آب سخت

آب سخت آبی است که حاوی نمك‌هاي معدني از قبيل ترکیبات کربنات‌های هیدروژنی ٬ کلسیم ٬ منیزیم و … است. سختی آب بر دو نوع است: دایمی و موقت.

تغییرات سختی آب
بر حسب آنکه آب در موقع نفوذ در زمین از قشرهای آهکی و منیزیمی و گچی گذشته و یا نگذشته باشد سختی آب کم یا زیاد می‌شود. آبهای نواحی آهکی سختی زیادتری تا آبهای نواحی گرانیتی و یا شنی دارند. سختی آب در عرض سال هم ممکن است تغییر نماید. معمولاً سختی آبها در فصل باران کم و در فصل خشکی زیاد می‌شود. و بعضی مواقع هم در فصول پر باران و مرطوب مثل غار ها ایجاد شود.

فواید آب سخت
آب سخت برای انسان مضر نیست بلکه مفید است و معمولاً شکستگی استخوانهای آنهایی که آب سخت می‌آشامند زودتر بهبودی حاصل می‌کند و بیماری راشیتیسم کمتر در این اشخاص دیده می‌شود.

مضرات آب سخت
علیرغم فواید آب سخت برای بدن سختی بیش از حد آب نیز مضراتی دارد که مهمترین آن تشدید پدیده تولید سنگ کلیه به دلیل رسوب بونهای معلق در کلیه میشود. آب سخت برای رختشویی و مصرف در کارخانجات مناسب نیست. آب سخت موجب از دست دادن

طعم و مزه خوب چایی و قهوه می‌شود. پخته نشدن حبوبات با آب سخت ضرر رساندن به جداره دیگهای بخار و ایجاد قشر آهکی بر روی جداره دیگ خوب کف نکردن صابون و موجب افزایش مصرف صابون مزاحمت در هنگام شستن نسوج و دستها رفع سختی آب در تجارت تعداد زیادی مواد شیمیایی برای رفع سختی آب به فروش می‌رسد که دارای کربنات سدیم هستند.

این مواد را قبل از ورود آب در دیگها سختی آنرا می‌گیرند و یا در دیگ بر اثر افزودن این مواد آهک و گچ را رسوب می‌دهند و دیگر این رسوب محکم به جدار دیگ نمی‌چسبد بطوری که می‌توان آنرا به آسانی پاک نمود.

سختی زدایی
برای برطرف کردن سختی آب ، با جوشاندن کربنات‌های هیدروژنی محلول به کلسیم نامحلول تبدیل شده و تشکیل رسوب می‌دهند. این رسوب در مناطق دارای آب سخت درون کتری‌ها دیده‌می‌شود. سختی دایمی یافت می‌شود.

یکی از اجسام گیرنده سختی آب تری ناتریم فسفات Na۳PO می‌باشد که با اسم آلبرت‌تری بکار می‌رود.
یون کلسیم موجود در آب بر اثر ناتریم فسفات تبدیل به “تری فسفات کلسیم” می‌گردد و رسوب می‌نماید.

اخیرا به مقدار زیاد از صمغ‌های مصنوعی که قادرند تعویض یون کنند برای رفع سختی آب استفاده می‌کنند. صمغ لواتیت در آلمان و آمبرلیت و دووکس در آمریکا استعمال می‌گردد. در صنعت از ستونهای تبادل یونی برای کاهش سختی استفاده می شود

(ستونهای رزینی – آنیونی – کاتیونی )
در پیشرفته ترین تکنولوژی ار فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis)برای کاهش سختی ،EC(هدایت الکتریکی یا شوری ) و TDS (کل جامدات محلول )آب استفاده می شود که فواید بسیاری از جمله مطئن بودن آن و هزینه های جاری بسیار پایین دارد . این فرآیند در ایران به دلیل اینکه اولین بار برای کاهش EC (شوری) آب استفاده شد به آب شیرین کن معروف است .

