بررسی فرآیند لخته سازی یا فلوکولاسیون و انواع منعقدکننده ها

انعقاد و لخته سازی به تجمع مواد معلق برای بهبود جدایی از آب اشاره دارد. تصفیه خانه های آب با افزودن برخی مواد شیمیایی خاص و مخلوط آشفته آب تصفیه شده شیمیایی ، لخته شدن آب خام کارآمد را فراهم می کنند. مواد شیمیایی معمول منعقد کننده و لخته ساز شامل نمک های فلزی سه ظرفیتی (در درجه اول آلومینیوم و آهن) ، پلی آلومینیم کلراید (PACl) و پلیمرهای آلی است.

شفاف سازی شامل حذف مواد معلق و کدورت از آب برای آماده سازی آب برای استفاده یا برای تصفیه بیشتر است. در مرحله شفاف سازی به طور معمول از اختلاف چگالی بین آب و مواد معلق برای جداسازی استفاده می شود. فرآیندهای انعقاد و لخته سازی هر زمان که سرعت ته نشینی طبیعی مواد معلق بسیار آهسته باشد ، قادر به شفاف سازی موثر نیست. علاوه بر شفاف سازی آب ، نرم شدن آهک ، غلیظ شدن لجن و آبگیری به موفقیت برای دستیابی به اصول انعقاد و لخته شدن بستگی دارد.

آب کدر حاوی دو نوع ماده معلق است:

1. مواد جامد قابل حل – ذرات به اندازه کافی بزرگ هستند که به سرعت می توانند ته نشین شوند.

2. مواد جامد پراکنده – ذراتی که به راحتی جمع نمی شوند (همچنین به آنها کلوئید گفته می شود)

جدول زیر نشان می دهد که چگونه اندازه ذرات روی تمایل ته نشینی ذرات در آب راکد تأثیر می گذارد.

تمایل ته نشینی ذرات مختلف در آب راکد
نوع ذراتاندازه ذرات, میلی متراندازه ذرات, میکرومترزمان ته نشینی در یک متر
سنگ ریزه10100001 sec
شن درشت1100010 sec
شن و ماسه0.1100125 sec
ذرات لجن0.0110108 min
باکتری0.0011180 hr
کلوئید0.00010.1755 days

تعلیق ذرات پراکنده توسط بارهای الکتریکی (به طور معمول منفی) بر روی سطح ذرات تثبیت می شود و باعث دفع ذرات همسایه می شود. این عمل از برخورد ذرات باردار برای تشکیل توده های بزرگتر جلوگیری می کند (موسوم به flocs) ، بنابراین جداسازی جامد-مایع دشوار است. انعقاد ، ناپایدار کردن سوسپانسیون ها توسط  نیروهایی است که آنها را از هم دور می کند. این امر به طور کلی با افزودن منعقد کننده های شیمیایی با بار مثبت و استفاده از انرژی اختلاط انجام می شود. به طور کلی نمک های فلزی سه ظرفیتی (آلومینیوم یا آهن) ، آلومینیوم پلیمری یا پلیمرهای آلی به عنوان منعقدکننده  استفاده می شود. در حالی که انعقاد باعث تجمع ذرات می شود ، ممکن است در لخته سازی،  ذرات بزرگتر به نام لخته مورد نیاز باشد. این امر معمولاً با افزودن پلیمرهای آلی با وزن مولکولی بالا ، که به آنها فلوکولانت می گویند ، انجام می شود.

شکل زیر نشان می دهد که چگونه منعقد کننده ها باعث کاهش بارهای الکترواستاتیکی روی سطوح کلوئیدی می شوند و به این ترتیب ذرات کلوئیدی اجازه جمع شدن می گیرند.

لخته سازها به همدانه های کوچک متصل می شوند و باعث ایجاد لکه های بزرگتر با قابلیت ته نشینی می شوند.

در تصفیه فاضلاب ، از انعقاد و لخته سازی به عنوان پیش تصفیه برای حذف مواد معلق قبل از مرحله تصفیه بیولوژیکی که مواد آلی محلول را با تبدیل آنها به دی اکسید کربن (CO2) و مواد قابل تجزیه خارج می کند ، استفاده می شود. این مکانیسم ها که در راکتور بیولوژیکی و همچنین در شفاف کننده ثانویه وجود دارد.

