انعقاد الکتریکی ( الکتروکواگولیشن )
استفاده از فرآیند انعقاد، لخته سازی و انعقاد الکتریکی در حذف فلزات سنگین از فاضلاب های صنعتی همراه با افزایش جمعیت و تولید آلاینده های مختلف روند تخریب منابع زیست محیطی آهنگ فزاینده ای را به خود گرفته و در همین راستا جوامع بشری همواره با دستیابی به فناوری های پیشرفته و نوین سعی در حل معضلات و مشکلات مربوطه داشته اند.
در این میان استفاده بی رویه از منابع آب سطحی و زیرزمینی و متعاقب آن تولید و ورود انواع فاضلاب های صنعتی، شهری و کشاورزی به محیط زیست شرایط را به گونه ای رقم زده است که شاید به سختی بتوان پایداری توسعه را در جامعه کنونی تا اندک زمانی در آینده پیش بینی نمود.
در سال های اخیر فرآیندهای مورد استفاده در صنعت آب و فاضلاب در زمینه های مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی با پیشرفت های قابل ملاحظه ای روبرو بوده است و در این میان سهم فرآیندهای بیولوژیکی و شیمیایی از فرآیند پیشرفته بالاتر بوده است.
فرآیند انعقاد و لخته سازی در تصفیه آب و فاضلاب امروزه به صورت متداول از طریق شیمیایی و افزودن مواد منعقدکننده آلی، معدنی و … به محیط آب و فاضلاب انجام می پذیرد.روش ترکیب شیمیایی علیرغم سابقه نسبتا طولانی در صنعت آب و فاضلاب با توجه به محدودیت هایی از قبیل هزینه های بالای بهره برداری و تبعات نامطلوب زیست محیطی از مزایای قابل توجهی برخوردار نیست، لذا به منظور یافتن راهکارهای مناسب دیگر در جهت جایگزینی فرآیند ترکیب شیمیایی، روش های متعددی در سالهای اخیر مورد توجه و بررسی قرار گرفته است. که از این میان می توان به فرآیند انعقاد و شناورسازی الکتریکی که به عنوان یک نوآوری قابل توجه در صنعت آب و فاضلاب مطرح می باشد، اشاره کرد.
تصفیه پساب ها به روش های مختلفی از جمله ته نشینی، سانتریفیوژ، شناورسازی، فیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، اسمزمعکوس، انعقاد و لخته سازی، جذب سطحی، اکسیداسیون شیمیایی و بیولوژیکی و انعقاد الکتریکی یا ترکیبی از آنها صورت می پذیرد. کاربرد برخی از این روش ها به دلیل قطر کوچک قطرات روغن موجود در پساب دشوار و زمان بر است. انعقاد و لخته سازی مفاهیمی نزدیک به هم هستند و گاهی به جای یکدیگر به کار می روند.
می توان انعقاد و لخته سازی را به ترتیب به مراحل اختلاط سریع ایجاد لخته نسبت داد. بعبارت دیگر فرآیند انعقاد به صورت ایجاد ناپایداری در ذرات معلق و کلوئیدی موجود در آب و انجام لخته سازی با نزدیک کردن این ذرات به یکدیگر و تشکیل ذرات وزین تر تعریف شده است.
منظور از ناپایدار شدن ذرات، افزودن یک ماده شیمیایی موسوم به ماده منعقد کننده به آب و در نتیجه خنثی کردن و یا کاهش بارهای الکتریکی ذرات است. پس از ناپایدار شدن ذرات، در مرحله اختلاط کند، ذرات اجازه نزدیک شدن به یکدیگر را یافته و در نتیجه ذرات بزرگ تر و سنگین تری را ایجاد می کنند. این ذرات درشت تر با استفاده از روش هایی نظیر ته نشینی، شناورسازی یا استفاده از فیلتر می توانند به راحتی جدا شوند.
انعقاد الکتریکی ( الکتروکواگولیشن ) عبارت است از تولید مواد منعقدکننده در محل با استفاده از تجزیه الکتریکی الکترودهای آلومینیوم یا آهن تولید یون های فلزی در آند و گاز هیدروژن در کاتد انجام می گیرد.
