رشد روزافزون جمعیت، ارتقا سطح زندگی، توسعه شهرنشینی و توسعه صنایع وکشاورزي از جمله عواملی هستند که افزایش مصرف آب و تولید فاضلاب در اجتماعات را باعث شده و موجب آلودگی محیط زیست می شوند. فرآیندهاي متداول تصفیه آب شامل آشغالگیري، انعقاد، لخته سازي، ته نشینی، صاف سازي و گندزدایی می باشد. انعقاد و لخته سازي از جمله واحدهاي عملیاتی و فرایندي مهم در تصفیه آبهاي سطحی محسوب می شوند. اندازه ذرات کلوئیدي موجود در آب بین ۰٫۰۰۱ تا ۱ میکرون و سرعت ته نشینی طبیعی ذره¬ای با قطر ۰٫۱ میکرون حدود ۳ متر در میلیون سال می باشد و لذا فرآیند تصفیه (زلالسازی) آب بدون استفاده از موادي که سرعت ته نشینی ذرات کلوئیدي را افزایش دهند غیر ممکن به نظر می رسد. بطور کلی مواد ایجاد کننده کدورت شامل خاك رس، سیلت، ویروس، باکتري، اسیدهاي فولویک و هیومیک، مواد معدنی نظیر آزبست، سیلیکات و ذرات رادیواکتیو هستند. کدورت ضمن ایجاد ظاهري نامطلوب، می تواند پناهگاهی براي میکروارگانیسم ها درمقابل گندزدایی باشد. تاریخچه استفاده از مواد منعقدکننده در تصفیه آب به منظور حذف کدورت بسیار طولانی است و به استفاده مصریان از آلوم در ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد برمی گردد. سالها بعد در انگلستان در سال ۱۷۶۷ مردم عادي جهت زلالسازي آبهاي گل آلود از این ماده استفاده نمودند. در سال ۱۸۸۴ نیز اولین امتیاز فرایند انعقاد بوسیله پرکلرید آهن در شرکت نیواورلئان به ثبت رسید. حاصل تحولات یاد شده این بود که عمل انعقادبه عنوان پیش فرآیندي که فیلتراسیون را کامل خواهد کرد شناخته شد.

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.

هدف از عمل کواگولاسیون یا انعقاد

هدف ایجاد ذرات درشت تری در آب است تا حدی که این ذرات بتوانند در واحد های ته نشینی و صافی از آب جدا شوند. زیرا ذرات زیر معلق در آب مانند کلوئید ها به علت باردار بودن سطح ذرات در آب معلق می مانند و باید روشی اتخاذ نمود که بار سطحی ذرات خنثی شد ، ذرات می توانند به یکدیگر نزدیک شده و پس از برخورد به هم بچسبند و تحت نیروی جاذبه رسوب نمایند . فرایند کواگولاسیون دقیقا چنین کاری را انجام می دهند .
به عبارت دیگر کواگولاسیون بار ذرات را خنثی می کند و ذرات پس از این عمل قادر به دفع یکدیگر نیستند . البته همیشه عمل کواگولاسیون همراه با عمل فلوکولاسیون است ، در واقع عمل فلوکولاسیون مکمل عمل کواگولاسیون است.
فلوکولاسیون عملی است که در آن ذرات ریز و معلق و بدون بار ( که پس از عمل کواگولاسیون حاصل شده است ) با کارایی بیشتری به یکدیگر چسبیده و ذرات بزرگ تری را بوجود می آورند ، این ذرات بزرگ را اصطلاحا FLOC می نامند و این عمل را فلوکولاسیون می گویند. البته ذرات پس از عمل فلوکولاسیون بلا فاصله ته نشین می شوند و عمل Sedimentation انجام می گیرد. بنابر این ته نشینی عبارت است از جدا سازی فیزیکی ذرات که در آب پس از کواگولاسیون و فلوکولاسیون انجام گیرد ، فقط ذرات نسبتا درشت رسوب کرده و جدا می شوند .

