فلاکولانت

تعریف فرآیند فلوکولاسیون

فلوکولاسیون ( flocculation ) یا لخته سازی فرآیندی است که در طی آن ذرات جامد از مایع در طی یک مکانیزم فیزیکی و شیمیایی به صورت دانه و یا ورقه جدا می شوند . این ذرات به راحتی پراکنده می شوند و نیرویی که آن ها در کنار یکدیگر نگه می دارد چیزی شبیه به نیروی کشش سطحی در مایعات است . فلوکولاسیون در صنایع می تواند یک امر خوشایند و یا ناخوشایند باشد و روش های زیادی برای ایجاد و یا از بین بردن این پدیده انجام می شود. در فرآیند های تصفیه آب هدف تشکیل لخته هاست است و عموما به کمک فلاکولانت انجام می پذیرد .

فرآیند لخته سازی عموما همراه و در تکمیل فرآیند انعقاد انجام می گیرد . در طول تاریخ انعقاد در تصفیه آب برای حذف کدورت و رنگ و مواد خطرناک به کار گرفته شده است . برای انجام فرآیند انعقاد نیاز به بهینه سازی مقدار منعقدکننده و pH، مخصوصا در هنگام حذف مواد آلی است . عموماً انعقاد از طریق ناپایداری پساب توسط منعقدکننده ها اتفاق می افتد. منعقدکننده ها می توانند به دو گروه اصلی منعقدکننده های فلزی و پلیمری تقسیم شوند. انعقاد با فاکتورهایی که باعث پایدارسازی آلاینده ها از جمله رنگ در پساب می شوند مقابله می کند و باعث ایجاد توده ها می شود.

لخته سازی واژه دیگری است که به عملیات برخورد توده ها باهم ، تجمع توده ها و ایجاد فلاک های بزرگتر اطلاق می شود. فرآیند انعقاد و لخته سازی شامل دو قسمت، که در مرحله اول، اختلاط سریع منعقدکننده درون آب یا پساب از طریق هم زدن شدید انجام می شود و در مرحله دوم لخته سازی برای تبدیل ذرات کوچک به توده های بزرگ تر از طریق هم زدن بسیار آرام صورت می پذیرد، است. کواگولانت و فلاکولانت به ترتیب به منعقد کننده و لخته ساز اطلاق می شوند.

حذف موثر ذرات کلوییدی موجود در آب:

آب ها ی موجود ناخالصی ها و آلودگی های فراوانی دارند که هر کدام از مراحل تصفیه ی آب را به خود اختصاص داده اند اما ذرات کلوئیدی موجود در آن ها به یک نگرانی عمده برای همه ی دولت ها تبدیل گشته است. بعضی از این ذرات دارای گروه هایی می باشند که در صورت جدا نشدن از آب در طی فرایند های تصفیه، می توانند با فلزات تشکیل کمپلکس های پیچیده ای دهند و زمینه را برای مسمومیت ها ی عمده فراهم نمایند. علاوه بر این ، این مواد می توانند زمینه را برای رشد باکتری ها فراهم نمایند و موجب کدر شدن آب و نامطلوب گشتن طعم آن گردند.

حذف این ذرات جامد و معلق معمولا در طی فرایند های فیلتراسیون و رسوب گذاری صورت می پذیرد. فیلتراسیون معمولا به طور مستقیم برای جداسازی این ذرات اعمال نمی گردد زیرا برخی از این ذرات کوچک هستند و به راحتی در آب حل می شوند، در نتیجه با عبور از فیلتراسیون می توانند همچنان در آب باقی بمانند و آلودگی های مربوطه را ایجاد نمایند.

در نتیجه برای برطرف سازی این مشکل ابتدا با کمک کواگولانت و فلاکولانت ها این ذرات را انعقاد، لخته و رسوب می دهند و در آخر با کمک عملیات فیلتراسیون آن ها را جدا می نمایند. با سنگین شدن و ته نشین گشتن ذرات کلوئیدی حدود 90 درصد ذرات معلق حذف می گردند.

