پک خوراکی و صنعتی

دینامیک انعقاد لخته های فراکتال ناشی از مکانیسم های چسبندگی و الکترواستاتیک

ژانویه 14, 2024
admin

خلاصه

اندازه و ساختار لخته ها در طول تشکیل لخته برای مکانیسم های مختلف انعقاد نظارت شد. دو مکانیسم متمایز، یعنی درهم‌تنی و چسب الکترواستاتیک، دینامیک انعقاد ذرات کائولن توسط پلی‌آلومینیوم کلرید (PACl) را کنترل می‌کنند. آنها با پراکندگی نور ساکن زاویه کوچک (SASLS) و حالت جامد 27 Al NMR مورد بررسی قرار گرفتند. علاوه بر این، یک SEM مرطوب جدید (WSEM) در محل برای تصویربرداری از مورفولوژی سنگدانه در محلول آبی استفاده شد. ذرات معلق مصنوعی توسط دو محصول PACl، یک محصول تجاری (PACl) و یک محصول آزمایشگاهی (PACl-E) منعقد شدند. PACl-E حاوی بیش از 60٪ Al 13 بود در حالی که PACl حاوی تنها 7٪ Al 13 ، با درصد زیادی از کلوئیدی Al. برای انعقاد توسط PACl در pH خنثی و دوز بالا که در آن دافعه قوی بین ذرات رخ می‌دهد، درهم‌تنیدگی بر اساس تجمع محدود واکنش (RLA) منجر به لخته‌های جاروب بزرگتر و همچنین ساختار ابعاد فراکتال بالاتر می‌شود. برای انعقاد توسط PACl-E در pH قلیایی و دوز پایین، لخته‌ها عمدتاً توسط پچ الکترواستاتیک با دانه‌های Al 13 منعقد شدند. در چنین شرایطی، این احتمال وجود دارد که تجمع محدود انتشار (DLA) غالباً بر انعقاد PACl-E حاکم باشد. مقادیر ابعاد فراکتالی ( Ds ) لخته‌های PACl و PACl-E تشکیل‌شده در گیر کردن و پچ الکترواستاتیکی به ترتیب با دوز افزایش یافت. هنگامی که شکستن لخته‌ها رخ می‌دهد، سرعت شکستن لخته‌های PACl-E کندتر از لخته‌های جارویی است. با تصویربرداری WSEM، جذب رسوب‌های آلی کروی روی ذرات برای تشکیل لخته‌های جارو با کانتور خشن و ناهموار مشاهده شد، در حالی که لخته‌های PACl-E با ساختاری صاف و براق تشکیل شدند.