مکانیسم انعقاد

به طور کلی جریان ته نشینی ذره قابل ته نشینی دارای دو مکانیسم است :
ذره سازی پری کینتیک prekinetic : که در آن پتانسیل – الکتریکی سطحی ذره کاهش یافته و قوه جاذبه ذرات بیشتر شده و به هم می چسبند. برای این کار باید یون های ماده ذره ساز وجود داشته باشد تا عمل انجام گردد.
ذره سازی ارتو کینتیک ortokinetic : که در آن ذره شیمیایی تشکیل شده در حال ته نشینی ذرات دیگر مانند کلوئید ها را به خود گرفته و بزرگتر شده و ته نشین میشوند باید توجه داشت که در مکانیسم اول بار الکتریکی بیشتر موثر است و در مکانیسم دوم اندازه ذرات .
در هر صورت فلوکی که در اثر واکنش های کواگولانت ها در آب ایجاد می شود بسیار سنگین است و به همین جهت بلا فاصله بعد از تشکیل شروع به ته نشینی می کند . در زمان سقوط ، این فلوک ها مواد معلق ناخالص را به خود گرفته و همراه آنان ته نشین می شوند و به تدریج اندازه آنها بزرگتر می گردد . طی این مرحله بعضی از باکتری ها هم همراه این فلوک ها گرفته شده و تعدادشان در آب تقلیل می یابد. سطح فلوک ها به اندازه کافی برای گرفتن ذرات کلوئید و مواد آلی موجود در آب وسیع است .

عوامل موثر بر راندمان انعقاد و لخته سازی

راندمان عمل تشکیل ذرات و ته نشینی آنها بستگی به عوامل مختلف به شرح ذیل دارد:

 مقدار ماده منعقد کننده dosage of coagulant
 نوع ماده منعقد کننده feeding the coagulant
 مخلوط شدن mixing
 میزانpH value pH
 سرعت velocity
 حرارت temperature

مقدار ماده منعقد کننده

میزان کواگولانت باید به اندازه ای باشد که مقدار کدورت آب تا حد ۱۰تا ۲۵ ppm تقلیل باید .

نوع ماده منعقد کننده

معمولا کواگولانت ها به صورت پودر یا محلول مورد استفاده قرار می گیرند که نوع محلول آن بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

اختلاط

کواگولانت ها باید به طرز صحیحی با آب مخلوط شده و محلول یک نواختی را بوجود آورند . د ر آغاز ۳۰ تا ۶۰ ثانیه اختلاط سریع انجام می گیرد. هرچه اختلاط بیشتر باشد انعقاد بهتر و سریعتر انجام خواهد شد. در عمل برای بهتر مخلوط شدن آب و فاضلاب با ماده کواگولانت یک حرکت مارپیچی در آن حین تزریق دارو بوحود می آورند . لازم است همواره از موادی که ارزان تر و راحت تر در دسترس قرار می گیرند استفاده شود.

میزان pH

با در نظر گرفتن کیفیت آب و ماده منعقد کننده باید میزان pH مناسب مشخص گردد. میزان pH باید مرتبا در آزمایش گاه اندازه گیری شود . معمولا برای کم کردن اسیدیته آب به آب آهک و برای کاهش قلیائیت به آن اسید سولقوریک اضافه میشود .

سرعت

به فلوک ها باید اجازه داد که پس از اختلاط سریع به آرامی به طرف پایین سقوط نمایند . زیرا حرکت آرام فلوک ها در نهایت باعث برخورد آن با ذرات دیگر شده و فلاک ها از نظر اندازه بزرگتر می گردند . فرایند کواگولاسیون و فلوکولاسیون شدیدا تحت تاثیر مشخصات فیزیکی آب و ترکیبات و درجه حرارت آن می باشد.

