انعقاد شیمیایی در تصفیه آب: فرآیند، منعقد کننده ها و نقش PAM

انعقاد شیمیایی یک فرآیند تصفیه آب و فاضلاب است که از عوامل شیمیایی برای بی ثبات کردن ذرات معلق، کلوئیدها و مواد آلی محلول استفاده می کند تا بتوان آنها را انباشته و از محلول خارج کرد. این یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین مراحل هم در تصفیه آب آشامیدنی و هم در تصفیه پساب صنعتی است که پایه‌های گسترده‌تر قطار تصفیه انعقاد-لخته‌سازی-رسوب را تشکیل می‌دهد.

برای درک اینکه چرا انعقاد ضروری است، درک اینکه چرا ذرات ریز در مقابل ته نشین شدن خود به خود مقاومت می کنند کمک می کند. بیشتر ذرات معلق و کلوئیدها در آب دارای بار سطحی خالص منفی هستند. این بار یک دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات همسایه ایجاد می کند و آنها را در حالت تعلیق پایدار پراکنده نگه می دارد - گاهی اوقات به طور نامحدود. گرانش به تنهایی نمی تواند بر این دافعه برای ذرات کوچکتر از تقریباً 10 میکرومتر غلبه کند، که شامل جامدات کلوئیدی، خاک رس ریز، درشت مولکول های آلی و سلول های میکروبی است که مشکل سازترین بخش آب کدر را تشکیل می دهند.

انعقاد شیمیایی با وارد کردن گونه هایی با بار مثبت به آب کار می کند که این بارهای سطحی را خنثی می کنند. هنگامی که نیروهای دافعه کاهش یا حذف شدند، نیروهای جاذبه واندروالسی بین ذرات غالب می شوند و ذرات شروع به برخورد و چسبیدن به یکدیگر می کنند - فرآیندی که به آن بی ثباتی می گویند. ریز لخته‌های حاصل هنوز در این مرحله کوچک هستند، اما اکنون در معرض اختلاط ملایم و پل زدن پلیمری مرحله لخته‌سازی بعدی هستند، که آنها را به دانه‌های بزرگ، متراکم و قابل ته‌نشینی تبدیل می‌کند.

▶ انعقاد در مقابل لخته سازی: درک تفاوت

انعقاد و لخته سازی اغلب به جای یکدیگر استفاده می شوند، اما دو مکانیسم متمایز و متوالی را توصیف می کنند. گیج شدن آنها منجر به طراحی نامناسب توالی دوز، شدت اختلاط نادرست و عملکرد نابهینه درمان می شود.

انعقاد یک فرآیند شیمیایی است در عرض چند ثانیه پس از افزودن منعقد کننده تحت اختلاط سریع و پرانرژی رخ می دهد. منعقد کننده - معمولاً یک نمک فلزی غیر آلی یا یک پلیمر آلی مصنوعی - بار سطحی ذرات معلق را خنثی می کند و تشکیل ریز لخته های اولیه را آغاز می کند. هنوز هیچ تغییری در اندازه ذرات با چشم غیرمسلح مشخص نیست. متغیر عملیاتی کلیدی در این مرحله pH است که زایی و اثربخشی منعقد کننده را کنترل می کند.

لخته سازی یک فرآیند فیزیکی است که به دنبال انعقاد می آید. تحت اختلاط آهسته و ملایم، ریز لخته‌های بی‌ثبات شده با هم برخورد می‌کنند و توسط پلیمرهای لخته‌ساز با وزن مولکولی بالا - که معمولاً پلی آکریل آمید هستند - به یکدیگر پل می‌شوند و به تدریج بزرگ‌تر و متراکم‌تر به نام لخته می‌شوند. این لخته‌ها قابل مشاهده هستند، اغلب به قطر چند میلی‌متر، و به اندازه‌ای سنگین هستند که تحت گرانش قرار بگیرند یا توسط رسانه‌های فیلتراسیون گرفته شوند. متغیر عملیاتی کلیدی در این مرحله، شدت اختلاط است: بیش از حد قوی و لخته ها از هم جدا می شوند. بسیار ملایم و فرکانس برخورد برای رشد کافی نیست.

