وبلاگ

:
با توجه به گسترش روزافزون بحران کمبود آب مورد نیاز نه فقط برای مصارف خانگی و کشاورزی که در بخش صنعت، تلاش‌ها برای تصفیه و بازگرداندن بخش قابل توجهی از آب مصرفی به چرخه مصرف در حال افزایش است. میزان مصرف آب در بخش صنعت با توجه به گزارش وزارت نیروی جمهوری اسلامی ایران، در حدود 5/1 درصد کل آب مصرفی کشور معادل 5/1 ملیارد متر مکعب را به خود اختصاص داده است. لذا با توسعه علم و فناوری نظیر فرایندهای غشایی میتوان بخش عظیمی از این آب را به چرخه صنعت بازگرداند. فرایندهای غشایی مانند نانوفیلتراسیون [1] (NF) ، اولترافیلتراسیون[2] (UF) و اسمز معکوس[3] (RO) به طور فزاینده‌ایی در احیا و استفاده مجدد از پساب و تصفیه آب آشامیدنی استفاده می‌شوند]1.[
1-1- معرفی کارخانه زغالشویی
این کارخانه در فاز اول به منظور تامین کک مورد نیاز برای کارخانه ذوب آهن اصفهان طراحی و اجرا گردیده‌است. ظرفیت اسمی این کارخانه که بزرگترین کارخانه‌ی زغالشویی کشور می‌باشد 300 تن در ساعت است. زغال سنگ پس از استخراج از معادن پروده که حدوداً شامل 50 درصد باطله است جهت خالص سازی و جداسازی از باطله به کارخانه زغالشویی منتقل می‌شود. سپس زغال سنگ وارد روتاری بریکر شده تا عمل دانه‌بندی و ریزکردن ابعاد زغال سنگ انجام شود. پس ازعملیات مختلفی که بر روی زغال به منظور دانه‌بندی و خاکستر کردن آن انجام می‌شود، مهم ترین قسمت کارخانه زغالشویی یعنی بخش فلوتاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هدف از بخش فلوتاسیون تولید زغال کنسانتره در ابعاد بسیار ریز (خاکستر) می‌باشد. در این بخش زغال دانه‌بندی شده و ریز با آب مخلوط می‌شود. فرایند فلوتاسیون در واقع جداسازی جامد از جامد ( جداکردن  زغال کک شو از باطله) در اثر اختلاف در دانسیته ذرات است]2.[
شش سلول در قسمت فلوتاسیون فعال است که این سلول‌ها دارای قطر4 متر و ارتفاع 8 متر هستند و ظرفیت آن‌ ها 300 تن در ساعت است. جریان خوراک اولیه (مخلوط آب و زغال) از ارتفاع 2 متری بالای سلول وارد آن شده، سپس  فروتر یا همان کف ساز از ارتفاع 5/1 متری کف سلول وارد می‌شود. علت افزودن کف ساز در واقع ایجاد حباب است، که باعث می‌شود که ذرات با دانسیته کمتر که همان زغال مرغوب است، روی سطح حباب‌ها قرار گیرند و از بالای سلول  به صورت سر ریز خارج شوند و باطله نیز به علت دانسیته بیشتر در کف سلول باقیمانده، و خارج می‌شود.
زغال فرآوری شده به سمت فیلتر پرسی هدایت شده و آبگیری می‌شود و پساپ تولیدی راهی تیکنر می‌شود. همچنین باطله خروجی از فلوتاسیون به همراه پساب نیز وارد تیکنر می‌شود. تیکنر قسمتی از کارخانه جهت بازیابی آب است که استخری به حجم3 m5400 را شامل می‌شود. در مرحله آخر به دلیل وجود ذرات معلق در پساب، از منعقد کننده‌ها به منظور ته نشینی -تحت عنوان فرایند انعقاد ولخته سازی- و استفاده مجدد از آب استفاده می‌شود.
