سختی گیری و رسوب زدایی الکترونیکی

دکتر یوسف سلیم پور

بخش مهندسی الکترونیک و کنترل در حرارت و برودت

شرکت فرا الکتریک

 چکیده 

سختی آب و اثرات ناشی از آن يكي از قدیمی ترین و اساسي ترین مشكلاتي است که صنعت همواره با آن روبرو بوده است. در اثر مجاورت آب سخت با سطوح هموار، لایه ای از املاح ته نشین میشود که  اصطلاحاً به رسوب موسوم است  روشهاي متعددی جهت مقابله با رسوب و اثرات ناشی از آن ابداع شده است که استفاده از روشهای شیمیایی، بکارگیریی فیلترهای مختلف در مسیر آب و روشهای غیر شیمیایی از مهمترین آنها هستند.

يكي از جدید ترین روشهای غیر شیمیایی استفاده از امواج الكترومغناطيسي است. این روش از مزایای قابل توجهی از جمله : سختي گيري آب، حذف رسوب موجود در سیستم، نگهداری آسان، عدم استفاده از مواد شیمیایی، سازگاری با محیط زیست، افزایش بازدهی مبدلهای حرارتی و کاهش انرژی راه بردی سیستم، برخوردار میباشد. در اين تحقیق به اصول کارکردی سختي گيري و رسوب گیری الكترومغناطيسي پرداخته میشود.

  مقدمه

 تقریباً 3000 سال است که  مسئله رسوب و املاح ناخواسته برای انسانها  مشكل ساز بوده است و از بدو یافتن این مشكل در جهت رفع آن معزل کوشیده است، بطوري که اسناد تاریخی خبر از استفاده مصریان از سنگهای کهربایی در مسیر انتقال آب میدهند. در سده گذشته استفاده از مواد مغناطیسی و اثرات آن در حذف رسوب، بعنوان روشی قابل قبول جهت مقابله با سختی آب به کار گرفته شده است.

علی رغم  کیفیت کارکردي مناسب و مزایای فراوان به علت ضعف در تحلیل عملكرد از دیدگاه تئوری های فيزيكي و شیمیایی نفوذ آن در بازارهای تجاری چشمگیر نبوده است. اما در چند سال گذشته با تحقیقات  وسیعی که در سطوح دانشگاهی و مراکز تحقیقاتی انجام شده است روشهای الكترومغناطيسي جایگزین مواد مغناطیسی گذشته شده است. همچنین تئوریهای قابل قبولی نیز ارائه شده که این امر چشم انداز بسيار مناسبی برای این تکنولوژی سودمند ترسیم نموده است.

رسوب و عوامل ایجاد آن

محققین معتقدند که بررسی عوامل موثر در تشكيل رسوب، در یافتن روشهای مقابله با آن بسیار سودمند است. لذا بهتر است رسوب و عوامل ایجاد کننده آن مورد بررسی دقیق قرار گیرد. آنالیز شیمیایی رسوب نشان داده است که عمده ترین مواد تشكيل دهنده آن به ترتیب فراوانی عبارتند از کربنات کلسیم (CaCO­3 ) سولفات کلسیم(CaSO4)، سولفات باریم (BaSO4)،   سلیکا (SiO4)   و آهن (Fe2 C3 , Fe2O4 ) که در این میان نقش کربنات کلسیم بسیار بارز است، به شكلي که ظاهرفیزیکی رسوبات به رنگ کربنات کلسیم نمایان میشود.

يكي از اصلی ترین عوامل وجود املاح فوق در آبهای سخت وجود مقدار فراوان گازکربنیک  در هوا است. با عبور قطرات باران از میان جو  پدیدۀ بارانهای اسیدی رخ میدهد که این روند با صنعتی شدن جوامع بشری رو به افزونی است. با جاری شدن آبهای اسیدی در میان سنگهای معدنی مقدار زیادی از املاح فوق در آنها حل شده و آبهای سخت ر اتشکیل میدهد.

