انعقاد و لخته سازی

یکی از ناخالصی های مهمی که در آبهای سطحی وجود دارد و باید نسبت به حذف آن اقدام نمود، مواد کلوئیدی است. این مواد باید به طریقه مناسب حذف شوند تا آب زلال و با کدورت پایین مطابق استانداردها تحویل مصرف کننده گردد. روش متداول حذف کدورت، رسوب دهی شیمیایی کلوئیدی با استفاده از مواد منعقد کننده است.

به دیگر سخن ذرات لخته شونده در سوسپانسیونهای رقیق که خواص شیمیایی به گونه ای است که به محض تماس با سایر ذرات به آنها می چسبند و یا در هم ادغام شده تشکیل ذرات بزرگتر را می دهند و درنتیجه اندازه، شکل و احتمالاً وزن مخصوصشان پس از هر برخورد تغییر می یابد را نمی توان مانند ذرات مجزا ته نشین کرد، لذا مواد منعقد کننده را به مقادیر لازم و کافی به آب اضافهمی کنند تا ذرات کوچک، سبک و غیر قابل ته نشین، به ذرات بزرگتر و سنگین تر تبدیل شده و به آسانی ته نشین شوند.

مواد غیر قابل ته نشین آب به دو دلیل اساسی در برابر ته نشینی مقاومت می نمایند:

الف) اندازه ذرات

ب) نیروی طبیعی میان ذرات

[gap height=”20″]

جدول ۱

قطر ذرات mm

نوع ذره

زمان لازم برای ته نشینی در عمق ۰/۳ متر

۰/۰۱

گل و لای

۳۳ دقیقه

۰/۰۰۱

باکتریها

۵۵ ساعت

۰/۰۰۰۱

رنگ

۲۳۰ روز

ذراتی مانند گل و لای، میکروبها، ذرات مسبب رنگ و ویروس ها به صورت کلوئیدی در آب وجود دارند. کلوئیدها در مدت زمان معقول و مناسبی ته نشین نمی گردند (جدول ۱). مواد کلوئیدی را نمی توان با چشم غیر مسلح دید ولی مجموع اثرات آنها اغلب به صورت رنگ یا کدورت در آب ظاهر می شوند. ذرات کلوئیدی بقدر کافی کوچک هستند تا از مراحل بعدی تصفیه عبور نمایند، مگر اینکه بوسیله روش انعقاد و لخته سازی از آب جدا شوند.

معمولاً ذرات کلوئیدی دارای بار الکتریکی منفی بوده و یکدیگر را دفع می نمایند. در تصفیه آب، به این نیروی الکتریکی دافع (( پتانسیل زتا )) (Zeta Potential) می گویند. این نیروی طبیعی کافی برای جدا نگهداشتن ذرات کلوئیدی از یکدیگر است و آنها را به صورت معلق در آب نگه می دارد.

نیروی واندر والز (Vander Waals) میان تمام ذرات موجود در طبیعت وجود داشته و دو ذره را به طرف یکدیگر می کشاند. این نیروی جاذب عکس پتانسیل زتا عمل می نماید و تا زمانی که پتانسیل زتا از نیروی واندر والز بزرگتر است، ذرات به صورت معلق در آب باقی خواهند ماند.

فرآیند انعقاد و لخته سازی، نیروی میان ذزات غیر قابل ته نشین را خنثی و یا کاهش می دهد تا نیروی واندر والز ذرات را به طرف یکدیگر بکشد و تشکیل گروه های کوچک ذرات را بدهد. یک گروه کوچک ذرات اگرچه از ذرات کلوئیدی اصلی بزرگتر است ولی با چشم غیر مسلح دیده نشده و هنوز ته نشین نمی شوند. این گروه های کوچک ذرات در اثر تکان دادن ملایم عمل انعقاد و لخته سازی ذرات به یکدیگر چسبیده و گروه های بزرگتر ذرات ژلاتینی شکل و نسبتاً سنگین را تشکیل می دهند که به آسانی ته نشین می گردند.

