مقدمه
پساب تولید شده از انواع صنایع به طور معمول حاوی جامدات معلق بسیار ریز، جامدات محلول، ذرات معدنی و آلی، فلزات و سایر ناخالصی ها است. به دلیل اندازه بسیار کوچک ذرات و وجود بار سطحی، وظیفه نزدیک کردن این ذرات به جرم سنگین تر برای ته نشینی و فیلتراسیون چالش برانگیز است. از این رو، حذف این ذرات کلوئیدی از پساب به چالشی جدی برای صنایع تبدیل می شود. از فنآوری های مختلف سنتی و پیشرفته برای حذف ذرات کلوئیدی از پساب مانند: تبادل یونی، فیلتراسیون غشایی، رسوب گذاری، شناورسازی، استخراج حلال، جذب، انعقاد، لخته شدن، روش های بیولوژیکی و الکترولیتی استفاده شده است. در میان آن روش ها، انعقاد/لخته شدن یکی از پرکاربردترین فرایندهای جداسازی جامد-مایع برای حذف جامدات معلق و محلول، کلوئیدها و مواد آلی موجود در پساب صنعتی است. این یک روش ساده و کارآمد برای تصفیه پساب است و برای تصفیه انواع مختلف پساب مانند: پساب نساجی، پساب معادن، پساب روغنی، شیرابه های دفن بهداشتی و … مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این فرایند، پس از افزودن ماده منعقد کننده و/یا لخته کننده، ذرات ریز تقسیم شده یا پراکنده شده با هم جمع شده یا تجمع می یابند تا ذرات بزرگی (فلوک) تشکیل شده و ته نشین شده و باعث شفاف سازی سیستم شوند.انعقاد عمدتا توسط منعقدکننده‌ها که اکثرا نمک‌های فلزی معدنی مانند سولفات آلومینیوم و آهن کلرید هستند، ایجاد می‌شود. در برخی موارد، این نمک‌های فلزی را می توان در تصفیه پساب بدون کمک فلوکولانت (که به عنوان کمک منعقد کننده ها یا لخته کننده هم شناخته می شوند) استفاده کرد. امروزه استفاده از منعقدکننده‌ها به دلیل ناکارآمدی آن در تصفیه پساب با دوز کم و کاربرد محدود کاهش یافته است. در بیشتر موارد، فلوکولانت های پلیمری برای تسهیل فرایند جداسازی با یا بدون منعقد کننده ترجیح داده می‌شود. تاکنون، طیف وسیعی از فلوکولانت ها برای بهبود روند لخته شدن در تصفیه پساب از جمله لخته کننده های سنتزی یا طبیعی آلی و فلوکولانت های پیوندی طراحی شده اند.
مواد منعقد کننده و لخته کننده ها:
مواد شیمیایی معمولی که به طور گسترده در تصفیه پساب صنعتی استفاده می شوند را می توان به دو گروه عمده طبقه بندی کرد: افزودنی های غیر آلی معدنی/نمک های فلزی که به عنوان منعقد کننده استفاده می شوند و مواد پلیمری آلی که به عنوان لخته کننده استفاده می شوند.
منعقد کننده های معدنی:
نمک های معدنی فلزات چند ظرفیتی مانند زاج، پلی آلومینیوم کلرید، کلرید فریک، سولفات آهن، کلرید کلسیم و کلرید منیزیم برای چندین دهه به عنوان ماده منعقد کننده به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. این عمدتا به دلیل مزیت کم هزینه بودن آن است زیرا قیمت بازار آن ها بسیار کمتر از فلوکولانت های شیمیایی است. با این حال، امروزه کاربرد منعقدکننده‌های معدنی در پساب به دلیل تعداد زیاد معایب کاهش یافته است. استفاده از این مواد دو پیامد مهم زیست محیطی ایجاد می‌کند که عبارتند از: تولید حجم زیادی از لجن هیدروکسید فلزی (سمی) که مشکل دفع ایجاد می کند و افزایش غلظت فلزات (به عنوان مثال آلومینیوم) در آب تصفیه شده که ممکن است برای سلامتی انسان به خطر بیندازد. از معایب دیگر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- استفاده از میزان زیاد برای لخته شدن کارآمد
- حساسیت بسیار به pH
- ناکارآمد نسبت به ذرات بسیار ریز
- ناکارآمد در آب سرد (به عنوان مثال کلرید پلی آلومینیوم)
مناسب برای استفاده در چند سیستم پراکنده
فلوکولانت ها (لخته سازها):
در سال های اخیر، بسیاری از پلیمرهای سنتزی به عنوان فلوکولانت (کمک های منعقد کننده) استفاده شده‌اند که می توانند کارایی انعقاد و لخته سازی را با نتایج امیدوارکننده افزایش دهند. فلوکولانت های آلی تجاری عمدتا پلیمرهای محلول در آب هستند که بر اساس واحدهای تکراری مونومرهای مختلف مانند آکریل آمید و آکریلیک اسید پایه ریزی شده اند. در بیشتر موارد، آن ها از مواد اولیه پایه نفتی و تجدید ناپذیر مشتق شده اند. فلوکولانت های پلیمری که معمولاً استفاده می شوند شامل پلی اکریل آمید، پلی اکریلیک اسید، پلی (دی‌آلیل دی متیل آمونیوم کلرید) (DADMAC)، پلی آمین و دیگر پلیمرها هستند.
