اثر قلیایی انعقاد با کلریدهای پلی آلومینیوم: نقش پچ الکترواستاتیک

انعقاد یکی از مهمترین مراحل در قطارهای تصفیه آب معمولی است. به طور سنتی، هدف اصلی از انعقاد، حذف کدورت از آب است. با به رسمیت شناختن محصولات جانبی ضد عفونی، حذف مواد آلی طبیعی (NOM) از طریق انعقاد افزایش یافته به طور گسترده در جهان پذیرفته شده است

رایج ترین منعقد کننده های مورد استفاده نمک های آلومینیوم و آهن مانند آلوم (سولفات آلومینیوم) و کلرید آهن هستند. نمک های فلزی پس از افزودن به آب، می توانند یک سری فرآیندهای هیدرولیز را تجربه کنند و انواع مختلفی از محصولات هیدرولیز شده را تشکیل دهند. آلوم در تصفیه طیف وسیعی از انواع آب موثر است و هزینه‌های آن نسبتاً پایین است [4]. با این حال، زاج می تواند در معرض بدتر شدن قابل توجهی راندمان تصفیه در برخی از آب ها، به ویژه در محدوده خاصی از pH و دما باشد.

در دهه‌های گذشته، نسل جدیدی از منعقدکننده‌ها – لخته‌سازهای پلیمری معدنی (IPF) روز به روز محبوب‌تر شده‌اند. IPF ها مانند پلی آلومینیوم کلرید (PACl) و پلی آهن کلرید (PICl)، دسته ای از نمک های فلزی تا حدی خنثی شده با کسر پلیمری قابل توجه در برخی شرایط هستند. گونه های پلیمریزه از پیش ساخته شده این مزیت را دارند  که تحت انواع شرایط کیفی آب، به ویژه در دماهای پایین تر و محدوده pH گسترده تر نسبت به آلوم، موثرتر هستند

منعقد کننده های سنتی و IPF ها به دلیل ویژگی های زایی شیمیایی آنها عملکرد متفاوتی دارند. تحت شرایط معمولاً محدوده pH آبهای طبیعی، هیدرولیز نمک آلومینیوم می تواند مجموعه ای از محصولات از مونومرها، الیگومرها تا کمپلکس های هیدروکسیل پلیمری تولید کند. اکثر آنها مانند Al(OH) ²⁺ ، Al(OH) ₂ ⁺ ، Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ ، Al ₃ (OH) ₄ ⁵⁺ و Al ₁₃ O ₄ (OH) ₂₄ ⁷⁺ (سه کامریک پلیمر یا ‘Al ₁₃ ‘)، دارای بار مثبت هستند و می توانند با کلوئیدهای دارای بار منفی برهم کنش داشته باشند و در نتیجه باعث بی ثباتی و تجمع ذرات کلوئیدی شوند. PAC ها معمولاً با خنثی سازی کنترل شده کلرید آلومینیوم تهیه می شوند. PAC ها معمولاً حاوی مقادیر قابل توجهی از محصولات هیدرولیز آلومینیوم چند هسته ای [12]، [13] از جمله Al ₁₃ هستند که در میان گونه های مهم تری به شمار می روند [14]، [15]. با این حال، مکانیسم های انعقاد PACl تا به امروز به طور کامل شناخته نشده است.