به طور کلی می توان گفت مکانیسم تجمع ذرات کلوئیدی شامل مراحل زیر است:

  • تقلیل نیروی دافعه و ناپایدار سازی
  • حرکت ذرات ناپایدار و برخورد آنها با هم

در واحدهای تصفیه آب عمل انعقاد شیمیایی معمولاً در اثر افزایش نمکهای فلزی سه ظرفیتی نظیر سولفات آلومینیوم یا کلرید فریک انجام می پذیرد. مکانیسم دقیقی که در اثر آن انعقاد انجام می گیرد کاملاً قابل شناسایی نیست، اما چنین تصور می شود که مکانیسم های اتفاقی به شرح ذیل عبارتند از:

۱- فشردگی لایه یونی: تعداد یونهایی که در اطراف یک کلوئید وجود دارد بر میرایی تابع پتانسیل اثر می گذارد. به طوری که غلظت یونی زیاد منجر به فشردگی لایه های تشکیل یافته از یونهای مخالف به طرف سطح کلوئید می شود. اگر این لایه به اندازه کافی فشرده شود در آن صورت نیروی واندر والز در محیط عمل غالب می شود، به گونه ای که نیروی برآیند جاذبه بوده و هیچ گونه حصار انرژی وجود نخواهد داشت. عملاً فشردگی لایه یونی در طبیعت زمانی اتفاق می افتد که یک نهر کدر به یک اقیانوس می ریزد. در چنین حالتی میزان یون در آب به مقدار زیاد افزایش می یابد و انعقاد همراه با ته نشینی صورت می پذیرد. در نهایت گروه های بزرگ ذرات جامد از تجمع مواد بسیار ری تشکیل می شوند که بدون انعقاد امکان ته نشینی آنها وجود ندارد.

۲- جذب سطحی و خنثی شدن بار: در تئوری جذب سطحی و خنثی شدن بار، ماهیت یونها به جای تعداد حائز اهمیت فوق العاده ای است. هنگامی که مواد منعقد کننده در آب وارد شوند، یونیزه شده و ایجاد کاتیونها را می نمایند. آنیونها ممکن است به شکل اولیه خود باقی بمانند و یا با سایر کاتیونها ترکیب شوند. در هر صورت کاتیونها با آب به فوریت واکنش داده و تعدادی یون آبی فلزی همراه با هیدروژن را بوجود می آورند. مثلاً یونیزاسیون سولفات آلومینیوم در آب ایجاد آنیونهای سولفات و کاتیونهای آلومینیوم را می کند. یونهای سولفات ممکن است به شکل اولیه خود باقی بماند و یا با سایر کاتیونها ترکیب شوند. و لیکن کاتیونهای ۳+Al با آب واکنش داده و تعدادی یون آبی فلزی همراه با هیدروژن بوجود می آورند.

۰۴۰۴۰۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۹۶۸۵۰۸۴۹۹۶

۱۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۲۶۵۴۹۸۵۶۸۰۴۹۸۴۸۴۸

۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۳۰۴۹۸۵۴۶۸۴۰۸۴۹۶۴۶۰۸

۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۴۹۸۰۴۶۵۱۰۵۱۶۳۵۰۱۶۵۱۶

یونهای آبی فلزی که بدین صورت تشکیل می شوند، جزئی از ابر یونی کلوئید را به خود اختصاص می دهند و چون تمایل زیادی برای قرار گرفتن بر سطوح را دارند، جذب سطوح می شوند و در آنجا بار سطحی را خنثی می کنند. وقتی که بار سطحی خنثی شد ابر یونی پخش می شود و پتانسیل الکترواستاتیکی از میان می رود، به نحوی که برخورد ذرات به راحتی امکان پذیر می شود.