زمانی که آبهای سخت وارد سیستم های صنعتی یا مصارف خانگی میشود در اثر سه عامل مهم، سختی آنها تبدیل به رسوب میشود، این سه عامل عبارتند از دمای آب، اسیدی و یا قلیایی بودن آب و فشار آب. در این میان نقش عامل اول بسیار بارزتر نمایان میشود . شكل(1) اثر این سه عامل را نشان میدهد بطوري که با افزایش دما، حلالیت املاح در آب کاهش پیدا کرده و بصورت رسوب نمایان میشوند که دلیل اصلی آن خارج شدن گاز Co2  از آب با افزایش دمای آن است. همچنین اگر اسیدیته آب کاهش پیدا کند مقدار حلالیت آب کاهش پیدا کرده و املاح رسوب ميانند و در نهایت اگر تغییرات فشار در آب رخ دهد بطوريكه فشار آن از مقدار فشار زیاد به فشار کم تغییر کند بعلت خارج شدن گاز کربنیک حل شده در آب خاصیت اسیدی آب کاهش پیدا کرده در نتیجه رسوب تشكيل میشود.

آنچه در این فرايند شگفت انگیز است رسوب کردن سختی آب به دیواره سطوح در تماس با آن به صورت يكنواخت میباشد که شواهد گواهی از عدم دخالت نیروی جاذبه در این فرایند دارد بنظر میرسد يكي از عوامل موثر در فرایند رسوب گذاری بر دیواره ها  نیروی الكترو استاتيكي بین سطوح فلزی املاح موجود در آب است که این روند توسط مدلهای هلم هولتز، مدل گویا و چاپمن و مدل استرن تحلیل میشود. بنا به مدل هلم هولتز چون سطوح فلزی دیواره ها حاوی الكترونهاي آزاد هستند لذا لایه ای از الكترونها در محل تماس مایع با فلز تشكيل میشود. این لایه فلزی خاصیت جذب یونهای مثبت مانند هیدروژن کلسیم و منیزیم را دارد و در اثر این فرایند يك لایه يكنواخت از یونهای مثبت تشكيل میشود. بنا به تئوری گویا و چاپمن بعلت حرکت ترموديناميكي  یونها در محلول، احتمال حضور یونهای مثبت در کنار سطوح تماس فلزی بیشترین مقدار خواهد بود و هرچه از محل و دیواره دورتر شویم احتمال حضور این یونها کاهش پیدا ميكند. تئوری استرن ترکیبی از دو تئوری پیشین است بدین معنا که ابتدا لایه ای از یونهای مثبت در مجاورت سطوح تشكيل میشود. همچنین تجمعی از یونهای مثبت نیز در اطراف این لایه مشاهده میشود  با گذر از این لایه از تعداد یونهای مثبت نیز کاسته میشود این توزیع یونها زمینه ساز تشكيل رسوب در کنار دیواره به صورت يكنواخت خواهد بود.

ساختار مواد تشكيل دهنده رسوب نشان میدهد که کربنات کلسیم بیشترین فراوانی را دارد و معمولا به دو صورت کلسیت و آرگونیت مشاهده میشود. کلسیت در دماهای پایین تشكيل شده و قدرت چسبندگی کمی دارد و از جرم حجمی کم تري نیز برخوردار است. رسوب حاصل از کلسیت را میتوان به سهولت از بین برد در مقابل آرگونیت در دماهای بالا تشكيل می شود، خاصیت چسبندگی بسیار بالایی دارد و نسبت به کلسیت از جرم حجمی بالاتری برخوردار است  و در مواردی که دمای تشكيل رسوب بالا باشد مانند بويلر ها و مبدلهای حرارتی با دمای بالا، تقریبا 80% مواد تشكيل دهنده از آرگونیت و تنها 20% آن کلسیت است به همین علت در چنین مواردی مشكلات ناشی از رسوب بسیار جدی است. شكل (3) مشخصات فيزيكي کربنات کلسیم  را در حالات کلسیت و آرگونیت نشان میدهد.

اصول سختي گيري الکترونیکی

در این تکنولوژی از امواج الكترومغناطيسي بعنوان مانعی جهت جلوگیری از تشكيل رسوب بر دیواره سطوح حامل آبهای سخت استفاده میشود. انتقال امواج الکترومغناطیسی به داخل لوله های حاوی آبهای سخت از یک سیم پیچ که به دور لوله پیچیده میشود، استفاده میگردد.

شکل (4) اجزای تشكيل دهنده سیستم سختي گير الکترونیکی را نشان میدهد. بنا به قانون آمپر در صورت عبور جریان الکترونیکی از سیم پیچ میدان مغناطیسی متناسب با آن  در سیم پیچ پدیدار میگردد. درصورتيكه مقدار جریان نسبت به زمان تغییر کند بنا به قانون القای فاراده میدان الکتریکی متناسب با تغییرات میدان به دست می آید.

