سختی آب

سختی آب با علامت اختصاری (GH) یکی از مهم‌ترین پارامتر شیمی آب بوده و به دلیل وجود یون‌های منیزیم، کلسیم، آلومینیوم، روی و سایر املاح معدنی در آب به وجود می‌آید.

آب موردنیاز گیاهان و سایر جانداران از طریق آب‌های جاری و یا از طریق آب‌های زیرزمینی تأمین می‌شود که در طول مسیر خود مقدار زیادی نمک های معدنی مانندی یون های منیزیم، کلسیم و بی کربنات زمین را در خود شسته و حل می‌کنند به همین دلیل سختی آب چشمه با سختی آب چاه متفاوت است.

شیمی آب دارای پنج پارامتر اصلی شامل خاصیت اسیدی (‏PH)، ظرفیت بافری (‏Buffering Capacity)، سختی کلی آب (‏General Hardness)، شوری (‏Salinity) و نوتریشن‏ها و عناصر کمیاب است. متأسفانه بسیاری از افراد کم‌تجربه و مبتدی سختی آب (GH) را با ظرفیت بافری (KH) را اشتباه می‌گیرند.

سختی آب چیست؟

میزان سختی آب یا GH به میزان غلظت نمک‌های معدنی ازجمله کلسیم، یون‌های منیزیم و بی‌کربنات‌ها(مانند کلرید، سولفات و غیره) محلول در آب گفته می‌شود. آب سخت دارای مقدار زیادی از ترکیبات کربناتی و غیر کربناتی کلسیم، منیزیم و مقداری اندکی سایر ترکیبات (که به دلیل ناچیز بودن مقدار آن‌ها نادیده گرفته می‌شود) است و با افزایش این ترکیبات GH افزایش‌یافته و با کاهش آن GH کاهش می‌یابد که به‌اصطلاح به آن آب سبک یا آب نرم گویند.

سه پارامتر GH، KH و PH در شیمی آب همانند یک مثلث عمل کرده که هر ضلع آن با اضلاع دیگر در ارتباط بوده و هر ضلع دارای ویژگی و خواص خود است. هر تغییری بر روی هر یک از اضلاع این مثلث بر روی سایر اضلاع اثر گذاشته به همین دلیل توصیه می‌شود افراد مبتدی بدون دانش کافی در آن‌ها تغییری ایجاد نکنند.

آب‌های زیرزمینی به‌ویژه آب چاه‌ها به دلیل حل کردن سنگ‌آهک موجود در مسیر حرکت خود درجه سختی بالایی دارند که این سختی ناشی از وجود ترکیبات کربنات کلسیم در سنگ‌آهک است. زمانی که کربنات کلسیم در آب افزایش می‌یابد هم GH (به خاطر کلسیم) و هم KH (به خاطر کربنات) افزایش پیدا می‌کنند و با افزایش مقدار KH مقدار PH نیز افزایش می‌یابد.

استفاده از آب سخت برای آشامیدن و امور صنعتی مضرر بوده و باعث بیماری و خسارت می‌شود به همین دلیل برای استفاده از این آب‌ها از دستگاه سختی گیر آب استفاده شود. برای تشخیص میزان GH از دستگاه سختی سنج آب یا کیت‌های سختی سنجش آب استفاده می‌شود.

سختی آب بالا باعث خوردگی، ایجاد رسوب در تأسیسات، شوری آب، کاهش کیفیت رنگ در صنایع رنگرزی و درنهایت کاهش قدرت شوینده‌ها می‌شود. GH در شوینده‌ها باعث تبدیل این مواد به ترکیبات نامحلول درنتیجه کاهش میزان اثربخشی مواد شوینده می‌شود. نوشیدن آب سخت درگذر زمان باعث ته‌نشین شدن املاح آن در کلیه و بروز سنگ کلیه می‌شود.

حد مجاز GH آشامیدنی بین سی الی صد بوده و نوشیدن آب با سختی پایین و سختی بالای این مقدار باعث بیماری‌های متعددی در انسان شده لذا مقدار آن در تصفیه‌خانه‌ها بر اساس درجه GH استاندارد تنظیم می‌شود. متأسفانه GH در بیشتر مناطق ایران بالای 200 است که استفاده از انواع سختی گیر آب شامل سختی گیر خانگی و یا دستگاه تصفیه را ضروری می‌کند.

اغلب موجودات زنده آکواریومی نیازمند آب سبک بوده به همین دلیل مقدار استاندارد GH آکواریوم گیاهی 3 الی 12 است. آبی برای آکواریوم‏های گیاهی مناسب است که درجه سختی پایینی داشته باشد زیرا در این شرایط امکان رشد جلبک‌های آکواریوم گیاهی کمتر می‌شود.