۳- انعقاد جاروبی: محصول نهایی تشکیل شده از هیدرولیز سولفات آلومینیوم، هیدروکسید آلومینیوم است. Al(OH)3 تشکیل لخته های ژلاتینی بی شکل می دهد که از آب سنگین تر است و در اثر نیروی وزن خود ته نشین می شوند. با تشکیل لخته، کلوئیدها ممکن است در داخل آن محصور شوند و یا احتمال دارد به سطح چسبنده لخته در حال ته نشین متصل شوند. فرآیندی که در اثر آن کلوئیدها از سوسپانسیون رُفته می شوند، انعقاد جاروبی نامیده می شود.

۴- پل زنی بین ذره ای: به هنگام تجزیه نمکهای آلومینیوم یا فریک ممکن است مولکولهای بزرگی در آب تشکیل شوند، اگرچه احتمال تشکیل مولکولهای بزرگتر نیز وجود دارد. پلیمرهای مصنوعی ممکن است به جای، یا اضافه بر، نمکهای فلزی استفاده شوند. این پلیمرها ممکن است خطی یا شاخه ای باشند و دارای سطح بسیار فعالی هستند. بدین طریق، چند کلوئید ممکن است به یک پلیمر بچسبد و چند گروه پلیمر- کلوئید در دام بیفتد (شکل ۱)، و باعث ایجاد توده قابل ته نشین شوند.

شکل 1 - الگوی شماتیک واکنش های بین ذرات کلوئید و پلی الکترولیت ها
شکل ۱ – الگوی شماتیک واکنش های بین ذرات کلوئید و پلی الکترولیت ها

علاوه بر نیروهای جذب سطحی، بار الکتریکی نیز ممکن است به فرآیند انعفاد کمک کنند. پلیمرهای فلزی ایجاد شده در اثر اضافه کردن نمکهای آلومینیوم یا فریک، دارای بار مثبت هستند، در صورتی که پلیمرهای مصنوعی ممکن است دارای بار مثبت، منفی و یا خنثی باشند. انتخاب صحیح بارهای مناسب، اثر زیادی در بهبود انعقاد دارد.

مواد منعقد کننده بار الکتریکی مثبت دارند که بار منفی ذرات معلق در آب را خنثی کرده و رسوب می دهند. تعداد یون های مثبت بعضی از منعقد کننده ها بیشتر از دیگران است. منعقد کننده های حاوی تعداد یون مثبت بیشتر، راندمان بهتری دارند؛ مثلاً آلومینیوم ۳+Al و آهن ۳+Fe ، هفتصد تا هزار بار از منعقد کننده های یک یونی مثبت مانند +Na و ۵۰ تا ۶۰ مرتبه از منعقد کننده های دو یونی مثبت، مانند ۲+Ca مؤثرتر هستند.

سولفات آلومینیوم (آلوم) Al2(SO4)3 و سولفات فریک Fe2(SO4)2 متداول ترین منعقد کننده های مصرفی در صنعت تصفیه آب هستند که بعد از انحلال در آب یونیزه و یونهای سه ظرفیتی  ۳+Al و ۳+Fe در آب آزاد می شوند.

[gap height=”20″]

جدول ۲ – منعقد کننده های متداول در صنعت تصفیه آب

ردیف

منعقد کننده

فرمول شیمیایی

مقدار منعقد کننده مصرفی برحسب میلی گرم در لیتر آب

ظروف مناسب برای حمل و نقل

۱

سولفات آلومینیوم (آلوم)

Al2(SO4)3

۱۵-۱۰۰

لاستیکی، P.V.C، فولادی

۲

سولفات فریک

Fe2(SO4)3

۱۰-۵۰

سرامیکی، لاستیکی، P.V.C

۳

سولفات فرو (کوپراس)

FeSO4

۵-۲۵

سرامیکی، لاستیکی، P.V.C، فولادی

۴

سولفات مس

CuSO4

۵-۲۰

۵

آلومینات سدیم

NaAlO2

۵-۵۰

آهنی، فولادی، لاستیکی و پلاستیکی

 

قلیائیت آب خام بر عمل سولفات آلومینیوم و سولفات آهن اثر می گذارد. ذرات معلق آب برای تجمع و تشکیل گروه ذرات به عامل هیدروکسیل احتیاج دارند (Fe(OH)3 و Al(OH)3) که از ترکیبات شیمیایی قلیائی باید تأمین گردد. بنابراین اگر قلیائیت آب کافی نباشد، ذرات تجمع نخواهند یافت.

