سختی آب معمولاً با غلظت یون‌های کلسیم و منیزیم در لیتر آب تعریف می‌شود که بر حسب میلی گرم در لیتر (mg/L) یا قسمت در میلیون (ppm) اندازه گیری می‌شود. هنگامی که آب در خاک و سنگی که دارای مقادیر زیادی مواد معدنی کلسیم و منیزیم است نفوذ می‌کند، این مواد معدنی را حل کرده و آب سخت را تشکیل می‌دهد. در نتیجه، آب سخت در مناطقی با زمین شناسی سنگ آهک یا گچ رایج است.
دلایل سخت شدن آب را نیز می‌توان به ترکیب شیمیایی منابع آب نسبت داد. افزایش غلظت کلسیم و منیزیم در منابع آب زیرزمینی بیشتر از منابع آب سطحی است. آب سخت همچنین در مناطقی از کشور که آب‌های زیرزمینی بیشتر و آب‌های سطحی کمتری دارند، شیوع بیشتری دارد.
علاوه بر این، محتوای معدنی آب می‌تواند تحت تأثیر فعالیت‌های انسانی، به ویژه فرایندهای تصفیه آب قرار گیرد. به‌عنوان‌مثال، تأسیسات تصفیه آب که از کلسیم و منیزیم برای تصفیه آب استفاده می‌کنند، می‌توانند منجر به افزایش سختی آب شوند. سایر فعالیت‌های انسانی که به طور بالقوه می‌تواند منجر به افزایش سختی آب شود عبارت‌اند از رواناب از خاک‌های آلوده و شیوه‌های کشاورزی، باران‌های اسیدی منطقه‌ای و سایر منابع آلوده.
آب سخت چیست؟
آب سخت عمدتاً زمانی است که یون‌های کلرید، سولفات و بی کربنات کلسیم و منیزیم در آب حل می‌شوند. آهن آهنی نیز می‌تواند وجود داشته باشد. در حضور اکسیژن به آهن فریک تبدیل می‌شود. این مواد معدنی در آب به فشار، دما، تلاطم و سطح PH بستگی دارد. منبع اصلی آب سخت آب زیرزمینی است. آب باران کاملاً آب نرم است. اما همان‌طور که آب از خاک و سنگ عبور می‌کند، مقدار کمی از مواد معدنی مانند نمک کلسیم و منیزیم را در خود حل کرده و در محلول نگه می‌دارد؛ بنابراین آب سخت می‌شود. آب یک حلال جهانی است و به‌راحتی آلوده می شود. آب باران دی دی‌اکسیدکربنات را جذب می‌کند و باعث اسیدی شدن آب می‌شود (اسید کربنیک بسیار ضعیف). این آب باران با سنگ‌‌هایی آهک، دولومیت و گچ روی زمین واکنش داده و یون‌های بی کربنات محلول در آب را تشکیل می‌دهد. معادله واکنش این است:
آب + دی‌اکسیدکربن + کربنات کلسیم = بی کربنات کلسیم
H2O (l) + CO2 (g) + CaCO3 (s) → Ca(HCO3)2 (aq)
در صورت بزرگ شدن محتوای کلسیم و منیزیم، درجه سختی افزایش می‌یابد.
اساساً سختی دو نوع است. سختی دائمی و سختی موقت.
سختی موقت
این سختی زمانی رخ می‌دهد که بی کربنات کلسیم و منیزیم در آب وجود داشته باشد. سختی موقت را می‌توان به راحتی با جوشاندن آب از بین برد. هنگامی که آب جوشانده می‌شود، بی کربنات به کربنات تبدیل می‌شود. این در آب نامحلول است در نتیجه به راحتی جدا می‌شود و آب نرم می‌شود.
سختی دائمی
سختی دائمی را نمی‌توان با جوشاندن آب از بین برد. به‌طورکلی توسط یون‌های کلرید و سولفات کلسیم و منیزیم ایجاد می‌شود. برای حذف سختی دائمی نیاز به پردازش شیمیایی (با استفاده از نرم کننده آب یا ستون تبادل یونی) است.
کل سختی دائم = سختی کلسیم + سختی منیزیم
کل سختی دائمی آب به عنوان معادل کربنات کلسیم محاسبه می‌شود.
اثرات آب سخت بر مصارف تجاری و صنعتی
تجمع مواد معدنی روی وسایل و تجهیزات
یکی از رایج‌ترین مشکلات مرتبط با آب سخت، تجمع مواد معدنی در وسایل و تجهیزات است. آب سخت حاوی مواد معدنی محلول مانند کلسیم، منیزیم و آهن است که می‌تواند در طول زمان در لوله‌ها، شیرآلات و سایر سیستم‌های لوله‌کشی جمع شود. این تجمع ذخایر معدنی می‌تواند منجر به عملکرد ناکارآمد وسایل و تجهیزات و در نتیجه هزینه‌های انرژی بالاتر شود.
کاهش راندمان تجهیزات مانند بویلرها و برج‌های خنک کننده
هنگامی که آب سخت در تجهیزاتی مانند بویلرها و برج‌های خنک‌کننده استفاده می‌شود، تشکیل رسوب یا رسوبات روی دیوارها می‌تواند کارایی را کاهش دهد. این رسوبات زمانی تشکیل می‌شوند که یون‌های کلسیم و منیزیم با صابون و سایر مواد شوینده واکنش می‌دهند و ماده‌ای چسبناک و نامحلول تشکیل می‌دهند که خود را به سطوح می‌چسباند. ایجاد این مقیاس ظرفیت انتقال حرارت را کاهش می‌دهد.