در روش انعقاد الکتریکی ( الکتروکواگولیشن ) عمل تصفیه طی سه مرحله انجام می گیرد:
- واکنش الکترولیت در سطح الکترود و شکل گیری منعقدکننده ها بوسیله ی اکسیداسیون الکترولیتی در فاز آبی
- جذب ذرات کلوئیدی بر روی منعقدکننده ها
- حذف آن بوسیله ته نشینی یا شناورسازی
در این روش همزمان با خورده شدن آند، در کاتد گازهای الکترولیت عموما گاز هیدروژن تولید می شود که منجر به شناورسازی بیش تر می گردد.
در انعقاد الکتریکی ( الکتروکواگولیشن )، فلزاتی از قبیل آهن و آلومینیوم اغلب بعنوان آند استفاده می شوند که با اکسیدشدن، هیدروکسیدها، اکسی هیدروکسیدها و هیدروکسیدهای پلیمری را تولید می کنند.
مزایای انعقاد الکتریکی
روش ( الکتروکواگولیشن ) به دلیل داشتن چند مزیت از جمله وسعت عمل برای تصفیه انواع پساب های صنعتی، طراحی ساده سیستم، هزینه کم راه اندازی و بهره برداری، عدم نیاز به مواد شیمیایی، نیاز به تجهیزات ساده، بهره برداری راحت هزینه ی اولیه و هزینه بهره برداری پایین، زمان واکنش کم، ته نشینی سریع لخته های ایجاد شده، تولید لجن کم، ایمنی بالا، عدم نیاز به حمل و نقل و جابجایی مواد شیمیایی و تولید منعقدکننده در محل می تواند به عنوان یک روش کارآمد در جداسازی ترکیبات نفتی از آب عمل نماید.
این روش برای تصفیه ی آب های آلوده به جامدات، رنگ ها، فلزات سنگین، مواد آلی و غیرآلی محلول، به کار گرفته شده و بسیار کارآمد بوده است.
مکانیسم های اصلی الکترولیز برای تصفیه پیشرفته به شرح زیر می باشد:
اکسیداسیون و گندزدایی الکتروشیمیایی فلوکولاسیون الکتروشیمیایی و شناورسازی الکتروشیمیایی یا هرترکیبی از این مکانیسم ها
فرایند انعقاد الکتریکی از طریق کاربرد جریان مستقیم برق با ولتاژ بین 10 تا 60 ولت و شدت جریان های متغیر که بسته به میزان آلودگی پساب تعیین می شود با استفاده از الکترودهایی از جنس آلومینیوم، آهن معمولی، فولاد ضدزنگ، و یا ذغال صورت می گیرد.
در این فرآیند از یک منبع جریان برق مستقیم بین الکترودهای فلزی فرورفته در آب آلوده استفاده می شود. جریان الکتریکی منجر به انحلال صفحات فلزی در فاضلاب می گردد.
میزان انحلال فلزات و در نتیجه تجزیه فلز آند بستگی به مقدار جریان الکتریسیته عبوری از الکترولیت دارد. حباب های گاز هیدروژن تولید شده در کاتد نیز به ذرات منعقدکننده چسبیده و همانند روش شناورسازی با هوای محلول ذرات را با خود به سطح آب می آورند. فرآیند الکترودیالیز با در نظرگرفتن مزایایی از قبیل جنبه های بهداشتی و زیست محیطی مطلوب و بازده بالا در حذف انواع آلاینده ها از آب و فاضلاب و سایر مزایای آن، چشم انداز بسیار مطلوبی در صنعت آب و فاضلاب کشور دارد.
وجود غلظت های بالای انواع آلاینده های شیمیایی و سمی که دارای اثر بازدارندگی بر فعالیت بیولوژیکی میکروارگانیزم ها می باشند، کاربرد این سیستم را در تصفیه فاضلاب های صنعتی بسیار زیاد نموده و در محل هایی که عملا کاربرد فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی به لحاظ وجود این گونه آلاینده ها با محدودیت های زیادی روبروست مطلوب و از درجه اهمیت بالایی برخوردار است.