در عمل، این دو مرحله به ترتیب در یک ظرف تصفیه یا در اتاقک‌های مخصوص مخلوط سریع و آهسته اجرا می‌شوند. هیچ یک از مراحل بدون دیگری مؤثر نیست - انعقاد بدون لخته‌سازی باعث می‌شود که لخته‌های ریز برای ته نشین شدن خیلی کوچک باشند، در حالی که لخته‌سازی بدون لخته‌سازی با شکست مواجه می‌شود، زیرا ذرات بدون بار قابل پل زدن نیستند.

▶ منعقد کننده های شیمیایی رایج و نحوه عملکرد آنها

منعقد کننده های شیمیایی به دو دسته کلی تقسیم می شوند: نمک های فلزی غیر آلی و پلیمرهای آلی. اکثر سیستم های تصفیه صنعتی و شهری از یک منعقد کننده معدنی به عنوان عامل خنثی کننده بار اولیه استفاده می کنند که اغلب با یک کمک لخته ساز آلی مانند پلی آکریل آمید برای تکمیل مرحله لخته سازی ترکیب می شود.

در این میان، پلی آلومینیوم کلرید (PAC) به منعقد کننده غالب در تصفیه صنعتی مدرن تبدیل شده است به دلیل ساختار پیش هیدرولیز شده آن، که گونه های هیدروکسید آلومینیوم فعال را مستقیماً بدون نیاز به ظرفیت بافر آب برای هدایت هیدرولیز ارائه می دهد. PAC به طور موثر در محدوده pH وسیع تری نسبت به آلوم معمولی عمل می کند و معمولاً برای دستیابی به حذف کدورت معادل به دوز کمتری نیاز دارد و حجم لجن کمتری در این فرآیند تولید می کند. هنگامی که حذف فسفر یک هدف درمانی است یا زمانی که pH ورودی به طور طبیعی پایین است، منعقد کننده های مبتنی بر آهن ترجیح داده می شوند.

▶ فرآیند انعقاد-لخته سازی مرحله به مرحله

یک سیستم لخته سازی انعقادی که به خوبی طراحی شده است، آب را در چهار مرحله مجزا حرکت می دهد که هر مرحله دارای شرایط اختلاط خاص، زمان ماند و نقاط افزودن شیمیایی است. درک هدف هر مرحله برای تشخیص مشکلات عملکرد و بهینه سازی استفاده از مواد شیمیایی ضروری است.

مرحله 1 - اختلاط سریع (فلش میکس)

منعقد کننده به جریان آب ورودی تزریق می شود و با استفاده از اختلاط با شدت بالا در عرض چند ثانیه به طور یکنواخت پراکنده می شود (مقدار G معمولاً 300-1000 s-1). هدف توزیع کامل و آنی ماده منعقد کننده در کل حجم آب است. اختلاط ناکافی در این مرحله منجر به ایجاد مناطق با دوز بیش از حد موضعی و آب فله ای تصفیه نشده می شود. زمان اقامت کوتاه است - معمولاً 30 ثانیه تا 2 دقیقه.

مرحله 2 - اختلاط آهسته (لخته شدن)

پس از اختلاط سریع، آب به یک حوضه لخته سازی می رود که در آن شدت اختلاط به شدت کاهش می یابد (مقدار G 10-75 s-1). فلوکولانت - پلی آکریل آمید در اکثر سیستم های صنعتی - در ابتدای این مرحله اضافه می شود. اختلاط ملایم و مخروطی در طی 15 تا 45 دقیقه به ریز لخته‌ها اجازه می‌دهد تا بدون شکستگی ناشی از برش با هم برخورد کنند و به تدریج رشد کنند. گرادیان اختلاط اغلب به گونه‌ای طراحی می‌شود که طی مراحل در حوضه کاهش یابد و لخته‌های بزرگ‌تر و قوی‌تر به سمت انتهای خروجی تولید شود.

