سختی گیر رزینی چگونه کار میکند؟

یک دستگاه سختی گیر آب رزینی با عبور دادن آب سخت از میان بستری از دانه‌های رزین که با یون‌های سدیم پوشیده شده‌اند عمل می‌کند. این رزین، یون‌های کلسیم و منیزیم (مواد معدنی سخت کننده آب) را از آب جذب و به دام می‌اندازد و به جای آن‌ها یون‌های سدیم آزاد می‌کند که در نتیجه، آب نرم می‌شود. هنگامی که رزین با مواد معدنی سخت اشباع می‌شود، یک چرخه بازتولید آغاز می‌گردد که در آن محلول آب‌نمک (آب شور) از میان بستر رزین عبور داده می‌شود تا مواد معدنی به دام افتاده آزاد شده و رزین دوباره با یون‌های سدیم پوشش داده شود و برای نرم کردن آب بیشتر آماده گردد.

مفاهیم کلیدی درباره سختی گیرهای رزینی

1. فرآیند تبادل یون: مکانیزم اصلی این دستگاه بر اساس فرآیند تبادل یون است که در آن دانه‌های رزین با بار منفی، یون‌های کلسیم و منیزیم دارای بار مثبت را از آب جذب می‌کنند و آن‌ها را با یون‌های سدیم جایگزین می‌نمایند.
2. دانه‌های رزین: دانه‌های کوچک رزین درون مخزن نرم‌کننده آب قرار داده شده و به‌ صورت پیش‌فرض با یون‌های سدیم بارگذاری شده‌اند.
3. چرخه بازتولید: زمانی که رزین با مواد معدنی سخت اشباع می‌شود، چرخه بازتولید یا همان احیای سختی گیر رزینی آغاز می‌گردد که در طی آن محلول آب‌نمک از بستر رزین عبور داده می‌شود تا یون‌های کلسیم و منیزیم را آزاد کرده و جایگزین آن‌ها یون‌های سدیم کند.
4. خروجی آب نرم: پس از فرآیند تبادل یون، آب خروجی از دستگاه سختی گیر، نرم شده و یون‌های کلسیم و منیزیم آن با یون‌های سدیم جایگزین شده‌اند.

معرفی سیستم سختی گیر آب با بسترهای رزینی

سختی گیر رزینی یا همان نرم کننده آب با روش تبادل یونی، سیستمی برای تصفیه آب در کل خانه است که با فرآیندی به نام تبادل یونی، مواد معدنی سختی‌زا مانند کلسیم و منیزیم را از آب حذف می‌کند. این دستگاه، مشکل آب سخت را که یکی از رایج‌ترین و مخرب‌ترین مشکلات آب است، برطرف می‌کند (برای اطلاعات کاملتر به مقاله سختی آب چیست مراجعه کنید).

آب سخت به لوله‌کشی و وسایل خانگی آسیب می‌زند، لوله‌ها را مسدود می‌کند و طول عمر دستگاه‌هایی مانند ماشین ظرفشویی، قهوه‌ساز و یخ‌ساز را کاهش می‌دهد. هرچه دمای آب بیشتر باشد، کلسیم و منیزیم سریع‌تر به رسوبات جامد تبدیل می‌شوند و در داخل آبگرمکن تجمع پیدا می‌کنند. اگر در منطقه‌ای با آب سخت زندگی می‌کنید، ممکن است آبگرمکن شما صدایی شبیه ترکیدن پاپ‌کورن بدهد. این صدا به دلیل تشکیل رسوب روی المنت حرارتی است که با افزایش دمای دستگاه و انبساط مخزن، این رسوبات شروع به ترک خوردن و کشیده شدن می‌کنند.

بدون این سیستمهای رسوب زدای آب، شست‌وشوی لباس‌ها نیاز به مواد شوینده بیشتری دارد تا از کدر شدن جلوگیری شود. ظروف پس از شست‌وشو در ماشین ظرفشویی لکه‌دار و خط‌دار خواهند بود. لایه‌ای از کف روی پرده حمام ایجاد می‌شود و صابون و شامپو نیز کف نمی‌کنند. حمام کردن با آب سخت باعث خشکی و خارش پوست و چسبندگی و بی‌حالت شدن موها می‌شود. زمان، انرژی و هزینه‌ای که برای مقابله با اثرات مخرب آب سخت نیاز است، بسیار زیاد است. قیمت سختی گیر بسته به حجم دستگاه، جنس بدنه، دستی یا اتوماتیک بودن و… میتواند بسیار متغیر باشد.

