المقالات
كتاب المجلة
خالد الفضل
عسـر المـاء Water Hardness
عسـر المـاء Water Hardness
04-21-2008 12:36 PM

بقلم : ك/ خالد محمد الفضل
لعله قد يكون شد انتباهك بعض الظواهر في منزلك كتكون بعض الرواسب المعدنية على معدات الطبخ لديك، أو تكون حلقات غير ذائبة من رغوة الصابون soap s***** في حوض حمامك bathtub كل هذا آلا يعني لك بشيء، أو جعلك تعتقد بان هنالك مشكلة في إعدادات مياه المنزل house keeping، فالإجابة على تساؤلاتك هذه في صورتها البسيطة هو وجود عسر بالماء.
وكلمة عسر ماذا تعني؟ ولكي يفسر ذلك يجب التطرق إلى العسر بصورة كاملة، حيث يمكن أن يفسر وجود العسر من طبيعة منشأ المياه نفسها the birth of water حيث يحدث تكدس ac*****ulation للعديد من العناصر الذائبة التي يمر بها مجرى المياه إلى مرحلة ما قبل وصول الماء للصنبور (البسبوس، الحنفية).


حيث يحدث العسر نتيجة لتفاعل ايونات (كتيونات) المعادن الثنائية divalent metal ions مثل الكالسيوم والماغنسيوم والحديد الثنائي والزنك وغيرها مع الايونات السالبة (كتيونات) الموجودة بالماء لتكون ترسبات عن الاستخدامات المنزلية وبعض الصناعات، وعادةً ما تكسب usually acquired المياه هذه الايونات (كتيونات والأنيونات) من ترشيح مياه الأمطار rain water percolates عبر مرورها خلال الصخور rock، ومعظم المياه تحتوي على ايونات الكالسيوم والماغنسيوم بصورة أساسية mainly بالإضافة إلى كميات قليلة trace amount من المعادن الأخرى. وعموماً ما يختلف تكّون عسر الماء من مكانٍ لمكان أخر اعتماداً على الطبيعة الجيولوجية nature of geology التي يمر بها الماء. وفي الغالب الأعم ما يكون عسر الماء بالنسبة للمياه السطحية surface water اقل من عسر الماء للمياه الجوفية ground water على الرغم من وجود كثير من المياه الجوفية اقل عسراً.

في العموم هنالك كتيونات وأنيونات تكون ذات رغبة في الاتحاد مع بعضها البعض مكونة عسر الماء ومثال لذلك ترابط ايونات Ca+2 مع HCO3-، وكتيونات Mg+2 مع أنيونات SO4+2، كتيونات Sr+2 مع أنيونات Cl-، كتيونات Fe+2 مع أنيونات NO3- وأخيراً كتيونات Mn+2 مع أنيونات SiO4-2. إلا أن ايونات الإسترانيوم، الحديد الثنائي والمنجنيز عادة ما يكون وجودها بالماء بتراكيز ضعيفة جداً، لذلك تُهمل تماماً في حسابات عسر الماء وهذا ما يؤكد أن العسر يعتمد أولاً وأخيراً على تراكيز ايونات الكالسيوم والماغنسيوم فقط. كما أن لأيوني الألمونيوم aluminum و الحديد الثلاثي ferric iron يستطيعان أن يؤثرا على العسر إلا أن ذوبانيتهما solubility تعتبر محدودة ومحصورة ضمن حدود pH طبيعة المياه water natural لذلك تركيز ايوناتهما يكون تافه ومهمل negligible. بصورة مختصرة فان ايونات كل من Ca+2, Mg+2, SO4-2, CO3-2 and HCO3- هي الأكثر توفراً abundant في الماء العسر.



عسـر المـاء Water Hardness

هو ذاك الماء الذي يحتوي على زيادة في الأيونات cations ذات أرقام الأكسدة (شحنات كهربائية) الثنائية (+2) ويتمثل ذلك بصورة خاصة في عنصري Ca+2 and Mg+2، ومن الأهمية بمكان أن هذه الايونات في العموم لا تهدد threat بأي خطر على الصحة العامة لكنها تعمل على زيادة التفاعلات في مصدر أو عينة المياه مما يؤدي إلى تكون رواسب معدنية غير ذائبة وعليه فان هذه الترسبات تجعل من الماء العسر ماء غير مناسب unsuitable لبعض الاستخدامات مما يتطلب التفكير في كيفية معالجة هذا المياه والتخلص الجزئي من ايوني الكالسيوم والماغنسيوم، ولما استخدم مصطلح عسر hard كان لا بد أن يشتق اسم لعملية المعالجة يوضح عملية إزالة العسر hard removal ويعطي معني عكس مصطلح عسر hard لذا اشتق مصطلح تطرية softening كدليل على تحول الماء من حالة hard إلى حالةsoft .

