مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف باریم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:
  باریم به صورت یون Ba2+ در آب وجود دارد و با افزودن سولفات (SO4+2−​) به شکل سولفات باریم (BaSO4​) نامحلول رسوب می‌کند:

  Ba2++SO4+2−→BaSO4↓(Ksp=1.1×10−10)

• مواد شیمیایی:

  • سدیم سولفات (Na2​SO4​) یا سولفوریک اسید (H2​SO4​).

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۶–۸ (برای جلوگیری از تشکیل BaCO3BaCO3​ در محیط قلیایی).

  • دوز سولفات: ۱.۱ برابر مقدار استوکیومتری (مثلاً برای ۵۰ mg/L +Ba2، دوز ≈ ۳۵ mg/L SO4-2−​).

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های کاتیونی سولفونیک اسید برای جایگزینی Ba2+ باNa+:

  R-Na2+Ba2+→R-Ba+2Na

• احیای رزین: شستشو با NaCl غلیظ (۱۰٪) یا HCl.

• ظرفیت رزین: ۲–۴ میلی‌اکیوالان بر گرم (meq/g).

ج. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از آلوم (Al2​(SO4​)3​) یا کلرید فریک (FeCl3​) برای تشکیل لخته‌های هیدروکسیدی کهBa+2 را جذب می‌کنند.

• پارامترها:

  • دوز منعقدکننده: ۲۰–۱۰۰ mg/L.

  • pH بهینه: ۶–۷.

۲. روش‌های نوین

الف. اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO)

• مکانیسم:
  استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا برای حذف ۹۵–۹۹٪ یون‌های Ba2+Ba2+.

• فرمول شار غشایی:

  
  (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

• • J: شار (LMH)، ΔP: فشار (bar)، Δπ: فشار اسمزی.

ب. الکترودیالیز (Electrodialysis)

• مکانیسم:
  انتقال انتخابی یون‌ها از طریق غشاهای کاتیونی و آنیونی تحت میدان الکتریکی.

• فرمول نرنست:

  E=E0−(RT/nF)ln⁡Q
• E: پتانسیل سلول، Q: ضریب واکنش.

ج. جذب سطحی پیشرفته (Advanced Adsorption)

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۱۲۰ mg/g.

  • زیست‌جاذب‌ها (Biochar): جذب از طریق گروه‌های عاملی اکسیژن.

• فرمول ایزوترم لانگمیر:

  (1+KL​⋅Ce​)/(Qmax​⋅KL​⋅Ce)=qe​​​

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آهنی یا آلومینیومی برای تولید هیدروکسید فلزی که باریم را جذب می‌کند:

  • واکنش آند:

    −Fe→Fe2++2e

  • تشکیل هیدروکسید آهن:

    ↓Fe2++2OH−→Fe(OH)2​

• فرمول فارادی:

  
  m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F)​

• • m: جرم الکترود مصرفی (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه).

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

رسوب‌سازی ۸۰–۹۵٪ کم تولید لجن صنایع شیمیایی

تبادل یونی ۹۰–۹۸٪ متوسط حساسیت به یون‌های رقیب آب‌های با TDS پایین

اسمز معکوس ۹۵–۹۹٪ بالا مصرف انرژی بالا صنایع نیمه‌هادی

الکترودیالیز ۸۵–۹۵٪ بسیار بالا هزینه تجهیزات سیستم‌های پیشرفته

۴. فرمول‌های کلیدی

محاسبه دوز سولفات در رسوب‌سازی

دوز سولفات (mg/L)=غلظت Ba+2×۱.۰۵

• مثال: برای ۵۰ mg/LBa+2، دوز ۳۵ ≈ mg/LSO4-2.

ظرفیت رزین تبادل یونی

عمر رزین (روز)=((kg)غلظت Ba2+×دبی (m³/day))/(ظرفیت رزین (meq/g)×جرم رزین )

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، میکسر مکانیکی، مخزن تهنشینی.

  • پمپ لجن برای جمع‌آوری BaSO4​.

• اجرا:
  ۱. تزریق Na2​SO4​ به آب.
  ۲. تنظیم pH به ۶–۷ با آهک یا اسید.
  ۳. جداسازی لجن و خشک‌کردن آن.

ب. سیستم اسمز معکوس

• تجهیزات:

  • غشاهای پلی آمیدی مارپیچی، پمپ فشار بالا (۱۵–۳۰ bar).

  • پیش‌تصفیه (فیلتر شنی و کربنی).

• اجرا:

  • نصب غشاها در دو مرحله برای افزایش راندمان.

ج. سیستم الکترودیالیز

• تجهیزات:

  • غشاهای کاتیونی/آنیونی، الکترودهای تیتانیومی، منبع تغذیه DC.

• پارامترها:

  • ولتاژ: ۲۰–۵۰ ولت، جریان: ۱–۵ A/m².

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی با سولفات برای صنایع با غلظت بالای باریم مناسب است.

