مرجع تخصصی آب و فاضلاب

الکترولیز آب
● تاریخچه برای اولین بار در سال ۱۸۰۰، آب بوسیله کارلسیل و نیکولسن ، الکترولیز شد که منجر به آزاد شدن هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند شد.
● الکترولیز آب خالص در الکترولیز آب خالص ، از آنجا که آب خالص رسانا نیست، می‌بایستی الکترولیتی به آن اضافه کرد که نه آنیون آن قادر به ترکیب شدن با الکترودها باشد و نه کاتیون آن. برای این منظور ، می‌توان خواه از یک اسید مثلا اسید سولفوریک (H۲SO۴) ، خواه یک باز ، مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) ، و حتی یک نمک (Na۲SO۴) استفاده کرد. برعکس ، به‌علت آزاد شدن کلر آندی ، شایسته است که از مصرف کلریدها خودداری شود.
● اختلاف پتانسیل لازم برای الکترولیز آب اصولا ، اختلاف پتانسیل لازم برای تجزیه آب ، چیزی جز اختلاف پتانسیل الکتریکی یک الکترود اکسیژنی و یک الکترود هیدروژنی نیست که در PH برابر ۱.۲۳ ولت است. در عمل ، بایستی اضافه پتانسیل الکتریکی آندی و کاتدی را که موجب افزایش اختلاف پتانسیل تحمیلی و بنابراین مصرف انرژی می‌شود، به حساب آورد. الکترودهای لازم برای الکترولیز آب و اختلاف پتانسیل نتیجه شده این اضافه پتانسیلهای الکتریکی ، بستگی اندکی به نوع الکترولیت انتخاب شده دارند، اما به‌شدت به ماهیت الکترودها وابسته‌اند. بهترین نتایج را می‌توان با کاتد پلاتینی و آند نیکلی بدست آورد. اما بدلیل قیمت بسیار بالای چنین وسایلی و نظر به برتری اندکی که نتیجه می‌شود، در صنعت ترجیح داده می‌شود تا با الکترودهای آهنی در محلول سود یا پتاس سوزان کار کنند. [بزرگ‌نمایی تصویر] بنابراین ، اختلاف پتانسیل حداقل الکترولیز در حدود ۱.۷ ولت است. بایستی افت اهمی پتانسیل الکتریکی در حمام را به آن اضافه کرد. با وجود دیافراگم ، مقدار افت بیشتر می‌شود. در مجموع ، اختلاف پتانسیل حقیقی ، اندکی بیشتر از ۲ ولت است.
● چگونگی بدست آوردن گازهای خالص برای بدست آوردن گازهای خالص ، بایستی قسمتهای آندی و کاتدی را از یکدیگر جدا کرد. برای این منظور ، خواه از یک ظرف استوانه‌ای شیشه‌ای که کاتد را احاطه می‌کند و خواه از یک دیافراگم آزبستی استفاده می‌شود. لیکن ، گاز خالص بدست آمده نسبی است و هر یک از گازهای اکسیژن و هیدروژن می‌توانند تا ۲ الی ۳ درصد از دیگری را در خود داشته باشند، ولی عمل پالایش شیمیایی بعدی آسان است..

● انرژی لازم برای الکترولیز آب مصرف انرژی در حدود ۶ کیلووات ساعت (KWh) ، برای بدست آوردن یک متر مکعب هیدروژن و نیم متر مکعب اکسیژن ، مقدار زیادی است و علاوه بر آن ، اکسیژن غالبا محل فروش هم ندارد. بدین ترتیب ، این روش اغلب در مناطقی که دارای انرژی الکتریکی فراوان هستند (نروژ) و بویژه به‌منظور تهیه هیدروژن متراکم که در سیلندر به فروش می‌رسد، استفاده می‌شوند. اما این هیدروژن بخش اندکی از کل گاز هیدروژن تولید شده است. اما با این وجود ، دستگاههای الکترولیز در فرانسه یا به منظور ایجاد موازنه تولید یا برای استفاده از کارخانجات مخصوص که هیدروژن خالص را به‌عنوان کاهنده بکار می‌برند، بکار برده می‌شوند. در این قبیل موارد ، اغلب اکسیژن در فضا رها می‌شود.

