فرآیند کواگولاسیون، فلوکولاسیون یا انعقاد
کواگولاسیون، فلوکولاسیون، لخته سازی به معنی جدایش یک محلول است. روش انعقاد در تصفیه فاضلاب تمام واکنش‌هایی را شامل می‌شود که موجب ناپایداری ذرات و تشکیل بزرگ ذرات خواهد شد.
کواگولاسیون
رشد روزافزون جمعیت، ارتقا سطح زندگی، توسعه شهرنشینی و توسعه صنایع و کشاورزی از جمله عواملی هستند که افزایش مصرف آب و تولید فاضلاب در اجتماعات را باعث شده و موجب آلودگی محیط‌زیست می‌شوند. فرایندهای متداول تصفیه آب شامل آشغال‌گیری، انعقاد، لخته‌سازی، ته‌نشینی، صاف‌سازی و گندزدایی است.
انعقاد و لخته‌سازی از جمله واحدهای عملیاتی و فرایندی مهم در تصفیه آب‌های سطحی محسوب می‌شوند. اندازه ذرات کلوئیدی موجود در آب بین ۰٫۰۰۱ تا ۱ میکرون و سرعت ته‌نشینی طبیعی ذره‌ای با قطر ۰٫۱ میکرون حدود ۳ متر در میلیون سال است و لذا فرایند تصفیه (زلال‌سازی) آب بدون استفاده از موادی که سرعت ته‌نشینی ذرات کلوئیدی را افزایش دهند غیرممکن به نظر می‌رسد.
به‌طورکلی مواد ایجادکننده کدورت شامل خاک رس، سیلت، ویروس، باکتری، اسیدهای ولو یک و هیومیک، مواد معدنی نظیر آزبست، سیلیکات و ذرات رادیواکتیو هستند. کدورت ضمن ایجاد ظاهری نامطلوب، می‌تواند پناهگاهی برای میکروارگانیسم‌ها در مقابل گندزدایی باشد.
تاریخچه استفاده از مواد منعقد کننده در تصفیه آب به‌منظور حذف کدورت بسیار طولانی است و به استفاده مصریان از آلویم در ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد برمی‌گردد. سال‌ها بعد در انگلستان در سال ۱۷۶۷ مردم عادی جهت زلال‌سازی آب‌های گل‌آلود از این ماده استفاده نمودند. در سال ۱۸۸۴ نیز اولین امتیاز فرایند انعقاد به‌وسیله پرکلرید آهن در شرکت نیواورلئان به ثبت رسید. حاصل تحولات یاد شده این بود که عمل انعقاد به‌عنوان پیش فرایندی که فیلتراسیون را کامل خواهد کرد شناخته شد.
لخته سازی و انعقاد چیست؟
یکی از ناخالصی‌های 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 مصرف‌کننده گردد. روش متداول حذف کدورت، رسوب‌دهی شیمیایی کلوئیدی با استفاده از مواد منعقد کننده است.
هدف انعقاد چیست
هدف از عمل کواگولاسیون یا انعقاد
هدف ایجاد ذرات درشت‌تری در آب است تاحدی‌که این ذرات بتوانند در واحدهای ته‌نشینی و صافی از آب جدا شوند. زیرا ذرات زیر معلق در آب مانند کلوئیدها به علت باردار بودن سطح ذرات در آب معلق می‌مانند و باید روشی اتخاذ نمود که بار سطحی ذرات خنثی شد، ذرات می‌توانند به یکدیگر نزدیک شده و پس از برخورد به هم بچسبند و تحت نیروی جاذبه رسوب نمایند. فرایند کواگولاسیون دقیقاً چنین کاری را انجام می‌دهند.
به‌عبارت‌دیگر کواگولاسیون بار ذرات را خنثی می‌کند 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 بزرگ‌تری را به وجود می‌آورند، این ذرات بزرگ را اصطلاحاً FLOC می‌نامند و این عمل را فلوکولاسیون می‌گویند. البته ذرات پس از عمل فلوکولاسیون بلافاصله ته‌نشین می‌شوند و عمل Sedimentation انجام می‌گیرد؛ بنابراین ته‌نشینی عبارت است از جداسازی فیزیکی ذرات که در آب پس از کواگولاسیون و فلوکولاسیون انجام گیرد، فقط ذرات نسبتاً درشت رسوب‌کرده و جدا می‌شوند.
مکانیسم انعقاد
به‌طورکلی جریان ته‌نشینی ذره قابل ته‌نشینی دارای دو مکانیسم است:
ذره سازی پری کینتیک prekinetic
در آن پتانسیل – الکتریکی سطحی ذره کاهش‌یافته و قوه جاذبه ذرات بیشتر شده و به هم می‌چسبند. برای این کار باید یون‌های ماده زره‌ساز وجود داشته باشد تا عمل انجام گردد.