حيث يعتبر معرفة تركيز عسر الماء water hardness مهم جداً بالنسبة لشتى حياة أنواع الكائنات الحية الإنسان والنبات والحيوان وبصورة خاصة الأسماك فضلاً عن الإنسان تعتبر درجة تركيز العسر مهمة جداً في التأثير على صحة الأسماك fish health وأيضاً على جودة المياه water quality إلا انه غالباً ما لا يفهم أصحاب مزارع الأسماك والعاملين فيها بأهمية عسر الماء بالنسبة للأسماك مما يجعلهم لا يهتمون بقياس درجة عسر الماء الذي تعيش فيه أسماكهم.

فهذه بعض التأثيرات الناجمة عن العسر على الأسماك:

1. ذات تأثير مباشر على قيمة واستقرار الأس الهيدروجيني (pH).

2. ذات تأثير على العديد من المواد السامة الشائعة كالكروم الثلاثي في صورته الثلاثية التي تعتبر غير سامة إلا في هذه الحالة.

3. ذات تأثير على بعض علاج أمراض الأسماك fish disease treatment.

4. ذات تأثير على fish osmonegulation.

إذا معالجة العسر سوف تفيد كثيراً بالتغير في حيوية الأسماك والمحافظة على صحتها في أحسن صورها. وبالتالي تواد أكثر للأسماك ومن ثم عائد اقتصادي.



أنـواع العسـر Types of hardness

العسر موضوع بسيط إلا أن به قليل من التشويش أو الخلط بين شئن confusing ويرجع سبب هذا الخلط إلى وجود نوعين من العسر هما:

1. العسر الدائم permanent hardness.

2. القاعدية alkalinity. وغالباً ما يشار بها إلى تركيز الكربونات carbonate والذي يسمى بالعسر المؤقت temporary hardness.

وكل من النوعين عاليه يسميان في عالم الكيمياء بالعسر الكلي general or total hardness.



القـاعـدية alkalinity

ترجع القاعدية أساساً في العسر إلى ايونات الكربونات البيكربونات وأيضاً في buffering capacity of the water، وهذه الصيغة من العسر أيضاً تسمى عسر الكربونات أو البيكربونات hardness of carbonate or bicarbonate أو العسر المؤقت temporary hardness ويرجع تسمية هذا النوع من العسر بالعسر المؤقت لإمكانية أزالت أو ترسيب precipitated or removed عناصره من الماء بواسطة تسخين الماء، وهذا ما يقودنا إلى الإجابة على السؤال لماذا هنالك قشور كلسيه (جيرية) lime-scale في الغلايات kettles و showerheads.

ويمكن التخلص من هذا النوع من العسر بصورة بسيطة وسهلة وذلك بمعالجة الماء العسر فيزيائياً بالتسخين حيث يتم طرد expel ثاني أكسيد الكربون CO2 كدليل على تفاعل الكربونات والبيكربونات كما هو موضح في المعادلة أدنـاه:

العسـر الـدائـم permanent hardness

وهذا النوع من العسر يهتم أساساً بقياس ايونات النترات nitrate، الكبريتات sulphates، الكلوريدات chlorides الحديد ferricوغيرها، وهذا الضرب من العسر لا يمكن إزالته فيزيائياً بعملية التسخين كما انه لا يرتبط مع buffering system لكنه يؤثر على قيمة الـ pH في تأثيره العام.

في معظم مصادر المياه عادة ما يتم قياس العسر الكلي والقاعدية بـ (mg/lit.CaCO3) ومن المحتمل أن يكونان (العسر الكلي والقاعدية) متشابهان في القيمة ويرجع سبب التشابه إلى:

1. تغلب (predominate) نسبة الكربونات دوماً.

2. اعتدال كمية العسر الدائم. Usually amount of permanent hardness is fairly small

هنالك ثمة رابط قوي بين كل من عسر الماء و buffering system، وهذا ما يوجب تفسير وتوضيح من أين ينتج كل من العسر و buffering system، حيث ينتج العسر أساساً من ايونات الكالسيوم والماغنسيوم، بينما ينتج الـ buffering system من ايونات الكربونات البيكربونات، وفي الواقع أن كليهما ذو علاقة مغلقة مع الأخر وهذا ناشئ عن حقيقة أن معظم العسر يتكون من كربونات الكالسيوم والماغنسيوم.