رسانایی الکترولیتی هنگامی صورت می‌گیرد که یونهای الکترولیت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در این مورد ، یونها هستند که بار الکتریکی را حمل می‌کنند. به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی ، اساسا توسط نمکهای مذاب و محلولهای آبی الکترولیتها صورت می‌گیرد. علاوه بر این ، برای تداوم جریان در یک رسانای الکترولیتی ، لازم است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراه باشد.

اصول رسانش الکترولیتی
این اصول رسانش الکترولیتی با بررسی الکترولیز NaCl مذاب بین الکترودهای بی‌اثر بهتر متصور می‌گردد. منبع جریان ، الکترونها را به الکترود سمت چپ می‌راند. بنابراین ، می‌توان گفت که این الکترود ، بار منفی پیدا می‌کند. این الکترونها ، از الکترود مثبت سمت راست کشیده می‌شوند. در میدان الکتریکی که بدین ترتیب بوجود می‌آید، یونهای سدیم ( کاتیونها ) به طرف قطب منفی ( کاتد ) و یونهای کلرید ( آنیونها ) به طرف قطب مثبت ( آند ) جذب می‌شوند.
در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها که به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس ، به طرف آند حرکت می‌کنند، حمل می‌شود. برای آنکه یک مدار کامل تشکیل شود، حرکت یونها باید با واکنشهای الکترودی همراه باشد. در کاتد ، اجزای شیمیایی معینی ( که لازم نیست حتما حامل بار باشند ) باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند ، الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ، در نتیجه آن اجزا اکسید شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

خوردگی ، ( Corrosion ) ، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها می‌‌باشد. خوردگی ، پدیده‌ای خودبه‌خودی است و همه مردم در زندگی روزمره خود ، از بدو پیدایش فلزات با آن روبرو هستند. در اثر پدیده خودبه‌خودی ، فلز از درجه ‌اکسیداسیون صفر تبدیل به گونه‌ای با درجه ‌اکسیداسیون بالا می‌‌شود.

M ------> M^+_n + ne

در واقع واکنش اصلی در انهدام فلزات ، عبارت از اکسیداسیون فلز است.
تخریب فلزات با عوامل غیر خوردگی

فلزات در اثر اصطکاک ، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب می‌‌شوند که تحت عنوان خوردگی مورد نظر ما نیست.
فرایند خودبه‌خودی و فرایند غیرخودبه‌خودی

خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد. البته M⁺ⁿ می‌‌تواند به حالتهای مختلف گونه‌های فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می‌‌زند که یک نوع خوردگی و پدیده‌ای خودبه‌خودی است. انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز می‌‌توانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند. پس در اثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیده‌ای خودبه‌خودی است، اشکال مختلف آن ظاهر می‌‌شود.

بندرت می‌‌توان فلز را بصورت فلزی و عنصری در محیط پیدا کرد و اغلب بصورت ترکیب در کانی‌ها و بصورت کلریدها و سولفیدها و غیره یافت می‌‌شوند و ما آنها را بازیابی می‌‌کنیم. به عبارت دیگر ، با استفاده ‌از روشهای مختلف ، فلزات را از آن ترکیبات خارج می‌‌کنند. یکی از این روشها ، روش احیای فلزات است. بعنوان مثال ، برای بازیابی مس از ترکیبات آن ، فلز را بصورت سولفات مس از ترکیبات آن خارج می‌‌کنیم یا اینکه آلومینیوم موجود در طبیعت را با روشهای شیمیایی تبدیل به ‌اکسید آلومینیوم می‌‌کنند و سپس با روشهای الکترولیز می‌‌توانند آن را احیا کنند.

برای تمام این روشها ، نیاز به صرف انرژی است که یک روش و فرایند غیرخودبه‌خودی است و یک فرایند غیرخودبه‌خودی هزینه و مواد ویژه‌ای نیاز دارد. از طرف دیگر ، هر فرایند غیر خودبه‌خودی درصدد است که به حالت اولیه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اولیه یک مسیر خودبه‌خودی است. پس فلزات استخراج شده میل دارند به ذات اصلی خود باز گردند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کاویتاسیون، تشکیل حباب های بخار در پمپ می باشد و متعاقب آن ترکیدن و متلاشی شدن آنها می باشد.کاویتاسیون زمانی اتفاق می افتد که فشار مطلق در مایع، پایین تر از فشار بخار آن باشد.انواع کاویتاسیون که ممکن است در پمپ ها اتفاق بیافتد:

- کاویتاسیون تبخیری (نارسایی NPSHa) :

شایعترین نوع کاویتاسیون می باشد و حدود 70% از کاویتاسیون ها را در بر می گیرد. برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار NPSHr (حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می گردد) بیشتر باشد.برای جلوگیری از صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون، راهکار های زیر پیشنهاد می گردد:

1-کاهش دما که مقدار هد ناشی از فشار بخار سیال را کاهش دهد، هرچه دما کمتر باشد در نتیجه فشار اشباع متناظر به آن کمتر خواهد شد و در نتیجه احتمال کمتر شدن این فشار نسبت به فشار داخل پمپ افزایش می یابد . بنابراین وقتی خواستید که سیال با دمای بالا را پمپ کنید بسیار باید به این نوع کاویتاسیون دقت کنید.

 2-افزایش تراز مایع در مخزن مکش که مقدار هد استاتیکی را افزایش می دهد.
 
3-بهبود و اصلاح پمپ شامل موارد زیر :

-کاهش سرعت که مقدار H_f(هد ناشی از افت) را کاهش می دهد.

-افزایش قطر چشمه پره

-بکار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افد هد می شود.

 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

MTBE : متیل ترشری بوتیل اتر یک بنزین افزودنی است که برای افزایش عدد اکتان اضافه می شود و از متانول و ایزو بوتیلن تولید می شود.

MTBE : اولین ماده ی اکسیژن داری بود که به عنوان افزودنی به بنزین برای کامل تر شدن فرآیند احتراق در نظر گرفته شد، متانول که خود از اجزای اصلی بوجودآورنده ی MTBE است اغلب از گاز طبیعی و دیگر محصولات نفتی بدست می آید. این ماده عمدتاً به عنوان اکسیژن دار کننده ی سوخت بکار می رود. پس از کنار گذاشتن تترا اتیل سرب در کشور از روش اکسیژن دار کردن بنزین از طریق افزودن MTBE استفاده می شود، در واقع در حال حاضر عدد اکتان مورد نظر خود را به جای افزودن تترا اتیل سرب با افزودن MTBE بدست می آوریم.
اقداماتی جهت بالا بردن عدد اکتان:
1. افزودن عدد اکتان از طریق افزودنیها
2. افزودن مواد آروماتیکی و ...
3. افزودن مواد شاخه دار یا ایزومرها و ارگانومتالها جهت بالا بردن عدد اکتان بنزینبرای تولید MTBE متانول مورد نیاز خریداری می شود ولی ایزو بوتیلن را از جریان پالایشگاهی بدست می آورند که این جریان دارای ٪23 ایزو بوتیلن ، ٪20 1- بوتان و ٪7 2- بوتن که در این مدل ترانس 2- بوتن هم وجو دارد که تنها ایزو بوتن بواسطه متانول عکس العمل نشان می دهد.1-بوتن و 2- بوتن در برابر واکنش خنثی هستند:
واکنش شیمیایی: CH₃oH + (CH₃)2c = CH₂ → (CH₃)3c – O – CH₃مزایای اکسیژن دار کردن بنزین:می توان محتوای اکسیژن بنزین را برای سوختن تمیزتر و عملکرد بهتر دددددد اضافه کردن مواد اکسیژن دار به بنزین باعث کاملتر شدن احتراق و در نتیجه کاهش گازهای گلخانه ای و دیگر آلاینده های خطرناک است ، مزیت عمده دیگر استفاده از بنزین با فرمول اصلاح شده این است که سوخت مذکور به خوبی بنزینی که در حال حاضر در دسترس است عمل می کند، در حال حاضر دو ماده ی اصلی برای ساخت بنزین با فرمول اصلاح شده بکار می روند، این دو افزودنی اتانول و MTBE هستند.از نظر خطرات زیست محیطی اتانول برتری خاصی نسبت به MTBE  دارد.هیأت منابع هوای کالیفرنیا ادعا کرده است که استفاده از بنزین با فرمول اصلاح شده می تواند از نظر کاهش آلاینده ها معادل خارج کردن 5/3 میلیون خودرو از جاده ها و بزرگراهها باشد استفاده از بنزین با احتراق تمیزتر حدود 25٪ از صدمات وارده به لایه اوزن را کاهش خواهد داد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کاتیون ها یعنی یون های  +Fe2، که در آند تولید شده اند در آب موجود بر سطح جسم به سوی کاتد می روند. آنیون ها ،یعنی یون های OH-،که در کاتد تولید شده اند به طرف آند حرکت می کنند. این یون ها ، در جایی میان این دو ناحیه به هم می رسند و Fe(OH)2 به وجود می آورند. اما آهن (II ) هیدروکسید در حظور رطوبت و اکسیژن پایدار نیست. این هیدروکسید به نوبه خود اکسید و به آهن (Ш) هیدروکسید تبدیل می شود که در واقع آهن(Ш) اکسید آب پوشیده، Fe2O3.xH2O ، یا زنگ آهن است.