درجه سختی آب
درجه سختی آب را از روی مقدار کلسیم و منیزیم موجود در آن تعیین می‌کنند. در آلمان اگر آبی ده میلی گرم CaO در یک لیتر داشته باشد می‌گویند درجه سختی آب یک است. در فرانسه اگر آبی در یک لیتر ده میلی گرم کربنات کلسیم یا همسنگ آن کربنات منیزیم داشته باشد می‌گویند که یک درجه سختی دارد. در انگلستان اگر آبی ده میلی گرم کربنات کلسیم و یا همسنگ آن کربنات منیزیم در ۰.۷ لیتر داشته باشد یک درجه سختی دارد.

برای تعیین سریع سختی آب کارخانه شیمیایی واقع در آلمان قرصهایی ساخته است. در یک لوله آزمایش مخصوص و مدرج آب مورد آزمایش را تا خط نشان لوله پر می‌نمایند و به‌وسیله معرفی که همراه بسته قرصهاست رنگ این آب را قرمز می‌کنند و آگاه آنقدر از این قرصها در آن می‌اندازند تا رنگ آب سبز گردد. شماره قرصهای ریخته شده در لوله آزمایش برابر درجه سختی آب می‌باشد. دقت این روش تا نیم درجه است.

شهرهای با آب سخت
قم ، زاهدان ، گرمسار و سمنان از شهرهایی هستند که آب آنها از سختی بالایی برخوردار است. در زاهدان و سمنان سالانه چندین بار باید پوشالهای کولر را به علت اینکه مقدار فراوانی املاح روی آن رسوب کرده است تعویض کرد.

رنگ آمیزی متیلن بلو
۳-دهم گرم متیلن بلو رادر۳۰ میلی لیتر اتیل الکل ۹۵درصد بطور کامل حل نمایید پس از۲۴ساعت این محلول راازکاغذ صافی عبور دهیدتاصاف شود

رنگ آمیزی گرم
روش ساخت کریستال ویوله
۲۰ گرم کریستال ویوله رادر۱۰۰ میلی لیتر اتانول ۹۵ درصد حل کرده بنام محلول A
یک گرم اگزالت آمونیوم رادر۱۰۰ میلی لیتر آب مقطرحل کرده بنام محلول B
محلول A رابه نسبت ۱ به ۱۰ رقیق کرده وبا ۴ برابر محلول B مخلوط کرده صاف می نمایم

روش ساخت لوگول
یک گرم یدکریستال ودوگرم یدورپتاسیم راساییده ومخلوط می کنیم وسپس ۳۰۰ میلی لیتر آب مقطر رابه آرامی به آن اضافه می کنیم
روش ساخت محلول بی رنگ کننده
۲۵۰ میلی لیتر اتانول ۹۵ درصد رابا۲۵۰ میلی لیتر استون ترکیب کرده ودر شیشه های درب دار نگهداری می کنند .
سافرانین (رنگ مخالف)
۲/۵ گرم سافرانین رابا۱۰۰ میلی لیتر اتانول ۹۵ درصد مخلوط کرده ودرشیشه های درب دار نگهداری می کنند .

رنگ آمیزی متیلن بلو:
۱- سطح گسترش رابه مدت ۳تا۴ دقیقه بارنگ بپوشانید سپس لام راباآب بپوشانید .
۲- پس ازخشک شدن لام (در هوایاباکاغذ خشک کن) آنرا بامیکروسکوپ مورد بررسی قرار می دهیم . دراین رنگ آمیزی باکتری به رنگ آبی مشاهدهمی شود .

رنگ آمیزی گرم :THE GRAM STAIN
این روش رنگ آمیزی یکی از مهمترین ومتداولترین روشهای رنگ آمیزی درباکتری شناسی است که اولین بار توسط کریسین گرم ابداع شد . دراین رنگ آمیزی باکتریها بر مبنای رنگ باکتری پس ازرنگ آمیزی به دودسته گرم مثبت وگرم منفی تقسیم می شوند .