انعقاد

مواد کلوئیدی موجود در آب خام و فاضلاب شامل رس ، سیلیس ، آهن و سایر هیدروکسیدهای فلزات سنگین ، رنگ ، میکروارگانیسم ها و بقایای آلی است. کلوئیدها همچنین ممکن است در فرآیندهای ته نشین سازی مانند نرم شدن آهک تولید شوند. روغن موجود در فاضلاب غالباً کلوئیدی است.

اندازه ذرات در میان طیف گسترده ای از مواد کلوئیدی موجود در آب بسیار متفاوت است. این موضوع درشکل زیر نشان داده شده است. کلوئیدها برای دستیابی به اندازه و سرعت ته نشینی مثر همیشه به انعقاد نیاز دارند ، اما حتی ذرات بزرگتر نیز که واقعاً کلوئیدی نیستند و اگر به آنها زمان کافی داده شود ته نشین می شوند ، ممکن است برای تشکیل ذرات بزرگتر و ته نشین شدن سریعتر به انعقاد نیاز داشته باشند.

شکل بالا اندازه آلودگی های متختلف در سیستم های آبی را نشان می دهد.

انعقاد و لخته شدن به طور معمول بخشی از طراحی سیستم آب است و راه اندازی بدون افزودن مواد شیمیایی عملکرد خوبی نخواهد داشت. تاسیساتی که از اضافه بار هیدرولیکی یا جامدات رنج می برند نیاز به تصفیه شیمیایی دارند تا سیستم بتواند در بارهای بالاتر از حد مجاز کار کند.

تئوری کلوئید

بی ثباتی کلوئید با کاهش بار سطحی ذره انجام می شود. به مواد شیمیایی اضافه شده به آب برای کاهش این نیروهای دافعه ، منعقد کننده گفته می شود. در صورت تأمین انرژی کافی برای اطمینان از برخورد ، ذرات می توانند بهم بچسبند و سنگدانه های ساختاری را تشکیل دهند.

ذرات در حالت تعلیق معمولاً از طریق جذب یون های باردار یا از طریق تفکیک گروه های سطحی ، بار را ایجاد می کنند. قطبیت و میزان بار بستگی به ترکیب مواد و خصوصیات آب دارد. برای بسیاری از مواد اکسید ، H+ یا OH بار را تعیین می کند ، بنابراین بار سطحی به pH وابسته است.

به عنوان مثال ، کلوئیدهای رنگی معمولاً دارای گروه های کربوکسیل یونیزه هستند. وقتی این گروه ها با pH آب معمول 8-5 یونیزه می شوند ، بار منفی به کلوئید می دهند. با این حال ، اگر اسیدی به منظور کاهش pH اضافه شود ، گروه عاملی کربوکسیل پروتونه می شود و دیگر یونیزه نمی شود و همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، به نقطه بار صفر (PZC) می رسد. پایداری این سوسپانسیون کلوئیدی در حال حاضر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است که ممکن است تجمع یابد. به همین دلیل است که حذف رنگ معمولاً در pH پایین (کمتر از 6) نسبت به pH بالا آسان تر است.

لخته سازی یا فلوکولاسیون

اگر جامدات معلق نیروی دفع کمی داشته باشند ، می توان جداسازی مواد جامد و مایع را توسط لخته سازی افزایش داد و باعث ایجاد لخته های قابل حل بزرگ شد. ذرات کلوئیدی باید قبل از لخته شدن از نظر شیمیایی منعقد شوند. علاوه بر خنثی سازی بار ، فعل و انفعالات استریک در اتصال پلیمر به ذرات نقش دارند.

عوامل موثر بر میزان لخته سازی

میزان لخته شدن به فرکانس برخورد و کارایی برخورد بستگی دارد. فرکانس برخورد تعداد تماس ها در واحد حجم در ثانیه است. کارآیی برخورد تعداد برخوردهایی است که منجر به تشکیل لخته می شود.

شدت اختلاط

شدت اختلاط یا شدت ورودی انرژی به طور مستقیم بر تعداد برخوردها تأثیر می گذارد. با این حال ، انرژی بیش از حد باعث از بین بردن کارایی برخورد توسط شکست لخته های تشکیل شده قبلی می شود. در این حالت ، فلاک در حال شکستن است ، نه پلیمر. مطالعات نشان داده است که پلیمر دست نخورده باقی مانده است. 

