بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروری بر مقایسه استفاده از انواع منعقدکننده های طبیعی و شیمیایی در فرآیند تصفیه آب و فاضلاب
چکیده
از آن جایی که یکی از پرهزینـه تـرین بخـش هـا در عملیـات تصـفیه آب، بخـش انعقـاد و لختـه سـازی اسـت، لـذا یـافتن مـواد و روش هـایی کـه حـداقل هزینـه را در برداشـته باشـند اهمیـت بسـزایی دارد. در حـال حاضـر سـولفات آلومینیـوم و کلریـد فریک از جملـه رایـج تـرین منعقدکننـده هـای مـورد اسـتفاده در تصـفیه آب مـی باشـند .ضـعف درمـدیریت اسـتفاده از آلـوم در تصفیه آب باعـث بـاقی مانـدن مقـداری آلومنیـوم در آب تصـفیه شـده مـی گـردد .ایـن آلومنیـوم خطـر ابـتلاء بـه بیمـاری آلزایمـر را در بیمـاران دیـالیزی افـزایش مـی دهـد ایـن درحـالی اسـت کـه اسـتفاده از مـواد طبیعـی درفراینـد انعقـاد ایـن عوارض را نـدارد.بر ایـن اسـاس در سـالهای اخیـر اسـتفاده از مـواد منعقدکننـده طبیعـی رو بـه افـزایش اسـت.اینگونـه منعقـد کننـده هـا قابـل تجزیـه بیولـوژیکی هسـتند وبـاقی مانـده آنهـا در آب ، عوارضـی را در بـدن مصـرف کننـده ایجـاد نمـی کنـد، بنــابر ایــن از نظــر بهداشــتی بــر پلیمرهــای مصــنوعی ارجحیــت دارنــد. مطالعــه حاضــر بــا هــدف بررســی کــارایی انــواع منعقدکننــده هــای طبیعــی و شــیمیایی در فرآینــد تصــفیه آب و فاضــلاب انجــام شــد.نتایج حاصــل از ایــن تحقیــق نشــان داد کــه بــه دلیــل برخــی عــدم قطعیــت هــا در مــورد ســمیت، ســرطان زایــی و جهــش زایــی پلیمرهــای ســینیتیک بــرای بشــر ، پلیمرهــای طبیعــی کــه مــی تواننــد از انــواع خاصــی از گیاهــان و جــانوران و ســنگ هــای معــدنی اســتخراج شــوند جــایگزین هایی قابل اعمال برای پلی الکترولیت های سینیتیک هستند.
کلمات کلیدی : منعقدکننده طبیعی، پلیمرهای سینیتیک، تصفیه آب و فاضلاب
-1مقدمه
آبی که به صورت طبیعی یا توسط انسـان آلـوده شـده اسـت بـرای تبـدیل بـه آب آشـامیدنی بایـد فرآینـدهای مختلـف تصـفیه را طـی نمایـد .فرآینـدهای متـداول تصـفیه آب شـامل آشـغالگیری، انعقـاد، لختـه سـازی، تـه نشـینی، صـافی سـازی و گندزدایی مـی باشـد .انعقـاد فرآینـدی اسـت کـه طـی آن ذرات ریـز غیـر قابـل تـه نشـینی کـهاصـطلاحاً کلوئیـد نامیـده مـی شـوند وعامـل مهمـی در بـروز کـدورت هسـتند بـه یکـدیگر چسـبیده و ذرات درشـت تـر و قابـل تـه نشـین را تشـکیل مـی دهند .اندازه ذرات ناخالصـی در آب مـی توانـد از چنـد آنگسـتروم (مـواد محلـول) تـا چنـد سـانتیمتر(مـواد معلـق) باشـد .هـر چه ذرات معلق در آب ریزتـر باشـند بـرای حـذف آنهـا احتیـاج بـه روشـها و دسـتگاه هـای پیچیـده تـری اسـت.