جاهایی که جسم آهنی زنگ زده گود شده است، نواحی آندی یا جاهایی هستند که آهن به صورت یون های Fe2+ در محلول وارد می شوند. نواحی کاتدی جاهایی است که بیشتر در معرض رطوبت و هوا  هستند، زیرا O2 و H2O در واکنش کاتدی دخالت دارند. زنگ آهن همیشه در نقاطی نسبتا دورتر از جاهای گود شده (میان نواحی آندی و کاتدی) ایجاد می شود.

مثلا وقتی که یک جسم آهنی رنگ شده زنگ می زند، نواحی کاتدی نقاطی هستند که رنگ آن زدوده شده و فلز آهن عریان در معرض رطوبت و اکسیژن قرار گرفته است. نواحی آندی، جایی که آهن گود شده، نقاطی زیر سطح رنگ شده هستند. گود شدن سبب پوسته پوسته شدن رنگ می شود و این عمل زنگ زدن آهن را تسریع می کند. خود زنگ درنقاطی میان این دو ناحیه، که معمولا به ناحیه کاتدی  نزدیکتر و از ناحیه آندی دورتر است، تشکیل می شود. تبدیل Fe(OH)2 به زنگ مستلزم (O2(gو H2O است.

آب نمک زنگ زدن را تسریع می کند، زیرا یون های موجود در آب به انتقال جریان در سلول های ولتایی کوچکی که بر سطح آهن برقرار شده است، کمک می کند. به نظر می رسد که بعضی از یون ها، مثلاCl- ، واکنش های الکترودی را کاتالیز می کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقدار هر گاز محلول در آب با فشار گاز در بالای آب مربوط است. در سطح دریا ، فشار هوا اتمسفر است. هوا ترکیبی از 78% نیتروژن و 21% اکسیژن است. بیشترین فشار اکسیژن در بالای تودۀ آب فقط 21% اتمسفر است.

اکسیژن به مقدار کمی در آب حل می شود. وقتی که یک محلول مایع در فشار 1 اتمسفر و ئرجۀ حرارت cº25 با هوا اشباع می شود ، مقدار اکسیژن موجود در محلول حدود 32/8 میلی گرم در لیتر است.

اکسیژن فقط به میزان کمی در آب حل می شود.

برای اینکه حیات موجودات در میزان معینی حفظ شود ، باید مقدار اکسیژن محلول در آب زیاد شود . بیشتر ماهیان برای بقای خود حداقل به 6-5 میلی گرم در لیتر اکسیژن نیاز دارنئ. مقدار اکسیژن محلول در آب به دو طریق محدود می شود : 1- از طریق حلالیت فیزیکی ذاتی مقدار اکسیژن محلول در آب ،2- اکثر آب ها نمی توانند به درجۀ اشباع بالا ( فوق اشباع) برسند.

 سه عامل در حلالیت ذاتی اکسیژن در آب تأثیر دارد :

1- درجه حرارت:

با افزایش درجۀ حرارت ، مقدار اکسیژن ( یا هر گاز دیگر ) محلول در آب کاهش می یابد. احتمالاً می دانید که چگونه یک نوشیدنی شیرین داغ گاز خود را نسبت به نوع سرد آن سریعاً از دست می دهد ( به علت حل شدن گاز ). اگر آب را روی اجاق گرم کنید، حباب های هوا قبل از جوشیدن در بالای سطح آب ظاهرشده و گازهای حل شده ناپدید می شوند.