کاربرد منعقد کننده ­ها یا فلاکولانت ها

این تکنولوژی برای تصفیه شیمیایی و فیزیکی-شیمیایی آب و پساب به کار برده می شود. برای حذفTSS ، TDS ، COD ، BOD و رنگ برای رنج وسیعی از پساب صنایع مختلف مانند نوشیدنی، نساجی، لبنیات ، شوینده ها و … و برخلاف تصفیه بیولوژیکی فرآیند پر هزینه ای نیست و نیاز به زمان کمتری برای اثر گذاری دارد. فلاکولانت ها به طور گسترده ای به همراه منعقدکننده ها برای افزایش بازدهی فرایند انعقاد و لخته سازی و یا به طور مستقیم و بدون استفاده از منعقدکننده ها و برای حذف ذرات کلوئیدی از پساب استفاده می شوند . لخته ساز هایی که بیش تر از همه مورد استفاده قرار می گیرند سنتزی هستند. طبق پژوهش های پیشین عموما منعقدکننده های معدنی (نمک های فلزی) مثل آلوم و کلرید آهن نیازی به استفاده از لخته سازها ندارند. پلیمرهای مصنوعی که معمولاً برای شفاف سازی آب مورد استفاده قرار می گیرند معمولا ترکیباتی مانند پلی آکریل آمید ، پلی آکریلیک اسید ، اسید پلی استایرنیک سولفونیک و پلی دی آلیل دی میتل آمونیوم کلرید (DADMAC) می باشند.

تعداد بسیار زیادی فلاکولانت آلی وجود دارند که بیش تر آن ها سنتزی هستند و شامل پلی آکریل آمید ها، پلی آکریلیک اسیدها، اسید های سولفونیک پلی استایرن و مشتقات آن ها می شوند. این لخته ساز ها عموماً پلیمرهای حلال در آب و خطی هستند که واحد های بیشماری از مونومرها در آن ها تکرار شده است، وزن مولکولی بالایی دارند و می توانند یونی (پلی الکترولیتی) یا غیر یونی باشند.

مهم ترین ویژگی های الکترولیت ها (پلیمرهای دارای بار سطحی) به عنوان لخته ساز چگالی بار آن ها و در رابطه با پلیمرها وزن مولکولی آن ها است. چند نمونه از پلیمرهای قابل استفاده به عنوان لخته ساز به صورت زیر می باشد: پلیمرهای پلی دی الیل دی متیل آمونیوم کلراید (فلاکولانت کاتیونی)، پلیمرهای اپی کلروهیدرین/ دی متیل آمین (کاتیونی) و گروه های ضعیف کربوکسیلیک اسید(فلاکولانت آنیونی) . مکانیسم های زیادی برای این فرآیند وجود دارد ولی بیشتر ان ها به شرح زیر است: پل زنی پلیمری، جذب و خنثی سازی پلیمری، لخته سازی جا به جایی ، انعقاد جاروبی و ….است.

به طور کلی تشکیل لخته ها برای ته نشینی شامل مراحل زیر است:

• پراکنده شدن همگن لخته ساز در کل محلول
• نفوذ ماده مذکور به سمت آلاینده ها
• جذب آن بر روی سطح ذرات آلاینده
• برخورد ذراتی که فلاکولانت را در سطح خود جذب کرده اند
• تشکیل میکروفلاک ها
• رشد آن ها و تشکیل توده های بزرگ تری از آلاینده ها

فلاکولانت های پلیمری ترکیباتی هستند که کاربردهای وسیعی در فرآیند آبگیری در صنعت شامل فرآیندهای معدنی، هیدرومتالوژیکال و تصفیه آب دارند. این پلیمرها امکان دارد آنیونی، کاتیونی یا نانیونیک باشند. در فلاکولاسیون ذرات معلق در مایع در تعامل با عامل فلاکولانت قرار می گیرند و لخته های اولیه شکل می گیرد و بر اثر تاثیر نیروی جاذبه به سرعت بزرگ می شوند. مشاهده شده است که پلیمرها می توانند ذرات بسیار ریز را از طریق مکانیزم هایی مانند پل زدن (bridging)، خنثی سازی بار (charge neutralization) و اتصال الکترواستاتیکی (electrostatic patch) به لخته تبدیل کنند.

Ray و Hogg گزارش داده اند که مکانیسم پل زدن زمانی اتفاق می افتد که از پلیمری با وزن ملکولی بالاتر استفاده شود، چرا که در این حالت دافعه الکترواستاتیکی کاهش پیدا می کند و لخته های تشکیل شده با استفاده از مکانیسم پل زدن نسبت به مکانیسم های خنثی سازی بار و اتصال الکترواستاتیکی قوی تر می باشد. این در حالی است Zhu و همکاران گزارش داده اند که مکانیزم پل زنی ساختار ضعیفی دارد. هنگامی که پلیمرهای جاذب دارای دانسیته بار بالا و ذرات دارای دانسیته بار پایین هستند لخته های قوی با مکانیسم اتصال الکترواستاتیکی تشکیل می شود.

