જલપ્રાનુકૂલન (water conditioning)

જલપ્રાનુકૂલન (water conditioning) : પૃષ્ઠજળ (surface water) અને ભૂગર્ભજળ(ground water)ને માનવી તથા ઉદ્યોગો  માટે વપરાશયોગ્ય બનાવવા આપવામાં આવતી માવજત (teratment). કોઈ પણ સંયંત્ર (plant) માટે સ્થળની પસંદગી કરતી વખતે પ્રાપ્ય જળની ગુણવત્તા અને તેનો જથ્થો અગત્યનાં બની રહે છે. અપરિષ્કૃત (raw) જળના મુખ્ય સ્રોતો બે છે : પૃષ્ઠજળ અને ભૂગર્ભજળ. આ પાણીમાં રહેલી અશુદ્ધિઓ સ્થળ અને સ્રોત પ્રમાણે બદલાય છે. જેમકે વરસાદનું પાણી સારું ગણી શકાય જ્યારે કેટલાક ઝરાના પાણીમાં મોટા પ્રમાણમાં ક્ષારો ઓગળેલા હોય છે. આ ક્ષારોમાં સોડિયમ, તેમજ કૅલ્શિયમ અને મૅગ્નેશિયમ તેમના ક્લોરાઇડ, બાયકાર્બોનેટ, સલ્ફેટ અને નાઇટ્રેટ રૂપે રહેલા હોય છે. કેટલીક વાર પાણીમાં ઍલ્યુમિનિયમ, આયર્ન અને સિલિકા પણ સંયોજન રૂપે હોય છે. તે ઉપરાંત પાણીમાં નિલંબિત દ્રવ્ય, કાર્બનિક પદાર્થો, અને રંગો પણ આવેલાં હોય છે. પાણીમાં દ્રાવ્ય વાયુઓમાં કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ, ઑક્સિજન, નાઇટ્રોજન અને હાઇડ્રોજન-સલ્ફાઇડને ગણાવી શકાય. પાણીમાં રહેલા ક્ષારોનું પ્રમાણ ‘ભાગ પ્રતિ દસલાખ’ (part per million, ppm)માં દર્શાવવામાં આવે છે. 1000 ppm કરતાં વધુ ક્ષારો ધરાવતું પાણી વપરાશની ર્દષ્ટિએ ઊતરતી કક્ષાનું ગણાય છે. કૅલ્શિયમ અને મૅગ્નેશિયમ ધરાવતું પાણી સાબુ સાથે અવક્ષેપ અથવા બગરી (scum) આપતું હોવાથી તેવા પાણીને ભારે અથવા કઠિન (hard) પાણી કહે છે. કૅલ્શિયમ અને મૅગ્નેશિયમના બાયકાર્બોનેટો ધરાવતું પાણી અસ્થાયી કઠિન પાણી કહેવાય છે કારણ કે તેને ગરમ કરતાં તેમના અદ્રાવ્ય કાર્બોનેટો અવક્ષિપ્ત થઈ તેટલા અંશે પાણીમાંથી દૂર થાય છે. જ્યારે તેમના ક્લોરાઇડ અને સલ્ફેટવાળું પાણી કાયમી કઠિન પાણી કહેવાય છે. પાણીની કઠિનતા સામાન્ય રીતે કૅલ્શિયમ કાર્બોનેટને લીધે છે તેમ ગણી તેને મિગ્રા./લિ અથવા ppmમાં દર્શાવવામાં આવે છે. આવા પાણીને લીધે બૉઇલરમાં છારી બાઝવી, સાબુ વાપરવા છતાં ફીણ ન થવું (સાબુનો વ્યય) વગેરે પ્રશ્નો ઊભા થતા હોવાથી પાણીને વપરાશમાં લેતાં પહેલાં તેમાંની કઠિનતા કે અશુદ્ધિઓ દૂર કરવી જરૂરી છે. તે માટે જલપ્રાનુકૂલનનો આશરો લેવામાં આવે છે.

પાણી જે ઉપયોગમાં લેવાનું હોય તે પ્રમાણે તેના પ્રાનુકૂલનની પદ્ધતિ પસંદ કરવામાં આવતી હોઈ દરેક ઉદ્યોગ કે વપરાશકાર પોતાને માટે વિશિષ્ટ એવી જલપ્રાનુકૂલન પદ્ધતિ વાપરે છે. દા.ત., ઊંચા દબાણે વરાળ ઉત્પન્ન કરતા બૉઇલરમાં અત્યંત સાવચેતીપૂર્વક શુદ્ધ કરેલ પાણી નિવેશ્યજળ (feedwater) તરીકે વપરાય છે. લૉન્ડ્રીવાળાઓને લગભગ શૂન્ય કઠિનતાવાળું પાણી જોઈએ છે, જેથી કપડાં ઉપર કૅલ્શિયમ કે મૅગ્નેશિયમ-સાબુના અવક્ષેપ જામતા નથી અને કપડું કડક બનતું નથી. રંગ-ઉદ્યોગમાં કૅલ્શિયમ, મૅગ્નેશિયમ કે લોહના ક્ષારો ધરાવતું પાણી બિનજરૂરી અવક્ષેપ ઉત્પન્ન કરે છે.