دی‌اکسیدکربن در آکواریوم با سختی آب پایین راحت‌تر حل‌شده درنتیجه خاصیت اسیدی آب کاهش می‌یابد. کاهش خاصیت اسیدی آب باعث رشد بهتر گیاهان، کاهش رشد جلبک‌ها، شفافیت آب و زیبایی بیشتر در ماهی ها می‌شود.

ازنظر میزان غلظت نمک‌های معدنی موجود در آب، آب‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند:

آب سبک: در این آب‌ها صفر الی هفتادوپنج میلی‌گرم املاح وجود دارد.

آب نسبتاً سخت: در این آب‌ها هفتادوپنج الی صد و پنجاه میلی‌گرم املاح وجود دارد.

آب سخت: در این آب‌ها صد و پنجاه الی سیصد میلی‌گرم املاح وجود دارد.

انواع سختی آب

آب هر منطقه با توجه به ویژگی‌های جوی و محیطی دارای پارامترهای شیمی متفاوت هست که این تفاوت به دلیل وجود تفاوت عناصر موجود در جو و زمین آن منطقه است. همانطور که در مقاله شیمی آب به آن اشاره کردیم عناصر موجود در جو زمین در هنگام باران در آن حل‌شده و بر روی زمین جاری می‌گردد و با جاری شدن آب باران مجدداً مقداری از املاح زمین را شسته و در خود حل می‌کند.

(برای آشنایی بیشتر با شیمی آب بامطالعه شیمی آب با ما همراه باشید)

با توجه به مواد معدنی و نمک‌های حل‌شده در آب، GH را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

سختی موقت آب: این نوع سختی در آبی‌هایی که مقدار بی‌کربنات منیزیم، کلسیم و آهن موجود در آن بیش‌ازحد مجاز هست اطلاق می‌گردد. برای حذف GH این آب‌ها می‌توان خاصیت اسیدی آب‌ را کاهش داده تا نمک‌های آن خنثی و آب سبک شود؛ راه‌حل دیگر برای حذف سختی موقت آب جوشاندن آن هست تا نمک‌های محلول در آن به جداره دیواره ظرف حاوی آن چسبیده و سبک شود.

سختی دائم آب: این نوع از سختی به آب‌هایی که نمک سولفات، کلرید کلسیم، منیزیم، نیترات و آهن موجود در آن ‌از استاندارد GH بیشتر است اطلاق می‌گردد. سختی دائم آب با حرارت دادن از بین نرفته و برای سبک کردن آن نیاز به تجهیزات تصفیه آب هست.

سختی کل آب: به مجموع سختی موقت و سختی دائم آب، سختی کل یا TDS گفته می‌شود. برای سبک کردن آب‌هایی که مقدار کربنات کلسیم بیش از یک میلی والان هست از روش تصفیه اسمز معکوس و مدیاها فیلتراسیون مانند رزین استفاده می‌شود.

مفاهیم بنیادی در سختی آب

DH مخفف عبارت «Degree hardness» به معنی درجه سختی آب است که PPM واحد اندازه‌گیری آن هست. PPM مخفف Parts per million به معنای یک قسمت از یک‌میلیون هست. یک واحد DH برابر با 8/17 پی پی‌ام CaCO3 است. اکثر کیت‌های آزمایش میزان سختی آب را بر اساس مقدار کربنات کلسیم (CaCO3) اندازه‌گیری می‌کنند ولی میزان آن نشان‌دهنده مقدار CaCO3 در آب نیست.

افزایش سختی آب

برای افزایش هم‌زمان GH و KH برای هر صد لیتر آب نصف قاشق چای‌خوری از کربنات کلسیم (CaCO3) به آب اضافه کنید. با استفاده از این روش مقدار هرکدام از KH و GH یک الی دو واحد افزایش می‌یابد. روش دیگر برای افزایش سختی آب اضافه کردن تراشه‌های سنگ مرمر، مرجان، صدف، سنگ‌آهک به فیلتر است.

به‌منظور بالا بردن KH بدون تغییر GH می‌توان نصف قاشق چای‌خوری در هر صد لیتر جوش‌شیرین یا بی‌کربنات سدیم (NaHCO3) ‏ به آب اضافه کنید با این کار GH در حدود یک واحد افزایش می‌دهد. بی‌کربنات سدیم خاصیت اسیدی آب را به مقدار 8.2 تنظیم و درصورتی‌که آب شما خیلی سبک باشد ممکن است با افزایش بافر تغییرات زیادی در PH رخ دهد.

لازم به یادآوری است اندازه‌گیری‌های قیدشده در این بخش تقریبی بوده و استفاده از کیت آزمایش آب برای اطمینان از اندازه‌های ذکرشده ضروری است.