2-1- معرفی فرایند انعقاد و لخته سازی
انعقاد و لخته سازی[1] یک واحد فیزیک و شیمیایی در فرایند پیش تصفیه[2] می‌باشد. در این فرایند ذرات ریز معلق توسط منعقد کننده‌ها[3] به ذرات درشت تبدیل و ته نشین می‌شوند. برای این فرایند می‌توان از مواد آلی یا معدنی و مواد با جرم ملکولی بالا مانند پلیمرها استفاده کرد. فلوکولاسیون نوعی فرایند انعقاد و لخته سازی است که از پلیمرها به منظور ته نشین کردن ذرات معلق استفاده

 می‌کند، که خود به سه دسته کاتیونی، آنیونی و خنثی تقسیم می‌شود. پلیمرهای کاتیونی کاربرد فراوانی در تصفیه پساب‌های حاوی ذرات معدنی دارند. بیشتر پلیمرهای مورد استفاده در فرایند فلوکولاسیون پلیمرهای خطی می‌باشند]3-11[.

برای سوسپانسیون‌ها با غلظت و اندازه ذرات مختلف، پلیمرها با جرم ملکولی متفاوتی استفاده می‌شوند. مهم ترین عوامل مؤثر در کارایی فرایند انعقاد یون‌های موجود در محلول آبی (قدرت یونی آب)، غلظت مواد هیومیک، pH، دمای آب و نوع ماده منعقدکنند هستند. در عملیات انعقاد و لخته سازی، رشد لخته‌ها در چند مرحله‌ی متوالی رخ می دهد:
– پراکندگی پلیمر در محیط
– نفوذ پلیمر در فصل مشترک جامد – مایع
– جذب پلیمر بر روی سطح مایع برخورد ذرات حامل لخته‌ی جذب شده با ذره‌ای دیگر
– جذب لخته برروی ذره‌ی دوم برای ایجاد پل و تشکیل یک میکرو لخته
– رشد میکرو لخته‌ها از طریق برخوردهای موفق و جذب
– شکسته شدن لخته‌های ایجاد شده به وسیله ی تنش
هر مرحله با توجه به سینتیک خودش رخ می‌دهد و نتایج نهایی به سرعت نسبی مراحل مختلف وابسته است. بنابراین، برای مثال اگر فاز جذب بسیار سریع‌تر از فاز رشد باشد، لخته‌های کوچک بسیاری وجود خواهند داشت، در حالی که اگر سرعت رشد بیشتر باشد، لخته‌ها بزرگتر و تعدادشان کمتر خواهد بود]12[.
3-1- معرفی پلی‌اکریل‌آمید
استفاده از پلیمرهای آلی محلول در آب، از 40 سال گذشته در عملیات‌ پیش‌تصفیه‌ی آب‌های آشامیدنی و پساب‌های صنعتی بسیار متداول بوده‌اند. در ابتدا ایالات متحده آمریکا از این پلیمرها به منظور عملیات پیش تصفیه استفاده نموده‌است و با گذشت زمان 15 سال از اولین استفاده از پلیمرها به منظور عملیات پیش تصفیه در ایالات متحده، بیش از نیمی از واحدهای دارای فرایندهای پیش تصفیه، از یک یا چند پلیمر برای افزایش بازدهی این فرایند استفاده می‌کردند]13[.
پلی‌اکریل‌آمید (به اختصار PAM) متداولترین پلیمر قابل انحلال در آب است که از ملکول‌های اکریل‌آمید تشکیل شده‌است. پلی‌اکریل‌آمید خانواده‌ای از پلیمرها یا کوپلیمرهاست که می‌تواند در جرم ملکولی، نوع بار، دانسیته بار و سایر خواص متفاوت باشند. پلی‌اکریل‌آمید ماده شیمیایی مصنوعی و ارزان قیمتی است و اثرات مخرب محیط زیستی ندارد]13[. بازار تقاضای این ماده در سال 2012 به میزان 95/3 میلیارد دلار گزارش شده است و انتظار می‌رود تاسال 2019 این مقدار با رشد سالیانه 7/4 درصد به میزان 9/6 میلیارد دلار برسد. از این پلیمر در صنایع حاوی پساب معدنی به منظور ته نشینی  ذرات معلق در پساب های صنعتی بسیار استفاده می‌شود. این پلیمر در سه نوع کاتیونی، آنیونی و خنثی وجود دارد. غالب ذرات معدنی موجود در پساب در اثر اصطکاک دارای بار سطحی منفی هستند، لذا استفاده از نوع کاتیونی این پلیمر بازدهی بیشتری خواهد داشت. پلی‌اکریل‌آمید با نام تجاری فلوکولانت 911 در بازار شناخته می‌شود. ساختار این پلیمر در دو نوع خنثی و کاتیونی در شکل 1-2 و 1-3 موجود است]14[.