کلوت [16] دریافت که گونه های از پیش ساخته شده در PAC ها پایدارتر از گونه هایی هستند که در محل پس از افزودن آلوم تشکیل شده اند. ماتسویی فرض کرد که آن گونه های از پیش ساخته شده می توانند ذرات را سریعتر بی ثبات کنند [17]. گزارش شده است که ویژگی های آب، به ویژه قلیایی بودن می تواند بر فرآیندهای هیدرولیز بسیاری از منعقد کننده ها تأثیر بگذارد و تأثیرات عمیقی بر راندمان انعقاد داشته باشد [18]. مطالعات قبلی بیشترین توجه را به تأثیر قلیاییت بر رفتارهای انعقادی منعقد کننده های سنتی معطوف داشتند و مطالعه کمی بر روی تأثیر قلیاییت بر انعقاد با PAC ها متمرکز شده است. مشاهده شده است که تقاضا برای زاج به صورت خطی با افزایش قلیائیت افزایش می یابد [19]، [20] و زمانی که قلیایی به زیر 30  میلی گرم در لیتر به عنوان CaCO ₃ کاهش می یابد، کدورت به سختی حذف می شود [21]. قلیاییت همچنین نقش کلیدی در افزایش انعقاد برای حذف NOM ایفا می کند، زیرا تمایل دارد pH انعقادی را بالاتر نگه دارد و حذف NOM را کاهش دهد [1].

PAC ها می توانند کمتر تحت تاثیر قلیاییت نسبت به آلوم قرار گیرند، به ویژه آن دسته از PAC هایی که دارای بازییت بالاتری هستند [22]، اما مکانیسم های دخیل در این پدیده مشخص نشده است.

مکانیسم های کلی انعقاد در بررسی دوان و گریگوری به تفصیل خلاصه شده است [23]. بی ثباتی کلوئیدی را می توان با افزودن آلوم به دست آورد و مکانیسم مربوطه را خنثی سازی بار می نامند. به دلیل حلالیت بسیار کم آلومینیوم، با افزایش دوز آلوم، رسوب سریع و بیش از حد هیدروکسید آلومینیوم می تواند تشکیل شود و ذرات ریز موجود در آب در رسوب هیدروکسید گیر کرده و در نتیجه حذف کدورت موثر حاصل می شود. این فرآیند به اصطلاح مکانیسم “لخته‌سازی جارویی” است زیرا ذرات توسط یک رسوب هیدروکسید آمورف از آب خارج می‌شوند. Chowdhury و Amy [24] ادعا کردند که بارش مکانیسم اصلی در انعقاد کلوئیدهای آلومینا با آلوم است. با توجه به مدل «لخته‌سازی رفت و برگشتی»، ترکیب کلوئیدها در رسوب دو مسیر را دنبال می‌کند: یکی هسته‌زایی ناهمگن شامل خنثی‌سازی بار و رشد بعدی رسوب در مقادیر pH پایین، و دیگری هسته‌زایی همگن شامل رسوب‌گذاری و پس از آن در ذرات agg است.

مسیر اول به عنوان خنثی سازی بار و مسیر دوم به عنوان لخته سازی رفت و برگشت در نظر گرفته می شود. با توجه به مکانیسم‌های انعقاد/لخته‌سازی PACs، اکثر مطالعات کنونی بر روی حالت خنثی‌سازی بار متمرکز شده‌اند [13، [17]، [25]، [26]. Dentel [27] سعی کرد مکانیسم های انعقاد انواع مختلف منعقد کننده ها را با یک مدل ترکیبی خنثی سازی بار بارشی (PCN) توضیح دهد. اخیراً «انعقاد پچ الکترواستاتیک» (EPC) توسط وانگ و همکاران پیشنهاد شده است. [28] برای تفسیر رفتارهای انعقادی PACs، اما به طور سیستماتیک با استفاده از آزمایش‌های کنترل‌شده به تفصیل مورد بررسی قرار نگرفته است.

در این مقاله، مکانیسم‌های انعقاد/لخته‌سازی PACs با پایه‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفت. اثر قلیاییت مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر آزمایش‌های شیشه، فناوری پایش دینامیک لخته‌سازی، تحلیلگر پراکندگی نورسنجی (PDA) برای مشاهده فرآیندهای تجمع لخته‌ها به کار گرفته شد. این تکنیک نظارت شامل اندازه گیری نوسانات نور عبوری در یک سوسپانسیون جاری است و به حالت تجمع ذرات بسیار حساس است. هدف از آن ارائه بینش بهتر در مورد نقش پچ الکترواستاتیک در انعقاد/لخته سازی با PAC در سطوح مختلف قلیاییت بود.