مرحله 3 - رسوب گذاری (روشن سازی)

آب لخته شده وارد یک زلال ساز یا مخزن ته نشینی می شود که در آن سرعت جریان به نزدیک صفر می رسد و به لخته ها اجازه می دهد تحت گرانش ته نشین شوند. زلال‌کننده‌های مستطیلی یا دایره‌ای معمولی نرخ سرریز سطحی 0.5-2.5 متر در ساعت را برای اکثر کاربردهای شهری و صنعتی هدف قرار می‌دهند. لجن ته نشین شده در پایین جمع آوری می شود و به طور مداوم یا به صورت دسته ای برای آبگیری پایین دست خارج می شود.

مرحله 4 - فیلتراسیون (صیقل دادن)

حتی پس از ته نشینی، کسری از ذرات لخته ریز در پساب شفاف شده باقی می ماند. فیلتراسیون گرانولی - ماسه، آنتراسیت یا بسترهای دوگانه - این جامدات باقیمانده را جذب می کند و کدورت را به استانداردهای تخلیه نهایی یا استفاده مجدد می رساند. در سیستم‌هایی که محدودیت‌های نظارتی سخت‌گیرانه هستند، فیلتراسیون غشایی ممکن است جایگزین یا مکمل رسانه‌های دانه‌ای در این مرحله شود.

▶ چگونه پلی آکریل آمید انعقاد شیمیایی را افزایش می دهد

منعقد کننده های غیر آلی به تنهایی قادر به بی ثبات کردن ذرات و تشکیل ریز لخته ها هستند، اما به ندرت برای تولید لخته های بزرگ، متراکم و سریع ته نشین شده مورد نیاز برای شفاف سازی کارآمد کافی هستند. اینجاست که پلی آکریل آمید تصفیه آب (PAM) نقش حیاتی خود را در فرآیند انعقاد-لخته سازی ایفا می کند.

مکانیسم پل زدن

پلی آکریل آمید یک پلیمر با وزن مولکولی بالا - معمولاً بین 5 تا 25 میلیون دالتون - است که ساختار زنجیره ای گسترده آن به یک مولکول اجازه می دهد تا به طور همزمان روی چندین ذره جذب شود. این مکانیسم پل زدن پلیمری، میکرو لخته‌ها را به‌مراتب مؤثرتر از خنثی‌سازی بار به تنهایی به توده‌های بزرگ‌تر پیوند می‌دهد. نتیجه لخته‌هایی است که نه تنها بزرگ‌تر هستند، بلکه از نظر ساختاری قوی‌تر و در هنگام پمپاژ و آب‌گیری در برابر برش مقاوم‌تر هستند. استحکام لخته و قابلیت ته نشینی دو پارامتر عملکردی هستند که مستقیماً با افزودن PAM بهبود یافته اند.

انتخاب نوع PAM مناسب

PAM در اشکال آنیونی، کاتیونی و غیریونی موجود است و انتخاب نوع یونی صحیح به اندازه انتخاب منعقد کننده مناسب اهمیت دارد. این تصمیم در درجه اول به بار سطحی ریز لخته های تولید شده پس از افزودن منعقد کننده بستگی دارد:

• PAM آنیونیک بعد از اینکه یک ماده منعقد کننده معدنی مانند PAC یا آلوم سطوح لخته ای با بار مثبت ایجاد کرد، بهترین عملکرد را دارد. زنجیره های PAM با بار منفی بین این سایت های مثبت پل می شوند. فلوکولانت های پلی آکریل آمید آنیونی انتخاب استاندارد در تصفیه آب آشامیدنی، شفاف سازی باطله معدن، و بیشتر فرآیندهای شفاف سازی صنعتی که در آن یک منعقد کننده معدنی در بالادست استفاده می شود.
• PAM کاتیونی هنگامی که جامدات معلق دارای بار منفی قوی هستند، زمانی که بار آلی زیاد است، یا زمانی که کاربرد در درجه اول آبگیری لجن و شناورسازی هوای محلول است، ترجیح داده می شود. را فلوکولانت پلی آکریل آمید کاتیونی می تواند هم خنثی سازی بار و هم پل زدن را به طور همزمان انجام دهد و نیاز به یک منعقد کننده معدنی جداگانه را در برخی کاربردها کاهش دهد یا از بین ببرد.
• PAM غیر یونی در آب های با قدرت یونی پایین یا جایی که PH افراطی باعث می شود پلیمرهای باردار کارایی کمتری داشته باشند، مانند در برخی کاربردهای معدنی و میدان نفتی استفاده می شود.