رنگ باکتری پس ازرنگ آمیزی به توانایی حفظ رنگ اول وبه عبارتیبه ساختمان دیواره سلولی باکتری بستگی دارد . دررنگ آمیزی گرم باکتریهای گرم مثبت پس ازرنگ آمیزی به رنگ بنفش وباکتری های گرم منفی به رنگ قرمز مشاهده می شود

مکانیسم :
۱- رنگ کریستال ویوله رابه مدت ۳۰تا۴۵ ثانیه برروی گسترش ریخته درنتیجه همه باکتری ها بهرنگ بنفش درخواهد درآمد
۲- پس از شستشو گسترش با آب به مدت ۳۰تا۴۵ ثانیه بالوگل می پوشانند لوگل باکریستال ویوله ترکیب شده وایجاد کمپلکس های بزرگی می نمایید که باعث تثبیت رنگ کریستال ویوله درداخل دیواره سلولی باکتری می شود . پس ازاین مرحله نیزکماکان همه باکتریها به رنگ بنفش مشاهده می شوند .

مرحله رنگ زدایی مهمترین مرحله رنگ آمیزی است دراین مرحله پس از شستشو لام با آب لام به مدت ۱۵ تا۲۰ ثانیه در معرض موادرنگ زدا مانند الکل استون قرار می گیرد سپس با آب مورد شستشو قرار می گیرد .

درباکتریهای گرم منفی که دارای لایه های پپتیدو گلیکان محدود وغشای خارجی غنی از چربی هستند این حلال باعث حذف این لایه ها وغشا می گردد وباکتری رنگ مراحل قبل راازدست می دهد . ولی درباکتریهای گرم مثبت به علت تعداد زیاد لایه های پپتیدوگلیکان وعدم وجود لیپید فراوان در غشا رنگ مرحله قبل ازغشا خارج نمی شود .درنتیجه پس ازاین مرحله باکتریهای گرم منفی بی رنگ ولی باکتریهای گرم مثبت کماکان بنفش باقی خواهند ماند .

۴- در انتها سطح گسترش راباسافرانین یا فوشین (قرمز رنگ) به مدت ۳۰ تا۴۵ ثانیه می پوشانیم سپس باآب شستشو داده و پس از خشک شدن بامیکروسکوپ مورد بررسی قرار میگیرد . دراین مرحله باکتریهای بی رنگ به رنگ قرمز درمی آیند وباکتری های بنفش بدون تغییر رنگ باقی می مانند

عناصر ایجاد کننده سختی آب
صابون عمدتا توسط کلسیم و منیزیم قابل ترسیب است، ولی به غیر از آنها فلزات دیگری نظیر آلومینیوم ، آهن ، منگنز ، استرانسیم و روی نیز در ایجاد سختی آب شرکت می‌کنند، ولی از این نظر که دو عنصر اولی در مقادیر زیاد در آبهای طبیعی وجود دارند، لذا سختی آب بطور عمده بر اساس این دو سنجیده می‌شود. ولی با وجود این ، اگر مقادیر فلزات دیگر قابل توجه باشد، باید آنها را نیز محسوب داشت.

محاسبه سختی آب
مقدار سختی آب ، برحسب اکی‌والانهای کربنات کلسیم آنها محاسبه و بیان می‌شود.
تقسیم بندی سختی آب
سختی آب را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد:
سختی موقت
سختی موقت (Temporary Hardner) را سختی کربناتی (Carbonate Hardner) نیز می‌نامند. این سختی ، مولود بی‌کربنات کلسیم و منیزیم است که عمدتا به کمک حرارت و یا ازدیاد PH کاهش می‌یابد.

سختی دائم
سختی دائم (Permanent Hardner) را سختی غیرکربناتی (Noncarbonate Hardner) نیز می‌نامند. این سختی ، با حرارت دادن قابل حذف نیست.

