انعقاد شیمیایی در تصفیه ی آب
گردآورنده:
استاد راهنما:
فهرست مطالب
کلیات آب
انعقاد شیمیایی
مواد منعقد کننده
مواد کمک منعقد کننده
عوامل منعقد کننده
مراحل انجام انعقاد شیمیایی
مکانیسم انعقاد شیمیایی
آلاینده هایی که قابلیت انعقاد دارند
ابزارهای مورد استفاده
روش های انعقاد و مقایسه ی آن ها
نتیجه گیری
مرور مقالات
منابع و ماخذ
مایع حیات و فراوان ترین ماده ی مرکب بر روی سطح کره ی زمین
آب
خواص فیزیکی آب
بی بو، بی رنگ و بی طعم
ظرفیت گرمایی بالا
افزایش غیرعادی حجم به هنگام انجماد
کشش سطحی بالا
گرانروی بسیار پایین
بالا بودن گرمای نهان تغییر فاز
چگالی 1 گرم بر سانتی متر مکعب در 4 درجه ی سانتی گراد
منابع آب در کره ی زمین
آب های زیرزمینی
آب های جوی
آب های سطحی
تنها 2.5 درصد از آب های کره ی زمین آب شیرین است.
مهمترین آلوده کننده های آب
فاضلاب ها و پساب ها
عوامل بیماری زا
مواد سنتتیک آلی
مواد مغذی گیاهی
نفت
مواد معدنی
مواد معلق و رسوبات
مواد رادیواکتیو
حرارت و گرما
مصارف مهم آب
مصارف شهری و آشامیدنی
مصارف کشاورزی
مصارف صنعتی
دریافت کننده و رقیق کننده فاضلاب
تولید نیرو
مصارف تفریحی
پرورش موجودات آبی
تصفیه ی آب
انعقاد چیست؟
بی ثبات کردن ناخالصی های کلوییدی توسط مواد منعقد کننده
روش های انعقاد
1- انعقاد شیمیایی
2- انعقاد الکتروشیمیایی
انعقاد شیمیایی
مواد منعقد کننده
ویژگی های مواد منعقد کننده
قدرت انعقاد بالا
عدم ایجاد مسمومیت در آب
مقرون بصرفه از نظر اقتصادی
انواع مواد منعقد کننده
سولفات آلومینیوم
Al2(SO4)3, n H2O
آلوم، آلومین، زاج
توسط Bird و Auston-Willow
انعقاد در pH=5-8
لخته ها در pH=10 بصورت محلول
عوامل مهم در روش های تصفیه با زاج
تعیین دقیق مقدار مورد نیاز
وجود آنیون تسریع کننده ی عمل انعقاد
تنظیم pH آب
فرآیند ایجاد لخته توسط آلوم
واکنش با بی کربنات کلسیم و آب
تولید هیدروکسید آلومینیوم
بی بار شدن هیدروکسید آلومینیوم مرکزی
ایجاد لخته های درشت تر
Al2(SO4)3.14 H2O 2Al(OH)3+ 8H2O + 3H2SO4-2
Al2(SO4)3.14 H2O + 6HCO3- 2Al(OH)3+ 6CO2 + 14H2O + 3SO4-2
H+ مانع تشکیل هیدروکسید آلومینیوم
استفاده از آب آهک و کربنات سدیم برای ایجاد محیط قلیایی
معایب استفاده از سولفات آلومینیوم
تولید CO2
تولید کلسیم
آلومینات سدیم
Na3AlO3
تصفیه و سبک کردن آب
دارای خاصیت قلیایی
استفاده از مخلوط سولفات آلومینیوم و آلومینات سدیم
ایجاد یک میلی گرم در لیتر آلومینیوم
منعقد کننده های آهن دار
ایجاد لخته های درشت، سنگین و مقاوم تر
عملکرد بهتر در حرارت های پایین تر
ضرورت مصرف آهک با آن ها
سولفات فرو
ایجاد هیدروکسید آهن III
استفاده به همراه آهک هیدراته
مزیت:
– ارزان بودن
سولفات فریک
Fe2(SO4)3
مزایای استفاده از سولفات فریک