• روش نوین: اسمز معکوس و الکترودیالیز برای حذف با راندمان > ۹۵٪ پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی:

  • ترکیب رسوب‌سازی با تبادل یونی برای کاهش هزینه.

  • استفاده از نانوذرات برای جذب انتخابی.

• مدیریت پسماند:

  • تثبیت لجن BaSO4​ با سیمان یا دفن بهداشتی.

  • احیای رزین‌ها با NaCl یا HCl.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۱۰ m³/day، غلظت Ba2+ = ۱۰۰ mg/L، هدف: ≤ ۲ mg/L.

• روش انتخابی: رسوب‌سازی + تبادل یونی.

  • دوز Na2​SO4​:( ۱۰۰×96.06)/(137.33)×1.1≈۷۷ mg/L.

  • حجم رزین: با فرض ظرفیت ۳ meq/g و دبی ۱۰ m³/day، جرم رزین ≈ ۵۰ kg.

• شرایط: دبی ۵ m³/day، غلظت باریم ۱۰ mg/L، هدف: ≤ ۲ mg/L.

• روش انتخابی: الکتروکوآگولاسیون با جریان ۲ A/m².

  • زمان تماس: ۳۰ دقیقه.

  • انرژی مصرفی: (۲×۹۶۴۸۵)/(۲×۳۰×۶۰×۵۶)≈۱.۰۴ g Fe.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف عنصر بور در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. اهمیت حذف بور

بور (B) یک عنصر سمی است که در غلظت‌های بالا باعث اختلال در رشد گیاهان و آسیب به سیستم عصبی انسان می‌شود. استاندارد مجاز بور در آب شرب معمولاً ≤ ۰.۵ mg/L (WHO) و در فاضلاب صنعتی ≤ ۱ mg/L است.

۲. روش‌های سنتی

الف. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از منعقدکننده‌های مانند آلوم یا کلرید فریک برای جذب بور روی لخته‌های هیدروکسید فلزی.

  • بازدهی پایین (۲۰–۴۰٪) به دلیل ماهیت غیر یونی بور در pH خنثی.

• فرمول:

  ↓Al(OH)3+H3BO3→Al-B کمپلکس

• پارامترها:

  • pH بهینه: ۹–۱۰ (تبدیل بور به یون بورات −B(OH)4​).

  • دوز آلوم: ۵۰–۱۵۰ mg/L.

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های انتخابی بور (مثل Amberlite PWA10 یا Purolite S108) برای جذب یون بورات.

  -R-OH+B(OH)4−​→R-B(OH)4​+OH

• محدودیت:

  • حساسیت به حضور یون‌های رقیب (مانند −SO4^2−​).

  • نیاز به احیای مکرر با اسید یا باز.

۳. روش‌های نوین

الف. اسمز معکوس (RO) با تنظیم pH

• مکانیسم:
  افزایش pH آب به ۹–۱۰ برای تبدیل بور به یون بورات (−B(OH)4​) که توسط غشاهای RO با راندمان ۸۰–۹۵٪ حذف می‌شود.

• فرمول شار غشایی:

  (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

  • J: شار (LMH)، ΔP: فشار (bar)، Δπ: فشار اسمزی.

ب. هیبرید RO + جذب سطحی

• مکانیسم:
  ترکیب RO با جاذب‌های اختصاصی بور (مانند اکسید منیزیم یا نانوذرات Fe3​O4​) برای حذف باقیمانده بور.

• ظرفیت جذب:

  qe=((C0−Ce)⋅V)/m​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)،C0​: غلظت اولیه بور (mg/L).

ج. الکترودیالیز (Electrodialysis)

• مکانیسم:
  استفاده از میدان الکتریکی برای انتقال انتخابی یون بورات از طریق غشاهای انتخابی.

• فرمول نرنست:

  E=E0−(RT/nF)ln⁡Q

  • E: پتانسیل سلول، Q: ضریب واکنش.

۴. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

انعقاد-لخته‌سازی۳۰–۴۰٪ کم نیاز به pH بالا صنایع کوچک

تبادل یونی۷۰–۹۰٪ متوسط حساسیت به یون‌های رقیب آب‌های با TDS پایین

RO + تنظیم pH ۸۰–۹۵٪ بالا مصرف انرژی بالا صنایع نیمه‌هادی

الکترودیالیز ۹۰–۹۸٪ بسیار بالا هزینه تجهیزات سیستم‌های پیشرفته

۵. فرمول‌های کلیدی

محاسبه دوز رزین تبادل یونی

ظرفیت رزین (mg/g)=(جرم رزین (g))/(غلظت بور ورودی (mg/L)×حجم آب (L))

محاسبه سطح غشای RO

سطح غشا (m²)=(شار (LMH)×۲۴)/(دبی (m³/day))

• مثال: دبی ۱۰ m³/day و شار ۲۰ LMH → سطح ≈ ۰.۰۲ m².

۶. ساخت و اجرا

الف. سیستم RO با تنظیم pH

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا (۱۵–۳۰ bar)، غشاهای پلی آمیدی.

  • سیستم تزریق NaOH برای تنظیم pH.