پلیمرها می‌توانند از نظر وزن مولکولی، ساختار (خطی در برابر انشعاب)، میزان بار، نوع بار و ترکیب درصد متفاوت باشند اما به طور کلی، پلیمرهای سنتزی به چهار شکل طبقه بندی می شوند: کاتیونی (دارای بار مثبت)، آنیونی (بار منفی)، آمفوتریک (شامل هر دو گروه های کاتیونی و آنیونی) و غیر یونی (نزدیک به خنثی). پلیمرهای یونی به عنوان پلی‌الکترولیت نیز خطاب می‌شوند. ماهیت بارها پارامتر اصلی است که تأثیر قابل توجهی بر کارایی فرآیند لخته سازی و به دنبال آن وزن مولکولی و چگالی بار دارد. اثربخشی لخته سازی معمولاً بر اساس کاهش کدورت، TSS، COD و رنگ اندازه گیری می شود و اکثر مطالعات گزارش می دهند که بیش از 90% حذف می تواند در شرایط مطلوب به دست آید. با مراجعه به داده های گردآوری شده، مشخص شد که پلی اکریل آمید به دلیل مزیت اقتصادی و تغییرات آسان، از کاربرد زیادی در صنایع برخوردار است. می توان پلی اکریل آمید را با عملکردهای مختلف (بار مثبت، منفی یا خنثی) با وزن مولکولی و چگالی بار مختلف سنتز کرد، جایی که می توان از آن برای ایجاد عملکرد ته نشینی خوب با هزینه نسبتاً کم استفاده کرد.
استفاده گسترده از پلیمرها به عنوان فلوکولانت به دلیل ویژگی های متمایز آن ها است. استفاده از پلیمرها راحت است، بلافاصله در سیستم های آبی حل می شود و بر pH محیط تأثیر نمی‌گذارد. آن ها با مقادیر کمی (به عنوان مثال چند میلی گرم در لیتر) بسیار کارآمد هستند و فلوک های تشکیل شده در طول لخته سازی بزرگتر و قوی‌تر هستند. به طور معمول، یک پلی الکترولیت مناسب می تواند اندازه فلوک را افزایش دهد، و بنابراین یک توده قوی و متراکم با شکل منظم ایجاد کند که دارای ویژگی های ته نشینی خوبی است. استفاده از پلیمرها در این روش منجر به کاهش قابل توجه 40-60% میزان مصرف منعقد کننده مورد نیاز می‌شود و حجم لجن، بار یونی فاضلاب (به ویژه سطح آلومینیوم) و هزینه‌های کلی کاهش می‌دهد.
اگرچه پلیمرهای سنتزی محلول در آب کاربردهای گسترده ای به عنوان لخته کننده ها دارند، اما قیمت آنها حداقل ده برابر بیشتر از مواد منعقد کننده معدنی است که بر بهبود آن تأثیر می‌گذارد.
فلوکولانت های آنیونی
فلوکولانت های آنیونی معمولاً دارای یون های کربوکسیلات یا سولفونات در ساختار خود هستند. آنها برای لخته سازی ذرات با بار مثبت در بسیاری از واحدهای صنعتی، مانند فاضلاب شهری و آبگیری لجن استفاده می‌شوند. معمولا از پلیمرهای آکریل آمید و اسید اکریلیک، یا یکی از نمک های فلزات قلیایی آن، به عنوان فلوکولانت‌های آنیونی استفاده می‌شوند.
در نگاه اول، ممکن است بدیهی به نظر برسد که پلیمرهای کاتیونی باید گزینه های خوبی برای لخته سازی ذرات ریز با بار منفی باشند، اما اغلب اینطور نیست. به عنوان مثال، در سیستم های معدنی،پساب ذرات رس با بار منفی در محیط های قلیایی با فلوکولانت های آنیونی با وزن مولکولی بالا لخته می شوند. فلوکولانت‌های آنیونی به این دلیل انتخاب می‌شود دافعه الکترواستاتیکی بین زنجیره‌های پلیمری و سطح دارای بار منفی خاک رس به پلیمر اجازه می‌دهد که فقط در مکان‌های خنثی (عمدتاً در لبه‌های ذرات خاک رس) جذب شود و احتمال گسترش همان زنجیره فلوکولانت به محلول و جذب روی سطح را افزایش می‌دهد بنابراین فلوک های بزرگتری تشکیل شود.
فلوکولانت های کاتیونی
فلکولانت های کاتیونی معمولاً برای لخته سازی ذرات با بار منفی استفاده می‌شوند و در تصفیه فاضلاب و لجن، تولید کاغذ، شفاف سازی آب و روغن، صنعت نساجی، تولید رنگ، فرآوری لبنیات و بیوتکنولوژی به کار می‌روند. در مقایسه با مونومرهای غیریونی، مونومرهای کاتیونی کمتر در دسترس و پایدار هستند. آمونیوم، سولفونیوم چهارتایی می‌توانند به عنوان مونومرهای کاتیونی برای ساختن لخته های کاتیونی استفاده شوند. برای سنتز فلوکولانت‌های کاتیونی استفاده می‌شود. مونومرهای کاتیونی را می توان برای سنتز هموپلیمرهای کاتیونی یا برای کوپلیمریزه شدن با مونومرهای غیریونی، به ویژه آکریل آمید، برای تولید لخته با چگالی بار مورد نظر استفاده کرد.