શુદ્ધીકરણ અને મૃદૂકરણ (softening) એ જલપ્રાનુકૂલનના બે મુખ્ય તબક્કાઓ છે. શુદ્ધીકરણમાં પાણીમાંથી કાર્બનિક દ્રવ્ય અને સૂક્ષ્મ જીવાણુઓને દૂર કરવાની ક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે જ્યારે મૃદૂકરણમાં પાણીમાંની કઠિનતા દૂર કરતી અથવા ઘટાડતી વિધિઓનો સમાવેશ થાય છે. નિર્મલીકરણ (clarification) પણ અગત્યનું હોઈ તેને અવક્ષેપન દ્વારા ઠંડા પાણીના થતા મૃદૂકરણ સાથે જોડી દેવામાં આવે છે. જલપ્રાનુકૂલનની કેટલીક પદ્ધતિઓ નીચે પ્રમાણે છે :

આયન–વિનિમય (ion exchange) : આયન-વિનિમય એ એક એવી રાસાયણિક પ્રક્રિયા છે, જેમાં એક ઘન પદાર્થ(દા. ત., રેઝિન)નાં ગતિશીલ (mobile) જલાન્વિત (hydrated) આયનો દ્રાવણમાંનાં સમાન વીજભારવાળા આયનોનો તુલ્ય પ્રમાણમાં વિનિમય કરે છે. ઘન પદાર્થ મત્સ્ય-જાળ જેવી (fishnetlike) સંરચના ધરાવે છે અને તેમાંનાં ગતિશીલ આયનો આયન-વિનિમયક (ion exchanger) તરીકે ઓળખાતા ઘન આધાત્રી (matrix) સાથે સંકળાયેલા વીજભારિત અથવા સંભાવ્ય વીજભારિત (potentially charged) સમૂહોને તટસ્થ કરે છે. જ્યારે આયન-વિનિમયક સાથે સંકળાયેલ ગતિશીલ ધનાયનો(cations)નો દ્રાવણમાંના ધનાયન સાથે વિનિમય થાય તો તેને ધનાયન વિનિમયની ક્રિયા કહે છે. તેવી જ રીતે આયન વિનિમયકમાંના ધનભારિત સમૂહ સાથે સંબદ્ધ ઋણાયનોનો દ્રાવણમાંનાં ઋણાયનો સાથે વિનિમય થાય તો તેને ઋણાયન-વિનિમય કહે છે. ઊંચી આયન-વિનિમય-ક્ષમતા ધરાવતા રેઝિન પૉલિસ્ટાયરિન-ડાયવિનાઇલબેન્ઝીન (SDVB) ઉપર આધારિત હોય છે. 80 % કરતાં વધુ માત્રામાં આયન-વિનિમય રેઝિન પાણીની માવજત માટે વપરાય છે.

(i) સોડિયમ–કૅટાયન–વિનિમય વિધિ : પાણીના મૃદૂકરણ માટે આ સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી વિધિ છે. તેમાં કઠિન પાણીમાંનાં કૅલ્શિયમ અને મૅગ્નેશિયમ આયનો વિનિમયકમાંનાં રેઝિન R સાથે સંકળાયેલાં સોડિયમ આયનો વડે દૂર થાય છે.

જ્યારે વિનિમયકની ક્ષમતાની મર્યાદા આવી જાય ત્યારે 6થી 8 pH મૂલ્યવાળા સોડિયમ ક્લોરાઇડના દ્રાવણ વડે વિનિમયકનું સોડિયમ રેઝિનમાં પુનરુદભવન (regeneration) કરવામાં આવે છે.

(ii) હાઇડ્રોજન–કૅટાયન–વિનિમય વિધિ : આ પદ્ધતિ સોડિયમ-કૅટાયન વિધિ જેવી જ છે પણ તેમાં વિનિમયશીલ સોડિયમનું સ્થાન હાઇડ્રોજન લે છે. તે કઠિન પાણીમાંનાં બધાં ધનાયનો (કૅટાયનો) દૂર કરી તેમને સ્થાને હાઇડ્રોજન આયનને પાણીમાં ધકેલે છે. દા.ત.,

છેલ્લી માવજત દ્વારા મળતું પાણી ઍસિડમય હોવાથી તેને સીધું તટસ્થ કરવામાં આવે છે અથવા સોડિયમ-ઝિયોલાઇટમાંથી આવેલા પાણી સાથે ભેળવવામાં આવે છે. વપરાયેલા રેઝિનના પુનરુદભવન માટે સામાન્ય રીતે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ વપરાય છે.

