مقدمه
کیفیت آب تأثیر زیادی بر سلامت انسان و عملکرد درست دستگاه‌های صنعتی دارد. یکی از مهم‌ترین مشکلات آب، سختی آن است که به دلیل وجود املاحی مثل کلسیم و منیزیم به وجود می‌آید. سختی آب می‌تواند باعث مشکلاتی مانند خوردگی لوله‌ها، ایجاد رسوب در تجهیزات و کاهش کیفیت آب شرب شود. این مسائل هم به سلامت انسان ضرر می‌رساند و هم باعث افزایش هزینه‌ها در صنایع می‌شود. به همین دلیل، شناخت میزان سختی آب و ابزارهای مناسب برای اندازه‌گیری برای کاهش آن بسیار مهم است.
سختی آب چیست؟
سختی آب به میزان مواد معدنی مثل کلسیم و منیزیم که در آب وجود دارد اشاره دارد. این مواد معدنی معمولاً از سنگ‌ها و رسوبات زمین وارد آب می‌شوند. وقتی آب دارای مقدار زیادی از این مواد باشد، به آن آب سخت گفته می‌شود. آب‌های سخت بیشتر در مناطقی یافت می‌شوند که سنگ آهک یا دولومیت در آنها وجود دارد. آب سخت به دو نوع تقسیم می‌شود: سختی کربناتی و سختی غیرکربناتی. این دو نوع بسته به نوع مواد معدنی موجود در آب متفاوت هستند. آب‌های زیرزمینی معمولاً سخت‌تر از آب‌های سطحی هستند، چون بیشتر با این مواد معدنی تماس دارند.
- سختی کربناتی (موقت): این نوع سختی به دلیل ترکیب شدن کلسیم و منیزیم با مواد قلیایی مثل کربنات و بیکربنات به وجود می‌آید. به آن سختی موقت هم می‌گویند، زیرا با جوشاندن آب می‌توان آن را از بین برد. این نوع سختی معمولاً باعث ایجاد رسوب در لوله‌های آب گرم و کتری‌ها می‌شود.
- سختی غیر کربناتی (دائم): این نوع سختی که سختی دائم نیز نامیده می‌شود، به دلیل وجود نمک‌های سولفات، کلرید یا نیترات کلسیم و منیزیم است. برخلاف سختی موقت، این نوع سختی با جوشاندن از بین نمی‌رود و برای حذف آن باید از روشهای شیمیایی استفاده کرد. این سختی می‌تواند باعث خوردگی در لوله‌ها و تجهیزات شود.
- سختی کل: سختی کل به میزان املاح کلسیم و منیزیم در آب اشاره دارد که باعث کاهش کف صابون و ایجاد رسوب در لوله‌ها و ظروف می‌شود. این سختی به صورت مجموع سختی کربناتی (موقت) و غیر کربناتی (دائم) اندازه‌گیری می‌شود و به صورت میلی‌گرم در لیتر بیان می‌گردد.
اگر مقدار مواد معدنی در آب زیاد باشد، ممکن است مشکلاتی مثل ایجاد رسوب در لوله‌ها و وسایل خانگی به وجود آید. به همین دلیل، شناخت و کنترل سختی آب مهم است. جدول زیر طبقه‌بندی آب بر اساس میزان سختی را نشان می‌دهد.
| میزان سختی | ppm یا mg/l |
| سبک | 1/17 – 1 |
| اندکی سبک | 60 – 1/17 |
| سختی متعادل | 120 – 60 |
| سخت | 180 – 120 |
| خیلی سخت | بیشتر از 180 |
تاثیر بالا بودن سختی آب
سختی بالای آب به دلیل وجود مقادیر زیادی از مواد معدنی مانند کلسیم و منیزیم می‌تواند مشکلات زیادی را در زندگی روزمره و صنایع به وجود آورد. این مشکلات نه تنها بر کارایی و هزینه‌ها تأثیر می‌گذارند، بلکه می‌توانند بر سلامت و کیفیت زندگی نیز اثر منفی داشته باشند. در ادامه به برخی از تاثیرات منفی سختی بالای آب می‌پردازیم.
- افزایش مصرف مواد شوینده: در آب‌های سخت، مواد شوینده به خوبی حل نمی‌شوند و کف کمتری تولید می‌کنند. به همین دلیل، برای شستشو به مقدار بیشتری از مواد شوینده نیاز است.