عمل کردن در میدان وسیعی از pH در مقایسه با زاج
تشکیل سریع لخته های درشت تر و وزین تر
حذف منگنز آب در pH=9
حذف هیدروژن سولفور
از بین بردن طعم و بوهای خاص آب
استفاده به همراه آهک هیدراته و یا بدون آن
مقرون به صرفه از نظر اقتصادی
کلرور فریک
FeCl3, 6H2O
به صورت پودر، مایع یا متبلور
فاسد شدن در برابر هوا و رطوبت
ایجاد هیدروکسید آهن III در اثر واکنش با بی کربنات کلسیم یا هیدروکسید کلسیم
FeCl3+ 3HCO3- Fe(OH)3+ 3CO2 + 3Cl-
کمک منعقد کننده ها
اصلاح pH آب تا محدوده ی عمل منعقد کننده
کمک به درشت تر و وزین تر شدن لخته ها
مهم ترین مواد کمک منعقد کننده
آهک
جبران کمبود قلیائیت محیط
از بین بردن CO2
کاهش سختی آب
کربنات سدیم
تثبیت pH آب
افزایش یون های OH-
بیشترین استفاده به هنگام انعقاد با زاج
گاز کلر
از بین بردن مواد آلی موجود در آب
تصفیه ی آب هایی که با فاضلاب شهری آلوده شده اند.
پلی الکترولیت ها
دارای خواص پلیمری و الکترولیتی
افزایش درشتی لخته ها
0.5 میلی گرم در لیتر پلی الکترولیت می تواند در عرض 2 دقیقه 90% لخته ها را ته نشین سازد.
مزایای استفاده از پلی الکترولیت ها
کاهش میزان مصرف ماده ی منعقد کننده
کاهش احتمال تداخل بعضی مواد در انعقاد
انعقاد بعضی ارگانیسم های گیاهی و حیوانی
از سیلیس فعال یا سدیم سیلیکات و بنتونیت نیز به عنوان کمک منعقد کننده استفاده می شود.
عوامل موثر در انعقاد
pH و قلیائیت
محدوده ی pH مناسب برای هر ماده ی منعقد کننده:
برای مناسب شدن pH محیط از آهک استفاده می کنند.
مقدار و نوع ذرات معلق
هرچه مقدار ذرات معلق بیشتر باشد، مقدار ماده ی منعقد کننده ی مصرفی بالا می رود.
هر چه قطر ذرات معلق بزرگ تر شود، ته نشینی راحت تر و عمل انعقاد ساده تر است.
اثر عوامل فیزیکی
اثر دما
– کاهش دما باعث کاهش فعل و انفعالات شیمیایی و ته نشینی می شود.
هرچه اختلاط ماده ی منعقد کننده با آب بیشتر باشد انعقاد بهتر و سریعتر انجام می گیرد.
استفاده از مواد منعقد کننده ی مناسب و CO2 محلول از دیگر عوامل موثر در انعقاد می باشند.
مراحل انجام انعقاد شیمیایی
افزودن ماده ی منعقد کننده به آب
تنظیم عوامل موثر بر انعقاد
اختلاط
جداسازی رسوبات (لخته) ته نشین شده
مکانیسم انعقاد
هدف از انعقاد از بین بردن ناخالصی های کلوییدی موجود در آب بوسیله ی خنثی سازی آن ها می باشد.
تشکیل یون یا هیدروکسید یا هیدروکسید های باردار ماده ی منعقد کننده در اثر هیدرولیز
خنثی شدن کلویید ها و کاهش پتانسیل زتا بوسیله ی بار الکتریکی یون ها و یا هیدروکسید ها
عمل کردن نیروی واندروالسی
تجمع کلویید های بی بار
تشکیل ذرات وزین تر (لخته)
ته نشینی لخته های تشکیل شده
نمونه ای از هیدروکسید های باردار در انعقاد
کلوییدها خیلی کوچک هستند و ته نشینی آنها توسط نیروی گرانش ممکن نیست.