• اجرا:
  ۱. افزایش pH آب به ۹–۱۰ با NaOH.
  ۲. عبور آب از غشاهای RO در دو مرحله (Two-pass RO).

ب. سیستم هیبریدی (RO + جاذب)

• تجهیزات:

  • فیلترهای کربنی یا نانوذرات اکسید منیزیم.

  • پمپ‌های دوزینگ شیمیایی.

• اجرا:

  • پیش‌تصفیه با RO و حذف باقیمانده بور با جاذب.

۷. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: انعقاد-لخته‌سازی برای آب‌های با غلظت بور پایین و صنایع کوچک مناسب است.

• روش نوین: ترکیب RO با تنظیم pH یا هیبرید RO + جاذب برای حذف بور با راندمان > ۹۰٪ پیشنهاد می‌شود.

• بهینه‌سازی:

  • تنظیم pH به ۹–۱۰ برای تبدیل بور به بورات.

  • استفاده از غشاهای RO با شار بالا (مانند SWRO).

• مدیریت پسماند: احیای رزین‌ها با اسید/باز یا دفن ایمن غشاهای مصرف‌شده.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۵ m³/day، غلظت بور ۱۰ mg/L، هدف: ≤ ۰.۵ mg/L.

• روش انتخابی: RO دو مرحله‌ای با تنظیم pH.

  • سطح غشا: (۱۵×۲۴)/۵≈۰.۰۱۴ m².

  • دوز NaOH: ۵۰ mg/L برای تنظیم pH به ۹.۵.

  • انرژی مصرفی: bar ۲۰ ×۵ m³/day۳۶۰۰×۰.۷≈۰.۰۴ kWh/m³.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف آرسنیک در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از نمک‌های آهن (مانند FeCl₃ یا FeSO₄) برای تشکیل لخته‌های هیدروکسید آهن که آرسنیک را جذب می‌کنند:

  ↓Fe3++AsO43−​→FeAsO4

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۵–۷ (برای آرسنیک پنج‌ظرفیتی As(V)) یا ۷–۹ (برای آرسنیک سه‌ظرفیتی As(III)).

  • دوز منعقدکننده: ۲–۱۰ mg Fe/mg As.

ب. جذب سطحی (Adsorption)

• مواد جاذب:

  • اکسید آلومینیوم فعال (AA):

    Al2​O3​+H2​AsO4−​→Al2​O3​⋅H2​AsO4​

  • اکسید آهن (Fe₂O₃): جذب انتخابی آرسنیک از طریق پیوندهای سطحی.

• فرمول ایزوترم فروندلیچ:

  qe​=Kf​⋅Ce1/n​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

ج. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های آنیونی برای جذب آرسنات (AsO43−​):

  −R-Cl+(AsO4)3−​→R-AsO4​+3Cl

• احیای رزین: استفاده از NaCl غلیظ یا NaOH.

۲. روش‌های نوین

الف. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آهنی برای تولید یون‌های Fe2+Fe2+ که با آرسنیک واکنش می‌دهند:

  • واکنش آند:

    -Fe→Fe2++2e

  • تشکیل کمپلکس آرسنات آهن:

    ↓Fe2++AsO43−​→FeAsO4​

• فرمول فارادی:

  m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F)​

  • m: جرم آهن مصرفی (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه)، M: جرم مولی آهن (۵۶ g/mol)، n: ظرفیت (۲)، F: ثابت فارادی (۹۶۴۸۵ C/mol).

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • اسمز معکوس (RO): حذف ۹۵–۹۹٪ آرسنیک با فشار ۱۵–۳۰ بار.

  • نانوفیلتراسیون (NF): حذف ۸۰–۹۰٪ با شار ۱۰–۳۰ LMH.

• فرمول شار غشایی:

  (μ⋅Rm)/(J=(​ΔP−Δπ​

ج. نانوتکنولوژی (Nanotechnology)

• نانوجاذب‌ها:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۱۵۰ mg/g.

  • نانولوله‌های کربنی: جذب از طریق پیوندهای π-π و گروه‌های عاملی.

د. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• مکانیسم:
  تبدیل آرسنیک سه‌ظرفیتی (سمی‌تر) به پنج‌ظرفیتی با استفاده از اکسیدان‌ها (مثل ازون، پراکسید هیدروژن):

  As(III)+H2​O2​→As(V)+H2​O

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

انعقاد-لخته‌سازی۸۰–۹۰٪ کم تولید لجن صنایع کوچک

الکتروکوآگولاسیون ۹۰–۹۵٪ متوسط مصرف انرژی پساب‌های صنعتی

نانوفیلتراسیون ۸۵–۹۵٪ بالاگرفتگی غشا مناطق شهری

نانوجاذب‌ها ۹۵–۹۹٪ بسیار بالا بازیافت نانو ذرات سیستم‌های پیشرفته

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهن در انعقاد:

  دوز Fe (mg/L)=غلظت As (mg/L)×۱۰دوز

• ظرفیت جذب نانوذرات:

  (m)/(qe​=(C0​−Ce​)⋅V​

  • C0​: غلظت اولیه (mg/L)، V: حجم آب (L)، m: جرم جاذب (g).