اهمیت سختی آب
مقدار سختی آب ، علاوه بر اینکه در آبهای صنعتی اهمیت وافر دارد، از نظر بهداشت عمومی نیز اهمیت خاصی دارد. کلسیم که یکی از عوامل سختی آب است، در رشد استخوان و حفظ تعادل بدن دخالت داشته، ولی به همان اندازه ، سولفات کلسیم به علت کمی قابلیت هضم ، ناراحتیهایی در دستگاه هاضمه بوجود می‌آورد.

گاهی توصیه می‌شود که جهت تامین بهداشت و سلامت مصرف کنندگان ، آهک به آب آشامیدنی افزوده شود. بعضی دانشمندان معتقدند، بهتر است کلسیم و منیزیم لازم بدن توسط غذا تامین شود و حتی‌الامکان از آبهای سبک برای شرب استفاده شود. باید توجه داشت که بدن نسبت به سنگینی موجود در آب مورد مصرف خود حساسیت دارد، چنانچه این نوشیدنی تغییر یابد، ممکن است در دستگاه گوارش ایجاد اخلال نماید و این موضوع را به اصطلاح آب به آب شدن می‌گویند.

طبقه بندی آب از نظر سختی
سختی آب (کربنات کلسیم mg/lit) 55 – 5 100 – 56 200 – 101 500 – 201
نوع آب سبک سختی کم متوسط خیلی سخت

در بعضی از طبقه بندیها حداکثر سختی آبهای قابل شرب ، ۳۰۰ میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم تعیین شده است.
املاح محلول در آب و اثرات آنها
املاح موثر در تولید سختی

املاح موثر در سختی عبارتند از:
املاح غیر تاثیر گذار در سختی
املاحی که در تولید سختی موثر نیستند، عبارتند از:

تاثیر قلیائیت در سختی آب
اگر قلیائیت کل آب ، مساوی یا بیشتر از سختی کل باشد، تمام سختی آب به صورت سختی کربناتی خواهد بود. در صورتی که که قلیائیت کل ، کمتر از سختی باشد، سختی کربناتی آب معادل قلیائیت بوده و سختی دائم ، اختلاف بین سختی کل و قلیائیت است.

واحدهای بکار رفته در سختی آب
در صورتی که مقادیر کاتیونهای مختلف برحسب میلی گرم بر لیتر (ppm) در دست باشد، معمولا جهت سهولت ، به کمک فاکتورهایی که از تقسیم وزن مولکولی کربنات کلسیم به وزن اتمی هر یک از عناصر بدست آمده ، کلیه این مقادیر برحسب کربنات کلسیم محاسبه و بیان می‌گردد. سختی آب ، معمولا بر حسب ppm یعنی mg/lit بیان می‌شود. علاوه بر این ، واحدهای آلمانی ، انگلیسی ، فرانسوی ، آمریکایی را نیز در بیان آن بکار می‌برند؛

هر یک از درجات فوق به ترتیب برابر ۱۷٫۹ و ۱۴٫۳ و ۱۰ و ۱۷٫۲ میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم است.
نگاه کلی
روشهای مختلفی برای جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول وجود دارد که یکی از این روشها فرایند تقطیر می‌باشد در روش تقطیر جداکردن اجزاء یک مخلوط ، از روی اختلاف نقطه جوش آنها انجام می‌گیرد. تقطیر در عمل به دو روش زیر انجام می‌گیرد. روش اول شامل تولید بخار از طریق جوشاندن یک مخلوط مایع ، سپس میعان بخار ، بدون اینکه هیچ مایعی مجددا به محفظه تقطیر بازگردد. در نتیجه هیچ مایع برگشتی وجود ندارد.

در روش دوم قسمتی از بخار مایع شده به دستگاه تقطیر باز می‌گردد و به صورتی که این مایع برگشتی در مجاورت بخاری که به طرف مبرد می‌رود قرار می‌گیرد. هر کدام از این روشها می‌توانند پیوسته یا ناپیوسته باشند.