در مرحله ی ته نشینی عامل زمان بسیار مهم می باشد و با قطر ذرات رابطه ی مستقیم دارد.
آلاینده هایی که عمل انعقاد می تواند باعث انعقاد یا کاهش آنها شود
1- کدورت های ناشی از مواد معدنی و آلی
2- رنگ های حقیقی و ظاهری
3- انگل ها و انواع میکروارگانیسم ها
4- باکتری های بیماری زا و مضر
5- مواد مولد بو و طعم
6- فسفات
آلاینده های زیر نیز توسط روش انعقاد شیمیایی قابل حذف هستند
فلزات سنگین مانند Cu, Pb, Zn, Cr
سیانور
بور
ویروس ها
کاهش COD
ابزارهای روش انعقاد شیمیایی
در آزمایشگاه از یک ظرف شیشه ای (بشر) و همزن
در صنعت یک مخزن با همزن تند، یک مخزن با همزن آرام و یک مخزن جهت ته نشین شدن آلاینده ها
شیوه های تعیین میزان مناسب مواد منعقد کننده و کمک منعقد کننده
اندازه گیری پتانسیل زتا
جارتست
جار تست
این وسیله شامل اجزای زیر است:
6 ظرف شیشه ای
یک دستگاه همزن برای هر یک از ظروف
لامپ مهتابی
مواردی که می توان توسط جارتست مورد ارزیابی قرار داد:
سرعت اختلاط
مدت زمان اختلاط
نوع و میزان ماده ی منعقد کننده
pH
اندازه لخته
دما
خصوصیات ته نشینی
زمان تشکیل لخته
زلالیت آب تصفیه شده
مراحل کلی انجام یک نمونه تست جار شامل:
مرحله 1
ریختن مقادیر یکسانی آب مورد آزمایش درون بشرها و قراردادن همزن درون بشرها
اضافه کردن مقادیر مختلف ماده منعقد کننده به بشرها در pH=6
هم زدن همه آن ها به مدت یک دقیقه با سرعت 90 RPM
سپس هم زدن همه آن ها به مدت 15 تا 20 دقیقه برای انجام لخته سازی
یادداشت زمان تشکیل اولین لخته و بعد از خاموش کردن همزن ها یادداشت زمان ته نشینی
ماده منعقد کننده ای که حداقل میزان مصرف آن بهترین نتیجه را از نظر تشکیل لخته داشته باشد، ایده آل است.
مرحله 2
اضافه کردن مقدار ماده ی منعقد کننده ی بدست آمده از مرحله 1 با حجم های مساوی به آب مورد آزمایش در بشرها
تنظیم pH هر یک از بشرها به ترتیب روی مقادیر 2، 4، 6، 8، 10و 12
مرحله 3
اختلاط این نمونه به مدت 3 دقیقه در دور تند و 12 دقیقه با سرعت کم
مرحله 4
آزمایش نمونه موجود در هریک از بشرها ازنظر قابلیت ته نشینی لخته های تشکیل شده
مرحله 5
تکرار آزمایش مربوط به افزایش میزان ماده منعقد کننده با بکار گیری pH بدست آمده
رسم منحنی تغییرات مقدار ماده ی منعقد کننده به ازای درصد حذف ذرات معلق در pH اپتیمم
مقایسه ی روش ها
روش انعقاد الکتروشیمیایی
با شناور کردن الکترود فلزات در آب
مقرون بصرفه از نظر اقتصادی
لجن تولید شده حاوی 0.5% از مواد منعقد کننده افزوده شده
لجن تولید شده دارای pH=6-7
روش انعقاد شیمیایی
با افزودن نمک های فلزی به آب
گرانی مواد شیمیایی مورد استفاده
لجن تولید شده حاوی 49% از مواد منعقد کننده افزوده شده
لجن تولید شده دارای pH>10
درصد حذف TSS، BOD و باکتری بوسیله روش های مختلف
نتیجه گیری
این روش درحذف و کاهش آلاینده های کلوییدی از جمله میکرو ارگانیسم ها، فلزات سنگین، رفع بو و طمع نامطبوع و کدورت آب موثر است، ولی به علت گران بودن مواد منعقد کننده شیمیایی و اینکه این مواد پس از حل شدن در آب قابل بازیابی نیستند، از نظر اقتصادی مقرون بصرفه نیست.