توالی دوز و پارامترهای عملی

توالی افزودن صحیح بسیار مهم است: منعقد کننده معدنی باید ابتدا اضافه شود و اجازه داده شود تا قبل از معرفی PAM، تحت اختلاط سریع خنثی سازی بار کامل شود. افزودن PAM خیلی زود - قبل از تشکیل میکروفلوک - پلیمر را هدر می دهد و در واقع می تواند با اشباع کردن سطح ذرات قبل از تشکیل مکان های پل زدن، ذرات را تثبیت کند. پارامترهای کلیدی آماده سازی PAM در سیستم های انعقادی:

• قبل از دوز، PAM را در محلول 0.1-0.3% w/v در آب تمیز حل کنید.
• قبل از استفاده حداقل 45 دقیقه زمان هیدراتاسیون را در نظر بگیرید.
• سرعت نوک همزن را زیر 3 متر بر ثانیه نگه دارید تا از تخریب زنجیره پلیمری جلوگیری شود.
• دوز PAM را در ورودی به مرحله لخته سازی آهسته مخلوط کنید، نه در نقطه اختلاط سریع.
• محدوده دوز موثر معمولی: 0.1-5 میلی گرم در لیتر، با آزمایش شیشه روی آب محل واقعی تایید شده است.

▶ انتخاب منعقد کننده: تطبیق شیمی با آب شما

فرآیند انتخاب باید بر اساس شیمی خاص پساب، کیفیت پساب هدف و مراحل تصفیه پایین دستی موجود هدایت شود. چارچوب زیر نقطه شروعی را برای تطبیق شیمی انعقاد با سناریوهای رایج تصفیه صنعتی و شهری ارائه می دهد. برای برنامه های خاص سایت، طیف کاملی را ببینید کاربردهای میدانی تصفیه آب .

آزمایش جار - انجام آزمایش‌های انعقاد در مقیاس کوچک با آب واقعی محل در طیف وسیعی از دوزهای منعقدکننده و درجه‌های PAM - مطمئن‌ترین روش برای تأیید انتخاب قبل از انجام خرید مواد شیمیایی در مقیاس کامل است. نتایج حاصل از آزمایش های jar باید شامل اندازه گیری کدورت ته نشین شده، اندازه لخته، سرعت ته نشینی و شفافیت مایع رویی در هر شرایط آزمایشی باشد.

▶ مشکلات رایج انعقاد و نحوه رفع آنها

حتی سیستم های انعقادی که به خوبی طراحی شده اند نیز با مشکلات عملکردی مواجه می شوند. بیشتر مشکلات به یکی از چهار علت اصلی باز می گردد: دوز نادرست منعقد کننده، عدم تطابق pH، شرایط اختلاط نامناسب، یا درجه اشتباه PAM. چارچوب تشخیصی زیر بیشترین خرابی ها را پوشش می دهد.

الف) لخته ضعیف یا نقطه‌ای که ته نشین نمی‌شود

لخته های کوچک و پراکنده که از ته نشین شدن امتناع می ورزند، معمولاً نشانه ای از مصرف کم PAM، زمان لخته سازی ناکافی، یا شدت اختلاط بیش از حد بالا در مرحله اختلاط آهسته هستند. ابتدا غلظت ترمیم PAM و زمان هیدراتاسیون را بررسی کنید - پلیمرهای نیمه حل شده ژل‌های ژل چشم ماهی را تشکیل می‌دهند که هیچ فعالیت پل زدنی ایجاد نمی‌کنند. اگر تأیید شد که ترکیب کافی است، همزمان با نظارت بر اندازه لخته، دوز PAM را به تدریج افزایش دهید، و بررسی کنید که مقادیر آهسته G در محدوده 10-75 s-1 باشد.