به طور کلی این فرآیند در سه مرحله قرار می گیرد:
- الکترود قربانی شونده، دچار اکسیداسیون می شود تا ماده ی منعقدکننده تولید کند.
- سپس سوسپانسیون ذره ای، دچار بی ثباتی می شود و شکستن امولسیون اتفاق می افتد.
- فاز بی ثبات شده، دوباره تجمع پیدا می کند و توده ها تشکیل می شوند.
پارامترهای موثر بر انعقاد الکتریکی
شامل دانسیته جریان، جنس الکترود، pH، مدت زمان، فاصله بین الکترودها و تعداد الکترودها می باشد. در فرآیند انعقاد الکتریکی ناخالصی در محصول نهایی نسبت به روش های انعقاد شیمیایی کمتر خواهد بود.
در فرآیند انعقاد الکتریکی، الکترودهای آند که الکترود قربانی شونده است، از جنس فلزات چندظرفیتی است و در اثر برقراری جریان برق، یون های مثبت فلزی از خود آزاد می کند در نتیجه ذرات معلق پایداری خود را در محیط از دست داده و در کنار هم تجمع یافته و تشکیل لخته می دهند. در اطراف الکترود کاتد گاز هیدروژن تولید می شود. عوامل مختلفی بر فرآیند انعقاد الکتریکی موثر می باشند.
مقایسه انعقاد شیمیایی و انعقاد الکتریکی
اصول انعقاد الکتریکی همانند انعقاد شیمیایی است، تفاوت بین این دو روش در اضافه کردن منعقدکننده است. در روش انعقاد الکتریکی، منعقدکننده به صورت الکتریکی تولید می شود و پساب در یک سل الکتروشیمیایی تصفیه می شود. زمانی که سیستم در تماس با یک منبع برق خارجی قرار می گیرد، آندهای قربانی به دلیل اکسیداسیون در محلول خورده می شوند و باعث آزادسازی کاتیون های منعقدکننده در سل می شوند. در صورتیکه بین الکترودها یک اختلاف پتانسیل ایجاد شود، آندها می توانند باعث آزادسازی منعقدکننده ها شوند.
در انعقاد الکتریکی، منعقدکننده از اکسایش الکترولیتی یک آند قربانی، بطور معمول از جنس آلومینیوم یا آهن، که منجر به انحلال الکترودی کاتیون های فلزی همانند انعقاد شیمیایی می شود، بدست می آید. هم در انعقاد شیمیایی و هم در انعقاد الکتریکی، این کاتیون ها منجر به باردار شدن ذرات موجود معلق می شود.
مثلا انعقاد الکتریکی برای رنگبری و حذف کدورت رنگ فاضلاب نساجی واقعی، با وجود بازده حذف کمتر به طور معمول ارزان تر از انعقاد شیمیایی است.
فرآیند انعقاد الکتریکی
- مهاجرت به سمت الکترود با بار مخالف و تراکم بعلت خنثی سازی بار
- تشکیل رسوب با آلاینده توسط کاتیون یا یون هیدروکسیل
- برهم کنش کاتیون فلزی با یون هیدروکسیل برای تشکیل هیدروکسید، که دارای خواص جذب بالا هستند و با آلاینده ها پیوند ایجاد می کنند.
- تشکیل هیدروکسیدهای با ساختار مشبک مانند بزرگ که از طریق آب جاروب می شوند.
- اکسایش آلاینده ها به گونه های با سمیت کمتر
- حذف توسط شناورسازی یا ته نشینی و چسبندگی به حباب ها
مقایسه هزینه های بهره برداری انعقاد الکتریکی و انعقاد شیمیایی
کاربردهای فرآیند انعقاد الکتریکی
1-استفاده از فرآیند انعقاد الکتریکی در تصفیه آب
از این فرآیند می توان در تصفیه آب زیرزمینی، آب آشامیدنی، پساب های حاصل از شستشو، آب برج های خنک کننده، تصفیه ی اولیه آب جهت فرآیندهای اسمزمعکوس، اولترافیلتراسیون و غیره استفاده نمود.