افزایش هزینه‌های انرژی
تجمع مواد معدنی در وسایل و تجهیزات ناشی از آب سخت نیز می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های انرژی شود. هنگامی که جریان آب به دلیل ذخایر معدنی محدود می‌شود، انرژی بیشتری برای پمپاژ آن از طریق خطوط لوله‌کشی مورد نیاز است و در نتیجه منجر به افزایش قبوض آب و برق می‌شود. علاوه بر این، تشکیل رسوب بر روی بویلرها و برج‌های خنک کننده، کارایی آنها را کاهش می‌دهد که باعث تحمیل هزینه‌های جانبی خواهد شد.
نیاز به افزایش نگهداری و تعمیرات
اثرات آب سخت منجر به افزایش نیاز به نگهداری و تعمیرات می‌شود. تجمع رسوبات معدنی در لوله‌ها و وسایل می‌تواند منجر به خوردگی و انسداد شود که منجر به کاهش عملکرد، هزینه‌های انرژی بالاتر و کاهش کلی راندمان می‌شود. علاوه بر این، قطعات فلزی مانند شیرها، پمپ‌ها و سایر تجهیزات ممکن است به دلیل وجود آب سخت خورده شوند و نیاز به نگهداری و تعمیرات منظم داشته باشند.
تأثیر بر تولید و عملیات کلی کسب‌وکار
انباشته شدن ذخایر معدنی روی وسایل، تجهیزات و لوله کشی می‌تواند کارایی فرایندهای تولید را کاهش داده و منجر به افزایش هزینه‌ها شود. علاوه بر این، نیاز به افزایش نگهداری و تعمیرات به دلیل خوردگی و انسداد ناشی از آب سخت می‌تواند منجر به تأخیر در تولید شود.
اثرات آب سخت در صنایع مختلف
می‌توان گفت در هر منظور صنعتی باید از آب مناسب به‌جای آب سخت استفاده کرد. مانند نوشیدنی‌ها، صنایع نساجی، دیگ بخار، برج خنک کننده و لوله کشی.
تأثیر آب سخت در صنعت نساجی
سختی آب تأثیر زیادی بر روی رنگرزی، شستشو و تکمیل منسوجات دارد. در قسمت شستشو با آب سخت، نخ را سفت و پرز می‌شود. آب سخت حاوی ذرات معدنی ریز است و این ذرات با صابون مخلوط می‌شوند؛ مانند قطعات کوچک سنگ. آهن حاوی آب سخت رنگ زرد مایل به قرمز را روی پارچه‌های شسته شده ایجاد می‌کند. حذف ناقص خاک از پارچه، شدت رنگ را کاهش می‌دهد. ممکن است بوی نامطبوعی ایجاد شود. کف صابون نامحلول و کثیفی روی پارچه یا نخ منجر به رنگ زرد می‌شود.
اثرات آب سخت در صنایع نوشیدنی
مصرف آب در صنایع نوشابه بسیار حساس است. آب باید عاری از هر گونه آلودگی و میکروارگانیسم باشد. در صورت استفاده از آب سخت در این صنایع می‌تواند رنگ نوشابه، تست و بو را تغییر دهد؛ بنابراین آب قبل از استفاده برای کاهش اثرات آب سخت در صنایع نوشابه باید نرم شده باشد. در غیر این صورت کیفیت محصول را کاهش می‌دهد.
تأثیر بر برج‌های خنک‌کننده
در برج‌های خنک کننده از آب به عنوان وسیله انتقال حرارت استفاده می‌شود. در صورت استفاده از آب سخت در این مورد باعث ایجاد رسوب، خوردگی در برج‌های خنک کننده می‌شود. آهن محلول در آب سخت در حوضه برج‌های خنک کننده رسوب می‌کند که خورنده است. رسوب کلسیم و منیزیم در طی زمان توسعه می‌یابند که باعث کاهش جریان آب، انتقال حرارت و کاهش دما می‌شود؛ بنابراین هزینه تعمیر را افزایش خواهد داد.
در آب سخت یون‌های مختلفی وجود دارد. هنگامی که دو نوع فلز مختلف در محیط آب سخت وجود دارد. این یون‌ها می‌توانند به‌عنوان یک الکترولیت عمل کنند. در نتیجه منجر به خوردگی می‌شود.
در دیگ بخار حرارت برای تشکیل بخار اعمال می‌شود. هنگامی که آب سخت در دیگ بخار استفاده می‌شود رسوبات کریستالی سخت کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، کربنات منیزیم تشکیل می‌شود. این جامد نامحلول عمدتاً در اثر تجزیه حرارتی یون‌های بی کربنات از سختی موقت ایجاد می‌شود. رسوب آهک حاصل راندمان گرمایش را کاهش داد. از این رو به گرمایش بیشتر نیاز دارد. همچنین دیگ فلزی را بیش از حد گرم کنید. این گرمای بیش از حد می‌تواند منجر به آسیب دیدن دیگ شود. در خط لوله نیز این مقیاس جریان آب را محدود می‌کند.
سخن آخر
در این مقاله از تاثیرات آب سخت در صنایع مختلف آگاه شدیم و متوجه حجم خسارات و مشکلات ناشی از آن شدیم. اما برای حذف سختی از آب امروزه روش های مختلفی وجود دارد. یکی از بهترین روش ها برای حذف سختی آب در صنعت استفاده از سختی گیر رزینی است. این سیستم عملکرد بسیار ساده بر مبنای جا به جایی یون ها دارد و تصفیه آب در حجم بالا ممکن می سازد.