همبستگی معکوس بین حلالیت اکسیژن با درجۀ حرارت آب باعث افزایش آلودگی حرارتی در محیط آب می شود. بسیاری از صنایع در فرآیندهای کار خود از آب به عنوان یک وسیلۀ خنک کننده استفاده می کنند ، که این عمل باعث تولید گرما در آب می شود. نیروگاه های تولید حرارت الکتریکی سهم عمده ای در ایجاد این مشکلات دارند ، به طوری که میلیون ها متر مکعب آب گرم سالیانه توسط صنایع تولید نیرو در رودخانه ها و جویبارها وارد می شود. مناطق شهری نیز در ایجاد آلودگی حرارتی سهیم هستند ، در هنگام بارندگی هرز آب هایی که برسطح زمین پخش می شوند در اثر تابش نور خورشید گرم می شوند. مشابه چنین گرمایشی در رودخانه یا جویبارهای کانال کشی شده نیز اتفاق  می افتد. به خصوص رودخانه ها یا جویبارها ی که سنگفرش شده ،ل سبب انتقال گرما به آب هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

فرآيند خوردگي فلزات
خوردگي ، ( Corrosion ) ، اثر تخريبي محيط بر فلزات و آلياژها مي باشد.
خوردگي ، پديده اي خودبه خودي است و همه مردم در زندگي روزمره خود ، از بدو پيدايش فلزات با آن روبرو هستند. در واقع واکنش اصلي در انهدام فلزات ، عبارت از اکسيداسيون فلز است.

فلزات در اثر اصطکاک ، سايش و نيرو هاي وارده دچار تخريب مي شوند که تحت عنوان خوردگي مورد نظر ما نيست.
همان طور که گفته شد خوردگي يک فرايند خودبخودي است، يعني به زبان ترموديناميکي در جهتي پيش مي رود که به حالت پايدار برسد. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهيم، زنگ مي زند که يک نوع خوردگي و پديده اي خودبه خودي است. انواع مواد هيدروکسيدي و اکسيدي نيز مي توانند محصولات جامد خوردگي باشند که همگي گونه فلزي هستند.
سرعت خوردگی (i_corr)را با مقدار الکترون تولیدی بر یکای زمان آمپر I می‌توان سنجید اما از آنجا که اثر سطح را باید در نظر داشت، بایستی عدد بدست آمده بر یکای سطح بخش گردد.

سرعت خوردگی بطور معمول بصورت میل( میلیمتر) در سال (mpy) بیان می‌شود :

 

که در آن W، کاهش وزن بر حسب میلی‌گرم، D چگالی نمونه بر یکای گرم بر سانتی‌متر مکعب، A مساحت نمونه بر حسب اینچ‌مربع و T زمان خوردگی بر یکای ساعت است.

 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

علل ايجاد سختي در آب:

وجود کاتیون های فلزات دوظرفیتی مانند کلسیم، منیزیم ،استرانسیم ، آهن و منگنز باعث ایجاد سختی درآب می شوند هرچند بعلت ناچیز بودن غلظت کاتیون های استرانسیم ، آهن و منگنز در آب علت اصلی سختی در آب مربوط به کلسیم و منیزیم می باشد.
واحد بیان سختی:
در کشور ما سختی آب را بر حسب میلیگرم در لیتر کربنات کلسیم(mg/lit Caco3 ) بیان می كنند و یک درجه سختی معادل یک میلیگرم در لیتر کربنات کلسیم می باشد.هر چند واحد بیان سختی در کشور های مختلف متفاوت می باشد ، مثلا واحد سختی در فرانسه معادل با ده میلیگرم در لیتر کربنات کلسیم می باشد. و یک درجه سختی در کشور آلمان معادل با سختی ده میلیگرم در لیتر اکسید کلسیم (Cao)می باشد .

طبقه بندی آبها از نظر میزان سختی:
معمولا بسته به میزان سختی ،آب ها را به چهار گروه تقسیم می کنند:
1- آبهاي سبك (soft water): ميزان سختي بين 0- 75 ميليگرم در ليتر بر حسب كربنات كلسيم
2- آبهاي نيمه‌سخت (moderately hard water): ميزان سختي بين 75- 150 ميليگرم در ليتر بر حسب كربنات كلسيم
3- آبهاي سخت (hard water): ميزان سختي بين 150- 300 ميليگرم در ليتر بر حسب كربنات كلسيم
4- آبهاي بسيار سخت (very hard water): ميزان سختي بيش از 300 ميليگرم در ليتر بر حسب كربنات كلسيم

مرجع تخصصی آب و فاضلاب