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم انعقاد-لخته‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، میکسر مکانیکی، مخزن تهنشینی.

  • مواد: پلی‌اتیلن یا فولاد ضدزنگ.

• اجرا:
  ۱. تزریق FeCl₃ (دوز ۱۰ mg/L به ازای هر mg As).
  ۲. تنظیم pH به ۶–۷ با آهک یا اسید.
  ۳. جداسازی لجن FeAsO4​.

ب. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آهنی، منبع تغذیه DC (۲۰–۵۰ ولت)، مخزن واکنش.

• پارامترها:

  • جریان: ۰.۵–۲ A/m²، زمان تماس: ۳۰–۶۰ دقیقه.

ج. سیستم نانوفیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا، ماژول‌های غشایی مارپیچی، پیش‌تصفیه (فیلتر شنی).

• اجرا:

  • نصب غشاهای پلی آمیدی با اندازه منافذ ۱–۲ نانومتر.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: انعقاد-لخته‌سازی با آهن برای مناطق کم‌درآمد مناسب است.

• روش نوین: نانوجاذب‌ها و الکتروکوآگولاسیون برای حذف با راندمان بالا پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی: ترکیب اکسیداسیون As(III) به As(V) با جذب سطحی یا فیلتراسیون.

• مدیریت پسماند: تثبیت لجن آرسنیک با سیمان یا شیشه‌سازی برای جلوگیری از نشت.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۱۰ m³/day، غلظت آرسنیک ۰.۱ mg/L.

• روش انتخابی: نانوفیلتراسیون با شار ۲۰ LMH.

  • سطح غشا: (۲۰×۲۴)/۱۰≈۰.۰۲ m²

  • فشار عملیاتی: ۱۵ بار.

  • انرژی مصرفی: (۱۵×۱۰)/(۳۶۰۰×۰.۷)​≈۰.۰۶kWh/m³.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف آلومینیوم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:
  افزایش pH آب با افزودن مواد قلیایی (آهک، سود سوزآور) برای تشکیل هیدروکسید آلومینیوم نامحلول:

  Al3++3OH−→Al(OH)3​↓(Ksp​≈1.3×10−33)

• شرایط بهینه:

  • pH: ۶.۵–۸ (زیرا آلومینیوم در pH بالا (>۹) به صورت Al(OH)4−​ محلول می‌شود).

  • مواد شیمیایی: آهک (CaO)، سود سوزآور (NaOH).

• مزایا: هزینه پایین، سادگی اجرا.

• معایب: تولید لجن حجیم، نیاز به مدیریت پسماند.

ب. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از منعقدکننده‌های غیرآلومینیومی (مثل کلرید فریک یا پلیمرهای آلی) برای حذف ذرات کلوئیدی آلومینیوم.

• پارامترها:

  • دوز منعقدکننده: ۱۰–۵۰ mg/L.

  • زمان اختلاط سریع: ۳۰–۶۰ ثانیه.

ج. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  جایگزینی یون Al3+Al3+ با یون‌های بی‌خطر (مثل Na+Na+) روی رزین کاتیونی.

  +R-Na+Al3+→R-Al+3Na

• رزین‌های مؤثر: رزین‌های سولفونیک اسید.

• احیای رزین: استفاده از NaCl غلیظ یا HCl رقیق.

۲. روش‌های نوین

الف. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • نانوفیلتراسیون (NF): حذف ۸۰–۹۵٪ یون‌های آلومینیوم با شار ۱۰–۳۰ LMH.

  • اسمز معکوس (RO): راندمان > ۹۹٪ با فشار عملیاتی ۱۵–۳۰ بار.

• فرمول شار غشایی:

  J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​)​

  • J: شار (LMH)، ΔP: فشار، Δπ: فشار اسمزی، μ: ویسکوزیته، Rm​: مقاومت غشا.

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آهن یا فولاد ضدزنگ برای تولید یون‌های فلزی که با Al3+Al3+ ترکیب شده و رسوب می‌کنند.

  • واکنش آند:

    -Fe→Fe2++2e

  • تشکیل هیدروکسید آهن:

    ↓Fe2++2OH−→Fe(OH)2​

• پارامترها: ولتاژ ۱۰–۳۰ ولت، زمان تماس ۲۰–۴۰ دقیقه.

ج. جذب سطحی پیشرفته (Advanced Adsorption)

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۱۲۰ mg/g.

  • زیست‌جاذب‌ها (Biochar): جذب آلومینیوم از طریق گروه‌های عاملی سطحی.