نحوه عملکرد سختی گیرهای رزینی

فرآیند تبادل یونی معمولاً برای حذف یون‌های سختی‌زا انتخاب می‌شود. در کاربردهای خانگی، معمولاً مقدار کمی سختی قابل قبول است، به همین دلیل در مناطقی که آب نرم دارند، استفاده از این سیستم‌ها چندان رایج نیست. با این‌ حال، در برخی کاربردهای صنعتی، به‌ویژه زمانی که آب برای استفاده در دیگ‌های بخار نیاز است، باید سختی آب تقریباً به‌طور کامل حذف شود.

سختی گیرهای رزینی از فرآیندی به نام «تبادل یونی» برای حذف مواد معدنی کلسیم و منیزیم از آب استفاده می‌کنند. آب سخت وارد سیستم شده و از مخازنی که با دانه‌های رزین پر شده‌اند عبور می‌کند و در نهایت به‌ صورت آب نرم از دستگاه خارج می‌شود.

در ویدئوی زیر نحوه کارکرد سختی گیرهای رزینی به زبانی ساده و با کمک انیمیشن نمایش داده شده است.

طرز کار سختی گیر رزینی به صورت گام به گام چگونه است؟

پس از بررسی اصول نحوه عملکرد نرم‌کننده‌های آب، بیایید به جزئیات بپردازیم و نحوه عملکرد یک سختی گیر آب رزینی را گام به گام بررسی کنیم:

1. آب سخت از منبع اصلی وارد مخزن دستگاه می‌شود.
2. دانه‌های رزین موجود در مخزن، یون‌های سخت – عمدتاً کربنات کلسیم و مقداری کربنات منیزیم – را جذب کرده و آنها را نگه می‌دارند و در نتیجه آنها را از آب حذف می‌کنند.
3. آب نرم از مخزن آزاد شده و به لوله‌های آب خانه جریان می‌یابد.

در مرحله بعد، چرخه احیا (یا شستشوی معکوس) وجود دارد که به شرح زیر انجام می‌شود:

1. یک محلول آب نمک غلیظ با افزودن نمک به آب در یک مخزن آب نمک ایجاد می‌شود.
2. سپس آن آب نمک از رزین عبور می‌کند که یون‌های سخت را از آن جدا کرده و آنها را با یون‌های سدیم جایگزین می‌کند و در نتیجه تمام مواد معدنی سخت را شستشو می‌دهد.
3. محلول آب نمک که اکنون حاوی تمام آن یون‌های سخت است، به فاضلاب تخلیه می‌شود.
4. دانه‌های رزین اکنون دوباره پر شده و آماده ادامه کار خود برای نرم کردن آب هستند.

تبادل یونی چگونه کار می‌کند؟

فرآیند تبادل یونی اولین بار در قرن ۱۹ در مواد طبیعی مشاهده شد. در دهه ۱۹۴۰، رزین‌های تبادل یونی مصنوعی توسعه یافتند و به شکل رزین‌های کاتیونی قوی امروزی درآمدند که اکنون در سراسر جهان استفاده می‌شوند. این رزین‌های مصنوعی معمولاً با محلول نمک احیا می‌شوند و بر این اساس عمل می‌کنند که رزین تمایل بیشتری به کلسیم و منیزیم دارد، بنابراین یون‌های سدیم را با کلسیم و منیزیم مبادله می‌کند. برخی نرم‌کننده‌های خاص با پتاسیم کلرید احیا می‌شوند که در این حالت، سختی آب با پتاسیم مبادله می‌شود. یون‌هایی مانند سدیم یا پتاسیم باعث تشکیل رسوب نمی‌شوند و با صابون واکنش نمی‌دهند.

یون‌ها اتم‌ها یا مولکول‌هایی هستند که دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی هستند. رزین‌های تبادل یونی دانه‌های پلاستیکی گرد و بسیار کوچک با ساختاری متخلخل هستند که دارای یک یون منفی ثابت و دائمی هستند. هر نقطه تبادل منفی می‌تواند یک یون مثبت را در خود نگه دارد. در این فرآیند، سدیم (که دارای بار مثبت است) به نقاط تبادل متصل می‌شود (زیرا بارهای مثبت و منفی مانند آهنربا به هم جذب می‌شوند).