خصوصیات لخته به عوامل مختلفی از جمله شیمی سطح، توزیع اندازه ذرات، تراکم و شکل ذرات، ویسکوزیته و ثابت دی الکتریک سوسپانسیون ماهیت شیمیایی، وزن ملکولی، بار و چگالی بار فولکولانت بستگی دارد.

کاربرد پلیمرها در تصفیه آب

استفاده گسترده از پلیمرها به عنوان لخته ساز به دلیل خواص منحصر به فردی است که از خود نشان می دهند . در ادامه به چند مورد از مزایای آن ها اشاره می کنیم :

• پلیمرها برای استفاده راحت هستند.
•  بر روی pH محیط اثر نمی گذارند .
• در مقیاس ppm استفاده می شوند و بر روی هزینه فلوکولاسیون اثرات قابل ملاحظه ای می گذارند (باعث کاهش قیمت تمام شده می شوند) . لخته های تشکیل شده توسط پلیمرها بزرگتر ، قوی تر و نسبت به سایر الکترولیت های انعقادی زودتر ته نشین می شوند .
• بازده لخته سازی پلیمرها با افزایش جرم مولکولی افزایش می یابد .
• استفاده از مقادیر زیاد فلاکولانت های غیرآلی باعث به وجود آمدن مقدار زیادی لجن می شود که این مشکل در استفاده از لخته سازهای پلیمری وجود ندارد .
• با توجه به اینکه می توان در هنگام تولید، جرم مولکولی ، توزیع جرم مولکولی و ساختار شیمیایی پلیمرها را کنترل کرد ، فلوکولانت های پلیمری از قابلیت و تنوع بالایی برخوردار هستند.

کواگولانت ها

شن و ماسه های ریز، سیلیس و یا سایر ذرات معدنی دارای بار منفی می باشند که برای ته نشین سازی این ذرات نیاز به کواگولانت هایی با بار مثبت است. با کمک این کواگولانت ها بار موجود بر سطح این ذرات خنثی می گردد و ذراتی با نام میکروفلوک پدید می آید (ته نشین سازی این میکروفلوک ها با کمک فلاکولانت انجام خواهد گرفت).

بیش از صد سال است که کواگولانت ها ی طبیعی مانند گوارگام، نشاسته، چسب ها ،آلژینات سدیم و… مورد استفاده قرار می گیرند. در اوایل دهه ی 1950 کواگالانت های سنتزی مورد توجه ی فراوان قرار گرفتند

در سال 1970 کواگالانت های بر پایه ی دی متیل آمونیوم کلرید جای پای خود را در صنعت باز نمود و هنوز نیز از این ترکیبات استفاده ی زیادی می شود و یکی از پرکاربرد ترین کواگالانت های شناخته شده می باشند. استفاده از این مواد در تصفیه ی آب آشامیدنی بسیار متداول است ولی برای آب هایی که آبزیان در آن زندگی می کنند استفاده از آن می تواند برای آن ها سمی باشد. وزن مولکولی کواگالانت ها از 2000 تا 200000 می باشد.

کواگولانت های جدید اکثرا بر پایه ی اپی کلروهیدرین و دی متیل آمین می باشند که همین امر موجب کاهش استفاده از کواگولانت هایی بر پایه ی آمونیاک و اتیلن دی کلرید گشته است. استفاده از این مواد به سرعت رو به گسترش است.

مکانیسم عملکرد کواگولانت و فلاکولانت

همانطور که پیش از این نیز گفته شد کواگولانت و فلوکولانت موادی هستند که برای جداسازی ذرات جامد موجود در آب استفاده می شوند در ادامه با این لخته سازها و منعقد کننده ها بیشتر آشنا می شویم.

عملکرد کواگولانت ها به گونه ای است که ذرات معلق را به یکدیگر می چسباند و آن ها را به دانه های بزرگتر تبدیل می نماید . که در نتیجه ی آن در طی عملیات لخته سازی با کمک فلوکولانت ها شاهد ته نشین شدن این ترکیبات خواهیم بود.

این عمل چسبندگی ذرات معلق در طی خنثی سازی بار همنام موجود بر ذرات (عامل جداسازی کلوئید ها به دلیل داشتن بار همنام) اتفاق می افتد. مواد فوق الذکر از مولکول های بار مثبت یا منفی تشکیل شده اند که وقتی به آب اضافه و مخلوط می گردند این خنثی سازی را انجام می دهند.

