معرفی و کاربرد آنتی اسکالانت ها

معرفی آنتی اسکالانت

آنتی اسکالانت ها ترکیبات شیمیایی هستند که به منظور جلوگیری از تشکیل رسوب در سیستم های آبی طراحی شده اند. این ترکیبات با جلوگیری از تشکیل رسوب ها بر روی سطوح میتواند موجب افزایش کارایی عملیاتی و کاهش هزینه های نگهداری در تصفیه آب های صنعتی، استخراج نفت و گاز و فرآیندهای نمک زدایی شوند.

تعداد زیادی مواد شیمیایی وجود دارد که می توانند به عنوان ضد رسوب برای بهبود عملکرد سیستم هایROو نانوفیلتراسیون (NF) مورد استفاده قرار گیرند.

بیشتر آنتی اسکالانت ها پلیمرهای آلی ساخته دست بشر هستند (به عنوان مثال، اسیدهای پلی اکریلیک، اسیدهای کربوکسیلیک، اسیدهای پلی مالئیک، ارگانوفسفات ها، پلی فسفات ها، فسفونات ها، پلیمرهای آنیونی و غیره). وزن مولکولی این پلیمرها می تواند بین 2000 تا 10000 دالتون باشد.

فناوری آنتی اسکالانت برای سیستم‌هایROدر ابتدا از شیمی‌های مورد استفاده در سیستم های خنک کننده آب و دیگ بخار مشتق شد. لازم به ذکر است که تعداد زیادی از آنتی اسکالانت های مختلف که تکامل یافته اند، بسته به کاربرد و پلیمر آلی مورد استفاده، نتایج و کارایی گسترده ای را ایجاد کرده اند. با این حال، آنها باید با احتیاط استفاده شوند.

مکانیسم های عملکرد آنتی اسکالانت ها در پیشگیری از تشکیل رسوب

آنتی اسکالانت ها با اختلال در فرآیندهای بلورین شدن مواد معدنی تشکیل دهنده رسوب عمل می کنند. این کار عمدتاً از طریق دو مکانیسم صورت می گیرد:

پیشگیری از اشباع شدگی: پیشگیری از اشباع شدگی به توانایی آنتی اسکالانت ها برای اجازه دادن به غلظت بالاتری از یون های رسوب زا در محلول بدون تشکیل رسوب های جامد اشاره دارد و در واقع نقطه اشباع را افزایش می دهد.

پیشگیری از تشکیل بلور: پیشگیری از تشکیل بلور نیز شامل تغییر در رشد بلورهای رسوب است، چه از طریق تغییر شکل آن ها و چه از طریق جلوگیری از تجمعشان، که آن ها را در محلول معلق نگه می دارد.

انواع آنتی اسکالانت ها و کاربردهای آن ها در کنترل رسوبات

انواع مختلفی از آنتی اسکالانت ها بسته به نیازهای خاص، کاربرد و نوع رسوب های موجود در سیستم دسته بندی های گوناگونی دارند. دسته های رایج شامل موارد زیر است:

1. فسفونات ها: این مواد به دلیل اثربخشی در کنترل رسوب ها کربنات کلسیم و فسفات، به ویژه در سیستم های اسمز معکوس، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

2. پلی اکریلات ها: این مواد به خاطر تنوعشان حائز اهمیت هستند و می توانند بطور مؤثری طیف وسیعی از رسوب ها، از جمله کربنات کلسیم و سولفات ها را مدیریت کنند.

3.اسیدهای آلی: این ترکیبات می توانند رسوب های موجود را حل کنند و همچنین در برخی شرایط به عنوان آنتی اسکالانت های کارآمدی عمل کنند.

4. عوامل کیلیت کننده: این عوامل با یون های فلزی پیوند برقرار می کنند و به این طریق از شرکت آن ها در فرآیندهای تشکیل رسوب جلوگیری می کنند.

آنتی اسکالانت های ساخته شده از پلی اکریلیک اسید

آنها مستعد تشکیل یک رسوب هستند که در صورت وجود سطوح بالای آهن روی سطح غشا می نشیند. این رسوب فشار خوراک را افزایش می‌دهد، اما معمولاً می‌توان آن را با تمیز کردن باpHپایین تمیز کرد.