اگر اجـازه داده شود که ذرات به طور طبیعی ته نشین شوند ممکـن اسـت کـه چنـدین مـاه و حتـی سـال تـه نشـینی بـه طـول بیانجامـد .بـه طـور مثـال اگـر انـدازه ذرات 0.0001 میلیمتـر باشـد(ذرات کلوییـدی)755روز بـرای تـه نشـینی فرصـت لازم اسـت و بایـد توجـه داشـت کـه از نظـر مهندسـی زمـان بـیش از چنـد سـاعت بـرای جداسـازی قابـل قبـول نیسـت.لذا فرآینـد تصـفیه(زلال سـازی) آب بـدون اسـتفاده از مـوادی کـه سـرعت تـه نشـینی ذرات کلوئیـدی را افـزایش دهنـد غیـرممکن بـه نظرمیرسـد
.بطـور کلـی مـواد ایجـاد کننـده کـدورت شـامل خـاک رس، سـیلت، ویـروس، بـاکتری، اسـیدهای فولویـک هیومیـک، مـواد معـدنی نظیرآزبسـت، سـیلیکات و ذرات رادیواکتیـو هسـتند .کـدورت ضـمن ایجـاد ظـاهری نـامطلوب، مـی توانـد پناهگـاهی برای میکروارگانیسم ها در مقابـل گنـدزدایی باشـد، ضـمن آنکـه کـدورت بـیش از حـد مجـاز میتوانـد وجـود نقـص در سیسـتم تصفیه را نشان دهد(دانشور،.(1383
تاریخچه استفاده از مـواد منعقدکننـده در تصـفیه آب بـه منظـور حـذف کـدورت بسـیار طـولانی اسـت و بـه اسـتفاده مصـریان از آلـوم در 2000 سـال قبـل از مـیلاد بـر مـی گـردد .سـالها بعـد در انگلسـتان در سـال 1767 مـردم عـادی جهـت زلالسـازی آبهـای گـل آلـود از ایـن مـاده اسـتفاده نمودنـد .در سـال 1884 نیـز اولـین امتیـاز فرآینـد انعقـاد بـه وسـیله پرکلرایدآهن در شرکت نیواورلئان به ثبـت رسـید و یـک سـال بعـد نتـایج اولـین تحقیقـات خـود را در مـورد آلـوم در دانشـگاه روتگرس به عنـوان یـک منعقدکننـده انتشـار دادنـد .حاصـل تحـولات یـاد شـده ایـن بـود کـه عمـل انعقـاد بـه عنـوان پـیش فرآیندی کـه فیلتراسـیون را کامـل خواهـد کـرد شـناخته شـد.طی فرآینـد انعقـاد از مـواد منعقدکننـده و کمـک منعقدکننـده مختلفـی اسـتفاده مـی شـود .مـواد منعقدکننـده شـامل مـوادی هسـتند کـه جهـت ناپایدارسـازی ذرات و چسـباندن آنهـا بـه یکدیگراسـتفاده مـی شـوند .در حالیکـه هـدف از اضـافه کـردن مـواد کمـک منعقدکننـده افـزایش دانسـیته ذرات بـه هـم چسـبیده و کمـک بـه تـه نشـینی سـریعتر آنهـا اسـت(.(Aguilar, 2005در طـی سـالهای اخیـر تحقیقـات گسـترده ای پیرامون فرآیند انعقاد صـورت پذیرفتـه ومـواد منعقدکننـده مختلفـی مـورد بررسـی قـرار گرفتـه انـد .در حـال حاضـر سـولفات