کاربرد پلی آلومینیوم کلراید/PAC در سیستم تصفیه آب: پلی آلومینیوم کلراید (PAC) یک منعقدکننده پلیمری غیرآلی با کارایی بالا می باشد. PAC با بکارگیری تکنولوژی ساخت بالا و با بهره گیری از مواد خام با کیفیت بالا در دهه های اخیر ساخته و تولید شده و به جمع مواد شیمایی افزوده شده است. از مزایای پلی آلومینیوم کلراید (PAC) می توان به خلوص بالای ماده، وزن مولکولی بالا و خاصیت منعقدکنندگی بالا اشاره نمود. محدوده ی عملکرد PAC در پ هاش 5-9 می باشد، اما بهترین محدوده ی کارایی پلی آلومینیوم کلراید در pH 6.5 الی 7.6 (پ هاش خنثی) می باشد. پلی آلومینیوم کلراید از طریق تولید یون های هیدروکسیل و پلیمرهای آنیونی چندظرفیتی باعث تشکیل مولکول ها و ماکرو مولکول های غیرآلی الکتریکی بزرگ در آب می گردد.

کاربردهای پلی آلومینیوم کلراید/ پک

PAC / پلی آلومینیوم کلراید دارای کاربردهای گوناگونی است که مهم­ترین آن شامل موارد زیر است:

• زلال سازی و ته نشینی آب رودخانه ها، دریاچه ها و منابع آب زیرزمینی
• زلال سازی آب صنعتی و آب در چرخش (Recycling Water) صنایع
• زلال سازی و تصفیه فاضلاب های بهداشتی و صنعتی
• احیای زغال سنگ از پساب شستشوی زغال سنگ
• احیای کائولینی (Kaolin) از پساب شستشوی شستشوی کارخانجات کاشی و سرامیک
• ساخت خمیر / سریش صنایع کاغذسازی و محصولات بهداشتی و دستمال کاغذی (صنایع سلولزی)
• تصفیه و زلال سازی فاضلاب در صنایع رنگرزی و چاپ، صنایع چرم سازی، صنایع نوشیدنی، صنایع فرآوری گوشت، صنایع ریخته گری، معدن، شستشوی زغال سنگ، داروسازی، ساخت کاغذ و صنایع سلولزی
• جداسازی نفت و روغن و فلزات سنگین در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی
• زلال سازی و تصفیه آب و فاضلاب های حاوی فلوئور (Fluorine)
• بازگشت و تصفیه آب در کارخانجات کاشی و سرامیک و سنگبری

پلی آلومینیوم کلراید (PAC) کاربرد موفقیت آمیزی در فرآیند تهیه آب آشامیدنی و تصفیه پساب و همچنین از اوایل دهه 70، در فرآیند ساخت کاغذ داشته است. جایگزینی PAC بجای آلومینیوم سولفات بعنوان کواگولانت در تصفیه آب آشامیدنی و پساب با لحاظ تکنیکی و اقتصادی کاملا ارجحیت داشته و دارد. به علت عدم شناخت کافی از PAC و امتیازات آن، استفاده از PAC در خارج از کشورهای پیشرفته فراگیر نشده و همچنان استفاده از آلومینیوم سولفات و کلرورفریک همراه آهک مرسوم است.

شرکت شیمیایی تصفیه با به کارگیری کادر مجرب و توامند خود در بخش تحقیق و توسعه انواع فلاکولانت­ های پلیمری، آنیونی و کاتیونی و… را تهیه نمایید.

همچنین دو نوع محصول PAC مایع و جامد با کارایی تصفیه­ کنندگی بالا فرموله شده است.

با توجه به این که محل مصرف، میزان مصرف و قیمت پک خوراکی (پک آشامیدنی) با قیمت پک های صنعتی و پک فاضلابی متفاوت می باشد که در این خصوص پیشنهاد می گردد با کارشناسان شرکت شیمیایی تصفیه مشورت نمایید.
پلی‌آکریل‌آمید (Polyacrylamide) با نام های پلی (۲-پروپنامید) یا به اختصارPAM با فرمول شیمیایی
-CH2CH(CONH2)- یک پلیمر سازمان‌یافته است که از واحدهای متشکل از آکریل‌آمید تشکیل شده است. آکریل‌آمید، یک ماده آلی است که شامل یک گروه آمید (-CONH2) است. ساختار پلی‌آکریل‌آمید به واسطه پیوند نیمه‌آزاد آمیدی بین واحدهای آکریل‌آمید به صورت طولانی و زنجیره‌ای شکل می‌گیرد.

پلی‌آکریل‌آمید (پلی الکترولیت)

این ماده به صورت یک جامد بی‌رنگ و بی‌بو است و در آب به خوبی حل می‌شود و به طور کلی در بسیاری از حلال‌های آلی مانند الکل‌ها و استون حل می‌شود. دمای نرم شدن پلی‌آکریل‌آمید معمولاً در بازه 150-250 درجه سلسیوس قرار دارد. این ماده در دماهای بالاتر نیز می‌تواند نرم شود.

