نقش منعقد کننده در تصفیه آب

فرآیند کواگولاسیون و فولوکولاسیون جهت شفاف سازی و منعقد کننده آب از زمان‌های قدیم مورد استفاده قرار می‌گرفته و به 2000 سال قبل از میلاد زمانیکه مصریان جهت زلال سازی آب رودخانه از پوسته بادام استفاده می‌کردند، باز می‌گردد.

 امروزه فرآیند کواگولاسیون و فولوکولاسیون جهت کاهش کدورت همواره به عنوان یک مرحله از مراحل تصفیه محسوب می‌گردد. در فرآیند تصفیه فاضلاب نیز از کواگولاسیون جهت حذف موادی از قبیل فسفر و مواد جامد معلق و … استفاده می‌شود.

کواگولانت‌ها جهت تصفیه آب به دو دسته آلی و معدنی تقسیم می‌شود.

انواع کواگولانت ها

کواگولانت های آلی

معمولا جهت جداسازی جامد و مایع و تولید لجن استفاده می شده. فرمولاسیون کواگولانت آلی بر اساس دو ترکیب ذیل می‌باشد.

1- پلی آمین ها و پلی دی آلیل دی متیل آمونیوم کلراید(PADMAC): یکی از کواگولانت های آلی پرکاربرد که به صورت کاتیونی و با خنثی سازی بار عمل می‌کند. کواگولانت های آلی بار منفی کلوییدها را خنثی و یک ترکیب اسفنجی به نام micro flocks تشکیل می‌دهد.

2- Melamine formaldehyde and Tannins: این مواد کلویید ها را در آب لخته کرده و مواد آلی مانند روغن و چربی را جذب می‌کند.

از مزایای کواگولانت آلی می‌توان به مقدار مصرف کم، مقدار کم تولید لجن، و عدم تاثیر بر روی PH نام برد.

کواگولانت معدنی

از این ماده برای تصفیه انواع آب و فاضلاب استفاده می‌شود. کواگولانت‌های معدنی مشخصا موثر جهت آب خام با کدورت پایین می‌باشند و اغلب از این نوع آب، زمانیکه کواگولانت‌های آلی قادر به تصفیه نیست، استفاده می‌گردد.

زمانیکه کواگولانت معدنی به آب اضافه می‌گردد به شکل آهن و آلومینیوم رسوب می‌کند. این مواد ناخالصی‌ها را به خود جذب کرده و همانطور که به پایین حرکت می‌کند آب را تمیز می‌کند. این پروسه به عنوان مکانیزم sweep-flock یا جاروب فلاک شناخته شده است. با این حال با نشست هیدروکسید فلزی، رسوبات به حجم لجن افزوده شده و باید تصفیه و حذف گردد.

مثال هایی از کواگولانت معدنی:

در تصویر بالا نقش منعقد کننده در تصفیه آب به وضوح قابل مشاهده است.

آلومینیوم سولفات یا زاج سفید (Al₂(SO₄)₃.18H₂O) (آلوم) :

یکی از موارد مورد استفاده در تصفیه آب در جهان است. آلوم به صورت مایع تولید می‌گردد که نوع کریستالی آن بدون آب می‌باشد.

این ماده با نام آلوم نیز شناخته می شود و بیشتر از مواد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده در محدوده pH 5.5 الی 7.5 دارای عملکرد بهینه می‌باشد. آلومینیوم سولفات با مواد قلیایی موجود در آب تولید آلومینیوم هیدروکسید می‌کند که خود هسته مرکزی تجمع ذرات است و سبب تولید ذرات درشت تر می‌شود. در صورت کم بودن قلیائیت آب معمولا از آهک یا سدیم کربنات استفاده می‌گردد. لازم است این عمل پیش از اضافه کردن آلوم به آب انجام گیرد. واکنش هایی که آلوم با آهک یا سدیم کربنات و یا مواد قلیایی آب می‌دهد به صورت زیر است:

واکنش با آهک:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(OH)₂ → 2Al(OH)₂ + 3CaSO₄

واکنش با سدیم کربنات:

Al₂(SO₄)₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄ + 3CO₂

واکنش با کلسیم بی کربنات:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ → 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ +6CO₂

استفاده از آلوم، سبب بالا بردن سختی آب و تولید گاز کربنیک می شود که عامل خورنده است. در ضمن اگر املاح سدیم و پتاسیم در آب زیاد باشد مواد کلوئیدی به صورت رسوبات ریز تشکیل می‌شوند.

برای موثر بودن عملکرد آلوم و تنظیم pH باید مقادیر اضافه شده آلوم و مواد قلیایی مناسب باشد. به طور معمول برای اضافه نمودن هر میلی گرم آلوم 0.5 میلی گرم سدیم کربنات، 0.7 میلی گرم آهک و 0.54 میلی گرم کلسیم کربنات برای هر لیتر آب، مناسب است.

1- آلومینیوم کلراید: جایگزین آلوم می باشد که گران تر، سمی و خورنده است.

2- پلی آلومینیوم کلراید (PAC) و آلومینیوم کلروهیدراته (ACH)

3- سولفات فریک و فروسولفات: سولفات فریک به صورت معمول استفاده می شود اما فروسولفات در مواردی که عامل کاهنده یا مقدار آهن محلول اضافی نیاز است استفاده می شود.

4- کواگولانت آهن مشابه کواگولانت آلومینیوم عمل می‌کند اما قیمت آن بر اساس محل تامین متفاوت است.

5- کلراید فریک: کم هزینه‌ترین منعقدکننده معدنی که از ضایعات فرآیند ساخت استیل تهیه می‌شود. با این حال خورنده‌ترین و خطرناک‌ترین کواگولانت است و مقدار آن در تجهیزات محدود شده تا با ایمنی بیشتر مورد استفاده قرار گیرد.

ویژگی این ترکیبات ایجاد توده‌های بزرگ‌تر نسبت به توده های تولید شده با املاح آلومینیوم است. ترکیبات آهن دار در درجه حرارت های پایین بهتر عمل می‌کنند و در انجام این فرایند مصرف آهک نیز ضروری است. منعقد کننده‌های آهن شامل ترکیبات فرو و ترکیبات فریک می‌باشند.

فروسولفات یا زاج سبز (FeSO₄.7H₂O):

در استفاده از این ماده مثل مواد منعقد کننده قبلی به آهک نیاز است. زیرا قلیائیت اکثر آب‌ها برای واکنش با فروسولفات و تولید توده فریک هیدروکسید کافی نیست pH مناسب فرآیند در محدوده 8.5 الی 11 می‌باشد. فروسولفات در ابتدا با آهک تولید فروهیدروکسید می‌کند و سپس توسط اکسیژن محلول در آب اکسیده شده و به فریک هیدروکسید تبدیل می‌گردد. لذا حضور مقداری اکسیژن در آب برای این واکنش ضروری است که در حد 0.03 میلی گرم اکسیژن برای هر میلی گرم فروسولفات در هر لیتر آب می‌باشد.

فریک سولفات (Fe₂(SO₄)₃.7H₂O):

این ترکیب دارای خاصیت خورندگی می‌باشد.

ترکیبات فریک نسبت به مواد منعقد کننده دیگر مزایای زیر را دارا می‌باشند:

-عملکرد در محدوده وسیعی از pH از 4 الی 11

-حذف طعم، بو و رنگ

-عملکرد سریع تر در ته نشینی، در مقایسه با آلوم به علت سنگین‌تر بودن توده های تولیدی از هیدروکسید فریک

-حذف منگنز در pH=9

-حذف هیدروژن سولفاید

فریک سولفات می تواند بدون آهک هم به کار رود و از نظر اقتصادی با صرفه‌تر از مواد دیگر است.