آنتی اسکالانت هایی که ماهیت آنیونی دارند (به عنوان مثال، اسیدهای پلی اکریلیک)

 آنتی اسکالانتی که از زمان های دور درROرایج بود، سدیم هگزامتافسفات(SHMP)بود، که استفاده از آن با ظهور آنتی اسکالانت های اختصاصی به دلیل یکسری محدودیت ها ، بسیار کاهش یافت.

رایج ترین مواد معدنی مورد توجه عبارتند از:

• کربنات کلسیم (CaCO3)
• سولفات کلسیم(CaSO4)
• سولفات استرانسیم(SrSO4)
• سولفات باریم(BaSO4)

اسکالانت های معدنی کمتر رایج عبارتند از:

• کلسیم فسفاتCa3(PO4)2])
• فلوراید کلسیم(CaF2)

رسوب را می توان به طور موثر با برهم زدن ترمودینامیک یا سینتیک فرآیند پوسته پوسته شدن نشان داده شده در شکل  1 مدیریت کرد. اسیدها در آب خنک کننده در حال گردش اضافه می شوند و از عوامل کیلیت کننده در آب دیگ برای کنترل سطح اشباعCaCO3استفاده می شود. در میدان نفتی، معمولاً با آنتی اسکالانت های آستانه ای که می توانند در غلظت های بسیار پایین مانند چند میلی گرم در لیتر (میلی گرم در لیتر) موثر باشند، از تشکیل رسوب جلوگیری می شود.

شکل 1. فرایند تشکیل رسوب

سال هاست که از آنتی اسکالانت ها در سیستم های آبی برای به حداقل رساندن تشکیل رسوب و لجن استفاده می شود. قبل از دهه 1960 از پلیمرهای طبیعی و سایر ترکیبات مانند لیگنین ها، تانن ها و نشاسته ها و پلی فسفات های معدنی استفاده می شد. ترکیبات پلی فسفات مشکلات مختلفی را در سیستم‌های آب صنعتی کنترل می‌کنند، از جمله خوردگی، تثبیت فلز، پراکندگی ذرات و بازدارندگی رسوب. کاربرد آنها به دلیل پایداری حرارتی و هیدرولیتیکی ضعیف محدود است. امروزه محصولات آنتی اسکالانت اساساً بر پایه فسفونات ها و پلیمرهای با وزن مولکولی کم (≤5000) هستند.

فسفونات ها با گروه های فسفونی (-PO3H2)متصل به اتم کربن مشخص می شوند. یک پیوندP-Cاین محصولات را از پلی فسفات ها با پیوندهایP-O-Pآنها متمایز می کند. این تفاوت در مقایسه با پتانسیل برگشت پلی فسفات ها، پایداری برتر آنها را در شرایطpHشدید و دمای بالا نشان می دهد. عمده ترین فسفونات ها عبارتند از:

•ATMPآمینو تری (متیلن فسفونیک اسید)

•HEDP 1-Hydroxyethylidene-1,1-diphosphonic acid

•BHTPMPبیس (هگزامتیلن) ​​تریامین پنتا (متیلن فسفونیک اسید)

•DETPMPدی اتیلن تریامین پنتا (متیلن فسفونیک اسید)

•EDTMPاتیلن-N,N'

-دیامین تترا (متیلن فسفونیک اسید)

•MEABMPاتانول آمین بیس (متیلن فسفونیک اسید)

ساختار شیمیایی آنها در شکل 2 ارائه شده است. به طور کلی،ATMPوHEDPدر مقیاسCaCO3بسیار موثر هستند، در حالی کهDETPMPوBHTPMPبرای مهارBaSO4بهتر هستند وEDTMPبرای کنترلCaSO4برتر هستند.EABMPتحمل کلسیم بالایی دارد و نسبت به سایر ترکیبات فسفونات سازگارتر با محیط زیست است. پایداری حرارتی فسفونات ها بسته به ساختار مولکولی، اسیدیته محلول و ترکیب در محدوده 130 تا 170 درجه سانتیگراد متغیر است.

