید کربن خروجی بسیار بالا میباشد.]12[ روش تبادل یونی به دلیل تولیدمحصول خالص، کیفیت حذف و بازیابی بالا، مقرون و به صرفه بودن.]13[ کاهش هزینه به سبب فراهم شدن رقابت تعداد سازندگان رزین، قابل دسترسی بودن کاربرد فراوانی در محیط زیست دارد.]14[

 -1-2روش تبادل یونی

فرآیندهای تبادل یون یک روش شیمیایی برای کاهش بار نمک در آبها و حذف یون آنها می باشد. درتصفیه آب و حذف یون از آن، روش تبادل یون را همراه با دیگر روشها به کار میرود. معروفترین تبادل- گرهای یونی که در صنعت مورد استفاده قرار میگیرند، رزینهای تبادل یونی هستند که از ترکیبات آلی سنتزی ساخته می شوند. در واقع یک تبادلگر یونی، جامدی است که می تواند آنیونها و کاتیونها را با مواد اطراف خود تعویض نماید، این رزینها پلیمرهای زنجیری مرکب از گروههای آلی و آنیونی هستند که عوامل تعویض شونده را توسط نیروهای الکتروستاتیکی نگه می دارند.]15[ خواص این رزینها با تغییردر میزان پیوند عرضی پلیمر تنظیم می شود. یک پلیمر زنجیری بلند، مقاومت حرارتی و مکانیکی خوبی دارد. در حالی که پلیمرهای کوتاهتر تخلخل و تورم بالایی دارند. انتخاب رزین برای هر منظورخاص، بستگی به pH آب وماهیت یونهای به کار رفته در آن دارد. باید توجه کرد که پس از مدت زمانی معین باید رزینها را احیاکرد. به این دلیل همواره باید از دو واحد رزینی استفاده شود که در صورت خارج شدن هر یک از مدار،دیگری جای آن را بگیرد. آب حاصل از شستشوی رزینها را باید به روش دیگری تصفیه کرد. روش تبادل یون یکی از مهمترین روشها برای حذف یونها و سختی آب است که به طور موفقیت آمیزی در صنعت استفاده می شود. برای حذف فلز، به یک تبادلگر کاتیونی نیاز است، که این تبادلگر کاتیونی دارای پوششی از پروتون و یا یک فلز دیگر به عنوان عامل تعویض شونده است. تئوری عملکرد تبادل کاتیونی و روش ترسیبفلز موجود در محلول به روابط تعادلییونتعویضتبادلگرها برایتمایلمیزانهستند.یکدیگرمشابهبستگی دارد. وضعیت تعادل که آیا تبادلگر تمایلی برای تعویض بیشتر یون فلز و عامل تعویض شونده دارد یا خیر به غلظتهای نسبی یونهای فلزی و عوامل تعویض شونده و میل ترکیبی تبادلگر با یونها دارد. چنانچه ثابت تعادل خیلی باال نباشد، دستیابی به یک تصفیه مناسب، عمل مشکلی میباشد. برای رفع این مشکل از یک ستون تبادل یونی استفاده می شود. ستون توسط تبادلگرهای یونی پر شده و سپس آبی که باید تصفیه شود از داخل آن عبور داده می شود. با ورود آب به داخل ستون، تبادل یونی آغاز شده و تعادل در قسمت فوقانی ستون حاصل می شود. اما همانطور که آب به سمت پایین ستون حرکت می نماید. با تبادلگرهای تازه تماس پیدا کرده و به گونهای که غلظت باالتری از عامل تعویض شونده در دسترس است. در نتیجه در آن سطح، تعادل جدیدی ایجاد می شود. این عمل تا پایان ستون ادامه داشته و اجازه می دهد تا مقدار بیشتریاز یونها از آب حذف گردد.]16[

 رزینهای تعویض یونی را می توان به دو گروه بزرگ رزینهای کاتیونی و رزینهای آنیونی  تقسیم کرد کههر گروه شامل نوع ضعیف و نوع قوی هستند. به طور کلی رزینهای قوی در یک محدوده وسیع pH ورزینهای نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از pH مناسب هستند.

-1-1-2رزین های کاتیونی قوی1

رزینهای کاتیونی قوی به صورت سدیمی برای کاهش سختی آب به کار می روند. بنابر تجربه نشان می دهد، که رزینهای کاتیونی سدیمی از نوع قوی علاوه بر کاتیونهای سختی آب، یونهای فلزی را با سدیم تعویض می کنند.

 -2-1-2رزینهای کاتیونی ضعیف1

در این رزینها گروه فعال به جای سولفوریک، کربوکسیلیک است. این گروه مانند اسیدهای آلی ضعیف درمحیط اسید یونیزه نمیشوند اما در محیط قلیایی یونیزه شده و یون متحرک خود را می توانند تعویض کنند.برای احیای رزینهای کاتیونی ضعیف میتوان از هر نوع اسیدی استفاده کرد.

