روش های رایج در تصفیه آب های شور به منظور تولید آب صنعتی یا آب نرم استفاده از سختی گیر کاتیونی یا استفاده از اسمز معکوس (RO) می باشد. هر کدام از این روش ها مزیت ها و معایبی را در پی دارند که بایستی پیش از انتخاب توسط مهندسین در صنایع مختلف مورد ارزیابی و مقایسه قرار بگیرند. در این مقاله کوشیده شده است تا با مقایسه روش سختی گیر کاتیونی و اسمز معکوس RO راهنمایی برای انتخاب این محصولات ارائه گردد.
مقایسه میان سختی گیر کاتیونی و اسمز معکوس در دو بخش کلی فنی و اقتصادی صورت گرفته است. در بخش فنی مقایسه میان پارامترهای خروجی از واحد تصفیه آب اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی ارائه شده است و در بخش اقتصادی از نظر هزینه اولیه و هزینه های جاری بهره برداری ارزیابی صورت گرفته است.
از آنجایی که پکیج سختی گیر کاتیونی بیشتر به منظور سختی گیر از آب و تولید آب نرم دیگ بخار، برج خنک کن و به طور کلی برای کاهش سختی کل آب طراحی و ساخت می گردد، بنابراین در مقایسه با سیستم اسمز معکوس RO که کلیه املاح محلول را کاهش می دهد، محدودیت هایی بسیاری را دارد.
مقایسه اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی در تولید آب دیگ بخار
همانطور که گفته شد، پرکاربردترین و فراگیرترین نوع مصرف آب صنعتی در کشور ما، مصرف آب دیگ بخار می باشد. دیگ بخار در صنایع وظیفه تولید بخار پرفشار فوق داغ (Super heat) و یا آب گرم در دماهای مختلف را دارد. طبیعی است در صورت افزایش رسوبات آب بر روی جداره مبدل های حرارتی دیگ بخار، کارایی دیگ پایین آمده و سبب افزایش هزینه های انرژی می گردد.
برای رفع این مشکل از سیستم تصفیه آب در ورودی دیگ بخار به منظور آب اولیه (Make up) استفاده می گردد. روش های رایج تصفیه آب دیگ بخار، اسمز معکوس RO یا سختی گیر کاتیونی می باشد. در برخی موارد از سیستم تعویض یونی Mixe Bed یا از روش مبادله الکتریکی یونها EDI استفاده می گردد که البته در مقایسه با سایر روش ها چندان رایج نمی باشد.
هدف از انجام تصفیه این است که دیگ بخار کارایی خود را حفظ کند و در واقع هر یک از روش های تصفیه آب باید با استاندارادهای رایج در این زمینه مورد مقایسه قرار بگیرند. بنابراین استاندارد آب ورودی به دیگ بخار یا همان بویلر بایستی با آب تصفیه شده به روش سختی گیر کاتیونی و یا اسمز معکوس RO مقایسه شود.
در اینجا استاندارد انجمن سازندگان بویلر آمریکا (ABMA) که در آن به بررسی کیفیت آب ورودی به دیگ بخار پرداخته است، آمده است. هر یک از روش های تصفیه آب شامل سختی گیر کاتیونی و یا اسمز معکوس RO بایستی با این جدول مقایسه گردند.
در جدول زیر معیار پذیرش ABMA برای فشار کاری 60 - 40 بار آمده است.
| Description | Unit | Guide value | Item |
| feed water | mg/lit | 0.02 | O2- dissolved oxygene |
| feed water | mg/lit | 0.05 | Fe- total Iron |
| feed water | mg/lit | 0.03 | Cu- total copper |
| feed water | mg/lit CaCO3 | 0.5 | T-total hardness |
| feed water |
| 8.5-14 | pH |
| feed water | mg/lit | 0.05 | Oil matter |
| boiler water |
| 10-11 | pH |
| boiler water | mg/lit | 30 | SiO2 |
| boiler water | mg/lit CaCO3 | 400 | Alkinity M |
| boiler water | mg/Lit CaCO3 | 50 | Alkalinity P |
| boiler water | μ S/cm | 4000 | EC |
| boiler water | mg/lit | 500 | `TDS |
| boiler water | mg/lit | 10 | PO4 |
| boiler water | mg/lit | 100 | TSS |
در جدول فوق برای فشار کاری دیگ بخار در 40 الی 60 اتمسفر اطلاعات وارد شده است. برای استاندارد سایر فشارهای کاری دیگ، با شرکت طرح و کار تماس حاصل نمایید.
مقایسه اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی در کاهش سختی
سیستم سختی گیر کاتیونی در مقایسه با اسمز معکوس صرفا قادر به حذف سختی موقت آب می باشد و به هیچ عنوان برای حذف سختی دائم آب طراحی نشده است. حال آنکه سختی کل عبارت است سختی دائم به علاوه سختی موقت، در استاندارد دیگ بخار در فشار 40 اتمسفر سختی کل بایستی کمتر از 0.5mg/lit CaCO3 باشد.