• فرمول ایزوترم لانگمیر:

  (1+KL​⋅Ce)/(qe​=(​Qmax​⋅KL​⋅Ce​​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش هزینه راندمان چالش‌ها کاربرد

رسوب‌سازی کم۷۰–۸۵٪ لجن حجیم صنایع کوچک

الکتروکوآگولاسیون متوسط ۸۵–۹۵٪ مصرف انرژی بالاپساب‌های صنعتی

نانوفیلتراسیون بالا۹۰–۹۸٪ گرفتگی غشا سیستم‌های پیشرفته

جذب نانوذرات بسیار بالا۹۵–۹۹٪ هزینه تولید نانوذرات پژوهش‌های نوین

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهک در رسوب‌سازی:

  دوز آهک (mg/L)

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، تهنشینی، پمپ لجن.

  • مواد: پلی‌اتیلن یا فولاد ضدزنگ.

• اجرا:
  ۱. تزریق آهک به آب.
  ۲. تنظیم pH به ۶.۵–۸.
  ۳. جداسازی لجن Al(OH)3​.

ب. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آهنی، منبع تغذیه DC، مخزن واکنش.

• پارامترها: ولتاژ ۲۰ ولت، جریان ۲ A/m².

ج. سیستم نانوفیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا، ماژول‌های غشایی مارپیچی، سیستم CIP.

• اجرا:

  • پیش‌تصفیه با فیلتر شنی.

  • تنظیم pH برای جلوگیری از رسوب‌گیری.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی با آهک برای صنایع کوچک مقرون‌به‌صرفه است.

• روش نوین: نانوفیلتراسیون و الکتروکوآگولاسیون برای حذف با راندمان بالا پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی: ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با رسوب‌سازی + نانوفیلتراسیون) برای کاهش هزینه و افزایش راندمان.

• مدیریت پسماند: بازیافت آلومینیوم از لجن یا استفاده از جاذب‌های قابل احیا.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف نقره در تصفیه آب و فاضلاب

۱. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:

  • افزودن عوامل رسوب‌دهنده مانند سولفید (S²⁻) یا هیدروکسید (OH⁻) برای تشکیل ترکیبات نامحلول نقره:

    • سولفید نقره (Ag₂S):

      2Ag++S2−→Ag2​S↓(Ksp​=6.3×10−51)

    • هیدروکسید نقره (AgOH):

      Ag++OH−→AgOH↓(Ksp​=2.0×10−8)

• مواد شیمیایی:

  • سدیم سولفید (Na₂S)، آهک (Ca(OH)₂)، یا سولفات آهن (FeSO₄).

• مزایا: هزینه پایین، سادگی اجرا.

• معایب: تولید لجن، نیاز به مدیریت پساب.

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:

  • جایگزینی یون‌های نقره (Ag⁺) با یون‌های بی‌ضرر (مثل Na⁺) روی رزین.

  • فرمول کلی:

    +R-Na+Ag+→R-Ag+Na

• رزین‌های رایج: رزین‌های کاتیونی سولفونیک اسید.

• ظرفیت رزین: ۲–۵ میلی‌اکیوالان بر گرم (meq/g).

• احیای رزین: استفاده از NaCl غلیظ.

ج. جذب سطحی (Adsorption)

• مواد جاذب: کربن فعال، زئولیت، یا اکسیدهای فلزی.

• فرمول ایزوترم جذب فروندلیچ:

  qe​=Kf​⋅Ce1/n​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

۲. روش‌های نوین

الف. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • اسمز معکوس (RO): حذف ۹۵–۹۹٪ یون‌های نقره.

  • نانوفیلتراسیون (NF): مناسب برای نقره یونی و کلوئیدی.

• شار غشایی: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:

  • استفاده از الکترودهای آهن یا آلومینیوم برای تولید یون‌های فلزی که با Ag⁺ ترکیب شده و رسوب می‌کنند.

  • واکنش آند:

    -Fe→Fe2++2e

  • تشکیل هیدروکسید فلزی:

    ↓Fe2++2OH−→Fe(OH)2​

• فرمول فارادی:

  (m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F​

  • m: جرم نقره حذف‌شده (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه)،

ج. نانوتکنولوژی (Nanotechnology)

• نانوجاذب‌ها:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄) یا نانوکربن با سطح ویژه بالا.

  • ظرفیت جذب: تا ۱۵۰ mg/g برای Ag⁺.

د. بازیافت نقره به روش الکترولیز

• مکانیسم:

  • کاهش الکتروشیمیایی Ag⁺ به Ag⁰ روی کاتد.

  • واکنش کاتد:

    ↓Ag++e−→Ag

• کاربرد: صنایع عکاسی و الکترونیک برای بازیافت نقره.

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش هزینه راندمان مدیریت پسماند کاربرد

رسوب‌سازی کم۸۰–۹۰٪لجن خطرناک صنایع کوچک

تبادل یونی متوسط ۹۵–۹۹٪احیای رزین آب‌های با غلظت پایین

الکتروکوآگولاسیون بالا۹۰–۹۸٪ لجن فلزی پساب‌های صنعتی

نانوجاذب‌ها بسیار بالا ۹۵–۹۹٪ بازیافت نانو ذرات سیستم‌های پیشرفته

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز مواد شیمیایی در رسوب‌سازی:

  دوز سولفید (mg/L)=خلوص ماده/(غلظت Ag⁺ (mg/L)×۱.۲)

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

  عمر رزین (روز)=(غلظت Ag⁺ (meq/L)×دبی (m³/day))/(ظرفیت رزین (meq/g)×جرم رزین (kg))

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، تهنشینی، و سیستم جمع‌آوری لجن.