ب) از هم گسیختگی لخته و سوپرناتانت کدر پس از شفافیت اولیه

لخته ای که به خوبی تشکیل می شود اما در حین انتقال به زلال ساز از هم جدا می شود نشان دهنده آسیب برشی در پروانه های پمپ یا خم شدن لوله است. لخته شکننده همچنین می تواند ناشی از مصرف بیش از حد PAM باشد که یک لایه فضایی دافعه در اطراف ذرات بیش از حد اشباع شده ایجاد می کند. دوز PAM را کاهش دهید و ارزیابی کنید که آیا رشد مجدد لخته تحت اختلاط ملایم رخ می دهد یا خیر. اگر علت برش است، PAM اضافی را به نقطه ای از پایین دست پمپ که در آن جریان آرام است، منتقل کنید.

ج) آلومینیوم یا آهن باقیمانده بالا در پساب زلال شده

یون های فلزی منعقد کننده باقیمانده در آب تصفیه شده، عملکرد pH را در خارج از پنجره بهینه بارش هیدروکسید نشان می دهد. حلالیت آلومینیوم به شدت زیر PH 6 و بالاتر از PH 8 افزایش می یابد - هر دو شرایط گونه های آلومینیوم محلول را تولید می کنند که از طریق ته نشینی و فیلتراسیون عبور می کنند. کنترل pH را برای حفظ پساب در محدوده 6.5-7.5 برای منعقد کننده های مبتنی بر آلومینیوم و 5.5-8.5 برای سیستم های مبتنی بر آهن محکم کنید.

د) حجم لجن بیش از حد

مصرف بیش از حد مواد منعقد کننده یک علت شایع تولید لجن غیرضروری و افزایش هزینه های دفع است. منعقد بیشتر همیشه به معنای شفاف سازی بهتر نیست - فراتر از دوز بهینه، منعقد کننده اضافی به سادگی تبدیل به لجن می شود. آزمایش‌های شیشه‌ای را مجدداً برای تعیین حداقل دوز مؤثر و بررسی انتخاب درجه PAM انجام دهید: یک PAM با وزن مولکولی بالاتر که لخته‌های قوی‌تری در دوزهای کمتر منعقدکننده ایجاد می‌کند، اغلب مقرون‌به‌صرفه‌ترین راه‌حل برای حجم‌های لجن بالا است.

▶ نتیجه گیری

انعقاد شیمیایی سنگ بنای تصفیه آب و فاضلاب در کاربردهای شهری، صنعتی و معدنی است. اثربخشی آن به چیزی بیشتر از افزودن یک منعقدکننده بستگی دارد - عملکرد بهینه نیاز به انتخاب صحیح منعقدکننده، کنترل دقیق pH، افزودن مواد شیمیایی به ترتیب توالی مناسب و کمک فلوکولانت پلی آکریل آمید مناسب برای تکمیل فرآیند لخته سازی دارد. هنگامی که این عناصر در یک راستا قرار می گیرند، سیستم های انعقاد-لخته سازی به طور مداوم حذف کدورت بالا، جداسازی موثر آلاینده ها، و حجم لجن قابل کنترل را با هزینه عملیاتی رقابتی به دست می آورند.

پلی آکریل آمید همه کاره ترین و پرمصرف ترین کمک لخته ساز در سیستم های انعقاد شیمیایی در سراسر جهان است. انتخاب نوع یونی مناسب، وزن مولکولی و چگالی بار برای یک ماتریس آب خاص - و تهیه و دوز صحیح آن - چیزی است که یک سیستم با عملکرد خوب را از سیستمی که مواد شیمیایی اضافی مصرف می‌کند و برای رسیدن به محدودیت‌های تخلیه تلاش می‌کند جدا می‌کند.

Jiangsu Hengfeng Fine Chemical Co., Ltd. طیف گسترده ای از گریدهای پلی آکریل آمید آنیونی، کاتیونی و غیر یونی را تولید می کند که برای کاربردهای لخته سازی-انعقادی در تصفیه آب، فاضلاب صنعتی و آبگیری لجن مهندسی شده است. با پشتیبانی آزمایشگاهی داخلی، تیم فنی Hengfeng می‌تواند در انتخاب درجه، پروتکل‌های آزمایش شیشه و بهینه‌سازی دوز برای سیستم درمانی خاص شما کمک کند. برای بحث در مورد اهداف شیمیایی و تصفیه آب با ما تماس بگیرید.