જો ઉપરની બે વિધિથી મળતા પાણીને વિખનિજિત જલ(demineralised water)માં ફેરવવું હોય તો તેને એનાયન વિનિમય પદાર્થમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે.

(iii) એનાયન–વિનિમયકો (anion-exchangers) : આ વિનિમયકો બે પ્રકારના હોય છે. પ્રબળ (strongly) બેઝિક અને નિર્બળ (weakly) બેઝિક. બંને પ્રકારના વિનિમયકો પ્રબળ આયનીકરણ પામતા સલ્ફ્યુરિક, હાઇડ્રોક્લોરિક અથવા નાઇટ્રિક ઍસિડને દૂર કરે છે. પણ નિર્બળ આયનીકરણ પામતા સિલિસિક અને કાર્બોનિક ઍસિડને દૂર કરવામાં ફક્ત પ્રબળ બેઝિક એનાયન-વિનિમયકો સક્ષમ છે. જો એનાયન-વિનિમય રેઝિનને R₄NOH વડે દર્શાવવામાં આવે તો,

H₂SO₄ + 2R₄NOH → (R₄N)₂ SO₄ + 2H₂O

(તે જ પ્રમાણે અન્ય ઍસિડ માટે પણ.) આવા રેઝિન ક્ષમતા ગુમાવી બેસે ત્યારે તેમનું પુનરુદભવન કરવા માટે, ઉગ્ર-બેઝિક એનાયનવિનિમયકો માટે કૉસ્ટિક સોડા, જ્યારે નિર્બળ-બેઝિક વિનિમયકો માટે કૉસ્ટિક સોડા, ધોવાનો સોડા અથવા કોઈ વાર એમોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ વપરાય છે.

(R₄N)₂ SO₄ + 2NaOH → 2R₄NOH + Na₂SO₄

(iv) લાઇમ–સોડા વિધિ : આ પદ્ધતિ ઘણા સમયથી વપરાશમાં છે. હાલ તેના બે ભાગ પાડવામાં આવ્યા છે : ઠંડી લાઇમ વિધિ અને ઉષ્ણ લાઇમ-સોડા વિધિ. પ્રથમ પદ્ધતિ મુખ્યત્વે મ્યુનિસિપાલિટી દ્વારા અપાતા પાણીના આંશિક (partial) મૃદૂકરણ માટે વપરાય છે અને તે પ્રમાણમાં સસ્તા ચૂના ઉપર આધારિત છે. ઉષ્ણ-લાઇમ-સોડા વિધિ બૉઇલર નિવેશ્ય જલની માવજત માટે વપરાય છે અને તે પાણીના ઉત્કલનબિંદુએ કાર્યરત હોય છે. ઊંચા તાપમાનને કારણે પ્રક્રિયા ઝડપી બનવા ઉપરાંત સ્કંદન(coagulation) અને અવક્ષેપન (precipitation) સરળ બને છે. તેમજ પાણીમાં ઓગળેલા વાયુઓ દૂર થાય છે. ચૂનો અને (ધોવાનો) સોડા નીચે પ્રમાણે પ્રક્રિયા કરે છે :

(અ) કાર્બોનેટ કઠિનતા માટે

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaCO₃, ↓ + 2 H₂O

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)_{2 →}

MgCO_{3, ↓}  + CaCO₃, ↓ + 2 H₂O

MgCO₃ થોડો દ્રાવ્ય હોવાથી તેને અદ્રાવ્ય Mg(OH)₂માં ફેરવવા ચૂનાનું પ્રમાણ વધુ ઉમેરવું પડે છે.

MgCO₃ + Ca(OH)₂  → Mg(OH)₂ ↓ + CaCO₃ ↓

(બ) અકાર્બોનેટ (noncarbonate) કૅલ્શિયમ/મૅગ્નેશિયમ ક્ષારો માટે :

MgCl₂ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂ , ↓ + CaCl₂

CaCl₂ + Na₂CO_{3 →} CaCO₃ , ↓ + 2NaCl

CaSO₄ + Na2CO₃  → CaCO₃ , ↓ + Na₂SO₄

MgSO₄ + Na₂CO₃ + Ca(OH)_{2 →}

Mg(OH)₂  ↓ + CaCO₃ , ↓ + Na₂SO₄

વિધિને મદદરૂપ થવા સ્કંદક તરીકે ઍલ્યુમિનિયમ કે ફેરિક સલ્ફેટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જોકે હવે કાર્બનિક બહુવિદ્યુતવિભાજ્યો(polyelectrolytes)નો ઉપયોગ વધ્યો છે કારણ કે તેને કારણે પાણીમાં ઍલ્યુમિનિયમ કે આયર્ન દાખલ થતાં નથી.