مقایسه اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی در کاهش شوری (TDS و هدایت الکتریکی)
در یک پکیج سختی گیر کاتیونی با مبادله یونی سدیم موجود در سرشاخه رزین با کلسیم و منیزیم سختی موقت کاهش می یابد. بنابراین در هر دوره (سیکل) کارکرد دستگاه نیاز به مقدار فراوانی سدیم دارد که این مساله توسط آب و نمک تامین می شود. همین آب و نمک سبب افزایش TDS آب می شود که به تدریج موجب افزایش TDS آب Blow down بویلر می شود. حال آنکه مطابق دستور العمل دیگ بخار این امر مجاز نمی باشد. در روش اسمز معکوس در مقایسه با سختی گیر کاتیونی، چون کلیه املاح آب بر اساس اندازه مولکولی ذرات از آب حذف می شوند، بنابراین TDS و همچنین هدایت الکتریکی آب کاهش می یابد.
مقایسه اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی در حذف سیلیکا (SiO2)
یکی دیگر از عوامل اساسی که باعث شکل گیری رسوب بسیار سخت بر روی تجهیزات دیگ بخار می شود، یون سیلیس به ویژه از نوع کلوئیدی آن می باشد. رسوب سیلیکا مانند رسوب کربنات کلسیم در دمای بالا (مانند دمای بالای بویلر) اشباع شده و مانع از انتقال حرارت در دیگ بخار می گردد. سیستم سختی گیر کاتیونی به هیچ وجه قادر به جداسازی یون سیلیس نمی باشد. در استاندارد دیگ بخار، SiO2 بایستی کمتر از 200ppm در آب Blow down باشد. حال آنکه اسمز معکوس RO قادر به حذف یون سیلیس محلول می باشد. در خصوص احتمال اشباع شدن یون سیلیس بر روی ممبران های اسمز معکوس RO و روش های پیشگیری از آن مقاله را مطالعه نمایید.
مقایسه اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی در حذف فسفات
کاهش یون فسفات (PO4) یکی دیگر از پارامترهای توصیه شده توسط استاندارد می باشد. حذف این یون توسط سیستم سختی گیر غیر ممکن می باشد. حال آنکه در مقایسه با سیستم اسمز معکوس RO، این یون به راحتی در ممبران ها حذف می گردد.
مقایسه اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی در تولید آب آشامیدنی
در استاندارد شماره 1053 موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، میزان مطلوب آب آشامیدنی از نظر املاح محلول، سختی، pH و سایر کمیت های فیزیکی و شیمیایی ارائه گردیده است. در این استاندارد میزان مطلوب سختی کل آب برابر با 200mg/lit CaCO3 و کل املاح محلول یا همان TDS برابر با 1000mg/lit اظهار گردیده است.
در مورد استفاده از پکیج سختی گیر کاتیونی در مقایسه با اسمز معکوس RO به منظور تولید آب آشامیدنی باید توجه نمود که در پکیج اسمز معکوس RO کلیه کاتیون ها، آنیون ها، ویروس ها و باکتری ها به دلیل اندازه مولکولی بزرگ ترشان نسبت به آب در غشا (ممبران) حذف می گردند و با از بین بردن کلیه املاح و یون های حل شده در آب راندمانی در حدود 99.5% دارد. بنابراین می توان از این روش به منظور تولید آب آشامیدنی استفاده نمود.
اما در خصوص تولید آب آشامیدنی با روش سختی گیر کاتیونی، محدودیت هایی وجود دارد. در سختی گیر کاتیونی، سختی آب کاهش می یابد اما با افزایش میزان سدیم تغییری در شوری یا TDS ایجاد نمی گردد و در برخی موارد حتی افزایش می باید. به علاوه سایر یون های مضر برای آشامیدن از قبیلی سولفات و نیترات در پکیج سختی گیر کاتیونی در مقایسه با اسمز معکوس RO از آب حذف نمی شوند.
در مجموع روش سختی گیر کاتیونی به جز در موارد خاص برای تولید آب آشامیدنی مناسب نمی باشد.
مقایسه اقتصادی اسمز معکوس RO و سختی گیر کاتیونی
پکیج سختی گیر کاتیونی به دلیل عملکرد احیا نیاز به بهره برداری دقیق دارد و به طور میانگین در هر شبانه روز یک الی دو بار بایستی توسط اپراتور شستشو و احیا گردد. در مقایسه، واحد اسمز معکوس در بخش پیش تصفیه نیاز به شستشوی معکوس و همچنین تعویض میکروفیلتر دارد. اما از آنجایی که این عملیات در واحد اسمز معکوس RO در مقایسه با سختی گیر کاتیونی بسیار کمتر می باشد، عملیات اپراتوری آن در مقایسه با سختی گیر کاتیونی بسیار کمتر است.
از سوی دیگر هزینه اولیه خرید یک واحد اسمز معکوس RO در مقایسه با سختی گیر کاتیونی بسیار بالاتر می باشد و همچنین هزینه تعویض ممبران های اسمز معکوس نسبت به هزینه رزین های سختی گیر کاتیونی نیز بیشتر می باشد.
به طور خلاصه روش اسمز معکوس RO در مقایسه با سختی گیر کاتیونی، هزینه اولیه بالاتری دارد. اما کیفیت آب تولیدی آن بهتر می باشد.