واکنش های فریک سولفات با مواد قلیایی آب به صورت زیر است:

Fe₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ → 2Fe(OH)₃↓ + 3CaSO₄↓ + 6CO₂

Fe₂(SO₄)₃ + 3Ca(OH)₂ → 2Fe(OH)₃↓ + 3CaSO₄↓

فریک هیدرات تولید شده در واکنش‌های بالا هسته اصلی تشکیل لخته‌های کلوئیدی می‌باشد. مخلوط فریک کلرید سولفات، که از اکسیداسیون فروسولفات توسط کلر، به دست می‌آید یک نوع منعقد کننده فریکی می‌باشد که در محدوده pH=4  الی 11 عمل می‌کند.

6FeSO₄ + 3Cl₂ +9Ca(HCO₃)₂ → 6Fe(OH)₃ + 6CaSO₄ + 3CaCl₂ +18CO₂

فریک کلرید (FeCl₃.6H₂O):

این ماده دارای خاصیت خورندگی است و به دلیل فاسد شدن در برابر هوا و رطوبت نگهداری آن دشوار است.

واکنش‌هایی که این ماده با کلسیم بی کربنات و کلسیم هیدروکسید می‌دهد به صورت زیر است:

2FeCl₃ + 3Ca(HCO₃)₂ → 2Fe(OH)₃ + 3CaCl₂ + 6CO₂

2FeCl₃ + 3Ca(OH)₂ → 2Fe(OH)₃ + 3CaCl₂

با وجود محدودیتی که برای این ماده مطرح است ولی به علت مزایای آن در اغلب موارد، استفاده از آن بر آلوم ترجیح داده می‌شود. این مزایا عبارتند از:

• 1- قدرت ایجاد لخته های بزرگ تر و سنگین تر.
• 2- کارایی در آب های سرد.
• 3- عملکرد در محدوده مناسب  (محدوده pH آب های آشامیدنی بین 5 الی 7.5)
• 4- قیمت مناسب.
• 5- مقدار کمتر ماده مورد نیاز در مقایسه با دیگر منعقد کننده ها به دلیل انعقاد سازی زیاد.

با توجه به اینکه آلومینیوم در آب‌ها خطر بیماری زایی را دارا می‌باشد، مصرف فریک کلرید ترجیح داده می‌شود. البته فریک کلرید در آب‌هایی که دی اکسید کربن زیادی دارند باعث تاخیر در ته نشینی می‌شود و نیز در آب هایی که مواد آلی زیاد دارند تولید کمپلکس محلول رنگی آهن می‌کند که هر دو مشکل با افزودن کلر قبل یا هم زمان با کلراید آهنIII حل می‌شود.

زمان اختلاط مواد منعقد کننده

با بیش از حد مخلوط کردن (over-mixing) عمل لخته سازی را تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد اما عمل اختلاط ناکافی این مرحله را می‌تواند ناقص باقی بگذارد. زمان تماس مناسب کواگولانت در محفظه اختلاط معمولا بین ۱ تا ۳ دقیقه می‌باشد.

سرعت اختلاط مواد منعقد کننده آب

به منظور منعقد شدن مناسب و شکل گیری میکروفلوک‌ها نیازمند داشتن سرعت مناسب مخلوط کردن و انرژی بالا منعقد کننده ها می‌باشیم.

تعیین دوز مواد منعقد کننده آب – آزمایش جارتست

جهت تعیین میزان ماده منعقد کننده یا کواگولانت لازم و همچنین PH بهینه برای عمل انعقاد، از آزمایش جار استفاده می‌شود. در این آزمایش مواد منعقد کننده گوناگون با دوزهای مختلف و در pH های گوناگون به آب یا فاضلاب اضافه شده تا بهترین ماده منعقد کننده، بهترین دوز تزریق و همچنین بهترین pH تعیین شود.