سختی‌گیر

در سختی گیر، تبادل یون توسط رزین های کاتیونی به منظور حذف سختی آب صورت می گیرد. Hardness آب به غلظت یون های کلسیم و منیزم بر حسب CaCO3-mg/lit  اطلاق می گردد. در اثر عبور آب از داخل دستگاه سختی گیر یون های کلسیم و منیزم موجود در آب با سدیم موجود در سرشاخه رزین کاتیونی، تعویض می گردند، به گونه ای که هم محلول و هم رزین از نظر بار الکتریکی خنثی باقی می ماند. تعویض کننده ها دارای این خاصیت هستند که فقط یکی از دو یون، متحرک و قابل تعویض است. به عنوان مثال یک تعویض کننده (رزین) کاتیونی دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که کاتیون های متحرکی مثل Na  (سدیم) یا H (هیدروژن) به آن متصل هستند. به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون های متحرکی مثل (کلراید) Cl یا OH (هیدروکسیل) به آن متصل می باشد.
دستگاه سختی گیر به منظور حذف کلسیم و منیزیم در تصفیه آب صنعتی ، آب سخت را از میان بستر رزین های تبادل یونی که در داخل یک مخزن استوانه ای و عمودی قرار دارند، عبور می دهد. رزین تبادل یونی کاتیونی، سدیم موجود خود را با کلسیم و منیزیم موجود در آب جابجا می نماید. به گونه ای که آب عبوری از بستر رزین نرم (SOFTNER) شده و به جای آن حاوی یون سدیم می گردد. در این شرایط کلسیم و منیزیم در داخل رزین جای گرفته اند. رزین کاتیونی در یک سختی گیر، دارای ظرفیت محدودی است که به آن گرین گفته میشود و پیش از آنکه ظرفیت رزین اشباع گردد (معمولا بین 8 تا 12 ساعت) رزین ها نیاز به احیا دارند و می باید عملیات احیاسازی با محلول نمک طعام انجام شود. فرآیند احیا دستگاه سختی گیر در یک واحد تصفیه آب شامل شستشوی معکوس، احیا به وسیله آب و نمک و آب کشی نهایی می باشد. این عملیات در حدود 1 الی 2 ساعت به طول می انجامد و مجددا ستون کاتیونی آماده تولید آب نرم می گردد.

همانطور که در شرح فرایند تصفیه آب توضیح داده شد، ظرفیت رزین های تعویض یونی کاتیونی که به جهت سختی گیر به کار می روند محدود بوده و در مجموع ظرفیت دستگاه سختی گیر بر اساس حجم رزین به واحد Grain نامگذاری می شوند. به طور نمونه یک واحد با 300 لیتر رزین 300,000Grain می باشد.
همانطور که گفته شد در ساختار رزین سختی گیر یک شاخه آلی وجود دارد که به آن سدیم Na متصل می باشد. هنگامی که در یک دستگاه سختی گیر، آب حاوی کلسیم و منیزم (آب سخت) در تماس با رزین سختی گیر کاتیونی قرار می گیرد، یون های دو ظرفتی کلسیم و منیزم به دلیل بار الکتریکی بالاتر نسبت به سدیم بر روی شاخه رزین جایگزین شده و در نتیجه سدیم وارد آب می شود. به این تبادل اصطلاحاً تعویض یونی اطلاق می گردد. در نتیجه این عمل ظرفیت رزین های کاتیونی به تدریج اشباع شده و نیاز به احیا به وسیله آب و نمک می باشد.
در فرایند احیا پکیج سختی گیر در واقع یون های سدیم که با کلسیم و منیزیم تعویض گردیده اند مجددا بازگردانده می شوند. باید توجه نمود که قبل از احیا، نیاز به شستشوی معکوس بستر سختی گیر می باشد تا در صورتی که ذرات معلق یا گل و لای در بستر به دام افتاده باشد، خارج گردد.
در مرحله بعد احیا به وسیله آب و نمک ده درصد روی می دهد. در این مرحله احیا به علت غلظت بسیار بالای یون سدیم مجددا به زنجیره رزین سختی گیر چسبیده و کلسیم و منیزم از آن جدا می شوند. پس از عملیات احیا چندین مرتبه بستر دستگاه سختی گیر شستشو داده می شود تا آماده عملیات سختی گیری شود. فرایند احیا و شستشو سختی گیر  در حدود 1 الی 3 ساعت به طول می انجامد.

رزین ها در دستگاه سختی گیر مهمترین بخش از فرایند تصفیه آب را تشکیل می دهند. این رزین ها از جنس پلی استر پیوند یافته با DVB و به شکل کروی ساخته می شوند. برخی مشخصات این رزین ها به شرح ذیل می باشد:
ساختار پلیمر: پلی استر پیوند یافته با DVB
فرم فیزیکی: کروی
درصد رطوبت: 45 درصد
کل ظرفیت بر حسب اکی والان در لیتر: 2
سایز ذرات رزین: 1000 میکرون
رزین های به کار رفته در دستگاه سختی گیر به منظور تصفیه آب مارک PUROLITE انگلستان و یا AMBERJET (DOW) آمریکا هستند. انواع دیگر رزین ها شامل رزین آنیونی کلراید، رزین آنیونی هیدروکسیل، رزین کاتیونی هیدروژن می باشد که در فرایندهای دیگر تصفیه آب مانند تعویض یونی (Mixed bed) به کار می روند.

از آنجایی که رزین های سختی گیر به منظور تبادل یون استفاده می گردند، بنابراین وجود ذرات معلق و کدورت آب مانع از انجام این تبادل می شود. وجود میکروارگانیزم ها و یا عوامل اکسید کننده مانند کلر آزاد یا ازن نیز در آب ورودی سبب تخریب بستر سختی گیر می شود. بنابراین بایستی قبل از ورود آب به دستگاه سختی گیر، عملیات گندزدایی و فیلتراسیون (که غالباً فیلتر شنی می باشد) و حذف عوامل اکسید کننده انجام بگیرد.

مهمترین کاربرد دستگاه سختی گیر در صنایع تصفیه آب همانطور که از نام آن پیدا است، حذف سختی موقت از آب می باشد. این کاربرد هرچند بسیار محدود به یون های خاصی در آب می باشد اما در عمل بیشترین عوامل رسوب گذاری در آب هایی که در دمای بالا در صنایع به کار می روند را تصفیه می نماید. مهمترین کاربرد سختی گیر در صنایع شامل موارد ذیل می باشد:

مهمترین محدودیت استفاده از دستگاه سختی گیری، افزایش شوری یا TDS آب به علت تبادل یونها با سدیم می باشد. در واقع سدیم موجود در رزین وارد آب تصفیه شده می گردد و شوری آب را افزایش می دهد. از دیگر مشکلات تصفیه آب به روش سختی گیر کاتیونی میزان زیادی پساب بسیار شور با نمک بالا، اپراتوری بسیار زیاد و عدم تنظیم قلیائیت آب خروجی می باشد.