آلومینیـوم و کلرایـد فریـک از جملـه رایـج تـرین منعقدکننـده هـای مـورد اسـتفاده در تصـفیه آب بـه منظـور حـذف کـدورت مـی باشـند .ترکیـب پلـی آلومینیـوم کلرایـد بـا فرمـول شـیمیایی AL2(OH)nCL6-n نیـز منعقدکننـده پـیش پلیمریـزه شـده ای اسـت کـه در سـالهای اخیـر بطـور وسـیعی مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه بـه نحـوی کـه امـروزه در کشـورهایی نظیـر آمریکـا، کانـادا، چـین، ایتالیـا، فرانسـه و انگلسـتان بـه یکـی از رایـج تـرین منعقدکننـده هـای مـورد اسـتفاده در تصـفیه آب تبدیل شـده اسـت مصـرف مقـادیر بـالای مـاده ی منعقدکننـده و آهـک در فراینـد انعقـاد پیشـرفته، سـبب ایجـاد لختـه هـا و ذرات قابل ته نشینی شده که منجر به تولید لجـن بـه میـزان بسـیار زیـادی خواهـد شـد .در حـالی کـه آبگیـری از ایـن لجنهـا بسیار مشکل است، در نتیجـه اسـتفاده از ایـن منعقدکننـده هـا مقـرون بـه صـرفه نخواهـد بـود .همچنـین بایـد توجـه داشـت که ضـعف درمـدیریت اسـتفاده از آلـوم در تصـفیه آب باعـث بـاقی مانـدن مقـداری آلومنیـوم در آب تصـفیه شـده مـی گـردد . این آلومنیـوم خطـر ابـتلاء بـه بیمـاری آلزایمـر را در بیمـاران دیـالیزی افـزایش مـی دهـد ایـن درحـالی اسـت کـه اسـتفاده از مواد طبیعی درفرایند انعقاد این عوارض را ندارد.(. (Gemmell,1963; Montgomery; 1995
-2 مواد منعقدکننده
از آن جایی که یکی از پرهزینـه تـرین بخـش هـا در عملیـات تصـفیه آب، بخـش انعقـاد و لختـه سـازی اسـت، لـذا یـافتن مـواد و روش هــایی کــه حــداقل هزینــه را در برداشــته باشــند اهمیــت بســزایی دارد.دو وظیفــه و عملکــرد اولیــه مــواد منعقدکننــده، ناپایدارسازی ذرات کلوئیدی و تقویـت فلـوک هـا بـه منظـور کـاهش میـزان شکسـت آن هـا مـی باشـد.موادی کـه یـک یـا هـر دو وظیفه را مرتفع مـی سـازند بایـد چنـدین مـورد عملـی دیگـر ماننـد قیمـت پـایین، سـهل الوصـول بـودن، راحتـی کـاربرد و پایداری شـیمیایی در حـین انبـارش را نیـز بـرآورده سـازند.علاوه بـر ایـن مـاده منعقدکننـده بایـد ترکیبـات نـامحلولی تشـکیل داده یــا بــه شــدت بــر روی ســطح ذرات جــذب شــود تــا غلظــت ذرات بــاقی مانــده و محلــول از آن کــه ممکــن اســت در طــی مرحلــه تصــفیه عبــور نماینــد بــه حــداقل برســاند.انتخاب نــوع و میــزان مصــرف مــاده منعقدکننــده بــه خصوصــیات مــاده، ذرات رســوبی و کیفیــت آب بســتگی دارد.بــه طــور کلــی منعقدکننــده هــا بــه دو دســته کلــی معــدنی و آلــی تقســیم مــی شــود.
.(Coruh, 2005; Ebeling, 2003)
-1-2 منعقدکننده های معدنی
منعقدکننده های معدنی ابتدایی ترین منعقدکننده ها بوده و به سبب کاربری ساده و موثر امروزه کاربرد فراوانی دارند.
.(Coruh, 2005; Ebeling, 2003)
اولــین منعقدکننــده هــای شــناخته شــده نمــک هــای فلــزی از فلــزات آهــن و آلومینیــوم نظیــر آلــوم (ســولفات آلومینیــوم) و کلروفریک بودند که در ادامه به برخی از خواص این منعقدکننده ها اشاره می شود.