لجن تولیدی در این روش حاوی 49% از مواد منعقد کننده ای است که در ابتدا به آب افزوده شده است و در ضمن در pH>10 قرار دارد که فلزات در این pH بصورت هیدروکسید ته نشین می شوند که خطرناک است زیرا فلزات در pH طبیعی نزدیک به 7 به حالت محلول بر می گردند.
آبی که ناخالصیش با این روش گرفته شده است، به نسبت روش انعقاد الکتروشیمیایی، تمیز نبوده و آنرا نمی توان مورد مصرف قرار داد.
برای استفاده از چنین آبی ابتدا باید آنرا از میان فیلترهای جاذب عبور داد.
مرور مقالات
1. Electrocoagulation versus chemical coagulation: Coagulation/flocculation mechanisms and resulting floc characteristics 1- انعقاد الکتروشیمیایی در مقابل انعقاد شیمیایی: مکانیسم انعقاد/لخته سازی و نتیجه گیری خصوصیات لخته
الکتروکواگولاسیون EC و کواگولاسیون شیمیایی CC برای حذف ذرات در تصفیه آب بکار گرفته می شوند.
این مطالعه تفاوت های مکانیسم انعقاد و لخته سازی در هر دو روش، تاثیر روش ها بر روی سرعت رشد لخته وتغییر شکل ساختار ذرات را شرح می دهد.
در این مقاله پارامترهای pH و پتانسیل زتا مورد مطالعه قرار گرفته است.
محلول کلوئیدی
1.2 گرم کائولین که در 20 لیتر آب مقطر حل و با استفاده از Ultraturax 2000 پراکنده و هموژنیزه شده است.
سل EC: سل طراحی شده شامل سرپوش plaxyglass، الکترود کاتد stainless steel و الکترود آند آلومینیوم
سل CC: محلول آلومینیوم و یک لیتر شیشه شیمیایی
اطلاعات توزیع سایز و ساختار مربوط به لخته های kaolin-Al(OH)3 نسبت به زمان توسط Mastersizer Microplus
Fig. 2 – A. pH changes at initial pH 5, B. pH changes at initial pH 8, C. zeta potential changes at initial pH 5, D. zeta potential changes at initial pH 8. Each z potential result is an average of three consecutive readings.
Fig. 3 – Growth histograms obtained with low and high alum doses and applied currents at initial pH 6.5. Coagulant addition occurred over the first 10 min, following an additional 5 min mixing period, in aim of attaining longer growth patterns. The size distribution at 0 min is that of the initial kaolin suspension.
Fig. 5 – Evolution of volume mean diameter for all currents and alum doses at pH 6.5. The fitted curves show for all currents and lowest alum dose a sigmoidal growth pattern, indicating a fragmentation stage, and for higher alum doses, a second order polynomial pattern, indicating no fragmentation. All coefficients of determination (R2) are in the range of 0.98e0.99.
Fig. 6 – A visual comparison of floc images formed at 6 and minutes with 30 mg/l alum dosing and 0.22 A. Magnification50x, a comparative scale of 500 mm is shown in the lower right image.
نتیجه گیری
EC و CC فرآیندهای انعقادی مشابهی هستند که برای حذف ذرات بکار می روند ولی تفاوت های اساسی بین آن ها وجود دارد که مربوط به مکانیسم انعقاد و لخته سازی و تکامل لخته ها می باشد.