هنگامی که آب سخت از میان دانه‌های رزین عبور می‌کند، یون‌های کلسیم و منیزیم که بار مثبت قوی‌تری نسبت به سدیم دارند، به نقاط منفی رزین جذب بیشتری پیدا می‌کنند. در نتیجه، یون‌های کلسیم و منیزیم جایگزین سدیم شده و به دانه‌های رزین متصل می‌شوند، در حالی که سدیم از رزین جدا می‌شود. به این ترتیب، یون‌های کلسیم و منیزیم که کمتر مطلوب هستند با یون‌های سدیم که مطلوب‌تر هستند، مبادله می‌شوند.

در نهایت، دانه‌های رزین با مواد معدنی سخت مانند کلسیم و منیزیم اشباع می‌شوند و دیگر نقاط تبادل خالی باقی نمی‌ماند. در این مرحله، آب فاقد این مواد معدنی می‌شود و به‌عنوان «آب نرم» شناخته می‌شود.

مبانی نرم کردن آب با فرآیند تبادل یونی

در فرآیند تبادل یونی، واکنش برای سختی موقت (مانند بی‌کربنات کلسیم) به شکل زیر است:
Ca(HCO₃)₂ + Resin – 2Na = 2Na(HCO₃) + Resin – Ca
سختی موقت + رزین سدیمی = ۲ واحد بی‌کربنات سدیم + رزین کلسیمی

برای سختی دائمی (مانند سولفات کلسیم):
CaSO₄ + Resin – 2Na = Na₂SO₄ + Resin – Ca
سختی دائمی + رزین سدیمی = ۲ واحد سولفات سدیم + رزین کلسیمی

نرم کردن آب فرآیندی ساده و محبوب است زیرا می‌توان رزین را با محلول نمک ساده احیا کرد.

در فرآیند احیا، واکنش به این صورت است:
Resin – Ca + 2NaCl = CaCl₂ + Resin – 2Na
رزین کلسیمی مستهلک + کلرید سدیم (محلول احیا) = کلرید کلسیم + رزین سدیمی احیاشده

این فرآیند برگشت‌پذیر است. اگر غلظت بالایی از کلرید سدیم یا پتاسیم به رزین مستهلک اعمال شود، می‌توان آن را احیا کرده و دوباره استفاده کرد. معمولاً از محلول آب‌نمک (معمولاً ۱۰٪ NaCl) استفاده می‌شود که سختی موجود روی رزین مستهلک را بازمی‌گرداند. دو یون سدیم تک‌ ظرفیتی جایگزین هر یون کلسیم یا منیزیم می‌شوند.

این فرآیند «احیا» نامیده می‌شود و محلول NaCl به عنوان «احیا کننده» شناخته می‌شود. به طور کلی، سیستم نرم‌کننده آب شامل بستری از رزین تبادل یونی است که توانایی حذف یون‌های سختی‌زا مانند کلسیم و منیزیم و مبادله آن‌ها با یون‌های کم‌مشکل‌زا مانند سدیم را دارد. هنگامی که رزین اشباع شد (از یون‌های سختی‌زا پر شد)، می‌توان آن را با محلول غلیظ نمک (۱۰٪ آب‌نمک) احیا کرد و ظرفیت آن را بازگرداند. پتاسیم کلرید نیز می‌تواند استفاده شود، اما ظرفیت رزین در این حالت کمتر و هزینه احیاکننده بیشتر است.

اگر سیستم به خوبی نگهداری شود و رزین‌ها به‌ درستی مدیریت شوند، این سیستم‌ها و رزین‌ها می‌توانند سال‌ها عمر کنند. رزین‌های نرم‌کننده با بیش از ۱۰ سال عملکرد رایج هستند.