معرفی

انعقاد مهمترین فرآیند حذف ذرات کلوئیدی در تصفیه خانه های آب معمولی است. در دهه‌های گذشته، لخته‌سازهای پلیمری معدنی مانند کلرید پلی آلومینیوم پیش هیدرولیز شده (PACl) به طور گسترده در تصفیه آب مورد استفاده قرار گرفته‌اند. انعقاد موثر توسط PACl به برهمکنش بین آلومینیوم هیدرولیز شده و ذرات در آب خام بستگی دارد. بسیاری از مطالعات ثابت کرده اند که گونه های Al(III) به گونه های هیدرولیز شده Al مانند Al(OH) + , Al(OH) 2+ , Al 2 (OH) 2 4+ , ​​Al 3 (OH) 4 5+ هدایت می شوند . Al 13 O 4 (OH) 24 (H2 O ) 12 7+ (Al 13 ) و هیدروکسید آلومینیوم (Al(OH) 3 ) در فرآیندهای هیدرولیز، که توسط نسبت [OH – / Al] (Akitt) کنترل می شوند. و فارتینگ، 1981، برتش و همکاران، 1986، بوترو و همکاران، 1987). بخش پلیمری در PACl که با کنترل نسبت [OH-/Al] کافی در فرآیندهای هیدرولیز پیش هیدرولیز می شود ، مسئول حذف ذرات از طریق خنثی سازی بار است (Lin et al., 2008, Wang and Hsu, 1994).فعل و انفعالات گونه های هیدرولیز شده Al با ذرات در طول انعقاد در آب توسط مکانیسم های انعقاد متفاوتی انجام می شود که پس از آن بر سینتیک تجمع ذرات و ساختار سنگدانه ها تأثیر می گذارد (ون بنشوتن و ادزوالد، 1990، لیسکو، 1997). بی‌ثباتی ذرات معلق در انعقاد عموماً از نظر دو مکانیسم متمایز، خنثی‌سازی بار و لخته‌سازی جارویی (درگیر شدن) مشخص می‌شود (دوان و گرگوری، 2003). Dentel (1988) همچنین پیشنهاد کرده است که خنثی سازی بار بارشی که نشان دهنده انعقاد با خنثی سازی بار است را می توان به عنوان پوشش جزئی سطح ذرات بار منفی توسط هیدروکسید آلومینیوم با بار مثبت توضیح داد. علاوه بر این، پچ الکترواستاتیک ناشی از رسوب هیدروکسید آلومینیوم برای انعقاد PACl در حضور آنیون پیشنهاد شده است (Wang et al., 2002). با این حال، سینتیک تجمع بسیار به مکانیسم‌های انعقاد مرتبط است، که به طور قابل‌توجهی بر اندازه و ساختار سنگدانه‌ها تأثیر می‌گذارد (برکا و رایس، 2005، یو و همکاران، 2006).

تاکنون، تحقیقات نشان داده است که خنثی‌سازی بار ناشی از PACl می‌تواند تجمع ذرات سریع‌تری را نسبت به گیرکردن ناشی از زاج ایجاد کند (Matsui et al., 1998)، و سنگدانه‌های ناشی از خنثی‌سازی بار فشرده‌تر می‌شوند که در برابر تنش برشی مقاومت می‌کنند (McCurdy et al. همکاران، 2004). منعقدکننده‌های PACl از منابع مختلف حاوی بخش‌های مختلفی از گونه‌های مونومر و پلیمری Al هستند که بر مکانیسم انعقاد مانند گیر کردن، خنثی‌سازی بار بارش و پچ الکترواستاتیک تأثیر می‌گذارند. این مکانیسم‌ها به طور قابل‌توجهی بر سینتیک تجمع تأثیر می‌گذارند که وابسته به گونه‌سازی Al از PACls، pH عملیاتی و دوز PACl است (Ye et al., 2007). اگرچه ساختار، استحکام و سینتیک رشد لخته های آلوم-کائولن به خوبی بررسی شده است (فرانسوا، 1987، فرانسوا، 1988، چاکرابورتی و همکاران، 2003)، مطالعات محدودی به رابطه بین سینتیک تجمع و ساختار لخته ها توجه کرده است. در انعقاد PACl ناشی از گیر کردن و پچ الکترواستاتیک.

لخته های تشکیل شده توسط انعقاد در تصفیه آب و فاضلاب به عنوان ساختار فراکتال در نظر گرفته می شوند (توماس و همکاران، 1999). مشاهده ساختار لخته برای درک سینتیک انعقاد ضروری است. مطالعاتی وجود دارد که اندازه و ساختار سنگدانه های تشکیل شده در انعقاد کلوئیدها را توسط میکروسکوپ نوری (OM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بررسی کرده است (Cornelissen et al. ، 1997، فرتی و همکاران، 2003، زبیک و هورن، 2003). مطالعات دیگر همچنین از یک تکنیک تجزیه و تحلیل تصویر غیر نفوذی برای مشاهده و تجزیه و تحلیل ساختار سنگدانه های مرطوب در فرآیند انعقاد استفاده کردند (چاکرابورتی و همکاران، 2000، چاکرابورتی و همکاران، 2007). با این حال، تصویر با وضوح بالا در محل از سنگدانه های مرطوب هنوز به دست نیامده است. اخیراً SEM مرطوب (WSEM)، یک فناوری جدید است که امکان تصویربرداری مستقیم از نمونه‌های کاملاً مرطوب مانند سیمان و خاک رس را در یک SEM معمولی فراهم می‌کند (کاتز و همکاران، 2007، لی و همکاران، 2007)، که با این حال، دارای در مشاهده درجا از سنگدانه های منعقد شده توسط PACl حاوی گونه های مختلف Al استفاده نشده است.