جهت راندمان بهتر در مواقع استفاده از مواد منعقد کننده از کمک منعقد کننده های شیمیایی نیز استفاده می شود. منعقد کننده های کمکی مواد شیمیایی هستند که همراه با منعقد کننده اصلی برای تشکیل ذرات محکم تر، با دوام تر، قابل ته نشین تر، جلوگیری از کاهش حرارت (عمل انعقاد را کند می نماید) و کاهش مقدار ماده منعقد کننده مصرفی به آب اضافه می گردد. یکی دیگر از دلایل مهم مصرف منعقد کننده های کمکی، کاهش مقدار سولفات آلومینیوم است که نهایتاً مقدار لجن تولیدی را کاهش می دهد. چون خشک کردن و دفع لجن سولفات آلومینیوم خیلی مشکل است، از اینرو مصرف منعقد کننده های کمکی مشکلات حمل و نقل و دفع لجن را به طور قابل توجهی کاهش می دهند، بعضی از منعقد کننده های کمکی اصلی به شرح ذیل عبارتند از:

الف) سیلیس فعال: افزایش این ماده باعث افزایش سرعت انعقاد و کاهش مقدار منعقد کننده اصلی مصرفی می شود. همچنین باعث وسیع تر نمودن میدان pH مناسب جهت عمل انعقاد می شود. از همه مهمتر اینکه تجمع ذرات محکم بوده و هنگام ته نشینی یا صاف کردن شکسته نمی شوند و ضمناً به تشکیل ذرات بزرگتر، سنگین تر که سریعتر ته نشین می گردند، کمک می نمایند. معمولاً سیلیس فعال را بعد از منعقد کننده اصلی به آب اضافه می کنند ولی افزایش آن قبل از منعقد کننده اصلی نیز، مخصوصاً به آب با کدورت کمتر در عمل انعقاد مؤثر است.

ب) عوامل وزنی و جاذب: یک عامل وزنی ماده ای است که وقتی به آب اضافه شود ذرات اضافی تشکیل داده و تجمع ذرات را سریع تر می نماید. عوامل وزنی را برای تصفیه آبهای خیلی رنگی، کدر و حاوی مواد معدنی کم بکار می برند. در غیر این صورت اندازه تجمع ذرات در چنین آبهای کوچک بوده و به آهستگی ته نشین می شوند. بنتونیت یک عامل وزنی متداول است و موجب تشکیل ذرات بزرگ و سنگین می شود که موجب ته نشینی سریع می گردند. پودر کربنات کلسیم و پودر سیلیس نیز جزء این گروه محسوب می شوند.

ج) پلی الکترولیت: پلی الکترولیت ها مولکولهای بی نهایت بزرگی هستند که وقتی در آب حل می شوند، یون هایی که بار الکتریکی زیاد دارند، تولید می کنند که به سه دسته تقسیم می شوند:

  1. پلی الکترولیت های کاتیونی: این گروه در آب تولید یون های مثبت می کنند و برای خنثی کردن بار الکتریکی یون های منفی ذرات کلوئیدی در آب بکار می روند.
  2. پلی الکترولیت های آنیونی: این گروه تولید یون های منفی کرده و برای خنثی کردن بار مثبت مواد کلوئیدی موجود در آب مصرف می شوند.
  3. پلی الکترولیت های غیر یونی: این گروه در اثر انحلال در آب تولید یون های مثبت و منفی برابر می نمایند.

[gap height=”50″]

[box]

مشخصات منبع مورد استفاده:

محتوای غیر رایگان!

جهت دسترسی به محتوای این بخش، لطفا وارد محیط کاربری خود شده و عضویت خود را به یکی از سطح مورد نیاز ارتقاء دهید.

 

مخصوص اعضای ویژه

[/box]

شما همچنین ممکن است بپسندید مطالب بیشتر از نویسنده

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.