میدان الکتریکی القاء کننده باعث حرکت یونها ی مثبت و منفی نسبت به يكديگر  شده باعث ایجاد ذرات خنثی معلق در آب میگردد با تشکیل این هسته های کوچک پدیدهای به نام اثر دانه برفی رخ میدهد که باعث جذب یونهای معلق دیگر در آب شده و هسته های اولیه رشد پیدا ميكنند.

عکسهای گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونیکی این پدیده را به خوبی نمایان ميكند.

شکل (5 ) بلورهای تشکیل شده پس از عبور میدان الکترومغناطیسی را نشان میدهد . با تشکیل بلورهای خنثی دیگر رسوبی بر روی سطح تشکیل نمیشود . این روش مقابله با رسوب در مصارفی مانند حرارت و برودت و صنایع شستشو و مبدلهای حرارتی بسیار سودمند است و در کاربردهای دیگر مانند صنایع غذایی میتوان بلورهای معلق را با روشهای غیر شیمیایی و به سهولت از آب خارج نمود.

مبانی رسوب زدایی الکترونیکی

اگر روش الکترونیکی را با روشهای معمول در صنعت مقایسه کنیم برتری های فراوانی را مشاهده خواهیم کرد. يكي از مهمترین وجوه تمایز سختی گیری الکترونیکی خاصیت رسوب زدایی آن است که این ویژگی تقریباً منحصر به فرد بوده و در هیچ یک از روشهای معمول چنین پدیده ای مشاهده نمی شود.

با توجه به این ویژگی در صورت استفاده از سختي گير الکترونیکی با گذشت زمان نه تنها رسوب تشکیل نمیشود بلكه رسوب های قبلی نیز به مرور زمان از بین میروند. برای تحلیل عملكرد رسوب زدایی لازم است که ساختار مولكولي آب مورد توجه بیشتر قرار گیرد.

ملكولهاي آب ذراتی دو قطبی هستند اتم اکسیژن با جذب الكترونهاي باند کوالانت خاصیتی منفی پیدا کرده و نقش قطب منفی را بازی میکند در حالی که اتمهای هیدروژن با داشتن هسته مثبت تنها یک الكترون در گردش دارد لذا هنگاميكه الكترون آن در باند کوالانت توسط اتم اکسیژن جذب میشود خاصیت مثبت پیدا کرده و نقش قطب مثبت دو قطبی را بازی میکند. به همین دلیل مولکولهای دو قطبی آب يكديگر را از طرف قطبهای مخالف جذب کرده و تشکیل پیوندهای هیدروژنی یا نیروی واندروالس را میدهند. اشكال سختی آب وابسته به همین پیوند میباشد در فاز بخار این پیوند بسیار ضعیف است در حاليكه در فازهای مایع و جامد این پیوند به ترتیب متوسط و قوی است. هنگاميكه یک نمک در آب حل میشود همین خاصیت دوقطبی بودن باعث تجزیه نمک به یونهای مثبت و منفی و جذب و احاطه آن توسط مولكول آب میشود به این فرایند حل شدن در آب یا هیدراته شدن می گویند هرچه تعداد مولکولهای آزادی که کم تر در پیوند هیدروژنی شرکت کرده باشند بیشتر باشد خاصیت هیدراته شدن بیشتر بوده و حلالیت آب بالاتر میرود. در صورتیکه از سختی گیر الکترونیکی استفاده شود به دو دلیل حلالیت اب افزایش پیدا میکند.

اولاً با تشکیل کریستالهای خنثی فراوانی مولكولهاي آزاد آب بیشتر میشود زیرا مولكولهايي که درگیر فرایند حلالیت یا هیدراته شدن بوده اند، آزاد ميشوند  علت دیگر افزایش درصد مولکولهای آزاد در اثر میدان مغناطیسی متغیر با زمان است. میدان مغناطیسی متغیر با زمان باعث ایجاد  میدان الکتریکی متغیر با زمان و به تبع آن وارد شدن نیرو به مجموعه ای از مولکولهای آب که تشکیل پیوند هیدروژنی داده اند میشود. در صورتیکه فرکانس تحريك با فرکانس رزونانس این هسته های تشکیل شده از مولكول آب برابری کند، پیوند هیدروژنی شكسته شده و درصد ملكولهاي آزاد آب افزایش پیدا میکند. با افزایش فراوانی مولکولهای آزاد آب، خاصیت حلالیت به شدت افزایش پیدا کرده و آب شروع به حل کردن رسوبهای پیشین موجود در دیواره ها میکند، به این ترتیب فرایند رسوب زدایی به مرور زمان تکمیل تر میشود .