زلال سازی و انعقاد سازی (Coagulation) ناخالصی های آب

زلال سازی

زلال سازی روشی است که برای جدا ساختن ذرات از آب به کار می رود. ذرات موجود در آب دارای اندازه های مختلفی هستند که ابعاد آنها از چند آنگستروم (مواد محلول) تا چند سانتیمتر (مواد معلق) می باشد. ذرات درشت را می توان توسط شبکه، توری و یا فرایند ساکن نمودن مایع در حوضچه های ته نشینی جدا کرد. هرچه ذرات معلق کوچک تر باشند جدا سازی آنها مشکل تر خواهد بود. برای جدا کردن این ذرات با توجه به طبیعت نوع ذرات و تمایل آنها به ته نشینی، شناوری یا معلق ماندن روش های مختلفی را می توان انتخاب نمود.

زلال سازی شامل فرایندهای انعقاد، لخته سازی و ته نشینی است. در عمل انعقاد، با اضافه کردن مواد شیمیایی به آب ذرات را آماده چسبیدن به یکدیگر و تشکیل ذرات درشت تر می کنند که می تواند به دلیل خنثی شدن بارهای الکتریکی باشد. بی بار شدن ذرات ریز سبب حذف نیروی دافعه بین ذرات می شود. در ضمن فرایند انعقاد می تواند تیرگی ناشی از مواد آلی و معدنی، انواع میکروارگانیسم ها، رنگ ها و فسفات را کاهش دهد و یا حذف نماید.

مرحله بعدی زلال سازی لخته سازی است. در این مرحله مواد منعقد شده از طریق بهم زدن آرام به یکدیگر نزدیک می شوند و ذرات بزرگ تری را به وجود می آورند که راحت تر ته نشین می گردند. البته عمل بهم زدن باید با دقت انجام شود تا لخته های به وجود آمده از هم پاشیده نشوند. بعد از لخته گذاری نوبت به مرحله ته نشینی می رسد. در این مرحله ذراتی که منعقد و لخته شده اند دارای شرایط مناسبی برای رسوب کردن می شوند و آب زلال شده به دست می آید.

مواد و تجهیزات مورد استفاده در فرایند زلال سازی باید به شیوه مناسبی به کار گرفته شود تا این عمل کارایی خوبی داشته باشد.

موفقیت در این فرایند به موارد زیر بستگی دارد:

• مقدار صحیح مواد شیمیایی اضافه شده.
• نقطه مناسب تزریق در سیستم.
• میزان و سرعت بهم خوردن آب.

مواد شیمیایی افزودنی می توانند شامل مواد منعقد کننده، مواد تنظیم کننده pH و گاهی هم مواد کمک منعقد کننده برای بالا بردن بازده، می باشند.

انعقاد سازی (Coagulation)

مهیا نمودن ذرات ریز برای تبدیل آنها به ذرات درشت تر که قابلیت ته نشینی بیشتری دارند به دو عامل زیر بستگی دارد:

الف) تحرک ذرات

ب) ناپایداری ذرات

بر حسب اینکه نحوه نزدیک شدن ذرات ریز به یکدیگر چگونه صورت بگیرد، دو نوع مکانیسم انعقاد سازی وجود دارد.

الف) انعقاد سازی ارتوسینتیک: بر پایه برخورد ذرات به علت حرکت سیال می باشد که به طور مکانیکی صورت گرفته است.

ب) انعقاد سازی الکتروسینتیک: این مکانیسم بر پایه ناپایدار کردن ذرات کلوئیدی می باشد.

انعقاد سازی ارتوسینتیکی

به طور کلی برخورد بین ذرات می تواند به صورت های زیر باشد:

الف) برخورد ناشی از جنبش گرمایی (حرکت براونی)

که برای ذرات کوچک تر از یک میکرون وجود دارد. ذرات ریز موجود در یک محلول به سبب برخورد با یکدیگر و به علت جرم بسیار کم به طور دائم در حال تغییر مسیر بوده و مسیر حرکت آنها به صورت زیگزاگ می باشد.

ب) برخورد ناشی از به هم خوردن مکانیکی مایع

در اثر هم زدن، سرعت ذرات درون مایع تغییر می کند و ذراتی که با سیال حرکت می کنند سرعت های متفاوتی دارند. این تفاوت سرعت موجب برخورد بین این ذرات می شود که انعقاد سازی ارتوسینتیکی نامیده می شود.

پ) برخورد ناشی از ته نشینی

ذرات درشت تر هنگام ته نشینی به علت سرعت بیشتری که دارند با ذرات کوچک تر که دارای سرعت کمتری هستند برخورد می کنند.

