تليين المياه

تعتمد أجهزة تنقية المياه التقليدية المخصصة للاستخدام المنزلي على راتنج التبادل الأيوني الذي يحتوي على "أيونات العسر" - وخاصة أيونات الكالسيوم Ca ²⁺و Mg ²⁺يتم استبدالها بأيونات الصوديوم . ^{[ 7 ]} وكما هو موضح في معيار NSF/ANSI 44 ، ^{[ 8 ]} تعمل أجهزة التبادل الأيوني على تقليل عسر الماء عن طريق استبدال الكالسيوم والمغنيسيوم ( Ca2 ^+).و Mg ²⁺) مع أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم ( Na ⁺و K ⁺)."

راتنجات التبادل الأيوني هي بوليمرات عضوية تحتوي على مجموعات وظيفية أنيونية ترتبط بها الكاتيونات ثنائية التكافؤ ( Ca ^2+).و Mg ²⁺ترتبط بقوة أكبر من الكاتيونات أحادية التكافؤ ( Na ^{+) .}و K ⁺تُظهر المواد غير العضوية المعروفة باسم الزيوليت خصائص التبادل الأيوني. وتُستخدم هذه المعادن على نطاق واسع في منظفات الغسيل . كما تتوفر راتنجات لإزالة أيونات الكربونات والبيكربونات والكبريتات الممتصة وأيونات الهيدروكسيد المنطلقة من الراتنج. ^{[ 9 ]}

عندما يتم استبدال جميع أيونات الصوديوم المتاحة ^{بأيونات} الكالسيوم أو المغنيسيوم، يجب إعادة شحن الراتنج عن طريق غسل أيونات الكالسيوم ^.و Mg ²⁺تُستخدم محاليل كلوريد الصوديوم أو هيدروكسيد الصوديوم لإزالة الأيونات ، وذلك حسب نوع الراتنج المستخدم. ^{[ 10 ]} أما بالنسبة للراتنجات الأنيونية، فتُستخدم عادةً محاليل هيدروكسيد الصوديوم ( الصودا الكاوية ) أو هيدروكسيد البوتاسيوم في عملية التجديد. وتُصرّف مياه الصرف الناتجة عن عمود التبادل الأيوني، والتي تحتوي على أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم غير المرغوب فيها، إلى شبكة الصرف الصحي . ^{[ 3 ]}

تتضمن عملية إعادة الشحن عادةً الخطوات التالية: ^{[ 11 ]}

• الغسيل العكسي: يُوجَّه الماء عبر الراتنج في اتجاه معاكس لاتجاه التدفق الطبيعي، ويُصرَّف الماء الناتج إلى مصرف للتخلص منه. تعمل هذه العملية على إزالة المواد الصلبة وتوسيع طبقة الراتنج.
• سحب المحلول الملحي: يتم توجيه الماء عبر مضخة نفاثة ، تسحب الماء المالح من خزان المحلول الملحي ، قبل أن يمر الماء والمحلول الملحي عبر طبقة الراتنج في الاتجاه الطبيعي، إذا كان التدفق متزامنًا ، أو في الاتجاه المعاكس، إذا كان التدفق متعاكسًا . ^{[ 12 ]} كما يتم التخلص من ناتج هذه العملية عبر خرطوم التصريف.
• الشطف: يتوقف سحب المحلول الملحي، لكن يستمر تدفق الماء من المدخل إلى المخرج، مما يؤدي إلى شطف المحلول الملحي تدريجيًا من طبقة الراتنج. يتدفق ماء الشطف ببطء لعدة دقائق، ثم بمعدل أسرع لمدة تصل إلى ساعة. في مرحلة ما، يُعاد ملء خزان المحلول الملحي بالماء العذب.

تُعرف عملية تليين المياه بالجير بأنها إضافة الجير إلى الماء العسر لجعله أكثر ليونة. وتتميز هذه العملية بعدة مزايا مقارنةً بطريقة التبادل الأيوني، إذ يمكن تقليل أو إزالة السيليكا ومستويات القلوية والمواد العالقة، كما يمكن أن تكون تكاليف التشغيل أقل، إلا أنها تُناسب بشكل أساسي تطبيقات المعالجة التجارية نظرًا لارتفاع تكلفتها الرأسمالية واحتياجها عادةً إلى كوادر مُدرَّبة. ^{[ 13 ]}

تُستخدم عوامل الاستخلاب في التحليل الكيميائي ، وكمُليِّنات للماء، وهي مكونات في العديد من المنتجات التجارية مثل الشامبو والمواد الحافظة للأغذية . يُستخدم حمض الستريك لتليين الماء في الصابون ومنتجات العناية الشخصية ومساحيق الغسيل . يُعد حمض الإيثيلين ديامين رباعي الأسيتيك (EDTA) من عوامل الاستخلاب الاصطناعية الشائعة الاستخدام ، وقد يوجد على شكل ملح رباعي الصوديوم أو ثنائي الصوديوم. ونظرًا للمخاوف البيئية والسمية المائية المرتبطة بالاستخدام الواسع النطاق لـ EDTA في المنتجات المنزلية ومنتجات العناية الشخصية، فإن البدائل مثل فيتات الصوديوم/ حمض الفيتيك ، وثنائي أسيتات غلوتامات رباعي الصوديوم، وثنائي سكسينات إيثيلين ديامين ثلاثي الصوديوم، تجد استخدامًا أكثر شيوعًا.

في هذه الطريقة ، تتم معالجة الماء بكمية محسوبة من صودا الغسيل ( Na2CO3 ₎ ، والتي تحول كلوريدات وكبريتات الكالسيوم والمغنيسيوم إلى كربونات خاصة بها، والتي تترسب _.

CaCl ₂ + Na ₂ CO ₃ → CaCO ₃ + 2NaCl

MgSO ₄ + Na ₂ CO ₃ → MgCO ₃ + Na ₂ SO ₄

بما أن Ca ²⁺و Mg ²⁺توجد هذه الأملاح غير المتطايرة في الماء، ويمكن إزالتها بتقطير الماء. إلا أن التقطير مكلف وغير فعال من حيث استهلاك الطاقة مقارنةً بطرق تليين المياه الأخرى. أما مياه الأمطار فهي لينة لأنها تُقطّر طبيعياً خلال دورة الماء من تبخر وتكثيف وهطول. ^{[ 14 ]}

تستخدم عملية التناضح العكسي تدرج ضغط مطبق عبر غشاء شبه منفذ للتغلب على الضغط الأسموزي وإزالة جزيئات الماء من المحلول الذي يحتوي على أيونات العسر. يحتوي الغشاء على مسام كبيرة بما يكفي للسماح بمرور جزيئات الماء؛ أيونات العسر مثل الكالسيوم (Ca2 ^+).و Mg ²⁺لن تتمكن من المرور عبر المسام. وبالتالي، يكون الماء الناتج ناعمًا وخاليًا من أيونات العسر دون إضافة أي أيونات أخرى. الأغشية نوع من أنواع مرشحات المياه التي تتطلب تنظيفًا دوريًا أو استبدالًا.

يدّعي بعض المصنّعين أن الأجهزة الكهربائية التي ينتجونها قادرة على التأثير في تفاعل المعادن مع الماء، بحيث لا تلتصق المعادن بالأسطح. ولأن هذه الأنظمة لا تعمل عن طريق تبادل الأيونات، كما هو الحال في أجهزة تنقية المياه التقليدية، فإن إحدى فوائدها المزعومة للمستخدم هي الاستغناء عن إضافة الملح. لا تزيل هذه الأنظمة المعادن من الماء نفسه، بل تُغيّر فقط التأثيرات اللاحقة التي قد يُحدثها الماء المحتوي على المعادن. لذا، لا تُصنّف هذه الأنظمة ضمن مصطلح "تنقية المياه"، بل ضمن مصطلح "معالجة المياه".

تُؤدي أجهزة الترسيب الكهربائي إلى تكوين بلورات معدنية مجهرية تبقى معلقة في الماء أثناء تدفقها معه، كما تعمل كنوى لنمو البلورات. وعند تسخين الماء، تتبلور المعادن على هذه النوى بدلاً من نظام السباكة. وتتحول المعادن الذائبة إلى جزيئات صلبة غير قابلة للذوبان معلقة في الماء، تمر عبر النظام دون أن تلتصق بأسطح السباكة. ^{[ 19 ]}

لا تُعتبر الادعاءات المتعلقة بمعالجة المياه بالمغناطيس صحيحة. فعلى سبيل المثال، لم يُلاحظ أي انخفاض في تكوّن الترسبات الكلسية عند اختبار جهاز مغناطيسي كهذا علمياً. ^{[ 20 ]}

يمر الماء العسر البارد عبر خزان يحتوي على حبيبات بوليمرية دقيقة ذات أسطح تسمح بتكوّن فقاعات صغيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون. قد يحدث التكوّن الأولي لهذه الفقاعات نتيجة انخفاض ضغط الماء العسر أثناء تدفقه في بئر، تمامًا كما يحدث عند فتح زجاجة بيرة. بمجرد خروج ثاني أكسيد الكربون من الماء، يحفز تفاعل كيميائي تكوين بلورات كربونات الكالسيوم على سطح الفقاعات. ومع نمو البلورات على هذه الحبيبات، تنفصل أثناء التدفق وهي لا تزال مجهرية الحجم. إذا مرت هذه الجزيئات الدقيقة عبر سخان الماء، يحدث المزيد من انفصال ثاني أكسيد الكربون نتيجة ارتفاع درجة الحرارة، وينمو بلورات جديدة على الجزيئات نفسها بدلًا من السخان. بمجرد وجود الكالسيت في الماء، يفضل الكالسيت الجديد التكوّن على الكالسيت القديم نظرًا للروابط المتاحة على البلورات وقرب أسطح الكالسيت وكثرتها في الماء.

تُعرف هذه العملية إما بالتبلور بمساعدة القالب (TAC) أو التبلور بمساعدة النواة (NAC). تتكون الحبيبات البوليمرية من متعددات الفوسفات، ويتراوح حجمها بين 0.5 و2.0 ميكرومتر، وبعضها مطلي بطبقة خزفية. أظهرت الاختبارات التي أُجريت في جامعة أريزونا أن التبلور بمساعدة القالب هو الأكثر فعالية في الحد من تكوّن الترسبات، يليه مباشرةً التبادل الأيوني (انظر الرسم البياني أعلاه). وتُعدّ هذه الطريقة أكثر فعالية من الطرق التي تحاول عزل الأيونات باستخدام المجالات المغناطيسية أو الكهربائية. تشمل مزايا خزانات التبلور بمساعدة القالب سهولة الاستخدام، وقلة الصيانة، وعدم وجود نفايات سامة (مثل الكلور)، وتوافر الكالسيوم كمغذٍ في مياه الشرب. أما عيوبها فتتمثل في عدم إمكانية تجنب بلورات الكالسيت أو إزالتها من الماء، مما يؤدي إلى ظهور رواسب في المناطق التي يتبخر فيها الماء. ويدّعي المصنّعون أن هذه الرواسب أسهل في التنظيف لأن الكالسيت يتكوّن على بلورات البذور بدلاً من الأسطح.