-1-1-2 آلوم1
از آن جــایی کــه آلــوم متــداول تــرین مــاده منعقدکننــده مصــرفی در تصــفیه خانــه هــای آب اســت، درک و فهــم ایــن کــه ایــن ترکیب چگونه به فرآینـد تـه نشـینی ذرات کمـک مـی کنـد حـائز اهمیـت اسـت.آلوم افـزوده شـده بـه آب بـا قلیائیـت طبیعـی آب واکــنش داده و باعــث تولیــد لختــه ژلاتینــی شــکل هیدروکســید آلومینیــوم مــی شــود.لذا، بــرای تشــکیل هیدروکســید آلومینیــوم قلیائیــت آب بایــد مکفــی باشــد.در ایــن فرآینــد اگــر قلیائیــت موجــود در آب کــافی نباشــد، لازم اســت قلیائیــت آب افزایش داده شود(.(Benefield et al,1982
در فرآین انعقـاد توسـط یـون هـای آلـوم ابتـدا یـون هـای سـه ظرفیتـی مثبـت آلومینیـوم، ذرات دارای بـار الکتریکـی منفـی را جـذب و خنثـی مــی کنـد.این واکـنش طــی 1 تـا 2 ثانیـه بعــد افـزودن مـاده شــیمیایی بـه آب رخ مـی دهد.ســپس طـی چنــد ثانیه، ذرات ناپایـدار شـده بـه یکـدیگر چسـبیده، ذرات بزرگتـری تشـکیل مـی دهند.لختـه هـای شـکل گرفتـه بـه جـذب مـواد بــاردار ادامــه مــی دهنــد و تــه نشــین مــی شــوند.آلوم در 5/5 pH تــا 8/5 بســیار خــوب عمــل مــی کنــد.در pHهــای بــالا ذرات تجمع نیافته و ته نشین نمی شوند و در pH بسیار پایین آلوم محلول می باشد(.(AWWA,1999
-2-1-2 کلروفریک2
کلروفریک از تـاثیر اسـیدکلریدریک روی آهـن بـه دسـت مـی آیـد.این مـاده طـی چهـل سـال گذشـته یکـی از پرمصـرف تـرین مــواد منعقدکننــده در تصــفیه آب آشــامیدنی بــوده اســت.وزن مولکــولی آن 162/2 گــرم و انحــلال پــذیری آن در آب ســرد (نزدیــک صــفر درجــه سلســیوس) 74/4 گــرم درصــد ســانتی مترمکعــب اســت و در دماهــای بــالاتر بــه خــوبی (تــا 500 گــرم) حل می شود.بسته های تجـا ری ایـن مـاده بـا درجـات خلـوص متفـاوت در بـازار موجـود اسـت.این مـاده بـه صـورت محلـول بـا درجه خلوص 37 تا 40 درصد، بـه صـورت پـودر خشـک 95 تـا 97 درصـد و بـه صـورت کریسـتال در محلـول اشـباع بـا درجـه خلــوص 60 تــا 64 درصــد عرضــه مــی شــود و از آن جــایی کــه ســطوح فلــزی را بــه شــدت دچــار خــوردگی مــی کنــد، درون ظروف قیراندود بسته بندی می شود(رازقی و همکاران، .(1382
مقدار pH محلـول کلروفریـک بـرای محلـول یـک درصـد 4/3 اسـت، بنـابراین خـود محلـول خاصـیت اسـیدی دارد.چنـان چـه این محلول وارد آب شود و شـرایط محیطـی بـرای تبـدیل و انحـلال تـوام بـا واکـنش شـیمیایی مناسـب باشـد، بـا دو مکانیسـم مختلف وارد عمل می شود(رازقی و همکاران، : (1382
-1 بعد از این کـه تحـت تـاثیر قلیائیـت آب قـرار گرفـت، طـی واکـنش هـای پیـاپی هیـدرولیز شـده و در نهایـت از خـود بــار الکتریکــی مثبــت ظــاهر مــی کنــد و چــون بــار الکتریکــی کلوئیــدها منفــی اســت، بــدین ترتیــب ثبــوت حرکــت کلوئیدی از طریق جذب و خنثی سازی سطحی در محیط حاصل می گردد.
-2 هیدرولیز به تولیـد هیـدرات فریـک منجـر مـی شـود کـه رسـوب ژلاتینـی گسـترده ای بـوده و کلوئیـدها را از طریـق مکانیسم جـاروب کـردن بـه خـود مـی چسـباند.در اثـر بـالا رفـتن وزن، تـه نشـینی مـواد معلـق آب آغـاز شـده و بـه تــدریج بــه غلظــت رســوب افــزوده مــی شــود.از آن جــا کــه محلــول کلروفریــک در آب خاصــیت اســیدی داشــته و در نتیجه باعث از بین رفـتن قلیائیـت آب مـی شـود، لـذا مقـدار کلروفریـک لازم بـرای عمـل انعقـاد را بایسـتی بـا توجـه به پارامترهای کیفی آب انتخاب نمود.رابطه شیمیایی واکنش کلروفریک با قلیائیت آب به شرح زیر است :
2FeCl 3 + 3Ca(HCO3)2 2CaCl2 + 2Fe(OH) 3 + 6CO2
چنان چه ملاحظه می شود، بـه طـور نظـری هـر 1 میلـی گـرم بـر لیتـر از کلروفریـک کـه در آب افـزوده مـی شـود، 1/5 میلـی گــرم در لیتــر قلیائیــت را از آب حــذف کــرده و در مقابــل 0/8 میلــی گــرم در لیتــر گازکربنیــک تولیــد مــی شــود و هیــدرات فریک نیز رسوب می کند.