ફૉસ્ફેટ પ્રાનુકૂલન (phosphate conditioning) : બૉઇલર જળના આંતરિક પ્રાનુકૂલન અથવા શીતલન (cooling) જળ કે પ્રક્રમી જળ(process water)ના પ્રાનુકૂલન માટે આ પદ્ધતિ વપરાય છે. બૉઇલર જળમાં રહી ગયેલા અથવા શીતક(condenser)માં કાણું પડવાને લીધે થોડા પ્રમાણમાં દાખલ થયેલાં કૅલ્શિયમ આયનોને અવક્ષિપ્ત કરવા ટ્રાઇસોડિયમ ફૉસ્ફેટ જેવા ઑર્થોફૉસ્ફેટો તેમજ સોડિયમ હેક્ઝામેટાફૉસ્ફેટ જેવા સંકીર્ણ ક્ષારો બંને બૉઇલરમાં વપરાય છે. જ્યાં બૉઇલર જળ આલ્કલીય બનવાનો સંભવ હોય ત્યાં હેક્ઝામેટાફૉસ્ફેટ ફાયદાકારક છે કારણ કે બૉઇલરમાં તે ઍસિડિક ઑર્થોફૉસ્ફેટમાં ફેરવાય છે. શીતલન અથવા પ્રક્રમી જળમાં તેને ઉમેરવાથી કૅલ્શિયમ કાર્બોનેટની છારી (scale) બાઝતી અટકે છે. ક્ષારણ નિવારવા અને પાણીમાં જતું લોહ ઓછું કરવા પણ તે ઉપયોગી છે.

સિલિકા નિષ્કાસન : હાઇડ્રોજન-કૅટાયન અથવા સોડિયમ ઝિયોલાઇટ વિનિમયક દ્વારા સિલિકા દૂર થતી નથી જ્યારે લાઇમ કે લાઇમ-સોડા વિધિ દ્વારા તે અંશત: દૂર થાય છે. સિલિકા ર્દઢ છારી ઉત્પન્ન કરે તેમ હોઈ વાંધાજનક છે. મૃદુકારક(softener)માં ડોલોમાઇટિક લાઇમ અથવા સક્રિયકૃત (activated) મૅગ્નેશિયા ઉમેરવાથી તે નિવેશ્ય જળમાંથી દૂર થઈ શકે. ફેરિક સ્કંદક દ્વારા તે થોડા પ્રમાણમાં દૂર થાય છે જ્યારે વિખનિજીકરણ દ્વારા પાણીમાંની સિલિકાને સૂક્ષ્મ (trace) માત્રા સુધી ઘટાડી શકાય છે.

વિવાતન (deaeration) : ઔદ્યોગિક બૉઇલરમાં વપરાતા પાણીનું વિવાતન જરૂરી છે. કારણકે પાણીમાં ઓગળેલો ઑક્સિજન ધાતુનું ક્ષારણ કરી શકે છે. ઑક્સિજનને દૂર કરવા વીજધ્રુવ-ધ્રુવીભવન (electrode polarization), કાર્બનિક નિરોધકો (inhibitors) અથવા ક્રોમેટ, સિલિકેટ, ફૉસ્ફેટ અને આલ્કલી જેવા સંરક્ષી (protective) ક્ષારો વાપરી શકાય.

વિખનિજીકરણ (demineralization) અને વિક્ષારીકરણ (desalting) : ઉચ્ચ દબાણવાળાં બૉઇલરનાં પાણીની માવજત માટે તથા જુદા જુદા પ્રક્રમીજળ અને પ્રક્ષાલન જળ (rinse water) માટે વિખનિજીકરણ વિધિનો વિશેષ ઉપયોગ થાય છે. આ માટે હાઇડ્રોજન કૅટાયન વિનિમયક, નિર્બળ એનાયન-વિનિમયક અને તે પછી વિવાયુકારક(વાયુનિષ્કાસક, degasifier)નો ઉપયોગ થાય છે. નિસ્યંદન (distillation) એ પણ પાણીમાંથી બધાં આયનોને દૂર કરવાની એક પદ્ધતિ છે.

દરિયાના પાણી જેવા ક્ષારીય પાણીનું આંશિક (લગભગ 500 ppm અથવા તેથી ઓછી માત્રા સુધી) અથવા સંપૂર્ણ વિખનિજીકરણ કરવા માટે વિક્ષારીકરણ (વિલવણીકરણ, desalinization) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ માટે વીજપારશ્લેષણ (electro-dialysis) અથવા ઉત્ક્રમ પરાસરણ (reverse osmosis) વિધિઓ મુખ્ય છે. જોકે અન્ય પદ્ધતિઓ પણ વાપરી શકાય છે.

હર્ષદરાય રસિકલાલ શાહ

અનુ. જ. દા. તલાટી