مقدار جامدات

هرچه مقدار ذرات (کدورت) کمتر باشد ، سرعت لخته شدن به دلیل فقدان برخورد کمتر است. بنابراین زمان مخلوط کردن بیشتری برای محلول هایی که رقیق تر هستند مورد نیاز است.

افزودن لخته

اکثر لخته کننده ها (که بعضاً برای کمک به انعقاد استفاده می شود به عنوان ماده منعقدکننده نامیده می شوند) مواد شیمیایی هستند که اندازه ذرات را با ایجاد پل در بین ذرات می سازند.

لخته سازها و منعقد کننده ها به اشکال زیر هستند:

  • پلیمرهای مصنوعی با وزن مولکولی بالا با پل زدن فلوکولاسیون باعث افزایش تجمع می شوند.
  • پلیمرهای آلی طبیعی عمدتاً نشاسته های اصلاح شده (پلی ساکاریدها) هستند که وزن مولکولی آنها به اندازه پلیمرهای مصنوعی نیست. در بسیاری از موارد ، این محصولات طبیعی به دلیل وزن موکولی بسیار پایین تر ، بیشتر شبیه منعقد کننده ها هستند تا لخته سازها.
  • منعقد کننده ها می توانند محصولات مصنوعی و طبیعی باشند. آنها در اصل 100٪ باردار شده و دارای وزن مولکولی کمتری هستند. وزن مولکولی از حدود 50000 تا 1.5 میلیون است. پلیمرهای با وزن مولکولی بسیار کم (1000- 40000) اغلب به عنوان پراکنده سازها رفتار می کنند تا منعقد کننده. منعقد کننده های غیر آلی مانند آهن و آلومینیوم ذرات هیدروکسید تشکیل می دهند که تشکیل و رشد ذرات را تسهیل می کنند. با این حال ، مصرف بیش از حد هر ماده منعقد کننده می تواند باعث برگشت بار و پخش مجدد ذرات شود.

دما

دما بر کارایی لخته تأثیر می گذارد. آب سردتر چگالی و ویسکوزیته بالاتری دارد که بر اساس میزان نرخ ته نشینی طبق قانون استوکس تأثیر می گذارد. به همین دلایل ، دمای آب سردتر می تواند باعث افزایش مصرف مواد شیمیایی شود. برای تولید کیفیت مطلوب آب و ته نشینی ممکن است نیاز به منعقد کننده و لخته سازهای بیشتری باشد.

مواد شیمیایی منعقد کننده و لخته ساز (کواگولانت و فلوکولانت)

منعقد کننده های معدنی

منعقد کننده های معدنی مورد استفاده در تصفیه آب بیشتر بر اساس نمک های فلزی سه ظرفیتی است. ظرفیت بالایی به فروپاشی لایه دوتایی کمک می کند و رسوب هیدروکسیدهای فلزی باعث تشکیل فلاک های بزرگتر می شود. نمک های فلزی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

نمک هایی که بر اساس آلومینیوم ساخته شده اند ، مانند سولفات آلومینیوم یا آلوم (Al2 (SO4) 3 ، فرم اسیدی) ، پلی آلومینیم کلراید (PACl) و سدیم آلومینات (NaAlO2 ، شکل اولیه)

نمک هایی که بر پایه آهن هستند ، مانند سولفات فریک ، کلرید فریک ، و سولفات آهن این محصولات آهن و آلومینیوم به عنوان منعقد کننده عمل می کنند. آنها هیدرولیز می شوند ، ذرات هیدروکسید فلز ایجاد می کنند ، بنابراین مواد جامد را برای بهبود انعقاد و افزودن وزن جهت ته نشینی اضافه می کنند. نمک های آهن همچنین می توانند برای تهویه لجن برای کاهش دوز لخته و در بعضی موارد آبگیری بهتر در تجهیزات فیلتراسیون استفاده  می شود.