روش‌های کاهش سختی آب

بسیاری از موجودات آبزی علیرغم تحمل آب‌های سنگین به آب‌های سبک علاقه داشته که می‌توان از بین انواع ماهی‌های آکواریوم به تترا کاردینال و دیسکس اشاره کرد که صرفاً در آب‌های سبک تکثیر می‌شوند. روش‌های مختلفی برای کاهش سختی آب ازجمله استفاده از اسمز معکوس، تبادل یونی و استفاده از مدیاهای نرم‌کننده آب وجود دارد که در ادامه تشریح آن می‌پردازیم.

کاهش سختی آب به روش اسمز معکوس

برای درک بهتر روش اسمز معکوس دانستن اصطلاح فشار اسمز معکوس و غشا نیمه‌تراوا ضروری است. فشار اسمزی فشاری است که باید بر مایع وارد گردد تا مانع حرکت آن مایع از بین یک غشای نیمه‌تراوا گردد و غشای نیمه‌تراوا به غشائی گفته می‌شود که نسبت به برخی از مولکول‌ها نفوذپذیر و نسبت به بعضی دیگر نفوذناپذیر است.

درروش اسمز معکوس (Reverse Osmosis) با استفاده از یک غشاء نیمه‌تراوا ذرات بزرگ‌تر از مولکول‌های آب جداشده و ازیک‌طرف غشاء به‌طرف دیگر می‌رود. در غشاء نیمه‌تراوا متناسب با مایع مدنظر برای تصفیه، منافذی موجود دارد که صرفاً به مولکول‌های آن مایع اجازه عبور را می‌دهد. در این روش با استفاده از پمپ، فشاری برای غلبه بر فشار اسمزی ایجادشده و املاح آب از مولکول‌های آن جداشده درنتیجه املاح و ترکیبات کلسیم و منیزیم حل‌شده در سمت تحت‌فشار باقیمانده و آب خالص از قسمت نیمه‌تراوا عبور می‌کند.

در تصفیه با روش اسمز معکوس حلال از قسمتی که املاح زیادی (غلظت حل شوندگی کم) دارد به قسمتی که خالص (غلظت حل شوندگی زیاد) است حر کت می‌کند. به حرکت حلال با استفاده از فشار به قسمت دیگر غشا نیمه‌تراوا فشار اسمز گفته می‌شود. در حالت عادی مواد حل شونده در حلال حل می‌شوند ولی در این روش به دلیل وجود فشار اسمزی، حلال از ترکیبات حل‌شده جداشده و خالص می‌گردد به همین دلیل این روش را فشار اسمز معکوس می‌گویند.

به‌عبارتی‌دیگر فشار اسمز معکوس عبارت است از اعمال یک فشار خارجی برای برعکس کردن جریان طبیعی حلال و محلول هست. این روش بیشتر برای تصفیه آب دریا به‌منظور تولید آب آشامیدنی کاربرد دارد. در این روش نمک و سایر ترکیبات آلوده‌کننده از آب جداشده و آب خالص تولید می‌شود؛ به دلیل حذف نوتریشن‏های مفید آب در این روش مجدداً پس از تصفیه آب این نوتریشن‌ها به آب اضافه می‌گردد.

روش اسمز معکوس به دلیل جدا کردن یون‌های کلسیم‏ (Ca+2) و منیزیم‏ (Mg+2) از مولکول‌های آب بهترین روش برای کاهش GH برای آکواریوم پلنت هست. فناوری اسمز معکوس می‌تواند بسیاری از انواع مولکول‌ها و یون‌ها ازجمله باکتری‌ها را از محلول حذف کند به همین دلیل از این روش در صنایع صنعتی و تولید آب آشامیدنی استفاده می‌شود.

کاهش سختی آب به روش تبادل یونی

بسیاری از کسانی در منزل خود آکواریوم نگهداری می‌کنند دنبال راهی آسان برای نرم و سبک کردن آب خود هستند به همین منظور این افراد از دستگاه تصفیه آب خانگی برای از بین بردن GH استفاده می‌کنند.

در دستگاه تصفیه خانگی از روش تبادل یونی استفاده می‌شود در این روش یون‌های منیزیم و کلسیم با سدیم جابه‌جاشده به‌طوری‌که ماهی‌ها متوجه اضافه شدن سدیم به‌جای ترکیبات منیزیم و کلسیم نمی‌شود ولی این نکته حائز اهمیت است که ماهی‌ها و جانداران آبزی آب سبک را دوست دارند نه آبی که دارای سدیم است؛ به همین دلیل استفاده از دستگاه تصفیه خانگی راه مناسبی برای سبک آب به‌منظور استفاده در آکواریوم نیست.