حرارت

آزمایشات زیادی در مورد تاثیر حرارت بر عمل کواگولاسیون انجام شده و ثابت گردیده که وقتی حرارت نزدیک صفر باشد در عمل کواگولاسیون اختلال ایجاد می شود زیرا تمایل ذرات به تشکیل فلوک و ته نشین شدن کاهش یافته و بیشتر آنها از لابه لای ماسه های صافی نفوذ خواهد نمود. ویسکوزیته هم زیاد می شود که شاید مربوط به کاهش سیالیت آب در اثر کم شدن درجه حرارت باشد سرعت فعل و انفعالات شیمیایی نیز در اثر کاهش درجه حرارت کاسته می شود. مقدار تزریق ماده کواگولاسیون در تابستان و زمستان فرق می کند و اصولا مقدار مورد نیاز آن با درجه حرارت نسبت عکس دارد.

انعقاد

ذرات لخته شونده در سوسپانسیون های رقیق که خواص سطحی شان 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 در نتیجه اندازه، شکل و احتمالاً وزن مخصوص شان پس از 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 اضافه می-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 نشینی آب به دو دلیل در برابر ته نشینی مقاومت می نمایند:
• اندازه ذرات
• نیروی طبیعی میان ذرات

پتانسیل زتا (Zeta Potential)

معمولاً ذرات کلوئیدی دارای بار الکتریکی منفی بوده و یکدیگر را دفع می نمایند. در تصفیۀ آب به این نیروی الکتریکی دافع پتانسیل زتا می گویند. این نیروی طبیعی کافی برای جدا نگه داشتن ذرات کلوئیدی از یکدیگر است و آنها را به صورت معلق در آب نگه می دارد.

نیروی واندروالس (Vander Waals)

نیروی واندر والس 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 کند و تا زمانی که پتانسیل زتا از نیروی واندروالس بزرگتر است ذرات به صورت معلق در آب باقی خواهند ماند.
فرآیند انعقاد و لخته سازی، نیروی میان ذرات غیر قابل ته نشینی را خنثی می کند و یا کاهش می دهد تا نیروی واندروالس ذرات را به طرف یکدیگر بکشد و تشکیل گروه¬های کوچک ذرات را بدهد. این گروه¬های کوچک ذرات به یکدیگر چسبیده و گروه های بزرگتر ذرات ژلاتینی شکل و نسبتاً سنگین را تشکیل می دهند که به آسانی ته نشین می شوند.
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 تصفیۀ آب عمل انعقاد شیمیایی معمولا ً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 کاملا ً قابل شناسایی نیست، اما چنین تصور می شود که مکانیسم های اتفاقی به شرح ذیل عبارتند از:
• فشردگی لایه یونی
• جذب سطحی و خنثی شدن بار
• انعقاد جاروبی
• پل زنی بین ذره ای
• خود انعقادی
علاوه بر نیروهای جذب سطحی ،بار الکتریکی نیز ممکن است به فرآیند انعقاد کمک کنند. مواد منعقد کننده بار الکتریکی مثبت دارند که بار منفی ذرات معلق در آب را خنثی کرده و رسوب می دهند.

کواگولانت های متداول

متداول ترین نوع ماده کواگولانت که برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرد نمک های آهن و آلومینیوم است. به طور کلی انواع مواد کواگولانت برای عمل فلوکولاسیون به شرح زیر می باشد:
• سولفات آلومینیوم
• سولفات فرو
• سولفات فریک
• آلومینات سدیم
• کلرور فریک

منعقد کننده های کمکی

منعقد کننده های کمکی موادی 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 مادۀ منعقد کننده مصرفی به آب اضافه می گردد.
کمک منعقد کننده ها:
• کربنات منیزیم یا سدیم
• سیلیس فعال
• آهک
• بنتونیت
• پلی الکترولیت ها مثل نشاسته سلولز و پلی ساکرید ها و….

تعیین میزان ماده منعقد کننده

برای تعیین میزان ماده منعقد کننده از آزمایش جار استفاده می شود. قبل از شروع آزمایش معمولا pH قلیائیت کل ، مواد معلق آب مورد آزمایش را اندازه گیری می کنند.