ذره سازی ارتو کینتیک ortokinetic
در آن ذره شیمیایی تشکیل شده در حال ته‌نشینی ذرات دیگر مانند کلوئیدها را به خود گرفته و بزرگ‌تر شده و ته‌نشین می‌شوند باید توجه داشت که در مکانیسم اول بار الکتریکی بیشتر مؤثر است و در مکانیسم دوم اندازه ذرات.
درهرصورت فلوکی که در اثر واکنش‌های کواگولانت ها در آب ایجاد می‌شود بسیار سنگین است و به همین جهت بلافاصله بعد از تشکیل شروع به ته‌نشینی می‌کند. در زمان سقوط، این فلوکها مواد معلق ناخالص را به خود گرفته و همراه آنان ته‌نشین می‌شوند و به‌تدریج اندازه آنها بزرگ‌تر می‌گردد. طی این مرحله بعضی از باکتری‌ها هم همراه این فلوکها گرفته شده و تعدادشان در آب تقلیل می‌یابد. سطح فلوکها به‌اندازه کافی برای گرفتن ذرات کلوئید و مواد آلی موجود در آب وسیع است.
انعقاد و لخته سازی در تصفیه فاضلاب
عوامل مؤثر بر راندمان انعقاد و لخته سازی
راندمان عمل تشکیل ذرات و ته‌نشینی آنها بستگی به عوامل مختلف به شرح ذیل دارد:
- مقدار ماده منعقدکننده dosage of coagulant
- نوع ماده منعقدکننده feeding the coagulant
- مخلوط شدن mixing
- میزان pH value pH
- سرعت velocity
- حرارت temperature
مقدار ماده منعقد کننده
میزان کواگولانت باید به‌اندازه‌ای باشد که مقدار کدورت آب تا حد ۱۰ تا ۲۵ ppm تقلیل یابد.
نوع ماده منعقد کننده
معمولاً کواگولانت‌ها به‌صورت پودر یا محلول مورداستفاده قرار می‌گیرند که نوع محلول آن بیشتر مورداستفاده قرار می‌گیرد.
اختلاط
کواگولانت ها باید به طرز صحیحی با آب مخلوط شده و محلول یک‌نواختی را به وجود آورند. در آغاز ۳۰ تا ۶۰ ثانیه اختلاط سریع انجام می‌گیرد. 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 به وجود می‌آورند. لازم است همواره از موادی که ارزان‌تر و راحت‌تر در دسترس قرار می‌گیرند استفاده شود.
میزان PH
با درنظرگرفتن کیفیت آب و ماده منعقدکننده باید میزان pH مناسب مشخص گردد. میزان pH باید مرتباً در آزمایشگاه اندازه‌گیری شود. معمولاً برای کم‌کردن اسیدیته آب به آب آهک و برای کاهش قلیائیت به آن اسید سولفوریک اضافه می‌شود.
سرعت
به فلوکها باید اجازه داد که پس از اختلاط سریع به‌آرامی به‌طرف پایین سقوط نمایند. زیرا حرکت آرام فلوکها در نهایت باعث برخورد آن با ذرات دیگر شده و فلاک‌ها از نظر اندازه بزرگ‌تر می‌گردند. فرایند کواگولاسیون و فلوکولاسیون شدیداً تحت‌تأثیر مشخصات فیزیکی آب و ترکیبات و درجه حرارت آن است.
حرارت
آزمایش‌ها زیادی در مورد تأثیر حرارت بر عمل کواگولاسیون انجام شده و ثابت گردیده که وقتی حرارت نزدیک صفر باشد در عمل کواگولاسیون اختلال ایجاد می‌شود؛ زیرا تمایل ذرات به تشکیل فلوک و ته‌نشین شدن کاهش‌یافته و بیشتر آنها از لابه‌لای ماسه‌های صافی نفوذ خواهد نمود.
ویسکوزیته هم زیاد می‌شود که شاید مربوط به کاهش سیالیت آب در اثر کم‌شدن درجه حرارت باشد سرعت فعل‌وانفعالات شیمیایی نیز در اثر کاهش درجه حرارت کاسته می‌شود. مقدار تزریق ماده کواگولاسیون در تابستان و زمستان فرق می‌کند و اصولاً مقدار موردنیاز آن با درجه حرارت نسبت عکس دارد.