در این مطالعه، رابطه بین دینامیک تجمع و ساختار سنگدانه‌های تشکیل‌شده توسط انعقاد PACl توسط درهم‌بندی و پچ الکترواستاتیکی از طریق فناوری تشخیص درجا مورد بررسی قرار گرفت. یک PACl تجاری با محتویات بالایی از گونه های مونومر و هیدروکسید آلومینیوم و یک محصول آزمایشگاهی (اصطلاح PACl-E) با بخش بالایی از گونه های پلیمری در یک سوسپانسیون کائولن استفاده شد. حالت جامد 27 Al NMR برای شناسایی گونه Al از لخته های منعقد شده با PACl و PACl-E استفاده شد. مانیتورهای درجا برای رشد لخته‌ها توسط انعقاد PACl و PACl-E در دوزهای مختلف توسط پراکندگی نور ساکن با زاویه کوچک (SASLS) انجام شد. علاوه بر این، SEM مرطوب (WSEM) برای مشاهده مستقیم لخته های مرطوب تشکیل شده در انتها استفاده شد.

قطعات بخش

تعلیق کائولن

کائولن خالص شده (Sigma Chemical Co., USA) با آب RO مخلوط شد و به مدت 30  دقیقه به غلظت 2.5  گرم در لیتر پراکنده شد. پس از 24  ساعت ته نشینی، مایع رویی به عنوان محلول استوک مصنوعی استفاده شد که از آن آب RO برای تهیه نمونه های آب کدر به کدورت مورد نظر 50  NTU که حدود 20.3  میلی گرم در لیتر است، اضافه شد. توزیع اندازه ذرات سوسپانسیون مصنوعی توسط یک آنالایزر اندازه ذرات (Master 2000، Malvern Inc.، UK) و یک تحلیلگر زتا لیزری (Zetasizer) آنالیز شد.

اثر pH بر راندمان انعقاد

تغییرات پتانسیل زتا (ZP) و کدورت باقیمانده (RT) در طول انعقاد PACl و PACl-E در شکل 1 ارائه شده است. دوز منعقد کننده  در اینجا 1 میلی گرم در لیتر کنترل می شود. اختلافات مشخصی در مناطق pH انعقاد کارآمد بین PACl و PACl-E وجود دارد. برای انعقاد PACl، منطقه pH کارآمد از 7 تا 10 متغیر است. حذف کدورت کارآمد نیز در pH 7.5 و pH 9 رخ می دهد.

نتیجه گیری

در pH خنثی، PACl با گونه‌های آل مونومر و کلوئیدی در پاسخ به وقوع Al(OH) 3(am) فراوان، به گیر افتادن کمک می‌کند . در مقابل، PACl-E حاوی درصد بالایی از Al 13 باعث ایجاد پچ الکترواستاتیک یا مکانیسم های خنثی سازی بار با دانه های Al 13 در pH قلیایی می شود. پچ الکترواستاتیک با سنگدانه‌های Al 13 می‌تواند باعث انعقاد سریع‌تر از درهم‌رفتن با Al(OH) 3 شود . شکستن لخته های ناشی از درهم تنیدگی و چسب الکترواستاتیکی در مصرف بیش از حد اتفاق می افتد. را

تصدیق

این تحقیق توسط کمک مالی شورای ملی علوم، تایوان، ROC (NSC 97-2221-E-009-069-MY3) پشتیبانی شد. نویسندگان مایلند قدردانی خود را از پروفسور Jiu-Hui Qu و Prof. Dong-Sheng Wang در RCEES-CAS (چین) برای ارائه پودر PACl-E و کمک به اندازه گیری NMR ابراز کنند.