ریتکوشیمی

نقش منعقد کننده در تصفیه آب

فرآیند کوگولاسیون و فولوکولاسیون جهت شفاف سازی آب از زمان های قدیم مورد استفاده قرار می گرفته و به ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد زمانیکه مصریان جهت زلال سازی آب رودخانه از پوسته بادام استفاده می کردند، باز می گردد.
امروزه فرآیند کوگولاسیون و فولوکولاسیون جهت کاهش کدورت همواره به عنوان یک مرحله از مراحل تصفیه محسوب می گردد. در فرآیند تصفیه فاضلاب نیز از کوگولاسیون جهت حذف موادی از قبیل فسفر و مواد جامد معلق و … استفاده می شود.
کوگولانت ها جهت تصفیه آب به دو دسته آلی و معدنی تقسیم می شود.
کوگولانت های آلی :
کوگولانت های آلی معمولا جهت جداسازی جامد و مایع و تولید لجن استفاده می شده. فرمولاسیون کوگولانت آلی بر اساس دو ترکیب ذیل می باشد.
پلی آمین ها و پلی دی آلیل دی متیل آمونیوم کلراید(PADMAC): یکی از کوگولانت های آلی پرکاربرد که به صورت کاتیونی و با خنثی سازی بار عمل می کند. کوگولانت های آلی بار منفی کلویید ها را خنثی و یک ترکیب اسفنجی به نام micro flocks تشکیل می دهد.
Melamine formaldehyde and Tannins: این مواد کلویید ها را در آب لخته کرده و مواد آلی مانند روغن و چربی را جذب می کند.
از مزایای کوگولانت آلی می توان به مقدار مصرف کم، مقدار کم تولید لجن، و عدم تاثیر بر روی PH نام برد.
کوگولانت معدنی:
کوگولانت معدنی هم اقتصادی و هم کاربردی برای تصفیه انواع آب و فاضلاب می باشد. کوگولانت های معدنی مشخصا موثر جهت آب خام با کدورت پایین می باشند و اغلب از این نوع آب، زمانیکه کوگولانتهای آلی قادر به تصفیه نیست، استفاده می گردد.
زمانیکه کوگولانت معدنی به آب اضافه می گردد به شکل آهن و آلومینیوم رسوب می کند. این مواد ناخالصی ها را به خود جذب کرده و همانطور که به پایین حرکت می کند آب را تمیز می کند. این پروسه به عنوان مکانیزم sweep-flock یا جاروب فلاک شناخته شده است. با این حال با نشست هیدروکسید فلزی، رسوبات به حجم لجن افزوده شده و باید تصفیه و حذف گردد.
مثال هایی از کوگولانت معدنی:

آلومینیوم سولفات یا زاج سفید (Al۲(SO۴)۳.۱۸H۲O) (آلوم) : یکی از موارد مورد استفاده در تصفیه آب در جهان است. آلوم به صورت مایع تولید می گردد که نوع کریستالی آن بدون آب می باشد.
این ماده با نام آلوم نیز شناخته می شود و بیشتر از مواد دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده در محدوده pH ۵.۵ الی ۷.۵ دارای عملکرد بهینه می باشد. آلومینیوم سولفات با مواد قلیایی موجود در آب تولید آلومینیوم هیدروکسید می کند که خود هسته مرکزی تجمع ذرات است و سبب تولید ذرات درشت تر می شود. در صورت کم بودن قلیائیت آب معمولا از آهک یا سدیم کربنات استفاده می گردد. لازم است این عمل پیش از اضافه کردن آلوم به آب انجام گیرد. واکنش هایی که آلوم با آهک یا سدیم کربنات و یا مواد قلیایی آب می دهد به صورت زیر است:
واکنش با آهک:
Al۲(SO۴)۳ + ۳Ca(OH)۲ → ۲Al(OH)۲ + ۳CaSO۴
واکنش با سدیم کربنات:
Al۲(SO۴)۳ + ۳Na۲CO۳ + ۳H۲O → ۲Al(OH)۳ + ۳Na۲SO۴ + ۳CO۲
واکنش با کلسیم بی کربنات:
Al۲(SO۴)۳ + ۳Ca(HCO۳)۲ → ۲Al(OH)۳ + ۳CaSO۴ +۶CO۲
استفاده از آلوم، سبب بالا بردن سختی آب و تولید گاز کربنیک می شود که عامل خورنده است. در ضمن اگر املاح سدیم و پتاسیم در آب زیاد باشد مواد کلوئیدی به صورت رسوبات ریز تشکیل می شوند.