در این روش آب ابتدا به داخل مخزن پمپ می شود سپس الکترودها با استفاده از جریان برق فعال شده و در نتیجه عوامل منعقدکننده در آند و گاز هیدروژن در کاتد متصاعد می شود. عوامل منعقدکننده به مواد آلاینده چسبیده و باعث تشکیل لخته می شود و سپس گاز هیدروژن در حین بالا آمدن آن ها را به سطح می آورد و پس از شناور شدن در سطح به حوض ته نشینی منتقل می شوند. معمولا مقدار جریان خروجی همراه با مواد آلاینده از سطح، 5% حجم کل جریان موجود در مخزن می باشد. در نهایت آب تمیز از سیستم به تانک ذخیره پمپ می شود. مدت زمان فرآیند به طبیعت مواد آلاینده و همچنین آهنگ مورد نیاز حذف مواد آلاینده بستگی دارد، ولی به طور معمول این زمان تماس بین 1-3 ساعت می باشد.
در این فرآیند با اضافه کردن آلومینیوم به آب و تولید رادیکال های هیدروکسیل، pH آب افزایش پیدا می کند. براساس محاسباتی که انجام گرفته است، به طور متوسط مقدار آلومینیوم اضافه شده به محیط 10-50mg/l می باشد. با توجه به این مقادیر ممکن است استفاده از این روش برای بعضی از مقاصد گران باشد.
غیر محلول بودن آلومینیون و طبیعت واکنش منعقدسازی نشان می دهد که در فرآیند انعقاد بیشتر آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفته و غلظت آن در محلول بیشتر از 2 میلی گرم در لیتر نمی باشد.
2-کاربرد فرآیند انعقاد الکتریکی در تصفیه فاضلاب
این روش می تواند برای تصفیه انواع فاضلاب های صنعتی، شهری و کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد. از جمله صنایعی که تاکنون این روش برای تصفیه فاضلاب آن ها با نتایج بسیار موفقیت آمیزی روبرو بوده است می توان به موارد ذیل اشاره کرد:
- کارخانجات و صنایع فلزی ( صنایع خودرو، تراشکاری ها، صافکاری ها و … )
- صنایع استخراج فلزات سنگین از معادن
- صنایع پرداخت سطوح ( آبکاری )
- صنایع چینی و سرامیک
- صنایع کاغذسازی
- صنایع پاک کننده و چربی زدا ( موتور شویی و … )
- صنایع فولاد
- صنایع نساجی، کارگاه های رنگ، چرم، چاپخانه و …
- صنایع شیمیایی ( تولید مواد اولیه و محصولات واسطه، علف کش، حشره کش، لاک سازی و … )
در اغلب موارد و به خصوص در مورد فاضلاب های شهری، کیفیت پساب خروجی از این فرآیند دارای کیفیتی حتی بهتر از منابع آب خام را دارا خواهد بود. از این فرآیند تاکنون در تصفیه فاضلاب های حاوی چربی، روغن و گریس استفاده شده است. به طور کلی یکی از مزایای این روش کارایی آن در تصفیه فاضلاب های مختلف با مشخصات مختلف می باشد.
کاربرد جریان برق در آب حاوی امولسیون های روغن و چربی و گریس باعث آزاد شدن حباب های گاز در کاتد و شناور شدن امولسیون ها می شود.
میزان حذف مواد آلاینده با این روش در فرآیند تک مرحله ای تا بیش از 99% رسیده است.
قابلیت های سیستم انعقاد الکتریکی
- کاهش فلزات سنگین مثل آرسنیک، کادمیوم، کرم، سرب، نیکل و روی تا میزان 95-99 درصد
- کاهش سیلیس های محلول، ذرات رس و سایر مواد معلق تا 98 درصد
- کاهش باکتری ها از 110 میلیون عدد در میلی لیتر به 2700 عدد در میلی متر
- کاهش آلودگی های روغنی ناشی از فاضلاب پالایشگاه ها، صنایع غذایی و غیره تا میزان 95-99 درصد
- حذف ایزوتوپ های رادیواکتیو
- کاهش TSS، TDSف FOG، BOD و غیره
- کاهش مواد آلی پیچیده و …