برای حالت های مشابه انعقاد و لخته سازی، EC در رنج های بیشتری از pH می تواند در تصفیه آب لخته سازی کند که ظاهراً در سرعت های بسیار بالا انجام می گیرد. برای انتخاب یکی از فرآیندهای EC و CC باید به نوع فرآیند تصفیه و کل ذرات موجود توجه خاصی کرد.
2. Chemical coagulation of combined sewer overflow: Heavy metal removal and treatment optimization 2- انعقادشیمیایی آب های اضافی مجاری فاضلاب: حذف فلزات سنگین و بهینه سازی تصفیه
برای افزایش حذف جسم های آلوده از آب های اضافی مجاری فاضلاب ، انعقاد شیمیایی و سپس ته نشینی را انجام داده اند که بازده حذف گزارش شده برای نمونه، در مقیاس آزمایشی پایلوت، تقریباً 90 درصد برای جامدات معلق و 60 درصد برای COD بوده است.
اهداف اساسی این مطالعه عبارتند از:
مطالعه انعقاد شیمیایی CSO از روی تست های جار در هواهای مرطوب مختلف؛
ارزیابی بازده فرآیند برای حذف فلزات سنگین؛
توسعه دادن روابط کمی بین حالت های منعقدکننده مطلوب و خصوصیات فیزیکو شیمیایی CSO برای آماده کردن ابزارهای کنترل برای تصفیه تمام عیار و موثر CSO.
از دو منعقد کننده معمول در این مطالعه استفاده شده است:
CLARFER که محلول هیدرولیز نشده کلرید آهن است.
WAC HB که همان محلول نیمه خنثی نشده نمک AL است.
فلزات موجود آشکار سازی شده
Cu
Cr
Pb
Zn
در برخی از جارتست ها تحرک الکتروفورزی برای دانه های ته نشین نشده توسط Zetaphoremeter III تعیین گردید.
حذف میزان کدری
حذف فلزات سنگین
بهینه سازی مقدار ماده منعقدکننده
نتیجه گیری
انعقاد شیمیاییCSO با کلرید آهن و آلومینیوم از قبل هیدرولیز شده انجام گردید، که هر دوی آنها موثر بوده اند. غلظت مورد نیاز منعقدکننده هایی با پایه آلومینیوم کمتر بود و هر دوی منعقدکننده ها در رنج نردیک به غلظت بهینه مواد منعقدکننده حذف را انجام دادند.
در تصفیه های انعقادی، در مورد دوز منعقدکننده نگرانی هایی وجود دارد.
3. A review on chemical coagulation/flocculation technologies for removal of colour from textile wastewaters 3- حذف رنگ از فاضلاب های نساجی توسط انعقاد شیمیایی
روش های رنگ زدایی شامل فرآیندهای فیزیکو شیمیایی، بیولوژیکی و بهتر از آنها تکنیک هایی مانند فرآیندهای Sonochemical یا اکسیداسیون پیشرفته پدیدار شده اند و معمولاً از دو یا سه روش به صورت ترکیبی برای حذف رنگ ها استفاده می شوند.
استفاده از تکنولوژی غشایی برای حذف رنگ از فاضلاب نساجی بسیار موثر است.
برخلاف منعقدکننده های سنتتیک، منعقدکننده های طبیعی عموما دو نوع مکانیسم را ارائه می دهند:
جذب سطحی وخنثی سازی بار
جذب سطحی و پل زدن بین ذره ای
نتیجه گیری
بین منعقدکننده ها و لخته سازهای شیمیایی، منعقدکننده های pre-hydrolysed از جمله PACl، PFCl، PFS، PAFCL به عنوان بهترین منعقدکننده ها در نظر گرفته شده اند زیرا در دوزهای کوچک و رنج وسیعی از PH رنگ زدایی بسیار خوبی را از فاضلاب دارند.