برای موثر بودن عملکرد آلوم و تنظیم pH باید مقادیر اضافه شده آلوم و مواد قلیایی مناسب باشد. به طور معمول برای اضافه نمودن هر میلی گرم آلوم ۰.۵ میلی گرم سدیم کربنات، ۰.۷ میلی گرم آهک و ۰.۵۴ میلی گرم کلسیم کربنات برای هر لیتر آب، مناسب است.
آلومینیوم کلراید: جایگزین آلوم می باشد که گران تر، سمی و خورنده است.
پلی آلومینیوم کلراید (PAC) و آلومینیوم کلروهیدراته (ACH)
سولفات فریک و فروسولفات: سولفات فریک به صورت معمول استفاده می شود اما فروسولفات در مواردی که عامل کاهنده یا مقدار آهن محلول اضافی نیاز است استفاده می شود.
کوگولانت آهن مشابه کوگولانت آلومینیوم عمل می کند اما قیمت آن بر اساس محل تامین متفاوت است. کلراید فریک: کم هزینه ترین منعقدکننده معدنی که از ضایعات فرآیند ساخت استیل تهیه می شود. با این حال خورنده ترین و خطرناک ترین کوگولانت است و مقدار آن در تجهیزات محدود شده تا با ایمنی بیشتر مورد استفاده قرار گیرد.
ویژگی این ترکیبات ایجاد توده های بزرگ تر نسبت به توده های تولید شده با املاح آلومینیوم است. ترکیبات آهن دار در درجه حرارت های پایین بهتر عمل می کنند و در انجام این فرایند مصرف آهک نیز ضروری است. منعقد کننده های آهن شامل ترکیبات فرو و ترکیبات فریک می باشند.
-فروسولفات یا زاج سبز (FeSO۴.۷H۲O): در استفاده از این ماده مثل مواد منعقد کننده قبلی به آهک نیاز است، زیرا قلیائیت اکثر آب ها برای واکنش با فروسولفات و تولید توده فریک هیدروکسید کافی نیست pH مناسب فرایند در محدوده ۸.۵ الی ۱۱ می باشد. فروسولفات در ابتدا با آهک تولید فروهیدروکسید می کند و سپس توسط اکسیژن محلول در آب اکسیده شده و به فریک هیدروکسید تبدیل می گردد. لذا حضور مقداری اکسیژن در آب برای این واکنش ضروری است که در حد ۰.۰۳ میلی گرم اکسیژن برای هر میلی گرم فروسولفات در هر لیتر آب می باشد.
.فریک سولفات (Fe۲(SO۴)۳.۷H۲O): این ترکیب دارای خاصیت خورندگی می باشد.
ترکیبات فریک نسبت به مواد منعقد کننده دیگر مزایای زیر را دارا می باشند:
-عملکرد در محدوده وسیعی از pH از ۴ الی ۱۱
-حذف طعم، بو و رنگ
-عملکرد سریع تر در ته نشینی، در مقایسه با آلوم به علت سنگین تر بودن توده های تولیدی از هیدروکسید فریک
-حذف منگنز در pH=۹
-حذف هیدروژن سولفاید
فریک سولفات می تواند بدون آهک هم به کار رود و از نظر اقتصادی با صرفه تر از مواد دیگر است.