كل مصادر المياه الأولية تحتوي على كالسيوم وماغنسيوم بتراكيز مختلفة اعتماداً على نوع المصدر، وهذه الكاتيونات هي ايونات ذات شحنة موجبة ثنائية a+2، وهذا ما يمكنها من الاتحاد مع الايونات ذات الشحنة السالبة ومن أهم هذه الايونات التي يتحد معها الكالسيوم والماغنسيوم هما الكربونات CO-23 والبيكربونات HCO-3 والكبريتات SO-24.

من هنا نستطيع أن نقسم العسر الكلي تقسيم أدق من حيث الاتحاد مع هذه الأنيونات وهو:

1. العسـر الكلـي General Hardness (GH): وهذا يعبر عن قياس الكاتيونات ذات الشحنة الموجبة (+ charge) لكل من الكالسيوم والماغنسيوم.

2. عسر الكربونات Carbonate Hardness (KH): وهذا يشير من اسمه إلى أنيـونات السـالبة (- charge) مثل الكـربونات (carbonate) والبيـكربونـات (bicarbonate) ولا يتم قياس الكبريتات sulfate أو أي أنيون أخر خلاف الكربونات والبيكربونات.

ومن الأهمية بمكان إعادة توضيح ما اشرنا إليه سالفاً أن عسر الكربونات (KH) يحدث بعض اللبس والتشويش confusing بين معنيين في عالم الكيمياء، وذلك لان عسر الكربونات يشير من مسماه إلى العسر الناتج عن الكربونات، إلا انه بالأحرى يعبر عن القاعدية للكربونات والبيكربونات Alkalinity for carbonate and bicarbonate وهي مقدرة المحلول على مقاومة التغيير في قيمة pH عنـدما يتم إضـافة حامض إلى المحلـول (The ability of a solution to resist an pH change with an addition acid)، إلا أن بعض الأنيونات مثل الهيدروكسيدات hydroxide OH- والبورات borates والسيليكات silicates والفوسفات phosphates جميعها تشارك في القاعدية Alkalinity.

على الرغم من أن هذا هو الأصح على الإطلاق إلا إننا إطلاقاً لا نستخدم هذا المصطلح (KH) للتعبير عن القاعدية، حيث يعتبر bicarbonate/carbonate buffering system هو الأشهر على الإطلاق noted و ذو الاستخدام لدي الغالبية العظمى من الكيميائيين و مهندسي المياه للتعبير عن القاعدية.

عادة ما يكون KH و GH مصطلحان مغلقان على بعضهما البعض، إلا أن GH يستطيع أن يعبر عن نفسه فقط، أي لا يتأثر بارتفاع أو انخفاض KH أوالأنيونات والكاتيونات التي تكون موجودة في العينة. فعلى سبيل المثال:

1. الكمية الكبيرة من بيكربونات الصوديوم Sodium bicarbonate NaHCO3 تعمل على رفع قيمة KH إلا أنها في نفس الوقت ليست ذات تأثير على قيمة GH.

2. الكمية الكبيرة من كبريتات الماغنسيوم Magnesium sulfate MgSO4 تستطيع أن تزيد من قيمة GH إلا أنها لا تؤثر في قيمة KH إطلاقاً.

غالباً ما تكون نسبة ايونات الكالسيوم إلى الماغنسيوم في معظم المياه الأولية هي نسبة 3:1 على التتالي ومعظم الأنيونات هي من الكربونات carbonate، لذا فان مستوى كل من GH و KH كثيراً ما تكن متشابه.

مشـاكل المـاء العـسـر problems with hard water

تتكون أو تنتج الترسبات المعدنية بواسطة تلك التفاعلات الأيونية ionic reactions التي تحدث عادةً داخل الماء منتجة مركبات رسوبية ليس لها القدرة على الذوبان إطلاقاً، وعلى سبيل المثال لا للحصر فإننا إذا قمنا بتسخين ماء عسر فان ايونات الكالسيوم الموجبة الثنائية الشحنة Ca+2 سوف تتفاعل مباشرة مع ايونات البيكربونات السالبة الشحنة bicarbonate HCO-3 مكونة أملاح غير ذائبة في الماء تسمى كربونات الكالسيوم calcium carbonate CaCO3 كما في المعادلة التالية:

Ca+2(aq) + 2HCO3(aq) = CaCO3 (s) + H2O + CO2 (g) (1)



هذه الرواسب من كربونات الكالسيوم تكسو الأواني التي تم تسخين الماء العسر بها بطبقة coats غير ذائبة من الرواسب المعدنية mineral deposits، وهذا ما يشاهد على معدات الطبخ cooking dishes، وعند التراكيز الصغيرة فان هذه الترسبات لا تشكل خطر لكنها تثبط frustrating من عملية النظافة، ومن ناحية ثانية اقتصادية بحته فعند نشؤ هذه الرواسب على أدوات الطباخة فإنها تعمل على خفض كفاءة نقل الأواني للحرارة مما يؤدي إلى عدم استواء evenly الطبخ، وكلما كبرت الطبقة كلما بطء استواء الطبخ وبالتالي زيادة في استهلاك الطاقة (الوقود) المستخدمة.