انواع تقطیر
• تقطیر ساده غیر مداوم : در این روش تقطیر ، مخلوط حرارت داده می‌شود تا بحال جوش درآید بخارهایی که تشکیل می‌شود غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده ها) تبدیل به مایع شده ، از سیستم تقطیر خارج می‌گردد. به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد می‌شود، نقطه جوش آن بتدریج بالا می‌رود. به این ترتیب ، هر لحظه از عمل تقطیر ، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر می‌کند.

• تقطیر ساده مداوم : در این روش ، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان ، در گرم کننده گرم می‌شود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون تقطیر ، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج می‌گردد و بعد از عبور از کندانسورها ، به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج می‌شود. قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.

• تقطیر تبخیر آنی (ناگهانی) : وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می‌دهیم، اجزای تشکیل دهنده آن بترتیب که سبکتر هستند، زودتر بخار می‌شود. برعکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع کنیم، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع می‌گردد.

با توجه به این خاصیت ، می‌توانیم نفت خام را به روش دیگری که به آن “تقطیر آنی” گویند، تقطیر نماییم. در این روش ، نفت خام را چنان حرارت می‌دهیم که ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می‌کنیم تا مایع شود. در اینجا ، بخارها به ترتیب سنگینی ، مایع می‌شوند یعنی هرچه سنگین‌تر باشند، زودتر مایع می‌گردند و بدین گونه ، اجزای نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می‌کنیم.

• تقطیر در خلا : با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد، و از طرف دیگر ، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می‌باشد و زودتر تجزیه می‌گردند، لذا برای جداکردن آنها از خلا نسبی استفاده می‌شود. در این صورت مواد دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می‌آیند. در نتیجه ، تقطیر در خلا ، دو فایده دارد: اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است، دوم اینکه مولکولها تجزیه نمی‌شوند.

امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر ، از خلا استفاده می‌شود. یعنی این که: هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام می‌دهند.

• تقطیر به کمک بخار آب : یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد می‌کنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر می‌شوند. این مورد معمولا در زمانی انجام می‌شود که در نقطه جوش آب ، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.

• تقطیر آزئوتروپی : از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده می‌شود، جداسازی مخلوط اولیه ، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی ، آزئوتوپ تشکیل می‌دهد امکان‌پذیر است.

آزئوتروپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل می‌دهد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا می‌کند. اغلب ، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل می‌دهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند. آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.

مثالی از تقطیر آزئوتروپی استفاده از بنزن برای جداسازی کامل اتانول از آب است، که آزئوتروپی با نقطه جوش پایین با ۶/۹۵% وزنی الکل را تشکیل می‌دهد. مخلوط آب- الکل با ۹۵% وزنی الکل به ستون تقطیر آزئوتروپی افزوده می‌شود و جریان جریان غنی از بنزن از قسمت فوقانی وارد می‌شود. محصول ته مانده الکل تقریبا خالص است وبخار بالایی یک آزئوتروپی سه‌گانه است. این بخار مایع شده، به دو فاز تقسیم می‌شود. لایه آلی برگشت داده شده،

لایه آلی به ستون بازیافت بنزن فرستاده می‌شود. همه بنزن و مقدار الکل در بخار بالایی گرفته شده، به ستون اول روانه می‌شوند. جریان انتهایی در ستون سوم تقطیر می‌شود تا آب خالص و مقداری آزئوتروپ دوگانه از آن بدست آید.

• تقطیر استخراجی : جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از طریق تقطیر ساده مشکل است حتی اگر مخلوط ایده آل باشد و به دلیل تشکیل آزئوتروپ ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه می‌شود، جداسازی ممکن می‌شود. جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد،

قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را داشته باشد و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد. جزء کلیدی که به حلال بیشتر شبیه است ضریب فعالیت پایین تری از جزء دیگر محلول دارد، در نتیجه جداسازی بهبود می یابد این فرآیند ، تقطیر استخراجی نام دارد.