منعقدکننده های شیمیایی از جمله non-toxic به علت زیست تجزیه پذیر بودن، مساعد بودن با محیط و قابلیت در آوردن به صورت کپسول و غیره می تواند به عنوان کمک منعقدکننده مورد توجه قرار گیرد این ها معمولاً در PH های بالای فاضلاب های نساجی عمل می کنند.
4. Decolorization and COD reduction of disperse and reactive dyes wastewater using chemical-coagulation followed by sequential batch reactor (SBR) process 4- رنگ زدایی وکاهش COD رنگ های غیر فعال و پراکنده شده فاضلاب با استفاده از انعقاد شیمیایی و فرآیند راکتور متوالی بچ
از این روش عموماً برای BOD5 و حذف جامدات معلق استفاده کردند. اما این روش ها برای حذف کردن رنگی که در غلظت های پایین مشاهده می شود بی تاثیر هستند.
رنگینه ها در فاضلاب می تواند به طور موثر توسط اکسیداسیون شیمیایی پیش رفته به وسیله ازن یا UV/ H2O2 وجذب سطحی به وسیله کربن فعال از بین بروند ولی هزینه این تکنیک ها بالا است.
در این مطالعه تصفیه بیولوژیکی هوازی با فرآیند راکتور بچ متوالی انجام گرفته است.
مشخصات فاضلاب
راکتور بچ متوالی
از راکتور های 5 لیتری در حالت بازگشتی در عملیات استفاده می شود. واکنش با هوادهی، ته نشینی، بیرون کشیدن و بی بارشدن انجام می شود.
اثر pH در حذف رنگ وCOD
با استفاده از 200 mg/L آلوم در pH بهینه 5.3، کاهش شدت رنگ تا حجم 78.9 درصد ایجاد می شود. افزایش دوز آلوم از 200 به 300 mg/l فقط 4٪ افزایش بازدهی داشت.
استفاده از Lime
استفاده از کلرید منیزیم به همراه Lime
در جدول 3 خصوصیات تولید لجن به وسیله آلوم و به کمک cytec، Lime و MgCl2/CaO نشان داده شده است.
تولید لجن
بچ زیست تجزیه پذیر هوازی
بازدهی حذف کلی
نتیجه گیری
ثابت شد که Lime و یا کلرید منیزیم به همراه Lime برای حذف رنگ (100٪-97) و قسمتی از COD (50٪-40) از فاضلاب نساجی بسیار موثر است.
تصفیه با Lime ویا Lime همراه با کلرید منیزیم به علت افزایش تولید لجن پیشنهاد نمی شود.
آلوم و آلوم به همراه پلیمر کاتیونی، رنگ را تا 94٪ حذف می کنند. استفاده از آلوم به همراه پلیمر کاتیونی نه تنها برای بالا بردن حذف رنگ بلکه به خاطر کاهش تولید لجن سودمند است و اگر کارخانجات نساجی به شبکه جمع آوری فاضلاب وصل نباشند تصفیه ثانوی با استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی هوازی پیشنهاد می شود.
فرآیند انعقاد شیمیایی با استفاده از آلوم به کمک cytec قبل تصفیه رنگ فاضلاب با SBR در HRT کل 6.35 ساعت برای حذف رنگ COD ، BOD5، TSS و روغن و چربی بسیار موثر است و بازدهی حذف کلی برای COD 80.9٪، برای BOD5 92.6٪، برای TSS 93.8٪ و برای روغن و چربی 92.2٪ است.
منابع و ماخذ
کتاب اصول تصفیه آب، مهندس مرتضی حسینیان
www.wikipedia.org
www.absunwater.com
www.powellwater.com
www.sciencedirect.com
Evaluating Coagulants for Water Treatment ppt, Kari Duncan & Doug Wise
Coagulation and Flocculation in Water Treatment ppt, J(Hans) van Leeuwen