کاهش سختی آب با استفاده از مدیاهای کاهنده

راه دیگر برای کاهش سختی آب استفاده از برخی مدیاها مانند رزین و پیت موس است که در فروشگاه‌های تجهیزات آکواریومی به‌وفور یافت می‌شود. رزین و پیت موس برای کاهش GH به روش تبادل یونی عمل کرده و سدیم جایگزین کلسیم و منیزیم می‌شود.

استفاده از پیت موس برای کاهش سختی آب

پیت موس یکی از بسترهای گیاهی است که از تجزیه‌شده خزه‌ای به نام تورب به وجود می‌آید. پیت موس مقداری کمی خاصیت اسیدی داشته و دارای خاصیت تبادل کاتیونی است که استفاده از آن در آب باعث افزایش ظرفیت بافری آب می‌شود.

از پیت موس به روش تبادل یونی برای کاهش سختی آب استفاده می‌شود؛ در این روش مقداری پیت موس را در سطلی ریخته و جوشانده می‌شود سپس آن را داخل کیسه ریخته و داخل آب سخت می‌گذارند پس از هوادهی آن به مدت یک الی دو هفته GH حاوی پیت موس کاهش خواهد یافت.

پیت موس در فروشگاه‌های باغبانی موجود بوده و هنگام خرید آن بایستی توجه کنید که فاقد هرگونه کود و مواد افزودنی باشد.

استفاده از پیت موس در فیلتراسیون در کنار فوایدی که دارد دارای معایبی نیز هست که به آن اشاره می‌کنیم:

• احتمال آغشته بودن پیت موس به سموم، کود باغبانی و مواد شیمایی همواره وجود دارد.
• تعیین مقدار مناسب پیت موس کاری مشکل بوده و به عوامل ازجمله کیفیت آن بستگی دارد.
• برای نرم کردن آب توسط پیت موس به چند روز زمان نیاز است.
• پیت موس بسیار زود اشباع می‌گردد.

استفاده از رزین برای کاهش سختی آب

رزین یک ترکیب عالی و مایع است که از شیره برخی گیاهان به‌خصوص درخت کاج به‌دست‌آمده و با گذر زمان سخت می‌گردد. علاوه بر رزین‌های طبیعی انواع صنعتی آن نیز تولید می‌شود که در مصارف صنعتی به‌ویژه تصفیه آب مورداستفاده قرار می‌گیرد.

یکی از ویژگی‌های رزین توانایی بالا در تبادل یونی در محلول‌هایی با اکی‏والان (مقداری از یک ماده که با مقدار مشخصی از یک ماده دیگر وارد فعل‌وانفعال شیمیایی می‌شود) مشابه هست. رزین‌ها به دو دسته رزین کاتیونی و آنیونی تقسیم‌شده که برای کاهش GH از رزین کاتیونی استفاده می‌شود.

رزین‌های آنیونی همانطور که از نام آن‌ها مشخص است ذرات آنیونی را از محلول حذف می‌کنند و در صنعت تصفیه آب برای حذف کلر و اسیدهای معدنی استفاده می‌شود به همین دلیل این رزین‌ها به رزین‌های قلیایی نیز معروف هستند.

به‌منظور کاهش GH با رزین ابتدا آن را نمناک کرده و داخل لوله‌ای ریخته سپس دو سر آن را با توری (برای جلوگیری از ریختن رزین‌ها) می‌بندند. لوله حاوی رزین را در مسیر جریان آب تصفیه قرار می‌دهند تا آب با عبور از لوله حاوی رزین وارد آکواریوم شود. در تبادل یونی، یون‌های سدیم رزین با سایر یون‌های مواد محلول در مایع با سختی بالا جایگزین و باعث کاهش GH یا به‌اصطلاح نرم شدن آب می‌شود.

رزین برای تبادل یونی نیازمند زمان بوده و جریان آب درون آن با ملایم باشد تا ذرات رزین زمان کافی برای جذب یون‌های کلسیم منیزیم را داشته باشند. با گذر زمان به‌مرور خاصیت تبادل یونی رزین کاهش‌یافته و برای شارژ مجدد آن کافی است آن را در محلول آب و نمک غلیظ قرار دهید تا یون‌های کلسیم و منیزیم از ذرات آن جداشده و به ذرات نمک متصل و مجدد سدیم به ذرات رزین متصل شود.

در برخی از فروشگاه‌ها رزین احیاشده را به‌عنوان رزین استفاده‌شده ارائه می‌کنند که یک‌راه شناسایی رزین استفاده‌نشده از رزین احیاء شده، بلند شده رزین با جریان باد است.

با سپاس از اینکه سایت تنگیتو را برای مطالعه این مقاله انتخاب کردید