• مواد: پلی‌اتیلن یا فولاد ضدزنگ.

ب. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آهنی، منبع تغذیه DC، مخزن واکنش.

• پارامترها: ولتاژ ۱۰–۳۰ ولت، زمان تماس ۲۰–۴۰ دقیقه.

ج. سیستم نانوجاذب

• اجرا:

  • تزریق نانوذرات به جریان آب و جداسازی با فیلتراسیون یا سانتریفیوژ.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی شیمیایی برای صنایع کوچک مقرون‌به‌صرفه است.

• روش نوین: الکتروکوآگولاسیون و نانوتکنولوژی برای حذف با راندمان بالا پیشنهاد می‌شود.

• بهینه‌سازی: ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با رسوب‌سازی + فیلتراسیون غشایی) برای کاهش هزینه و افزایش راندمان.

• مدیریت پسماند: بازیافت نقره از لجن یا الکترولیز برای کاهش آلودگی محیط زیست.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش فیلتر کربن فعال گرانولی (GAC):

۱. مقدمه

فیلتر کربن فعال گرانولی (GAC) یک روش مؤثر برای حذف ترکیبات آلی، کلر باقیمانده، بو، طعم، و برخی فلزات سنگین از آب است. این روش بر پایه جذب سطحی توسط کربن فعال با ساختار متخلخل عمل می‌کند و در تصفیه خانه‌های آب شرب، صنایع غذایی و دارویی کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• جذب فیزیکی: آلاینده‌ها به سطح کربن فعال می‌چسبند.

• جذب شیمیایی: برخی ترکیبات (مانند کلر) با کربن واکنش شیمیایی می‌دهند.

• حذف انتخابی: بسته به اندازه منافذ و ویژگی‌های شیمیایی کربن، آلاینده‌های خاصی جذب می‌شوند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع کربن فعال زغال سنگ، پوست نارگیل یا چوبانتخاب بر اساس نوع آلاینده

اندازه ذرات ۰.۵–۲.۵ میلی‌مترذرات ریزتر → سطح ویژه بالاتر

سرعت فیلتراسیون ۵–۱۵ متر بر ساعت (m/h)سرعت بالاتر → کاهش زمان تماس

زمان تماس (EBCT) ۵–۳۰ دقیقه زمان لازم برای جذب مؤثر

ضخامت بستر ۱–۳ متر افزایش راندمان جذب

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه حجم بستر کربن (Bed Volume)

حجم بستر (m³) = سطح مقطع فیلتر (m²) × ارتفاع بستر (m)  

• مثال: فیلتر با قطر ۲ متر (سطح ≈ ۳.۱۴ m²) و ارتفاع بستر ۲ متر → حجم ≈ ۶.۲۸ m³.

ب. زمان تماس خالی بستر (EBCT)

EBCT (دقیقه) = (حجم بستر (L) / دبی (L/min))  

• مثال: حجم بستر ۶۲۸۰ لیتر، دبی ۱۰۰۰ L/min → EBCT ≈ ۶.۲۸ دقیقه.

ج. ظرفیت جذب کربن

ظرفیت جذب (mg/g) = (غلظت آلاینده ورودی (mg/L) – غلظت خروجی (mg/L)) × حجم آب تصفیه‌شده (L) / جرم کربن (g)  

• مثال: حذف ۵ mg/L کلر با ۱۰۰۰ L آب و ۱۰ kg کربن → ظرفیت ≈ ۵۰۰ mg/kg.

د. عمر مفید فیلتر

عمر (روز) = (جرم کربن (kg) × ظرفیت جذب (mg/g)) / (غلظت آلاینده (mg/L) × دبی روزانه (m³/day))  

• مثال: ۱۰۰۰ kg کربن با ظرفیت ۵۰۰ mg/g، دبی ۵۰ m³/day و غلظت آلاینده ۲ mg/L → عمر ≈ ۵۰۰۰ روز.

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• فیلتر فشار: مخزن فولادی یا فایبرگلاس (FRP) با مقاومت در برابر خوردگی.

• لایه‌های پشتیبان: شن و ماسه درشت در کف برای توزیع جریان.

• سیستم توزیع آب: نازل‌ها یا صفحات سوراخ‌دار برای جلوگیری از کانالیزه شدن.

• سیستم شستشوی معکوس: پمپ آب و هوا برای تمیزکردن بستر کربن.

ب. مراحل نصب

۱. آماده‌سازی بستر:

• ریختن لایه شن (ضخامت ۲۰–۳۰ سانتی‌متر) در کف فیلتر.