انعقاد
ذرات لخته شونده در سوسپانسیون‌های رقیق که خواص سطحی‌شان به گونه ای است که به محض تماس با سایر ذرات به آنها می‌چسبند و یا در هم ادغام شده تشکیل ذرات بزرگ‌تر را می‌دهند و در نتیجه اندازه، شکل و احتمالاً وزن مخصوص شان پس از برخورد تغییر می یابد را نمی‌توان مانند ذرات مجزا ته نشین کرد، لذا مواد منعقد کننده را به مقادیر لازم و کافی به آب اضافه می‌کنند تا ذرات کوچک، سبک و غیرقابل ته‌نشین، به ذرات بزرگ‌تر و سنگین‌تر تبدیل شده و به آسانی ته‌نشین شوند.
مواد غیرقابل ته‌نشینی آب به دو دلیل در برابر ته‌نشینی مقاومت می‌نمایند:
- اندازه ذرات
- نیروی طبیعی میان ذرات
پتانسیل زتا
پتانسیل زتا (Zeta Potential)
معمولاً ذرات کلوئیدی دارای بار الکتریکی منفی بوده و یکدیگر را دفع می‌نمایند. در تصفیۀ آب به این نیروی الکتریکی دافع پتانسیل زتا می‌گویند. این نیروی طبیعی کافی برای جدا نگه‌داشتن ذرات کلوئیدی از یکدیگر است و آنها را به‌صورت معلق در آب نگه می‌دارد.
نیروی واندروالس (Vander Waals)
نیروی واندروالس میان تمام ذرات موجود در طبیعت وجود داشته و دو ذره را به‌طرف یکدیگر می‌کشاند این نیروی جاذب عکس پتانسیل زتا عمل می‌کند و تا زمانی که پتانسیل زتا از نیروی واندروالس بزرگ‌تر است ذرات به‌صورت معلق در آب باقی خواهند ماند.
فرایند انعقاد و لخته‌سازی، نیروی میان ذرات غیر قابل ته‌نشینی را خنثی می‌کند و یا کاهش می‌دهد تا نیروی واندروالس ذرات را به‌طرف یکدیگر بکشد و تشکیل گروه‌های کوچک ذرات را بدهد. این گروه‌های کوچک ذرات به یکدیگر چسبیده و گروه‌های بزرگ‌تر ذرات ژلاتینی شکل و نسبتاً سنگین را تشکیل می‌دهند که به‌آسانی ته‌نشین می‌شوند.
به‌طورکلی می‌توان گفت مکانیسم تجمع ذرات کلوئیدی شامل مراحل زیر است:
- تقلیل نیروی دافعه و ناپایدارسازی
- حرکت ذرات ناپایدار و برخورد آنها با هم
در واحدهای تصفیۀ آب عمل انعقاد شیمیایی معمولاً در اثر افزایش نمک‌های فلزی سه‌ظرفیتی نظیر آلومینیوم سولفات یا کلرید فریک انجام می‌پذیرد. مکانیسم دقیقی که در اثر آن انعقاد انجام می‌گیرد کاملاً ً قابل‌شناسایی نیست، اما چنین تصور می‌شود که مکانیسم‌های اتفاقی به شرح ذیل عبارت‌اند از:
- فشردگی لایه یونی
- جذب سطحی و خنثی‌شدن بار
- انعقاد جاروبی
- پل‌زنی بین‌ذره‌ای
- خود انعقادی
علاوه بر نیروهای جذب سطحی، بار الکتریکی نیز ممکن است به فرایند انعقاد کمک کنند. مواد منعقد کننده بار الکتریکی مثبت دارند که بار منفی ذرات معلق در آب را خنثی کرده و رسوب می‌دهند.
کواگولانت های متداول
متداول‌ترین نوع ماده کواگولانت که برای تصفیه آب مورداستفاده قرار می‌گیرد نمک‌های آهن و آلومینیوم است. به‌طورکلی انواع مواد کواگولانت برای عمل فلوکولاسیون به شرح زیر است:
- سولفات آلومینیوم
- سولفات فرو
- سولفات فریک
- آلومینات سدیم
- کلرور فریک
منعقدکننده‌های کمکی
منعقدکننده‌های کمکی موادی شیمیایی هستند که همراه با منعقدکننده اصلی برای تشکیل ذرات محکم‌تر، بادوام‌تر، قابل ته‌نشین‌تر، جلوگیری از کاهش حرارت (عمل انعقاد را کند می‌نماید) و کاهش مقدار مادۀ منعقدکننده مصرفی به آب اضافه می‌گردد.