انعقاد سازی الکتروسینتیکی

این مکانیسم بر اساس ناپایدار کردن ذرات است. منظور از ذره پایدار ذره ای است که بتواند به طور مستقل در آب وجود داشته باشد. عواملی که سبب تعادل و رسوب نکردن ذرات می باشند وجود نیروهای مخالف است.

• نیروی واندروالس که همان اثر جاذبه جرم است و در جهت نزدیک کردن ذرات است.
• نیروی الکتروستاتیکی که یک نیروی دافعه است و دو ذره را از هم دور می کند و به دلیل تداخل پتانسیل بار الکتریکی ذرات می باشد، زیرا ذرات موجود در آب به دلیل جذب یون ها روی سطح خود معمولا باردار هستند.

تئوری لایه مضاعف الکتریکی برای بیان نحوه آرایش یون ها در اطراف یک ذره به کار گرفته می شود. برای شرح این تئوری فرض می شود یک ذره سیلیس بدون آب با قطر کوچک تر از بزرگ ترین ذره کلوئیدی (10^-7CM) از خارج وارد آب می گردد. اگر تعداد مولکول های سیلیس، M فرض شود تعداد n مولکول آن در سطح ذره و در مجاورت آب واقع می شود و می تواند سیلیسیک اسید تولید کند. اگر x مولکول از این اسیدها یونیزه شوند قشر نازکی را در اطراف ذره تشکیل می دهند که به نام قشر جذب نامیده می شود.

در اثر یونیزاسیون اسید تعدادی یون H⁺ به وجود می آید که در اطراف ذره کلوئیدی با بار منفی جمع می شود و تعدادی هم وارد قشر جذب می شود.

یون های H⁺ یا کاتیون های دیگر در اطراف لایه جذب را قشر نفوذ می نامند که با علامت A در شکل مشخص شده اند.یون های مثبت داخل این قشر، کمتر از حدی است که بتواند بار منفی ذره را خنثی کند و سبب ظاهر شدن آثار الکتریکی ذره کلوئیدی می شود.

دامنه نفوذ پتانسیل دافعه، تحت تاثیر قدرت یونی (تعداد یون ها و ظرفیت هر یک از آنها) می باشد که با افزودن یک الکترولیت به محلول این دامنه کاهش می یابد. اگر نیروی جاذبه واندروالس و دافعه الکتروستاتیک را در نمودار شکل زیر با منحنی های A و R مشخص کنیم، منحنی میانی بیانگر حالت تعادل بین دو ذره در حداقل انرژی می باشد P_m می باشد که در آن فاصله دو ذره به صفر رسیده است.

به تدریج که فاصله دو ذره کم می شود انرژی بین دو ذره باید از نقطه ماکسیمم منحنی S بگذرد که مقدار انرژی آن E_b است. تنها نیروئی که سبب عبور از این ماکسیمم انرژی می گردد انرژی سینتیک ذرات است (در مخزن آزمایش جار). انرژی را با مخلوط کردن و بهم زدن سریع محلول ایجاد می کنند. در این صورت حالت کلوئیدی از بین می رود و یا کاهش می یابد، زیرا این امر سبب می شود که تجمع یون ها با بار مخالف در فضای اطراف ذره کلوئیدی زیاد گردد و ذره خنثی می شود و در این صورت انرژی دافعه بین ذرات کلوئیدی کاهش می یابد و منحنی انرژی دافعه رو به نقصان می گذارد.

تاثیر افزودن الکترولیت در صورتی که یون های آن چند ظرفیتی باشند، چند برابر می شود. کم کردن فاصله ذرات و کاستن نیروی دافعه الکتروستاتیکی بین دو ذره مهم ترین پارامترها در فرایند زلال سازی می باشند. هم زدن سریع محلول نیز انرژی جنبشی ذرات را افزایش می دهد. در اولین مرحله انعقاد سازی ذرات نامحلول کوچکی، به نام میکروفلاک تشکیل می گردد. این میکروفلاک ها به نوبه خود به لحاظ خاصیت جذب سطحی، قادرند ذرات کلوئیدی دیگر را به دور خود جمع کنند. به این عمل مجموعه سازی می گویند.

به دلیل اینکه اکثر ذرات کلوئیدی در آب دارای بار منفی هستند، برای پیشرفت انعقاد سازی لازم است یون های فلزی با ظرفیت بالا وارد محلول گردند. غلظت های بسیار کمی از یون های آزاد Al³⁺ و Fe³⁺ در محیط برای منعقد کردن ذرات کافی است. یون های دو ظرفیتی 30 تا 60 مرتبه موثرتر از یون های تک ظرفیتی و یون های سه ظرفیتی 700 تا 1000 مرتبه موثرتر از یون های تک ظرفیتی عمل می کنند. طبق نظریات جدید یون های آهن و آلومینیوم به تنهایی در پدیده انعقاد سازی شرکت نمی کنند، بلکه در واقع یون هیدرولیز شده آنها در این پدیده فعال است.