مراحل انعقاد

مراحل انعقاد شامل:
۱٫ اختلاط سریع (Rapid mixing)
۲٫انعقاد (Coagulation)
۳٫لخته سازی (Flocculation)
۴٫ته نشینی (Sedimentation)
هدف از اختلاط سریع پخش فوری مواد منعقد کننده و کمک منعقد کنندۀ مصرفی در کل آب ورودی به این مرحله است. بعد از فرآیند اختلاط سریع، عمل انعقاد و لخته سازی بایستی صورت پذیرد، چرا که انعقاد و لخته سازی مهمترین فرآیند حذف کلوئیدها هستند. یک سیستم کلوئیدی شامل ذرات جامد به صورت کاملا ً مجزا از هم در یک ماده پراکنده است. این ذرات را فاز پراکنده شده می نامند. بعد از عمل انعقاد ذرات، عملیات لخته سازی یا فلوکاسیون بایستی انجام پذیرد. لخته سازی فرآیند به هم زدن آرام و مداوم آب منعقد شده است تا لخته ها (فلوکها) تشکیل گردند. هدف از کاربرد این واحد اصلاح آب برای تشکیل فلوک و سهولت جداسازی آنها به کمک ته نشینی و صاف سازی می باشد.
راندمان واحد لخته سازی به شدت وابسته به تعداد برخوردهای ذرات ریز منعقد شده در واحد زمان است.
انعقاد و لخته سازي یکی از فرآیندهاي مهم در زمینه حذف رنگ می باشد که به دلیل سهولت در امر بهره¬برداري و کارایی نسبت به سایر روش ها در اولویت قرار می گیرد. این فرآیند شامل اضافه کردن عواملی مانند سولفات آلومینیوم، آلومینات سدیم، سولفات فرو، سولفات فریک و کلرور فریک می باشد که با اضافه کردن به پساب هاي رنگی باعث لخته سازي می شود. هر چند که استفاده از مواد منعقدکننده متداول تجاري باعث حذف رنگ می شود اما به دلیل این که فلوك هاي تشکیل شده از منعقدکننده هاي تجاري ریز و سبک بوده و به مدت زمان ته نشینی طولانی نیازمند می باشند، کارایی بالایی در حذف رنگ ندارند به همین دلیل استفاده از پلیمرها به خاطر ماکروملکول بودن و تشکیل زنجیره طولانی و سنگین بین مواد منعقدکننده و مولکول هاي رنگ باعث بهبود عملکرد حذف رنگ می شود.
پلی آلومینیوم کلراید یا آلومینیوم کلراید هیدراته از لحاظ ترکیبی یک ماکرومولکول معدنی است که منومرهاي آن یک کمپلکس دو هسته اي از آلومینیوم می باشد. این ترکیب در غلظتهاي پایین در محیط آبی تشکیل کمپلکس چند هسته اي داده و همین خاصیت باعث توانایی منحصربه فرد این منعقدکننده در فرایند انعقاد می گردد. این ماده طی واکنش هیدروکسید آلومینیوم با اسید کلریدریک مطابق واکنش زیر تولید می شود.

منعقدکننده

منعقدکننده

بین ۱۲ تا ۱۸ متغیر است. ولی براي فرمولاسیون Z مقدار برابر با ۱۵ است. Z در ۹۵ درصد ترکیبات در مولکولهاي پلی آلومینیوم کلراید، آلومینیوم به صورت پلیمري شامل عوامل هیدروکسید و کلراید و در بعضی انواع آن سولفات و نمک هاي معدنی مانند سدیم،پتاسیم،کلسیم،کلراید و غیره است. برخلاف سولفات آلومینیوم که بخش کوچکی از آن به صورت منومر ظاهر می شود. در مولکول پلی آلومینیوم کلراید بخش عمده آلومینیوم به شکل پلیمرهاي بزرگ آلیگومر از کاتیونهاي Al13 با یونهای ۷+ به صورت مولکول زیر ظاهر می شود:

پلی آلومینیوم کلراید

پلی آلومینیوم کلراید