- تشکیل رسوبات: مواد معدنی موجود در آب سخت می‌توانند در لوله‌ها، آبگرمکن‌ها و سایر تجهیزات خانگی رسوب کنند و عملکرد آنها را کاهش دهند.
- تاثیر بر سلامت پوست و مو: استفاده از آب سخت ممکن است منجر به خشکی و آسیب به پوست و مو شود.
- افزایش هزینه‌های انرژی: رسوبات موجود در آب سخت می‌توانند عملکرد دستگاه‌های حرارتی را مختل کرده و موجب افزایش مصرف انرژی شوند.
- مشکلات گوارشی و کلیوی: نوشیدن آب با سختی بالا می‌تواند باعث بروز مشکلات گوارشی و ایجاد رسوب در کلیه‌ها شود.
- تأثیر بر طعم و مزه غذا و نوشیدنی‌ها: آب سخت می‌تواند طعم و مزه نوشیدنی‌ها را تغییر دهد و باعث دیر پختن حبوبات شود.
- مشکلات در صنایع: در صنعت، آب سخت می‌تواند باعث تشکیل رسوب در خطوط لوله و تجهیزات، افزایش مصرف انرژی و کاهش کیفیت در فرآیندهایی مانند نساجی و رنگرزی شود.
روشهای اندازه گیری سختی آب
برای اطمینان از کیفیت آب و جلوگیری از مشکلاتی که آب سخت می‌تواند ایجاد کند، اندازه‌گیری سختی آب ضروری است. روشهای مختلفی برای اندازه‌گیری سختی آب وجود دارد که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود. جدول زیر استاندارد سازمان بهداشت در ارتباط با آب را نشان می‌دهد.
| متغیرهای کیفی آب | واحد | استاندارد ایران | استاندارد EPA | |
| مقدار مطلوب | مقدار مجاز | |||
| pH | – | 5/8 – 7 | 2/9 – 5/6 | 5/8 – 5/6 |
| سختی کل | Mg/l CaCO | 90 | 450 | – |
| یون کلسیم | Mg/l CaCO | 75 | 250 | – |
| یون منیزیم | Mg/l CaCO | 21 | 150 | – |
| TDS | Mg/l | 100 | 500 | 400 |
| EC | μs/cm | – | – | – |
- روشهای شیمیایی: در این روش‌ها از مواد شیمیایی خاصی برای تشخیص و اندازه‌گیری سختی آب استفاده می‌شود. این روش‌ها معمولاً در آزمایشگاه‌ها و توسط متخصصان انجام می‌شوند و دقت بالایی دارند.
- استفاده از TDS متر: TDS متر یک دستگاه الکترونیکی است که میزان کلی مواد جامد محلول در آب Total Dissolved Solids)) را اندازه‌گیری می‌کند. این ابزار به راحتی و با دقت بالا، سختی آب را مشخص می‌کند و برای استفاده در محیط‌های مختلف مناسب است.
- اندازه‌گیری هدایت الکتریکی: هدایت الکتریکی معیاری برای سنجش توانایی آب در انتقال جریان الکتریکی است. این روش نشان می‌دهد که چقدر مواد محلول در آب وجود دارد. هدایت الکتریکی را می‌توان به سادگی در محل نمونه‌برداری اندازه‌گیری کرد و به سرعت اطلاعاتی در مورد سختی آب به دست آورد. (براساس دما و سرعت جابجایی یون‌ها)
TDS متر چیست؟
TDS متر یک دستگاه اندازه‌گیری دیجیتال است که میزان مواد جامد محلول در آب را نشان می‌دهد. این دستگاه با اندازه‌گیری هدایت الکتریکی آب، میزان مواد معدنی موجود در آن را محاسبه می‌کند. هرچه میزان TDS آب بیشتر باشد، آب سخت‌تر است و احتمال تشکیل رسوبات بیشتر می‌شود.
عملکرد TDS متر
کارکرد TDS متر برحسب هدایت الکتریکی آب است. مواد معدنی محلول در آب مانند کلسیم و منیزیم، یون‌های باردار ایجاد می‌کنند که هدایت الکتریکی آب را افزایش می‌دهند. TDS متر با اندازه‌گیری این هدایت، میزان TDS آب را تعیین می‌کند.