كما أن هنالك تأثير كبير وخطير في مجال الصناعات التي تستخدم فيها السخانات boilers لتسخين الماء، فإذا كان الماء عالي العسر فانه سيكون طبقة كبيرة من الرواسب مما يؤدي إلى زيادة تكلفة نقل الحرارة وبالتالي سيظهر التأثير دراماتيكياً على فاتورة الكهرباء التي تتطلب بذل طاقة زيادة لتتم عملية التسخين ولكي تزيد الطاقة الحرارية يجب استهلاك كمية زيادة من الطاقة الكهربائية فتتأثر بذلك فاتورة الكهرباء مما يشكل عبءً مالياً إضافياً على تكلفة الصناعة.

بالإضافة إلى ذلك furthermore فان طبقة الرواسب سوف تتكدس ac*****ulate بداخل هذه الأدوات appliances مثل: الأنابيب pipes و dish washers. ونسبة لنشؤ هذه الطبقة من الرواسب على الأنابيب فإنها سوف تعمل على إعاقة impeded معدل مرور الماء water flow، ومن هنا يتطلب الأمر تغير كل من الأدوات والأنابيب بصورة مستمرة على العكس إذا كانت المياه المستخدمة لا تحتوي على زيادة في ايونات Mg+2 & Ca+2، أي أن الماء المستخدم ماء يسر وليس عسر.

بعـض الاستـراتيجـيات لتطـرية المـاء العسـر

Some strategies to “soften” hard water

في نظام تشغيل المياه الواسعة كالتي تمد من خلال البلديات يستخدم في عملياتها ما يعرف بـ (lime – soda process) والتي تستخدم لإزالة ايونات الكالسيوم والماغنسيوم الثنائية الشحنة على التتالي Ca+2 و Mg+2 من مصادر المياه، والتفاعلات التي تحدث هي تفاعلات تبادل ايوني ion – exchange والتي تعطي ناتج مترسب غير ذائب في الماء وهذا أساس هذه العملية جملةً وتفصيلاً.

تتم معالجة المياه بإضافة مجموعة من المركبات slaked lime soda ash Na2CO3 وCa(OH)2 ومن ثم يترسب الكالسيوم ككربونات الكالسيوم الغير ذائبة CaCO3** وكذلك يترسب الماغنسيوم في صورة هيدروكسيد الماغنسيوم الغير ذائب Mg(OH)2، ومن ثم يمكن تجميع هذه الأملاح المترسبة من المعالجة عالية، وبالتالي يمكن إزالتها في صورة كتيونات مترسبة من مصدر الماء.

ولكي نلقي نظرة أكثر تفصيلية عن هذه العملية سوف نعتبر ونعتقد أن ترسب ملح هيدروكسيد الماغنسيوم Mg(OH)2، ومن أساسيات الذوبانية solubility guideline ينكشف لنا reveal إن هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 slaked line ذو ذوبانية معتدلة في الماء moderately soluble، إذ يستطيع هذا الملح أن يتفكك في الماء لتعطي كل وحدة من هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 واحد كاتيون من Ca+2 وأنيونين من OH-.

ومن ثم يتفاعل الهيدروكسيد السالب OH- المنحل من التفاعل أعلاه مع ايونات الماغنسيوم الموجبة Mg+2 الموجودة بالماء مكونة ملح Mg(OH)2 غير الذائب الذي يترسب مباشرة بعد تكوينه، وبالنسبة لأيونات الكالسيوم Ca+2 فإنها لا تتأثر مطلقاً بهذا التفاعل وبالتالي لا يتضمن في هذا التفاعل كما يظهر في المعادلة أدناه:


Mg+2(aq) + 2OH—*(aq) = Mg(OH)2 (aq) (2)



في المياه المألوفة household تستخدم طرق نموذجية لعملية التطرية تعرف بـ ion exchange تتكون أجهزة المتبادلات الأيونية من فرشة (طبقة) bed من البلاستيك plastic (polymer) على شكل خرزات beads من الروابط التساهمية covalently bond مع المجموعات الأنيوينة anion groups مثل –COO-، وتتعادل هذه الشحنات لهذه المجموعات الأنيوينة anions بواسطة اتحادها مع كتيونات الصوديوم الأحادية الشحنة Na+ cations وعليه عندما تمر المياه المحتوية على كتيونات Ca+2 و Mg+2 لها قابلية الجذب نحو المجموعات الأنيوينة anion groups اكبر من Na+، ولهذا السبب تستبدل ايونات الصوديوم Na+ في الشكل السبحي beads ومن ثم يمر Na+ ions إلى المياه المطرية وبذلك يكون تم التخلص من ايونات الكالسيوم.

إذن فان عملية التطرية softeners سالفة الذكر والتي يتم فيها إبدال ايونات الكالسيوم والماغنسيوم الثنائية Ca+2 & Mg+2 بايونات الصوديوم تجعل من الماء الناتج ماء مالح غير مرغوب فيه للشرب فقط يمكن استعماله في المغاسل والحمامات laundry and bathing. وذلك لزيادة نسبة الصوديوم فيه.

هنا توجد نقطه مهمة جداً وهي أن الراتنجات السبحية البلاستكية سوف تتغطى بايونات العسر المزالة سالفاً من الماء العسر باستمرار عملية المعالجة، وبالتالي فإنها تفقد القدرة على إزالة العسر من الماء. إذاً لإعادة تنشيطها ومقدرتها على إزالة العسر توجد طريقتين اشتهرتا في هذا المجال وهما:

1. إضافة محلول بحري (شديد الملوحة) brine أو محلول ملحي من sodium chloride لهذه الراتنجات السبحية. وهذا المحلول الملحي يحتوي على نسبة عالية من الصوديوم وبالتالي يحدث إحلال تام مرة أخري لايونات الصوديوم محل ايونات العسر (الكالسيوم والماغنسيوم) من على الراتنجات.

2. طريقة أخرى لإعادة تنشيط هذه الراتنجات والتي تعرف بعملية إعادة التجديد regeneration وذلك تتم بغسل الراتنجات بمياه عزبة freshwater, وبهذه الطريقة يعاد للراتنجات حيويتها لتعود مرة أخرى لإزالة العسر من الماء العسر.



عـلاقة ثـاني أكسـيد الكربـون والأس الهيـدروجيـني و القاعـدية بالكـربونـات

نجد أن كل من ثاني أكسيد الكربون CO2 والأس الهيدروجيني pH والقاعدية Alkalinity بالمعادلات الثلاثة التالية:

CO2 + H2O = H2CO2 (carbonic acid) (1)

H2CO2 = H+ + HCO-3 (bicarbonic acid) (2)

HCO3- = H+ + CO3- (carbonate) (3)

CO2 + H2O = H2CO3 = HCO- + H+ = CO3-2 (solid) + 2H+


س/ كيـف تزيـد الكـربونات في رفـع قيمـة الـ pH، أو مـا هـي الحاجـة إلـى استخـدام تـوازن counterbalancing CO2 لمعالجـة مستـوى الـpH؟

ج/ إذا تمت إضافة NaHCO3 إلى مياه المزارع المائية فان الزيادة في ايونات الكربونات سوف تكون السبب في تغيير مسار المعادلة (2) من اتجاه اليمين إلى اليسار، وهذا ما يؤدي إلى تكوين مزيد من حمض الكربونيك carbonic acid H2CO2 والذي يتم بانتزاع ايون الهيدروجين الموجب H+ وبالتالي ترتفع قيمة الـ PH.

والزيادة في حمض الكربونيك عاليه تعمل على حث drive المعادلة (1) لتغيير اتجاه التفاعل من اليمين إلى اليسار، وهذا ما ينتج عنه CO2 والذي يتبدد خارج المحلول محدثاً توازن عند الـ pH العالية.

ولكي نحافظ على اتزان الـ pH من الزيادة أو النقصان التي قد تحدث في قيمة الـ pH، يجب أن نرجع اتجاه المعادلتين (1)،(2) من اتجاه اليسار إلى اليمين، وهذا ما يتم بإضافة المزيد من CO2 في المزارع المائية.

ولنـا عـودة،،،

ك/ خالد محمد ابراهيم فضل

وشنه لمعدات المياه

إدارة المختبرات وأبحاث البيئة

تعليقات تعليقات : 0 | إهداء إهداء : 1 | زيارات زيارات : 8890 | أضيف في : 04-21-2008 12:36 PM | شارك :


خدمات المحتوى


خالد الفضل
خالد الفضل

تقييم
8.46/10 (228 صوت)