منعقد کننده های آلومینیوم

هنگامی که یک نمک آلومینیوم به آب اضافه می شود ، یک سری واکنش ها با خود آب رخ می دهد ، فرآیندی که به طور گسترده به عنوان هیدرولیز توصیف می شود. یون های آلومینیوم تقریباً بلافاصله پس از افزودن آب و هیدرات به یک سری از انواع هیدراته شده باردار تشکیل می شوند. بسته به pH ، این ترکیبات ممکن است از مثبت در مقادیر pH پایین تر تا منفی در مقادیر pH بازی تر باشند.

آلومینیم سولفات در آب واکنش زیر را می دهد:

یون های آلومینیوم هیدرولیز می شوند و هیدروکسید آلومینیوم را تشکیل می دهند:

مصرف یون های هیدروکسید در آب منجر به کاهش قلیائیت می شود. اگر قلیائیت طبیعی آب برای دوز آلوم ناکافی باشد ، باید باز ی تر شود. در صورت عدم بازی تر شدن، 1 میلی گرم در لیتر آلوم باعث کاهش قلیایی طبیعی 0.50 میلی گرم در لیتر به عنوان CaCO3 می شود ، اما اگر 0.39 میلی گرم در لیتر آهک هیدراته (Ca [OH] 2) اضافه شود می توان قلیائیت را بدون تغییر حفظ کرد.

pH آب تأثیر مستقیم و قابل توجهی بر میزان انعقاد هنگام استفاده از آلوم دارد. علاوه بر pH ، ترکیب شیمیایی آب بر گونه های کمپلکس های آلومینیوم تولید شده تأثیر می گذارد. این ممکن است باعث تغییر در منحنی حلالیت کمپلکس آلومینیوم شود ، یعنی pH که در آن لخته شدن بهینه اتفاق می افتد. محدوده pH مطلوب برای رسوبگذاری مجموعه آلومینیوم تقریبا 5.5-6.5 است.

پلی آلومینیوم کلراید (PACl)

برای غلبه بر تأثیرات منفی نمک های فلزی بر pH ، پلی آلومینیوم کلریدها تولید شدند. این پلیمرهای معدنی در حالیکه فعالیت انعقادی بالا را حفظ می کنند ، اثر pH بسیار کمتری دارند. به حداقل رساندن اثر pH و افزایش فعالیت در اولویت این محصولات است. به طور کلی ، پلی آلومینیم کلرید با عملکرد بالا و حداقل اثر pH در دوز پایین است ، استفاده می شود.

پلی آلومینیم کلراید (پک فاضلابی) Poly Alumminium chloride


کیسه 25 کیلویی
فروش پلی آلومینیم کلراید، جهت کسب اطلاعات بیشتر با دکتر کمیکال تماس بگیرید.

پلی الکترولیت ها

پلی الکترولیت ها مولکول های آلی بزرگتر محلول در آب (پلیمرها) هستند که از بلوک های ساختمانی کوچکی به نام مونومر تشکیل شده اند و در یک زنجیره بلند تکرار می شوند. پلیمرهای آلی بر بسیاری از مشکلات موجود در استفاده از املاح آلوم یا آهن غلبه می کنند. با استفاده از پلیمرهای آلی ، لجن کمتری تولید می شود زیرا مواد جامد اضافه نمی کنند یا از نظر شیمیایی با هیدروکسیدها ترکیب نمی شوند که رسوب ایجاد کنند. پلیمرهای آلی بر pH آب تأثیر نمی گذارند و به طور کلی ، pH برای استفاده موثر از پلیمرها نیازی به تنظیم ندارد.

فروش پلی الکترولیت کاتیونی


کیسه 25 کیلویی
فروش پلی الکترولیت کاتیونی، جهت کسب اطلاعات بیشتر با دکتر کمیکال تماس بگیرید.