• پرکردن مخزن با کربن فعال تا ارتفاع طراحی‌شده.
  ۲. شستشوی اولیه:

• عبور آب با سرعت کم برای حذف ذرات ریز و هوا.
  ۳. راه‌اندازی:

• تنظیم دبی بر اساس سرعت فیلتراسیون طراحی‌شده.

۶. اجرا و نگهداری

• پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار تفاضلی (ΔP) و غلظت آلاینده خروجی.

• شستشوی معکوس:

  • فرکانس: هر ۷–۱۴ روز یا هنگام افزایش ΔP به ۰.۵–۱ بار.

  • روش: تزریق آب و هوا با سرعت ۱۰–۱۵ m/h به مدت ۱۰–۲۰ دقیقه.

• تعویض کربن: هنگامی که راندمان جذب به زیر ۸۰٪ برسد.

۷. چالش‌ها و راهکارها

چالش علت راهکار

کانالیزه شدن توزیع نامناسب جریان استفاده از صفحات توزیع مناسب

گرفتگی بستر تجمع ذرات معلق یا بیوفیلم پیش‌تصفیه (فیلتر شنی یا میکروفیلتراسیون)

کاهش ظرفیت جذب اشباع کربن تعویض یا احیای کربن

خوردگی مخزن تماس با کلر یا آب شور استفاده از فایبرگلاس یا استیل ضدزنگ

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۱۰۰ m³/day

• آلاینده: کلر باقیمانده با غلظت ۲ mg/L

• هدف: کاهش کلر به ≤ ۰.۱ mg/L

محاسبات:

• EBCT مورد نیاز: ۱۰ دقیقه → حجم بستر = (۱۰۰ m³/day / ۱۴۴۰ دقیقه) × ۱۰ ≈ ۰.۶۹ m³.

• ابعاد فیلتر: قطر ۱ متر (سطح ≈ ۰.۷۸۵ m²) → ارتفاع بستر = ۰.۶۹ / ۰.۷۸۵ ≈ ۰.۸۸ متر.

• جرم کربن: حجم × چگالی (≈ ۵۰۰ kg/m³) → ۰.۶۹ × ۵۰۰ ≈ ۳۴۵ kg.

تجهیزات:

• مخزن فایبرگلاس با قطر ۱ متر و ارتفاع ۲ متر.

• کربن فعال از پوست نارگیل با اندازه ذرات ۱–۲ mm.

• پمپ شستشوی معکوس با دبی ۲۰ m³/h.

۹. پیشرفت‌های نوین

• کربن فعال بارگذاری‌شده: ترکیب با نانوذرات نقره (Ag) برای گندزدایی همزمان.

• سیستم‌های هوشمند: استفاده از سنسورهای IoT برای پایش لحظه‌ای ΔP و کیفیت آب.

• احیای حرارتی: بازگرداندن کربن اشباع‌شده با حرارت در کوره‌های بدون اکسیژن.

۱۰. نتیجه‌گیری

فیلتر GAC یک روش انعطاف‌پذیر و مؤثر برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌هاست. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای هیدرولیکی و جذبی، انتخاب کربن مناسب و نگهداری دوره‌ی، عملکرد سیستم را تضمین می‌کند. ترکیب این روش با فناوری‌های نوین مانند نانوکربن یا سیستم‌های هوشمند، کارایی آن را در صنایع مختلف افزایش می‌دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش فوتوکاتالیست:

۱. مقدمه

فوتوکاتالیست یک فناوری پیشرفته مبتنی بر استفاده از نور (معمولاً UV) و مواد نیمه‌هادی (مانند دی‌اکسید تیتانیوم TiO₂) برای تخریب آلاینده‌های آلی، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات سمی در آب است. این روش به دلیل راندمان بالا، عدم تولید لجن و سازگاری با محیط زیست، در تصفیه آب و فاضلاب کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

۱. فعال‌سازی کاتالیست: تابش نور UV به نانوذرات TiO₂، الکترون‌های آن را برانگیخته و جفت حفره-الکترون (e⁻/h⁺) ایجاد می‌کند.
۲. تولید رادیکال‌های آزاد:

• حفره‌های مثبت (h⁺) با آب واکنش داده و رادیکال هیدروکسیل (OH·) تولید می‌کنند.

• الکترون‌ها (e⁻) با اکسیژن محلول ترکیب شده و سوپراکسید (O₂⁻) ایجاد می‌کنند.
  ۳. تخریب آلاینده‌ها: رادیکال‌های آزاد، پیوندهای آلی را شکسته و آن‌ها را به CO₂، H₂O و ترکیبات ساده تبدیل می‌کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع کاتالیست TiO₂ (آناتاز)، ZnO، نانوکامپوزیت‌هاانتخاب بر اساس طیف جذب نور و آلاینده

شدت نور UV۲۰۰–۴۰۰ نانومتر (UVA)طول موج مناسب برای فعال‌سازی TiO₂

غلظت کاتالیست ۰.۱–۲ گرم بر لیتر بهینه برای تعادل سطح فعال و پراکندگی

زمان تماس ۳۰–۱۲۰ دقیقه بسته به نوع و غلظت آلاینده

pH آب ۳–۹ تأثیر مستقیم بر فعالیت کاتالیست

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه انرژی نور مورد نیاز

انرژی (W/m²) = (شدت نور (μW/cm²) × مساحت سطح کاتالیست (m²)) / ۱۰۰  

• مثال: شدت نور ۱۰۰۰ μW/cm² و مساحت ۲ m² → انرژی ≈ ۲۰ W/m².