این ماده در شرایط عادی پایداری شیمیایی خوبی دارد و در برابر تغییرات حرارتی و اکسیداسیون ضعیف تغییر نمی‌کند. حساسیت پلی‌آکریل‌آمید به pH محلول وجود دارد. به طور کلی، این پلیمر در pH نزدیک به نیترالیته پایداری بهتری دارد و در pHهای بسیار اسیدی یا بازی ممکن است تجزیه شود.

این پلیمر در بسیاری از صنایع و کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد. مهم‌ترین ویژگی‌های پلی‌آکریل‌آمید شامل مقاومت مکانیکی بالا، استحکام در برابر حرارت، خواص الکتریکی مناسب و مقاومت شیمیایی است.

پلی‌آکریل‌آمیدها دارای مقاومت مکانیکی بالا هستند، به طوری که در مقابل ضربه، کشش و خمش مقاومت قابل توجهی دارند. این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در کاربردهایی مانند قطعات صنعتی، قطعات خودرو و الیاف مصنوعی مناسب می‌کند.

پلی‌آکریل‌آمیدها دارای خواص الکتریکی مناسبی هستند. آن‌ها عایق الکتریکی خوبی را ارائه می‌دهند و می‌توانند در صنایع الکترونیکی و الکتریکی به عنوان قطعات الکتریکی و الکترونیکی استفاده شوند.

پلی‌آکریل‌آمیدها مقاومت شیمیایی بالایی دارند. آن‌ها در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مانند اسیدها، قلیاها و حلال‌های آلی مقاومت نشان می‌دهند. این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در صنایعی مانند صنایع شیمیایی، صنعت نفت و گاز و صنایع پردازش شیمیایی مناسب می‌کند.

پلی‌آکریل‌آمیدها حساسیت قابل توجهی به رطوبت دارند و می‌توانند آب را جذب کنند. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهایی مانند جذب‌کننده‌های آب و مواد پایه برای ساخت کرم‌ها و لوسیون‌ها در محصولات بهداشتی و آرایشی مناسب می‌کند.

پلی‌آکریل‌آمیدها قابلیت تغییر شکل و فرم‌دهی بالایی دارند. آن‌ها با استفاده از حرارت و فشار قابلیت شکل‌دهی و تولید قطعات پیچیده‌تر را دارند.

پلی‌آکریل‌آمیدها دارای پایداری حرارتی قابل توجهی هستند. در دماهای بالا، آن‌ها می‌توانند مقاومت خوبی نشان دهند و از تغییر شکل و تجزیه حرارتی خودداری کنند.

برخی از انواع این پلیمر دارای شفافیت بالا هستند، که آن‌ها را برای استفاده در برخی از برنامه‌های بصری و اپتیکال مناسب می‌کند.

پلی‌آکریل‌آمیدها دارای وزن سبکی هستند که آن‌ها را به یک جایگزین مناسب برای مواد سنتی مانند فلزات می‌کند. این ویژگی مهم برای کاهش وزن و افزایش کارایی در برخی از کاربردها استفاده می‌شود.

برخی از پلی‌آکریل‌آمیدها دارای قابلیت اکسیژن‌دهی هستند، به این معنی که می‌توانند به عنوان غشا‌های نفوذپذیر به گازهای اکسیژن استفاده شوند.

پلی‌آکریل‌آمیدها می‌توانند بر اساس ساختار، خواص و کاربردها تقسیم‌بندی شوند. این ماده شیمیایی براساس ساختار می تواند خطی یا متشعب باشند. پلی‌آکریل‌آمید خطی از واکنش آکریل‌آمید با مواد پلیمری خطی تولید می‌شوند و ساختار زنجیره‌ای خطی دارند ولی پلی‌آکریل‌آمید متشعب، آکریل‌آمید به همراه یک عامل متشعب‌کننده ترکیب می‌شود که باعث ایجاد شاخه‌های فرعی در ساختار پلیمر می‌شود.

آکریل آمیدها براساس کاربرد و به صورت تجاری در انواع کاتیونی(Cationic)، آنیونی (Anionic)و غیر یونی(Non ionic) موجود می باشند.

مراجع:

• A survey on cationic polyelectrolytes and their applications: acrylamide derivatives. Ahmad Rabiee, Amir Ershad-Langroudi and Mohammad Ebrahim Zeynali

• https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB7390058.htm