شکل2. ساختارهای شیمیایی آنتی اسکالانت های فسفونات

پایداری حرارتی این دسته نسبت به فسفونات ها با محدودیت دمای کاربرد از 170 تا 200 درجه سانتیگراد بیشتر است. استر فسفات نوع دیگری از آنتی اسکالانت است که در میدان نفتی استفاده می شود. برای اکثر فلس های رایج موثر است و با آب نمک های کلسیم بالا سازگار است. یکی از معایب پایداری حرارتی پایین به دلیل پیوندP-Oو کاربرد آن است.

شکل 3 ساختار شیمیایی استر تری اتانول آمین فسفات(TEAPE)را نشان می دهد.

شکل3. ساختار شیمیایی استر تری اتانول آمین فسفات

آنتی اسکال های زیست تخریب پذیر نیز برای رعایت مقررات زیست محیطی در دسترس هستند. کربوکسی متیل اینولین(CMI)و پلی آسپارتات(PAS)، که در شکل 4 نمایش داده شده اند، کارایی مهار تشکیلCaCO3وBaSO4را در آزمایش‌های آزمایشگاهی و کاربردهای میدانی نشان داده‌اند.

شکل 4.ساختار شیمیایی آنتی اسکالانت های زیست تخریب پذیر

یک محصول پلیمری چند منظوره گزارش شده است که برای هالیت و همچنین در برابر رسوبات کربناته و سولفاته موثر است. غلظت آن اغلب در محدوده 250-5000ppmاست و مهار کامل نیز دشوار است. استفاده از آب شیرین یا کمتر شور به عنوان رایج ترین و مطمئن ترین روش برای مقابله با مشکل رسوب هالیت باقی مانده است.

برای کنترل رسوبات سولفیدی نیز به دوز آنتی اسکالانت تزریقی بالا نیاز است. مطالعات متعدد نشان داده اند که برخی از آنتی اسکالانت های رایج فسفونات و پلیمری را می توان برای جلوگیری از رسوبات سولفیدهای روی/سرب/آهن در غلظت های بالا استفاده کرد.

نقش حیاتی آنتی اسکالانت ها در صنایع مختلف

نمک زدایی: در اسمز معکوس، آنتی اسکالانت ها از مسدود شدن غشای ممبرین ها توسط رسوب های معدنی جلوگیری می کنند، که باعث افزایش نرخ بازیابی آب و طولانی شدن عمر غشاها می شود. 

برج های خنک کننده: آن ها از تجمع رسوب بر روی مبدل های حرارتی و لوله ها جلوگیری می کنند و هزینه های انرژی و نگهداری را کاهش می دهند.

نفت و گاز: آنتی اسکالانت ها به مدیریت رسوب های معدنی در چاه ها و خطوط لوله کمک می کنند و  فرآیندهای استخراج کارآمد را موجب می شوند.

بهبود کارایی و حفظ محیط زیست

آنتی اسکالانت ها در بهبود کارایی عملیاتی نقش مهمی ایفا می کنند، اما باید در استفاده از آن ها به تأثیرات زیست محیطی نیز توجه شود. آزادسازی این مواد در فاضلاب می تواند بر اکوسیستم های آبی تأثیرات منفی بگذارد. بنابراین، توسعه فرمولاسیون های قابل تجزیه زیستی و کمتر سمی یکی از محورهای تحقیقاتی مهم در حال حاضر است.

به طور خلاصه، آنتی اسکالانت ها در صنایع مختلف نقش حیاتی دارند، زیرا با جلوگیری از تشکیل رسوب، کارایی سیستم ها را افزایش داده و هزینه های نگهداری را کاهش می دهند. با پیشرفت صنایع، فرمولاسیون و کاربرد این مواد همچنان در حال بهبود است تا به چالش های عملکردی و زیست محیطی پاسخ دهد. در نهایت، استفاده مؤثر از آنتی اسکالانت ها جزئی جدایی ناپذیر از شیوه های مدیریت پایدار آب است، به ویژه در دنیایی که با کمبود فزاینده آب مواجه است.