کمک منعقدکننده‌ها:
• کربنات منیزیم یا سدیم
• سیلیس فعال
• آهک
• بنتونیت
• پلی الکترولیت‌ها مثل نشاسته سلولز و پلی ساکارید و….
تعیین میزان ماده منعقد کننده
برای تعیین میزان ماده منعقدکننده از آزمایش جار استفاده می‌شود. قبل از شروع آزمایش معمولاً pH قلیائیت کل ، مواد معلق آب مورد آزمایش را اندازه‌گیری می‌کنند.
مراحل انعقاد و لخته سازی
مراحل انعقاد
- مراحل انعقاد شامل:
- اختلاط سریع (Rapid mixing)
- انعقاد (Coagulation)
- لخته‌سازی (Flocculation)
- ته‌نشینی (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 فرایند اختلاط سریع، عمل انعقاد و لخته‌سازی بایستی صورت پذیرد، چرا که انعقاد و لخته‌سازی مهم‌ترین فرایند حذف کلوئیدها هستند.
یک سیستم کلوئیدی شامل ذرات جامد به‌صورت کاملاً ً مجزا از هم در یک ماده پراکنده است. این ذرات را فاز پراکنده شده می‌نامند. بعد از عمل انعقاد ذرات، عملیات لخته‌سازی یا فلوکاسیون بایستی انجام پذیرد. لخته‌سازی فرایند به‌هم‌زدن آرام و مداوم آب منعقد شده است تا لخته‌ها (فلوکها) تشکیل گردند.
هدف از کاربرد این واحد اصلاح آب برای تشکیل فلوک و سهولت جداسازی آنها به کمک ته‌نشینی صاف‌سازی است. راندمان واحد لخته‌سازی به‌شدت وابسته به تعداد برخوردهای ذرات ریز منعقد شده در واحد زمان است.
انعقاد و لخته‌سازی یکی از فرایندهای مهم در زمینه حذف رنگ می‌باشد که به دلیل سهولت در امر بهره‌برداری و کارایی نسبت به سایر روش‌ها در اولویت قرار می‌گیرد. این فرایند شامل اضافه‌کردن عواملی مانند سولفات آلومینیوم، آلومینات سدیم، سولفات فرو، سولفات فریک و کلرور فریک است که با اضافه‌کردن به پساب‌های رنگی باعث لخته‌سازی می‌شود.
هرچند که استفاده از مواد منعقدکننده متداول تجاری باعث حذف رنگ می‌شود؛ اما به دلیل این که فلوک‌های تشکیل شده از منعقدکننده‌های تجاری ریز و سبک بوده و به مدت‌زمان ته‌نشینی طولانی نیازمند هستند، کارایی بالایی در حذف رنگ ندارند به همین دلیل استفاده از پلیمرها به‌خاطر ماکروملکول بودن و تشکیل زنجیره طولانی و سنگین بین مواد منعقدکننده و مولکول‌های رنگ باعث بهبود عملکرد حذف رنگ می‌شود.
پلی آلومینیوم کلراید یا آلومینیوم کلراید هیدراته از لحاظ ترکیبی یک ماکرومولکول معدنی است که منومرهای آن یک کمپلکس دو هسته‌ای از آلومینیوم است. این ترکیب در غلظت‌های پایین در محیط آبی تشکیل کمپلکس چندهسته‌ای داده و همین خاصیت باعث توانایی منحصربه‌فرد این منعقدکننده در فرایند انعقاد می‌گردد. این ماده طی واکنش هیدروکسید آلومینیوم با اسیدکلریدریک مطابق واکنش زیر تولید می‌شود.
کواگولانت
بین ۱۲ تا ۱۸ متغیر است. ولی برای فرمولاسیون Z مقدار برابر با ۱۵ است. Z در ۹۵ درصد ترکیبات در مولکول‌های پلی آلومینیوم کلراید، آلومینیوم به‌صورت پلیمری شامل عوامل هیدروکسید و کلراید و در بعضی انواع آن سولفات و نمک‌های معدنی مانند سدیم، پتاسیم، کلسیم، کلراید و غیره است. برخلاف سولفات آلومینیوم که بخش کوچکی از آن به‌صورت منومر ظاهر می‌شود. در مولکول پلی آلومینیوم کلراید بخش عمده آلومینیوم به شکل پلیمرهای بزرگ آلیگومر از کاتیون‌های Al13 با یون‌های ۷+ به‌صورت مولکول زیر ظاهر می‌شود:
PAC
فروشگاه مواد شیمیایی دکتر کمیکال تأمین‌کننده انواع مواد منعقد کننده و کمک منعقد کننده می‌باشد. برای تهیه این موادها به بخش خرید کواگولانت مراجعه کنید.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.