ب. نرخ واکنش فوتوکاتالیستی

نرخ تخریب (mg/L/min) = (k × C × I × S) / (۱ + k × C × t)  
k: ثابت سرعت، C: غلظت آلاینده، I: شدت نور، S: سطح کاتالیست، t: زمان  

ج. حجم راکتور

حجم (L) = دبی (L/h) × زمان تماس (h)  

• مثال: دبی ۱۰۰ L/h و زمان تماس ۱ ساعت → حجم = ۱۰۰ L.

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• منبع نور UV: لامپ‌های LED یا فشار متوسط با طول موج ۳۶۵ نانومتر.

• نانوذرات کاتالیست: پوشش‌دهی TiO₂ روی سطوح (شیشه، سرامیک) یا استفاده به صورت سوسپانسیون.

• راکتور: مخزن شیشه‌ای یا استیل ضدزنگ با قابلیت عبور نور.

• سیستم گردش آب: پمپ‌های مقاوم به خوردگی و فیلترهای نگهدارنده کاتالیست.

ب. مصالح و مواد

• نانوذرات TiO₂: آناتاز با خلوص ≥ ۹۹%.

• پشتیبان کاتالیست: سرامیک متخلخل، فایبرگلاس یا نانولوله‌های کربنی.

• محفظه راکتور: کوارتز یا شیشه UV-transparent برای عبور نور.

۶. مراحل اجرا

۱. آماده‌سازی کاتالیست:

• پوشش‌دهی TiO₂ روی سطوح با روش‌های سل-ژل، اسپری یا رسوب الکتروشیمیایی.

• یا استفاده از سوسپانسیون نانوذرات در آب.
  ۲. نصب سیستم نورپردازی:

• قراردادن لامپ‌های UV در راکتور با فاصله مناسب از سطح کاتالیست.
  ۳. راه‌اندازی سیستم:

• تنظیم pH آب (معمولاً ۵–۷) برای حداکثر فعالیت کاتالیست.

• تزریق آب آلوده به راکتور و فعال‌سازی همزمان نور و کاتالیست.
  ۴. پایش و کنترل:

• اندازه‌گیری غلظت آلاینده، شدت نور و pH به صورت مداوم.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• کاهش فعالیت کاتالیست:

  • علت: تجمع آلاینده‌ها روی سطح کاتالیست (فولینگ).

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول اسید رقیق (مانند HNO₃) یا تابش UV شدید.

• هزینه انرژی:

  • راهکار: استفاده از نور خورشید (فتوکاتالیست خورشیدی) یا LED کم‌مصرف.

• جداکردن کاتالیست:

  • راهکار: استفاده از کاتالیست تثبیت‌شده روی بستر ثابت یا فیلتراسیون غشایی.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/day

• آلاینده: ۱۰ mg/L فنول

• هدف: کاهش غلظت به ≤ ۰.۱ mg/L

محاسبات:

• زمان تماس: ۶۰ دقیقه → حجم راکتور = ۵۰ m³/day / ۲۴ ≈ ۲.۰۸ m³.

• غلظت کاتالیست: ۱ g/L TiO₂ → نیاز ≈ ۲.۰۸ kg TiO₂.

• انرژی نور: ۳۰ W/m² برای سطح ۱۰ m² → توان کل = ۳۰۰ W.

تجهیزات:

• راکتور شیشه‌ای به حجم ۲.۵ m³ با لامپ‌های UV-A.

• نانوذرات TiO₂ پوشش‌دهی‌شده روی صفحات سرامیکی.

• سیستم کنترل pH و دما.

۹. پیشرفت‌های نوین

• کاتالیست‌های هیبریدی: ترکیب TiO₂ با نانوذرات فلزی (Ag، Au) یا گرافن برای افزایش جذب نور.

• راکتورهای خورشیدی: استفاده از نور طبیعی خورشید به جای UV مصنوعی.

• سیستم‌های ترکیبی: ادغام با اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) یا فیلتراسیون غشایی.

۱۰. نتیجه‌گیری

فوتوکاتالیست به عنوان یک روش سبز و مؤثر، توانایی حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها را دارد. طراحی سیستم نیازمند محاسبه دقیق پارامترهای نوری، غلظت کاتالیست و زمان تماس است. استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوکامپوزیت‌ها و سیستم‌های خورشیدی، هزینه‌ها را کاهش و راندمان را افزایش می‌دهد. این روش به ویژه برای تصفیه آب‌های صنعتی و آشامیدنی با آلاینده‌های مقاوم پیشنهاد می‌شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب