مهمترین یون ها در تصفیه آب صنعتی

کیفیت آب به میزان زیادی به تعادل کاتیون ‌ها و آنیون ‌های موجود در آن وابسته است. کاتیون‌ ها، یون ‌های دارای بار مثبت مانند کلسیم و سدیم هستند که نقش مهمی در سختی آب ایفا می ‌کنند. از سوی دیگر، آنیون ‌ها، یون‌ های دارای بار منفی مانند کلرید و سولفات هستند که می ‌توانند بر خواص شیمیایی آب تأثیر بگذارند. برای ارزیابی کیفیت آب با دقت بالا، اندازه ‌گیری نسبت این یون ‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در صورتی که اختلاف میان مجموع کاتیون ‌ها و آنیون ‌ها در محدوده مجاز باشد، آب مناسب برای استفاده خواهد بود. با این حال، هرگونه عدم تعادل شیمیایی می ‌تواند منجر به مشکلاتی مانند تشکیل رسوبات و کاهش کارایی سیستم‌ های تصفیه آب شود.

کاتیون‌ ها و آنیون‌ های آب

برای انجام آنالیز دقیق آب و ارزیابی کیفیت آن، اندازه ‌گیری میزان کاتیون‌ ها و آنیون‌ ها اهمیت زیادی دارد. کاتیون‌ ها شامل یون‌ های مثبت مانند کلسیم و سدیم هستند، در حالی که آنیون‌ ها یون‌ های منفی مانند کلرید و سولفات را دربر می‌ گیرند. در یک آب با کیفیت، نسبت کاتیون ‌ها و آنیون ‌ها باید در تعادل باشد؛ یعنی اختلاف بین میزان این دو دسته از یون ‌ها نباید از حد مجاز تجاوز کند. در این رابطه، اگر اختلاف بین مجموع کاتیون‌ ها و آنیون‌ ها کمتر از ۵ درصد باشد، این آب برای مصرف قابل قبول است. همچنین، اختلاف ۵ تا ۱۰ درصد نیز معمولاً مورد قبول بوده؛ اما اگر اختلاف بالاتر از ۱۰ درصد باشد، به دلیل افزایش خطرات ناشی از عدم تعادل شیمیایی، این آب به عنوان آب نامناسب برای استفاده در مصارف مختلف شناخته می‌ شود.

انواع کاتیون‌ های آب

کاتیون ‌ها یا یون‌ های مثبت در آب، نقش حیاتی در کیفیت و خواص شیمیایی آب ایفا می ‌کنند. برخی از کاتیون ‌های مهم آب شامل پتاسیم (K+)، سدیم (Na+)، کلسیم (Ca2+) و منیزیم (Mg2+) می ‌شوند. این یون‌ ها در فرآیندهای زیستی و شیمیایی نقش ‌های گوناگونی دارند و حضور آن‌ ها برای حفظ تعادل شیمیایی آب ضروری است. برخی از کاتیون‌ ها مانند استرانسیم (Sr2+) و باریم (Ba2+) نیز در آب وجود دارند و با ایجاد رسوبات، می ‌توانند مشکلاتی در سیستم‌ های تصفیه آب ایجاد کنند. 

هر یک از این کاتیون‌ ها نقش حیاتی در تعیین ویژگی ‌های شیمیایی آب ایفا می‌ کنند و حضور آن‌ ها در آب مستقیماً بر کیفیت، سختی و خواص فیزیکی آب تأثیرگذار است. میزان کاتیون ‌ها و کنترل آن ‌ها، به خصوص در تصفیه آب و در بخش ‌های صنعتی، به دقت و توجه خاصی نیاز دارد تا از مشکلاتی همچون تشکیل رسوبات، افت کیفیت آب و کاهش بازدهی سیستم‌ های تصفیه جلوگیری شود .در ادامه به انواع کاتیون‌ ها اشاره می ‌کنیم.

پتاسیم  (K+)

پتاسیم یکی از کاتیون‌ های اصلی و ضروری در آب است که نقش عمده ‌ای در فرآیندهای زیستی، خصوصاً برای گیاهان، ایفا می ‌کند. در سیستم‌ های تصفیه آب، حضور پتاسیم در آب معمولاً به عنوان عنصری مفید در نظر گرفته می ‌شود، اما غلظت بالای آن نیاز به کنترل دارد. اگر پتاسیم به مقدار بیش از حد مجاز در آب آشامیدنی وجود داشته باشد، ممکن است باعث تغییر در کیفیت آب شود. در برخی فرآیندهای تصفیه مانند تعویض یون، از پتاسیم به عنوان جایگزینی برای سدیم استفاده می ‌شود که می ‌تواند به کاهش سدیم در آب کمک کند و برای افرادی که نیاز به مصرف کم‌ سدیم دارند، گزینه ‌ای سالم‌ تر باشد.

سدیم  (Na+)

سدیم نیز یکی از یون‌ های رایج و مهم در آب است و به طور گسترده در منابع آب سطحی و زیرزمینی یافت می ‌شود. این کاتیون به تنظیم فشار اسمزی و تعادل الکترولیتی در جانداران کمک می ‌کند و نقش مهمی در فرآیندهای فیزیولوژیکی بدن دارد. سدیم به ویژه در حفظ تعادل مایعات بدن انسان و تنظیم فشار خون حیاتی است. با این حال، حضور بیش از حد سدیم در آب، به ویژه در آب آشامیدنی، می ‌تواند برای سلامتی مضر باشد؛ به خصوص برای افرادی که به فشار خون بالا و مشکلات قلبی مبتلا هستند. در فرآیندهای تصفیه آب، کاهش میزان سدیم برای بهبود کیفیت آب و کاهش خطرات سلامتی اهمیت دارد. روش ‌هایی مانند اسمز معکوس (RO) و تبادل یونی سدیم را به ‌طور موثری از آب حذف می کنند.

کلسیم (Ca2+)

این یون در تشکیل استخوان‌ ها و دندان‌ ها و نیز در تنظیم فعالیت ‌های عضلانی و عصبی در بدن انسان مؤثر است. همچنین، کلسیم در گیاهان برای ساختار سلولی و فرآیند فتوسنتز حیاتی است. با این حال، یون کلسیم (Ca²⁺) یکی از یون ‌های مهم و اساسی موجود در منابع آب است که نقش زیادی در تعیین سختی آب دارد. این کاتیون، به ‌ویژه در آب‌ های زیرزمینی و چاه‌ ها یافت شده و به واسطه انحلال کانی ‌های کلسیم ‌دار نظیر کلسیت و آهک در آب، به آن اضافه می ‌شود. از آنجا که سختی زیاد آب می ‌تواند باعث ایجاد رسوبات در لوله ‌ها و تجهیزات تصفیه و کاهش کارایی آن ‌ها شود، حذف یا کاهش میزان کلسیم در فرآیند تصفیه آب، بسیار حائز اهمیت است. روش‌ های مختلفی مانند تبادل یونی، اسمز معکوس، و استفاده از رزین‌ های کاتیونی برای کاهش یون کلسیم در آب به کار می‌ روند.

منیزیم  (Mg2+)

منیزیم یکی از عناصر ضروری برای سلامتی انسان و رشد گیاهان است. این عنصر نه تنها به عنوان یک ماده معدنی ضروری در تغذیه انسانی شناخته می‌شود، بلکه برای گیاهان نیز اهمیت بسیاری دارد، زیرا جذب کلسیم و سایر مواد معدنی را در گیاهان تقویت می‌کند. منیزیم در فرآیند فتوسنتز و همچنین در تشکیل کلروفیل نقش مؤثری دارد. یون منیزیم (Mg²⁺) یکی از مهم ‌ترین کاتیون ‌ها در آب است که به دلیل ویژگی‌ های خاص خود، تأثیر قابل توجهی بر کیفیت و سختی آب دارد. منیزیم در کنار کلسیم، یکی از عوامل اصلی ایجاد سختی آب به شمار می ‌آید و می‌ تواند باعث تشکیل رسوبات در سیستم‌ های لوله‌ کشی و تجهیزات تصفیه آب شود. این رسوبات به مرور زمان باعث کاهش بازدهی سیستم‌ های تصفیه و نیاز به نگهداری و تعمیرات مداوم می ‌شوند.

استرانسیم  (Sr2+)

استرانسیم به عنوان یک کاتیون کمتر رایج در منابع آب، عمدتاً در آب‌ های معدنی و منابع زیرزمینی یافت می ‌شود. اگرچه استرانسیم به طور طبیعی در برخی نواحی جغرافیایی وجود دارد و معمولاً برای انسان مضر نیست، اما حضور آن در آب به دلیل خواص شیمیایی خاصش می ‌تواند مشکلاتی را در سیستم‌ های تصفیه آب ایجاد کند. افزایش غلظت استرانسیم می ‌تواند به تشکیل رسوبات سخت و انسداد لوله‌ ها منجر شود که به ویژه در صنایع و سیستم‌ های تصفیه آب باعث کاهش کارایی و آسیب به تجهیزات می ‌گردد. از این رو، کنترل دقیق سطح استرانسیم در فرآیند تصفیه آب اهمیت زیادی دارد تا از بروز مشکلات ناشی از عدم تعادل شیمیایی جلوگیری شود.

باریم  (Ba2+)

باریم نیز از جمله کاتیون‌ های نادر در منابع آب به شمار می ‌آید و معمولاً به صورت ناخالصی در آب‌ های زیرزمینی و آب ‌های معدنی یافت می‌ شود. این عنصر در صورت وجود در غلظت ‌های بالا می ‌تواند خطرناک باشد و نیاز به کنترل دارد. در صورتی که باریم در آب بیش از حد باشد، می ‌تواند باعث تشکیل رسوبات و انسداد لوله‌ ها شود. باریم به طور طبیعی در برخی منابع آب زیرزمینی یافت می ‌شود و در صنایع شیمیایی و تصفیه آب نیاز به پایش و کنترل سطح این عنصر به‌ ویژه از نظر ایمنی است.

انواع آنیون‌ های آب

آنیون ‌ها یا یون‌ های منفی نیز به همان اندازه کاتیون ‌ها در تعیین کیفیت آب اهمیت دارند. آنیون‌ های مهم آب شامل بی ‌کربنات (HCO3-)، نیترات (NO3-)، کلرید (Cl-) و سولفات (SO4^2-) هستند. حضور آنیون‌ های نامتعادل می‌ تواند به مشکلاتی نظیر رسوب‌ گذاری و خوردگی در سیستم‌ های تصفیه آب منجر شود. به طور خاص، اگر کلسیم در آب به مقدار زیاد موجود باشد، حتی مقدار کم فلوراید و فسفات می ‌تواند منجر به تشکیل رسوبات مضر کلسیم فسفات و کلسیم فلوراید شود که به تجهیزات تصفیه آسیب می ‌زند. انواع آنیون ‌ها شامل موارد زیر می ‌شوند:

بی ‌کربنات  (HCO₃⁻)

بی ‌کربنات یکی از اصلی ‌ترین آنیون‌ ها در آب طبیعی است و نقش مهمی در تعادل اسیدی-بازی آب ایفا می ‌کند. این یون می ‌تواند با کاتیون ‌های مانند کلسیم و منیزیم ترکیب شود و منجر به تشکیل رسوبات کربنات شود که این موضوع در سختی آب نیز مؤثر است. بی ‌کربنات همچنین به عنوان یک بافر در آب عمل کرده و از تغییرات شدید در pH جلوگیری می ‌کند. در آب ‌های زیرزمینی و آب‌ های سطحی، غلظت بالای بی ‌کربنات می ‌تواند طعم و قلیائیت آب را افزایش دهد.

نیترات  (NO₃⁻)

نیترات یکی از آنیون‌ های مهم در آب است که معمولاً از طریق فعالیت ‌های کشاورزی و مصرف کودهای نیتروژنه به آب‌ های زیرزمینی وارد می ‌شود. این آنیون می ‌تواند به آب‌ های سطحی و زیرزمینی نفوذ کرده و غلظت آن به ویژه در مناطق کشاورزی بالا باشد. نیترات در صورت مصرف بیش از حد، می ‌تواند اثرات مضر بر سلامت انسان‌ ها، به ویژه نوزادان، داشته باشد. وجود نیترات در آب، علاوه بر اثرات سلامتی، ممکن است نشان ‌دهنده آلودگی آب به پساب‌ های انسانی یا حیوانی نیز باشد. تصفیه آب برای کاهش غلظت نیترات یکی از چالش‌ های اساسی در سیستم ‌های آب‌ رسانی است. روش‌ های متعددی برای حذف نیترات از آب وجود دارد که شامل فرآیندهای شیمیایی، بیولوژیکی و فیزیکی است.

کلرید  (Cl⁻)

کلرید یکی از یون‌ های محلول رایج در آب است که معمولاً از منابعی مانند شوری خاک، پساب‌ های صنعتی، یا آب دریاها به آب ‌های شیرین نفوذ می ‌کند. کلرید می ‌تواند شوری آب را افزایش دهد و همچنین رسانایی الکتریکی آب را بالا ببرد. این آنیون به دلیل خاصیت شوری، می‌ تواند بر طعم آب تأثیر منفی داشته باشد و در برخی از گیاهان و موجودات آبزی اثرات منفی ایجاد کند. حضور بیش از حد کلرید در آب منجر به خوردگی تجهیزات تصفیه آب و لوله ‌ها شده که این موضوع به ویژه در صنعت و کشاورزی می ‌تواند مشکلاتی ایجاد کند. روش ‌های مختلفی مانند فرآیندهای اسمز معکوس و تبادل یونی برای کاهش غلظت کلرید در سیستم‌ های تصفیه آب به کار می ‌روند.

سولفات  (SO₄²⁻)

سولفات یکی از آنیون‌ های رایج در آب‌ های زیرزمینی و معدنی است که به صورت طبیعی یا از طریق فعالیت ‌های انسانی وارد آب می ‌شود. این آنیون معمولاً به دلیل حل شدن سنگ ‌های سولفاته در آب ‌های زیرزمینی یافت می ‌شود. وجود سولفات در غلظت‌ های بالا می‌ تواند طعم تلخی به آب بدهد و در برخی از افراد، به ویژه در مقادیر زیاد، باعث مشکلات گوارشی شود. همچنین، سولفات با برخی از کاتیون‌ ها مثل کلسیم ترکیب می ‌شود و رسوبات سختی ایجاد می ‌کند که می ‌تواند به انسداد و آسیب دیدگی لوله ‌ها و سیستم ‌های تصفیه آب منجر شود. در فرآیندهای تصفیه آب، از تکنیک ‌هایی مانند تبادل یونی و نانوفیلتراسیون برای حذف یا کاهش سولفات‌ ها استفاده می ‌شود.

فلوراید  (F⁻)

فلوراید در مقادیر کم برای سلامت دندان مفید است و به همین دلیل در برخی کشورها به آب آشامیدنی افزوده می ‌شود. با این حال، غلظت بالای فلوراید در آب می ‌تواند مشکلاتی از جمله فلوروزیس دندانی و استخوانی ایجاد کند. این آنیون به صورت طبیعی در آب‌ های زیرزمینی در برخی مناطق وجود دارد و می ‌تواند تأثیرات مثبت و منفی بر سلامتی داشته باشد. کنترل سطح فلوراید در آب آشامیدنی از اهمیت ویژه ‌ای برخوردار است تا از بروز مشکلات سلامتی جلوگیری شود.

فسفات  (PO₄³⁻)

فسفات یکی از آنیون‌ هایی است که به طور عمده از طریق پساب ‌های صنعتی و کشاورزی به منابع آب وارد می ‌شود. این آنیون با افزایش سطح فسفات در آب، به طور مستقیم بر رشد جلبک ‌ها و گیاهان آبزی تأثیر می‌ گذارد و می ‌تواند منجر به پدیده‌ ای به نام یوتریفیکاسیون (پُرمغذی شدن آب) شود. این پدیده می ‌تواند باعث کاهش اکسیژن محلول در آب و در نهایت مرگ جانداران آبزی شود. کنترل میزان فسفات در آب‌ های سطحی به منظور جلوگیری از رشد بیش از حد جلبک‌ ها و جلوگیری از آلودگی آب بسیار مهم است. روش‌های مختلفی برای کاهش فسفات‌ ها در سیستم‌ های تصفیه آب وجود دارد، از جمله فرآیندهای شیمیایی، بیولوژیکی و فیزیکی که هدف آن‌ ها تبدیل فسفات‌ ها به شکل‌ های غیر قابل حل و حذف آن‌ ها از آب است.

جدول پارامترهای شیمی آب برای طراحی دستگاه تصفیه آب صنعتی

در جدول زیر برخی از پارامترهای شیمیایی آب جهت استفاده در طراحی سیستم تصفیه آب و حدمجاز هر پارامتر ارائه شده است. این جدول به شما کمک می‌ کند تا پارامترهای شیمیایی آب را به همراه حدمجاز آن ها برای طراحی دستگاه تصفیه آب صنعتی بررسی کنید. البته توجه داشته باشید که حدمجاز هر پارامتر باید از طرف آزمایشگاه ‌های معتبر و با توجه به شرایط خاص آب تعیین شود و این مقادیر تنها به عنوان مرجع کلی ارائه شده ‌اند.

اندازه‌ گیری میزان کاتیون ‌ها و آنیون‌ ها در آب

اندازه‌ گیری یون‌ های آب به روش‌ های مختلفی انجام می‌ شود که بسته به نوع یون‌ ها و دقت مورد نیاز، می ‌توان از روش‌ های مختلف آزمایشگاهی و تحلیلی استفاده کرد. یکی از روش‌ های رایج استفاده از اسپکتروفتومتری است که با اندازه‌ گیری طول موج نوری که از آب عبور می ‌کند، میزان یون‌ های مختلف را مشخص می سازد. همچنین کروماتوگرافی یکی دیگر از روش‌ های پیچیده و دقیق است که امکان تفکیک و اندازه ‌گیری هر کدام از یون‌ های آب را فراهم می‌ کند. برای اندازه‌ گیری‌ های ساده ‌تر، استفاده از کیت ‌های تجاری و تجهیزات قابل حمل مانند pH متر می تواند موثر باشد که برای بررسی میزان اسیدیته و همچنین نشان دادن میزان برخی از آنیون ‌ها و کاتیون ‌ها به کار می ‌رود. جهت خرید pH متر و سایر تجهیزات اندازه گیری مورد استفاده در سیستم تصفیه آب، می توانید به فروشگاه اینترنتی آبین مراجعه کنید. این فروشگاه تنوع بالایی از دستگاه‌ های دقیق و با کیفیت مانند pH متر، TDS متر و دیگر ابزارهای مرتبط با کنترل و بهبود کیفیت آب را ارائه می ‌دهد. همچنین با ارائه مشاوره تخصصی و تضمین اصالت کالا، به مشتریان کمک می ‌کند تا تجهیزات مورد نیاز خود را با اطمینان تهیه کنند.