لزوم استفاده از سختی سنج
با توجه به افزایش آگاهی‌ها در مورد اهمیت کیفیت آب، استفاده از سختی سنج‌ها به عنوان ابزاری برای اندازه‌گیری و کنترل سختی آب به یک ضرورت تبدیل شده است. استفاده از سختی سنج‌ها به دلایل مختلفی ضروری است:
- حفظ سلامت: اندازه‌گیری و کنترل سختی آب به حفظ سلامت پوست، مو و دندان‌ها کمک می‌کند.
- افزایش عمر دستگاه‌ها: کاهش رسوبات ناشی از آب سخت، عمر مفید دستگاه‌های خانگی مانند آبگرمکن، ماشین لباسشویی و ظرفشویی را افزایش می‌دهد.
- کاهش هزینه‌ها: کنترل سختی آب می‌تواند به کاهش مصرف انرژی و مواد شوینده منجر شود.
انواع سختی سنج آب
سختی سنج‌ها ابزارهایی هستند که به منظور اندازه‌گیری میزان سختی آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. شناخت انواع مختلف این دستگاه‌ها به کاربران کمک می‌کند تا بهترین گزینه را برای نیازهای خاص خود انتخاب کنند.سختی سنج‌های آب به سه دسته تقسیم می‌شوند:
- TDS مترهای دستی: این نوع دستگاه‌ها معمولاً کوچک و قابل حمل هستند و برای استفاده خانگی یا تست سریع آب در محیط‌های مختلف کاربرد دارند. TDS مترهای دستی با یک پروب کوچک به داخل آب قرار می‌گیرند و نتیجه را روی صفحه نمایشگر نشان می‌دهند.
- TDS مترهای صنعتی (تابلویی): این دستگاه‌ها معمولاً بزرگ‌تر و پیچیده‌تر هستند و برای اندازه‌گیری دقیق‌تر و مداوم سختی آب در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. TDS مترهای صنعتی به سیستم‌های خودکار و پیچیده‌تری مجهز هستند که امکان مانیتورینگ دائمی کیفیت آب را فراهم می‌کنند.
- EC متر تابلویی (Electrical Conductivity): EC متر یا هدایت سنج وسیله‌ای است برای ارزیابی میزان رسانایی مایعات که واحد آن ms/cm است.
کاربردهای سختی سنج آب
سختی سنج‌های آب در محیط‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند و اهمیت بالایی دارند. این ابزارها برای کنترل کیفیت آب مصرفی و اطمینان از سلامتی آن استفاده می‌شوند. در صنایع، نقش حیاتی در بهبود کارایی تولید و جلوگیری از رسوبگذاری دارند. سختی سنج‌های آب در صنایع و کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند که به شرح زیر آورده شده است:
- خانگی: در منازل، TDS مترها برای کنترل کیفیت آب مصرفی و اطمینان از سلامتی آن به کار می‌روند.
- صنعتی: در صنایع مختلف مانند تولید مواد غذایی، داروسازی و صنایع شیمیایی، اندازه‌گیری و کنترل سختی آب برای جلوگیری از رسوبگذاری و افزایش کارایی تولید ضروری است.
- کشاورزی: در کشاورزی، کنترل سختی آب برای جلوگیری از آسیب به گیاهان و بهبود کیفیت محصولات اهمیت دارد.
- آکواریوم‌ها: در آکواریوم‌ها، کنترل کیفیت آب برای حفظ سلامتی ماهی‌ها و سایر موجودات دریایی بسیار حیاتی است.
راهکار کاهش سختی آب
کاهش سختی آب برای جلوگیری از مشکلاتی مانند رسوب در لوله‌ها، افزایش مصرف انرژی و آسیب به تجهیزات ضروری است. در این قسمت با توجه به عوامل به وجود آمدن خوردگی و رسوبگذاری آب و نقش مواد محلول در آب به بررسی روش‌هایی برای کاهش سختی آب می‌پردازیم. اصلی‌ترین راه‌های جدا کردن مواد محلول در آب، روشهای حرارتی، غشایی، جذب سطحی، مغناطیسی و رزین‌های تعویض یونی می‌باشند.
- روشهای حرارتی: در این روش، آب را حرارت می‌دهند تا بخار شود و سپس بخار را متراکم کرده تا آب بدون سختی به دست آید. این روش بیشتر برای تولید آب شیرین در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود و نیاز به انرژی زیادی دارد.