واکنش های فریک سولفات با مواد قلیایی آب به صورت زیر است:
Fe۲(SO۴)۳ + ۳Ca(HCO۳)۲ → ۲Fe(OH)۳↓ + ۳CaSO۴↓ + ۶CO۲ Fe۲(SO۴)۳
+ ۳Ca(OH)۲ → ۲Fe(OH)۳↓ + ۳CaSO۴↓
فریک هیدرات تولید شده در واکنش های بالا هسته اصلی تشکیل لخته های کلوئیدی می باشد. مخلوط فریک کلرید سولفات، که از اکسیداسیون فروسولفات توسط کلر، به دست می آید یک نوع منعقد کننده فریکی می باشد که در محدوده pH=۴ الی ۱۱ عمل می کند.
۶FeSO۴ + ۳Cl۲ +۹Ca(HCO۳)۲ → ۶Fe(OH)۳ + ۶CaSO۴ + ۳CaCl۲ +۱۸CO۲
-فریک کلرید (FeCl۳.۶H۲O): این ماده دارای خاصیت خورندگی است و به دلیل فاسد شدن در برابر هوا و رطوبت نگهداری آن دشوار است.
واکنش هایی که این ماده با کلسیم بی کربنات و کلسیم هیدروکسید می دهد به صورت زیر است:
۲FeCl۳ + ۳Ca(HCO۳)۲ → ۲Fe(OH)۳ + ۳CaCl۲ + ۶CO۲ ۲FeCl۳
+ ۳Ca(OH)۲ → ۲Fe(OH)۳ + ۳CaCl۲
با وجود محدودیتی که برای این ماده مطرح است ولی به علت مزایای آن در اغلب موارد، استفاده از آن بر آلوم ترجیح داده می شود. این مزایا عبارتند از:
قدرت ایجاد لخته های بزرگ تر و سنگین تر.
کارایی در آب های سرد.
عملکرد در محدوده مناسب (محدوده pH آب های آشامیدنی بین ۵ الی ۷.۵)
قیمت مناسب.
مقدار کمتر ماده مورد نیاز در مقایسه با دیگر منعقد کننده ها به دلیل انعقاد سازی زیاد.
با توجه به اینکه آلومینیوم در آب ها خطر بیماری زایی را دارا می باشد، مصرف فریک کلرید ترجیح داده می شود. البته فریک کلرید در آب هایی که دی اکسید کربن زیادی دارند باعث تاخیر در ته نشینی می شود و نیز در آب هایی که مواد آلی زیاد دارند تولید کمپلکس محلول رنگی آهن می کند که هر دو مشکل با افزودن کلر قبل یا هم زمان با کلراید آهنIII حل می شود.
زمان اختلاط مواد منعقد کننده
با بیش از حد مخلوط کردن (over-mixing) عمل لخته سازی را تحت تاثیر قرار نمیگیرد اما عمل اختلاط ناکافی این مرحله را می تواند ناقص باقی بگذارد. زمان تماس مناسب کواگولانت در محفظه اختلاط معمولا بین ۱ تا ۳ دقیقه می باشد.
سرعت اختلاط مواد منعقد کننده
به منظور منعقد شدن مناسب و شکل گیری میکروفلوک ها نیازمند داشتن سرعت مناسب مخلوط کردن و انرژی بالا منعقد کننده ها می باشیم.
تعیین دوز مواد منعقد کننده – آزمایش جارتست
جهت تعیین میزان ماده منعقد کننده یا کواگولانت لازم و همچنین PH بهینه برای عمل انعقاد ، از آزمایش جار استفاده می‌شود. در این آزمایش مواد منعقد کننده گوناگون با دوز های مختلف و در pH های گوناگون به آب یا فاضلاب اضافه شده تا بهترین ماده منعقد کننده ، بهترین دوز تزریق و همچنین بهترین pH تعیین شود

ریتکوشیمی