لخته سازی (Flocculation)

به وسیله هم زدن محلول به صورت آرام می توان احتمال برخورد بین لخته های ریز را افزایش داد و به این طریق ذرات درشت تری به وجود آورد که این عمل را لخته سازی می نامند. عمل هم زدن توسط پاروهایی که دارای سرعت کم هستند، می تواند انجام شود. در بعضی مواقع نصب تیغه ها و صفحات ثابت بین پاورها که باعث قطع گردش مایع می شود عمل هم زدن را انجام می دهند. عمل هم زدن و تلاطم تولید شده نباید به اندازه ای باشد که انرژی سینتیک ذرات معلق زیاد شده و در اثر برخورد با یکدیگر متلاشی شوند و به ذرات کوچکتر تبدیل گردند. دستگاه های لخته سازی را می توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

• دستگاه های لخته سازی مجهز به مانع سرعت.
• دستگاه های لخته سازی مجهز به همزن.
• دستگاه های مجهز به همزن و مانع سرعت.

عوامل موثر در فرایند

مهم ترین عامل موثر در فرایند زلال سازی pH محیط است. بهترین pH نه تنها به نوع ماده منعقد کننده بلکه به خواص مواد موجود در آب هم بستگی دارد. pH مناسب برای هر ماده منعقد کننده متفاوت است. pH محیط باید به اندازه ای باشد که رسوب ایجاد شده کمترین حلالیت را داشته باشد.

آب های خام هیچ گاه خالص نیستند و املاح و مواد معلقی در آنها وجود دارد که روی انعقاد و لخته سازی و به طور کلی فرایند زلال سازی تاثیر می گذارند. هر چه کل مواد جامد محلول در آب (T.D.S.) بیشتر باشد زمان انعقاد کمتر است. افزایش مدت هم زدن موجب عدم تجمع و پایداری مجدد ذرات ریز در آب های دارای T.D.S. زیاد می شود. معمولا برای جبران کمبود قلیائیت آب از آهک به جای سود استفاده می شود زیرا کلسیم در انعقاد سازی بهتر از سدیم عمل می کند. به دلیل اینکه ذرات رنگ در آب ها لخته های سبک تری ایجاد می کنند، انعقاد سازی و ته نشینی آنها از ذراتی که سبب کدریت آب می شود، دشوارتر است.

عامل موثر دیگر در فرایند زلال سازی دمای محیط است، زیرا در دمای کم تمایل لخته ها به ته نشینی کاهش می یابد. در چنین شرایطی می توان دمای آب را بالاتر برد یا از مواد کمک منعقد کننده استفاده کرد. زمان و نحوه افزایش مواد شیمیایی در عملکرد فرایند زلال سازی موثر است. به طور کلی ترتیب افزودن مواد می تواند به صورت زیر باشد:

• کلر.
• خاک رس بنتونیت.
• مواد معدنی اولیه یا منعقد کننده های پلیمر.
• مواد تنظیم کننده pH.
• منعقد کننده های کمکی.

کلر می تواند آلودگی های آبی موجود در آب را که موجب پراکنده شدن ذرات می گردند، از بین ببرد. افزودن کلر قبل از مواد منعقد کننده اولیه باعث کاهش نیاز به این مواد می شود. به عنوان مثال اگر پلیمرهای آنیونی در هنگام تشکیل لخته به آب اضافه شوند، اندازه و وزن لخته ها زیاد می شود و عمل ته نشینی بهتر و در زمان کمتری صورت می گیرد. زمانی که قلیائیت آب به حد کافی نیست ترتیب افزودن مواد بسیار مهم است. برای مثال در هنگام استفاده از آلوم به عنوان ماده منعقد کننده ابتدا pH محیط با افزایش آلوم کاهش می یابد تا کمپلکس آلومینیوم ایجاد شده و پتانسیل الکتریکی ذرات را کاهش دهد. سپس pH به محدوده مناسب برای رسوب دادن آلومینیوم رسانده می شود.

بیشتر مواد شیمیایی در زمانی به آب اضافه می شوند که اختلاط به شدت انجام می گیرد تا جذب سطحی کاتیون روی ماده در حال تعلیق زیاد گردد. ولی مواد منعقد کننده در شرایط اختلاط متوسط اضافه می گردند تا هنگام ایجاد اتصال که مختص مواد پلیمری است اشکالی ایجاد نشود. در محفظه لخته گذاری، باید به هم خوردن ملایم و آهسته باشد تا لخته ها ذرات معلق رنگ و کدیریت را در خود حبس کنند و به خوبی ته نشین شوند.