- روشهای غشایی (اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون): تکنولوژی غشاء، جداسازی املاح را بر اساس اندازه‌های مولکولی آنها امکان می‌سازد. غشاها موادی هستند که می‌توانند برخی از اجزای آب را جدا کنند. در روش اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون، آب تحت فشار از غشا عبور می‌کند و یون‌های کلسیم و منیزیم از آب جدا می‌شوند. این روش‌ها بسیار موثر هستند اما نیاز به پیش‌تصفیه و مراقبت دقیق دارند. روند جداسازی دو فرایند اولترافیلتراسیون و فرایند اسمز معکوس شبیه به هم می‌باشد. اما تفاوت اصلی در اندازه مولکول‌های حل شونده است. اسمز معکوس در صنایع غذایی (آب میوه، شکر و قهوه)، صنایع گالوانیک (جریان‌های ضایعات) و در صنایع لبنی (به خصوص در کارخانه‌های پنیرسازی) استفاده می‌گردد. جدول زیر به عملکرد فرایند اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در برابر حل شونده‌ها پرداخته است.
| حل شونده | RO | NF |
| یون‌های تک ظرفیتی Na, K, Cl, NO3 )) | 98% > | 50% > |
| یون‌های دو ظرفیتی Ca, Mg, SO4, CO3)) | 99% > | 90% > |
| باکتری و ویروس‌ها | 99% > | 99% > |
| حل شونده‌های میکرو مولکولی MW > 100 Da)) | 90% > | 50% > |
| حل شونده‌های میکرو مولکولی MW < 100 Da)) | 99% – 0 | 50% – 0 |
- روشهای مغناطیسی و الکترومغناطیسی: در این روش‌ها، آب از میدان‌های مغناطیسی یا الکترومغناطیسی عبور داده می‌شود که باعث تغییر ساختار مواد معدنی محلول می‌شود و از رسوبگذاری جلوگیری می‌کند. این روش‌ها جدیدتر هستند و نیاز به بررسی‌های بیشتر دارند.
- تبادل یون: در این روش، یون‌های کلسیم و منیزیم از آب حذف می‌شوند و به جای آنها یون‌های دیگر وارد آب می‌شوند. این روش در حذف سختی آب بسیار موثر است و در صنایع مختلف استفاده می‌شود.
مقايسه روشهای كاهش سختی آب
برای کاهش سختی آب روشهای مختلفی وجود دارد، اما هر کدام از این روش‌ها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. در اینجا به مقایسه‌ی برخی از روشهای کاهش سختی آب می‌پردازیم تا بفهمیم کدام روش‌ها برای شرایط مختلف مناسب‌تر هستند.
- روشهای حرارتی: در این روش‌ها با گرم کردن آب و تبخیر آن، سختی موقت آب کاهش می‌یابد. این روش‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند و بازدهی پایینی دارند، بنابراین معمولاً در مقیاس‌های بزرگ یا خاص مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.
- روشهای غشایی (مثل نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس): این روش‌ها با استفاده از غشاهایی که یون‌ها را فیلتر می‌کنند، سختی آب را کاهش می‌دهند. این روش‌ها موثر هستند اما نیاز به پیش‌تصفیه‌ها دارند.
- روشهای مغناطیسی و الکترومغناطیسی: این روش‌ها به تازگی وارد بازار شده‌اند و هنوز به طور گسترده صنعتی نشده‌اند. این روش‌ها انرژی الکتریکی بالایی مصرف می‌کنند و عملکرد آنها بسته به شرایط ممکن است متغیر باشد.
- روش تبادل یونی: این روش به دلیل ظرفیت و بازدهی بالا بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، یون‌های کلسیم و منیزیم که باعث سختی آب می‌شوند، با یون‌های دیگری جایگزین می‌شوند. این روش انعطاف‌پذیر است و در شرایط مختلف کارایی بالایی دارد و می‌تواند یون‌های خاصی را به صورت انتخابی از آب حذف کند.
نتیجه‌گیری
کنترل و مدیریت سختی آب با استفاده از ابزارهای دقیق مانند TDS مترها و روشهای مختلف کاهش سختی آب، از اهمیت بسیاری برخوردار است. با توجه به تأثیرات منفی آب سخت بر سلامت انسان، کارایی دستگاه‌های صنعتی و خانگی، و افزایش هزینه‌های انرژی، استفاده از این ابزارها و تکنیک‌ها می‌تواند به بهبود کیفیت آب کمک کند. انتخاب روشهای مناسب برای کاهش سختی آب بر اساس نیازهای خاص هر محیط، می‌تواند به بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌ها در بلندمدت منجر شود.