-3-1-2رزینهای آنیونی قوی2

رزینهای آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونهای موجود درآب میباشند. برای احیای رزینهای آنیونیقوی باید از یک باز قوی چون سود استفاده کرد.

-4-1-2رزینهای آنیونی ضعیف3

اسیدهای حذف قادر بهرزینهااینمیکنند.عملضعیفکاتیونیرزینهایهمانندرزینهانوعاینمعدنی هستند اما قادر به حذف اسیدهای ضعیف مثل اسید کربنیک نیستند به آن دلیل این رزینها را اغلب جاذب اسید مینامند. رزینهای آنیونی ضعیف برای جذب مواد آلی بر رزینهای آنیونی قوی برتری دارند چون در صورت استفاده از رزینهای آنیونی قوی، مواد آلی باعث آلودگی آنها میشوند. در واقع میتوان گفتضعیفآنیونیرزینهایاحیایعملیون.تعویض کنندههستند نهجاذبعمالضعیف،آنیونیرزینهایتوسط یک محلول قلیایی انجام میشود. یکی از معایب رزینهای آنیونی ضعیف این است که ظرفیت تبادلیونی آنها به دبی آب بستگی دارد و هرچه دبی آب بیشتر می شود ظرفیت آنها کمتر می شود.]18[

-نتیجه گیری در این مقاله انواع مطالعات در زمینه TDS و سختی در آبهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. و نتایج نشان داد که رزینهای تبادل یونی مختلف بهترین عملکرد را در حذف یونهایی که باعث تشدید سختی در آب میشوند، را میتوانند داشته باشند. در این زمینه تحقیقات نشان داد رزینهای آنیونی ضعیف و قوی مانند Cl 4200 Amberjet میتوانند به خوبی سبب حذف یونهایی مانند نیترات، سولفات و کلر از آب آشامیدنی شوند. همچنین نتایج نشان داد استفاده از رزینهای کاتیونی قوی و ضعیف مانند، C-Na A200میتوانند سبب حذف یونهایی نظیر کلسیم و منیزیم از آب شوند. 

مراجع

[2]  Connor, R., The United Nations world water development report 2015: water for a sustainable world. Vol. 1. UNESCO Publishing .(2015).

[3]  Gh G. MTGhaneian, Corrosion and precipitation potential of drinking-water distribution systems in military centers. Journal Mil Med. 11 (2009) 155-160.

[4]  MT.Ghaneian, MH.Ehrampoush,GH.Ghanizadeh, Survey of corrosion and precipitation potential in dual water distribution system in kharanagh district of yazd province.(2008).

[5]  M.Shams, A. Mohamadi, SA. Sajadi, Evaluation of corrosion and scaling potential of water in rural water supply distribution networks of Tabas, Iran. World Appl Sci J. 17 ( 2012) 1484-9.

[6]  J.Świetlik, U Raczyk-Stanislawiak, P Piszora, Corrosion in drinking water pipes: The importance of green rusts. Water research, 46 ( 2012) 1-10.

[7]  CY. Peng, GV.Korshin, Speciation of trace inorganic contaminants in corrosion scales and deposits formed in drinking water distribution systems. Water research,Elseaver .45(2011) 5553-5563.

[8]  G.Baldauf,HJ.Brauch,A.Brchet,B Haist-Gulde, Water Pollution: Drinking Water and Drinking Water Treatment,books.google.com.(2013).

[9]  E.Cabrera, R.Cobacho, J.Lund, Regional water system management: water conservation, water supply and system integration. CRC Press. (2002).

[10]    AGD.Emerson, Quantitative Forecasting of Problems in Industrial Water Systems. World Scientific Publishing Co Inc.(2003).

[11]   Q.Ping,B.Cohen, C.Dosoretz,ZHe-Desalination, Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells. Desalination.325 (2013) 48-55.

[12]    G.M. Zak, ND.Mancini, A.Mitsos-Desalination, Integration of thermal desalination methods with membrane-based oxy-combustion power cycles. Desalination. 311 (2013) 137-149.

[13]   B.Bolto, D. Dixon, R. Eldridge-Reactive and Function, Ion exchange for the removal of natural organic matter. Reactive and Functional Polymers, 60 (2004) 171-182.

[14]   SR.Rengaraj, KH. Yeon, SH. Moon, Removal of chromium from water and wastewater by ion exchange resins .Journal of hazardous materials. 87 (2001) 273-287.

[15]   CA, Phalak, Reaction engineering studies in ion exchange resin catalyzed esterification reactions, CSIR- National Chemical Laboratory, Pune, India. (2004).

[16]   SB.Applebaum, Demineralization by ion exchange: in water treatment and chemical processing of other liquids Elsevier. (2013).