سختی‌گیرهای رزینی چه چیزهایی را حذف می‌کنند؟

سختی‌گیرهای رزینی برای حذف یون‌های کلسیم و منیزیم از آب سخت طراحی شده‌اند. کلسیم (Ca2+) و منیزیم (Mg2+) دو ماده معدنی هستند که باعث سختی آب می‌شوند. فرآیند تبادل یونی علاوه بر این، هر یون با بار مثبت (که به عنوان کاتیون نیز شناخته می‌شود) را جذب و حذف می‌کند. این موارد شامل مواد معدنی دیگری مانند آهن و منگنز نیز می‌شود.

آیا سختی‌گیر رزینی آهن را حذف می‌کند؟

سختی‌گیرهای رزینی آهن محلول (آهن حل‌شده) را زمانی که مقدار آن کم باشد و بیشتر آهن به حالت محلول باشد، حذف می‌کنند. آهن رنگ آب را تیره می‌کند و لکه‌های قابل مشاهده‌ای روی توالت، وان حمام و سینک‌های شما باقی می‌گذارد. آهن نامحلول (آهن رسوبی) حذف آن با سختی‌گیر دشوارتر است. آهن رسوبی روی بستر رزین جمع می‌شود و در برابر شستشوی معکوس چرخه احیا مقاومت می‌کند. این می‌تواند باعث ایجاد توده‌های آهن در آب نرم‌شده شما شود و قدرت دانه‌های رزین را کاهش دهد. هنگامی که آهن محلول در معرض اکسیژن قرار می‌گیرد، اکسید شده و به آهن رسوبی تبدیل می‌شود.

بنابراین، اگرچه یک سختی‌گیر رزینی می‌تواند آهن را در حالت محلول آن حذف کند، اگر سطح آهن بالایی در آب خود دارید، مقداری از آن ناگزیر به حالت نامحلول تبدیل می‌شود. اگر سختی‌گیر آب شما مقدار زیادی آهن را پردازش می‌کند، باید از یک محلول شیمیایی مانند Rust Out برای تمیز کردن بستر سختی‌ گیر خود و افزایش طول عمر دانه‌های رزین استفاده کنید. آهن بهتر است از آب توسط یک فیلتر آهن یا یک سیستم تصفیه جامع‌تر مانند اسمز معکوس حذف شود.

آیا نوشیدن آب نرم بی‌خطر است؟

بله، نوشیدن آب نرم بی‌خطر است. در طول فرآیند تبادل یونی، دانه‌های رزین هنگام گرفتن مواد معدنی سختی، سدیم را در آب آزاد می‌کنند، اما مقدار سدیم در آب نرم‌ شده مضر نیست و در واقع بسیار کمتر از آن چیزی است که عموماً تصور می‌شود. به عنوان مثال، اگر سختی آب آشامیدنی شما مقدار متوسطی داشته باشد، مثلاً پنج گرین در هر گالن (حدود ۸۶ ppm)، فقط ۳۷ میلی‌گرم سدیم به هر لیتر آب اضافه می‌شود. این کمتر از ۲٪ از مقدار توصیه شده روزانه سدیم است. یک تکه نان سفید حدود ۱۷۰ میلی‌گرم سدیم و یک تکه پیتزا حدود ۶۴۰ میلی‌گرم سدیم دارد. در مقایسه با غذاهای روزمره، مقدار سدیم اضافه شده توسط سختی‌گیرهای رزینی ناچیز است.

مقدار سدیم اضافه شده توسط یک سختی‌گیر رزینی به صورت خطی با تعداد مواد معدنی سختی که کاهش می‌یابند، مرتبط است. به ازای هر میلی‌گرم سختی در آب، سختی‌گیر دو میلی‌گرم سدیم آزاد می‌کند. این فقط زمانی مشکل‌ساز می‌شود که شما در منطقه‌ای با آب بسیار سخت زندگی کنید. اگر سختی آب شما بیش از ۴۰۰ ppm باشد، باید یک سیستم اسمز معکوس برای تصفیه آبی که می‌نوشید و با آن آشپزی می‌کنید، نصب کنید. سیستم‌های اسمز معکوس آب را از طریق یک غشای نیمه‌تراوا عبور می‌دهند که قادر به حذف تقریباً تمام مواد جامد و نمک‌های محلول از آب است. اگر پزشک شما به دلیل فشار خون یا مشکلات کلیوی توصیه کرده است که مصرف سدیم خود را کاهش دهید، توصیه می‌شود که پس از سختی‌گیر خود یک سیستم اسمز معکوس نیز نصب کنید.