پلیمرهای تصفیه آب معمولاً در ساختار خود سایت های یونی دارند که بار یونی به مولکول می دهد. به پلی الکترولیت هایی که بار مثبت دارند پلی الکترولیت کاتیونی گفته می شود و به آن هایی که بار منفی دارند پلی الکترولیت آنیونی هستند. پلی الکترولیت ها همچنین می توانند بدون بار یونی تولید شوند. به اینها پلی الکترولیت های غیر یونی گفته می شود. پلی الکترولیت ها با خنثی کردن بار (انعقاد) یا با پل زدن (لخته شدن) با مواد معلق موجود در آب واکنش می دهند. گره خوردن ذرات جداگانه برای تشکیل رسوب قابل مشاهده ، نامحلول یا لخته شدن، بسته به انتخاب مونومرها و روشهای تولید ، می توان انواع مختلفی از پلی الکترولیت ها را با وزن مولکولی مختلف تهیه کرد. وزن مولکولی معمولاً متناسب با طول زنجیره پلیمری و در نتیجه ویسکوزیته است. با این حال ، با استفاده از پلیمرهای ساختاری ، وزن مولکولی لزوماً مستقیماً به ویسکوزیته مربوط نمی شود. در این پلیمرها ، ساختار سوم ممکن است دارای گرانروی کم محلول باشد در حالی که دارای وزن مولکولی بالایی است.

ماهیت ماده کلوئیدی که باید از آب خارج شود نوع پلی الکترولیت مورد نیاز را تعیین می کند. وزن مولکولی و چگالی بار متفاوت ممکن است مورد نیاز باشد. بعضی از کلوئیدها بهتر است با یکی از محصولاتی ترکیب شوند که هم پلی آلومینیم کلراید و هم پلی الکترولیت را در نسبت های مختلف ترکیب کنند. از این محصولات به طور فزاینده ای در صنعت استفاده می شود.

ماهیت یونی پلی الکترولیت ها تنها یک عامل تعیین کننده عملکرد این مواد به عنوان منعقد کننده و لخته کننده است. فاکتورهای دیگری مانند ماهیت قطبی، پیوندهای غیر یونی در مولکول ، اندازه مولکولی ، هندسه مولکولی و شیمی مونومر نیز سهم بزرگی دارند و ممکن است در بعضی موارد اثرات نوع بار و تراکم بار را تحت الشعاع قرار دهند.

فروش پلی الکترولیت آنیونی


کیسه 25 کیلویی
فروش پلی الکترولیت آنیونی، جهت کسب اطلاعات بیشتر با دکتر کمیکال تماس بگیرید.

پلیمرهای آلی مورد استفاده در تصفیه آب دو نوع عمده دارند: منعقد کننده و لخته کننده.

از منعقد کننده ها به طور کلی برای خنثی سازی بار استفاده می شود ، بنابراین آنها تمایل دارند که مولکول هایی با وزن مولکولی نسبتاً کم با بار مثبت باشند. اگرچه آنها تمایل به پل زدن را نشان می دهند ، اما به خصوص در تولید شاخه های بزرگ موثر نیستند.

پلیمرهای فلوکولانت دارای وزن مولکولی بسیار بالاتری هستند و برای تقویت رشد ذرات ، پل های طولانی را بین فلاک های کوچک فراهم می کنند. لخته سازها کاتیونی ، آنیونی یا غیر یونی هستند. لخته ساز (فلوکولانت) که در هر سیستم بهتر کار می کند فقط از طریق غربالگری آزمایشگاهی و آزمایش داخل گیاه قابل تعیین است. لخته سازهای پلیمری ، برخلاف منعقد کننده ها ، برای خنثی سازی بار استفاده نمی شوند بلکه برای تشکیل لخته و جداسازی آب آزاد انتخاب می شوند. در جدول زیر برخی از خصوصیات منعقدکننده های آلی و لخته سازهای مورد استفاده در تصفیه آب ذکر شده است.

خصوصیات منعقدکننده های آلی و لخته سازهای مورد استفاده در تصفیه آب
شکل و حالت فیزیکیوزن مولکولیدسته بندی
به صورت محلول های آبی50000-150000منعقد کننده های کاتیونی
Polyamines
Polyquaternaries
PolyDADMAC
Epi-DMA
پودر و محلول های امولسیونOver 5000000لخته سازهای کاتیونی
Copolymers of:
Acrylamide and DMAEA
Acrylamide and DADMAC
Mannich amines
پودر و امولسیونOver 5000000لخته سازهای غیر یونی
Polyacrylamides
پودر و امولسیونOver 5000000لخته سازهای آنیونی
Polyacrylates
Copolymers of
acrylamide and acrylate

DADMAC: دی آلیل دی متیل آمونیوم کلرید

Epi: اپی کلرو هیدرین

DMA: دی متیل آمین

DMAEA: دی متیل آمینو اتیل آکریلات

مقالات مرتبط