همانطور که از ساختار این پلیمر مشخص است دارای گروه‌های آمیدی می‌باشد که هر گروه آمید در پلیمر به همراه خود 2 اتصال قوی با ملکولهای آب در اثر انحلال خواهد داشت]15[. شکل 1-4 طیف FT-IR از پلی‌اکریل‌آمید استفاده شده در این مطالعه را نشان می‌دهد.
یکی از فاکتورهای مهم در بازدهی این پلیمر در فرایند انعقاد و لخته سازی جرم ملکولی و به دنبال آن اندازه پلیمر است. هرچه جرم ملکولی پلیمر بیشتر باشد اندازه زنجیره‌ها بیشتر شده و با توجه به مکانیزم اشاره شده در قسمت قبل توانایی بیشتری در ته نشینی ذرات خواهد داشت. پلیمرهایی که برای این منظور استفاده می‌شوند غالباً جرم ملکولی بین 5000 تا 147000کیلو دالتون دارند]13[.
 پلی‌اکریل‌آمید در تمام محدوده pHها قابل حل در آب است و علاوه بر آب، قابلیت انحلال در سایر حلال‌های قطبی مانندگلیسرول، اتیلن گلایکول را دارد و در اثر انحلال این ماده در آب ویسکوزیته محلول  به شدت افزایش می‌یابد]15[.
سن وانگ و همکاران نشان دادند pH محلول می‌تواند بر روی توزیع اندازه ذرات پلیمری اثر گذار باشد. همچنین آنها به این نتیجه رسیدند کهpH  محیط بر روی اندازه‌ی ذرات پلی‌اکریل‌آمید با جرم ملکولی بالا اثرگذار نیست. با توجه به اینکه پلی‌اکریل‌آمید مورد استفاده جرم ملکولی بالایی در حدود 5000 کیلودالتون دارد، pH بر روی اندازه ذرات پلیمری با  این جرم ملکولی اثری ندارد. در حالی که بر روی پلی‌اکریل‌آمید با جرم ملکولی 5/1 کیلو دالتون اثر گذار است. شکل1-5 تاثیر pH محلول را در اندازه ذرات نشان می‌دهد]18.[
پلی‌اکریل‌آمید تجاری، به صورت پودر سفید رنگ وبا دانسیتهKg/m3800-880 ودانسیته بار 80% وجود دارد.
پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی بدون قرارگرفتن در محلول به مانند پلی‌اکریل‌آمید خنثی می‌باشد. اما با قرار گرفتن در محیط محلول خاصیت کاتیونی به خود می‌گیرد. دراثر انحلال‌پذیری پلیمر در آب و نفوذ آب درون کلاف زنجیره پلیمر، زنجیره‌های پلیمری در اثر دافعه‌ی بارها از کلاف زنجیره جدا می‌شوند و بعد از جداشدن زنجیره‌های پلیمری تحت دو مکانیزم عمل انعقاد و لخته سازی را انجام می دهند.
1-پلیمر به صورت منفرد، که هر زنجیره یک ذره را پوشش می‌دهد.
2-زنجیره‌های پلیمر باعث اتصال دو یا چند ذره به هم می شوند]13[.
دو مکانیسم یاد شده در شکل 1-6 نشان داده شده است.
6 Flocculation
7 Pretreatment
8 Flocculant
1 Nanofiltraton
2 Ultrafiltration
3 Reverse osmosis