حال چنان چه قلیائیـت آب بـه طـور طبیعـی در ترکیـب آب وجـود دارد نتوانـد جوابگـوی تقاضـای کلروفریـک باشـد یـا مقـدار کلروفریــک افــزوده شــده در آب بــیش از حــد باشــد، مقــدار pH کــاهش یافتــه و خاصــیت اســیدی ظــاهر مــی شــود.در ایــن مواقع افزایش قلیائیت در آب ضرورت دارد.
با پیشرفت علوم پلیمری، پلی آلومینیـوم کلرایـد، پلـی آلومینیـوم سـولفات و پلـی کلروفریـک بـه منظـور انعقـاد بـه کـار گرفتـه شده اند که در مقایسه با نسل قبلی منعقدکننده ها دارای مزایای زیر هستند : (Kawmura, 1999)
-1 کاربری ساده تر به دلیل انحلال سریع تر و بهتر -2 راندمان بالاتر در حذف کدورت و مواد آلی -3 کاهش دوز مصرفی
-4 کاهش وابستگی راندمان حذف نسبت به تغییرات شرایط فیزیکی و شیمیایی آب
در ادامه پلی آلومینیوم کلراید را مورد بررسی قرار می دهیم.
-3-1-2 پلی آلومینیوم کلراید3
پلــی آلومینیــوم کلرایــد یــک مــاده شــیمیایی بــا خاصــیت منعقدکننــدگی بســیار قــوی و عملکــرد بســیار ســریع اســت.این مــاده یک ماکرومولکول معدنی و دارای ساختار پلیمری به فرمول عمومی زیر می باشد :
این پلیمر بـر اسـاس واکـنش شـیمیایی هیـدرات آلومینیـوم بـا اسـیدکلریدریک در دمـای 150 درجـه سـانتی گـراد بـر اسـاس واکنش زیر تولید می گردد.
ترکیب دقیق بستگی بـه مقـدار اسـید کلریـدریک مـورد اسـتفاده و تـامین شـرایط واکـنش فـوق دارد.پـس از مـدت زمـان 6-8 ساعت و عمل پلیمریزاسیون طـی واکـنش فـوق و پـس از عبـور از یـک حوضـچه تـه نشـینی اولیـه و جداسـازی ناخالصـی هـا و نیز عبور از یک واحد فیلتر فشاری، مایع شفاف و لزج پلی آلومینیوم کلراید تولید می گردد(.(Qasim, 2000
در مولکــول پلــی آلومینیــوم کلرایــد، آلومینیــوم بــه صــورت پلیمــری شــامل عوامــل هیدروکســید و کلرایــد و در بعضــی از انــواع آن سولفات و نمک های معدنی ماننـد سـدیم، پتاسـیم، کلسـیم، منیـزیم و غیـره موجـود اسـت کـه مـی توانـد بـر روی خـواص آن تاثیر بسزایی داشته باشد.
با وجـود مزایـای مـذکور منعقدکننـده هـای پلیمـری نتوانسـته انـد برخـی معایـب نمـک هـای سـاده فلـزی را برطـرف کننـد و خــود باعــث پیــدایش مشــکلات جدیــدی شــده انــد.از جملــه معایــب منعقدکننــده هــای معــدنی دارای آلومینیــوم، خطــر بــاقی مانـدن آلومینیـوم در آب مـی باشـد کـه بـه دلیـل خطـر ابـتلا بـه آلزایمـر مـورد توجـه اسـت.از دیگـر مشـکلات عمـده مصــرف منعقدکننــده هــای معــدنی پلیمــری وجــود ناخالصــی هــا در ایــن نــوع منعقدکننــده هــا از جملــه فلــزات ســنگین و منومرهــای آلوده می باشد(.(GAO et al,2005
-2-2 منعقدکننده های آلی
پلیمرهای آلی به دو منظور در آب به کار گرفته می شوند :
-1 به عنوان منعقدکننده برای ناپایدار کردن ذرات -2 به عنوان کمک منعقدکننده برای تشکیل ذرات درشت تر
این پلیمرها به دو دسته پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای مصنوعی تقسیم می شوند.
-1-2-2 پلیمرهای آلی مصنوعی
