مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف کلر آزاد از آب و فاضلاب یکی از مراحل مهم در فرآیند تصفیه آب است، زیرا کلر آزاد (Cl₂، HOCl، OCl⁻) می‌تواند برای سلامتی انسان مضر باشد و باعث ایجاد طعم و بوی نامطلوب در آب شود. کلر آزاد معمولاً در فرآیند گندزدایی آب استفاده می‌شود، اما پس از انجام این فرآیند، باید از آب حذف شود. در اینجا به روش‌های سنتی و نوین حذف کلر آزاد، بهینه‌سازی و برخی فرمول‌ها و ساختارهای مرتبط اشاره می‌شود:

روش‌های سنتی حذف کلر آزاد:

1. دفع کلر با استفاده از مواد شیمیایی (Chemical Dechlorination):

   • در این روش از مواد شیمیایی مانند بی‌سولفیت سدیم (Na₂S₂O₅) یا متابی‌سولفیت سدیم (Na₂S₂O₅) برای خنثی‌سازی کلر آزاد استفاده می‌شود.

   • فرمول واکنش:

     Na2​S2​O5​+2HOCl→2NaHSO4​+2HCl

   • این روش سریع و مؤثر است اما نیاز به دقت در کنترل دوز مواد شیمیایی دارد.

2. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از جاذب‌هایی مانند کربن فعال (Activated Carbon) برای جذب کلر آزاد.

   • فرمول جذب:

     HOCl+C→CO2​+HCl

   • این روش ساده و مؤثر است اما ممکن است نیاز به تعویض دوره‌ای کربن فعال داشته باشد.

3. هوادهی (Aeration):

   • در این روش، کلر آزاد به‌صورت گاز (Cl₂) از آب خارج می‌شود.

   • فرمول واکنش:

     −HOCl→H++OCl
   • OCl−→Cl2​↑+O2​

   • این روش کم‌هزینه است اما برای حذف کامل کلر ممکن است نیاز به زمان طولانی‌تری داشته باشد.

روش‌های نوین حذف کلر آزاد:

1. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • استفاده از غشاهای نانوفیلتراسیون یا اسمز معکوس برای جداسازی کلر آزاد از آب.

   • این روش بسیار مؤثر است اما هزینه‌های عملیاتی و نگهداری بالایی دارد.

2. فوتوکاتالیست‌ها (Photocatalysis):

   • استفاده از فوتوکاتالیست‌هایی مانند دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) تحت تابش نور UV برای تجزیه کلر آزاد.

   • فرمول واکنش:

     HOCl+TiO2+​UV​→HCl+O2​

   • این روش سازگار با محیط زیست است اما نیاز به انرژی UV دارد.

3. الکترولیز (Electrolysis):

   • استفاده از جریان الکتریکی برای تجزیه کلر آزاد به یون‌های کلرید (Cl⁻).

   • فرمول واکنش:

     −HOCl+e−→Cl−+OH

   • این روش مؤثر است اما نیاز به انرژی الکتریکی دارد.

4. زیست‌فناوری (Biotechnology):

   • استفاده از میکروارگانیسم‌ها یا آنزیم‌ها برای تجزیه کلر آزاد.

   • این روش هنوز در مراحل تحقیقاتی است اما پتانسیل بالایی برای حذف کلر با هزینه کم دارد.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• کنترل pH: pH بهینه برای حذف کلر آزاد معمولاً بین ۶ تا ۸ است.

• زمان تماس: افزایش زمان تماس بین کلر و جاذب یا مواد شیمیایی می‌تواند کارایی حذف را افزایش دهد.

• غلظت مواد شیمیایی: استفاده از دوز بهینه مواد شیمیایی مانند بی‌سولفیت سدیم برای حذف کامل کلر.

• دما: در برخی روش‌ها مانند هوادهی، افزایش دما می‌تواند سرعت حذف کلر را افزایش دهد.

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • بر اساس حجم آب و غلظت کلر آزاد، سیستم‌های تصفیه مانند ستون‌های کربن فعال، راکتورهای شیمیایی یا سیستم‌های غشایی طراحی می‌شوند.

2. مواد مورد نیاز:

   • انتخاب مواد جاذب (مانند کربن فعال)، مواد شیمیایی (مانند بی‌سولفیت سدیم) یا غشاهای مناسب بر اساس هزینه و کارایی.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • نصب سیستم‌های تصفیه و راه‌اندازی آنها با توجه به دستورالعمل‌های فنی.

4. نگهداری و بهره‌برداری:

   • انجام عملیات نگهداری دوره‌ای مانند تعویض کربن فعال یا احیای غشاها.

نتیجه‌گیری:

حذف کلر آزاد از آب و فاضلاب با استفاده از روش‌های سنتی مانند استفاده از مواد شیمیایی یا کربن فعال، همچنان به‌طور گسترده استفاده می‌شود. با این حال، روش‌های نوین مانند فناوری غشایی، فوتوکاتالیست‌ها و الکترولیز به دلیل کارایی بالا و سازگاری با محیط زیست در حال توسعه هستند. بهینه‌سازی شرایط عملیاتی و طراحی مناسب سیستم‌های تصفیه نیز از عوامل کلیدی در موفقیت این فرآیندها هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف کادمیوم از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بالا و اثرات مخرب آن بر سلامت انسان و محیط زیست از اهمیت بالایی برخوردار است. کادمیوم یک فلز سنگین است که معمولاً از طریق فعالیتهای صنعتی مانند معدنکاری، تولید باتری، رنگسازی و صنایع فلزی وارد آب و فاضلاب میشود. در اینجا به روشهای سنتی و نوین حذف کادمیوم، بهینه‌سازی و برخی فرمول‌ها و ساختارهای مرتبط اشاره می‌شود:

روش‌های سنتی حذف کادمیوم:

1. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • در این روش از مواد شیمیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) یا سولفید سدیم (Na₂S) برای تشکیل ترکیبات نامحلول کادمیوم استفاده می‌شود.

   • فرمول واکنش:

     Cd2++2OH−→Cd(OH)2↓​
   • ↓Cd2++S2−→CdS

   • این روش ساده و کم‌هزینه است اما ممکن است نیاز به تصفیه ثانویه برای حذف کامل کادمیوم داشته باشد.

2. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • در این روش از رزین‌های تبادل یونی برای جایگزینی یون‌های کادمیوم با یون‌های بی‌خطر مانند سدیم یا هیدروژن استفاده می‌شود.

   • فرمول کلی:

     +R-Na+Cd2+→R-Cd+2Na

   • این روش مؤثر است اما هزینه‌های بالایی دارد و نیاز به احیای دوره‌ای رزین‌ها دارد.

3. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از جاذب‌های طبیعی یا مصنوعی مانند کربن فعال، زئولیت‌ها یا خاک‌های معدنی برای جذب کادمیوم.

   • فرمول جذب:

     Cd2++Adsorbent→Cd-Adsorbent

   • این روش ساده و مؤثر است اما ممکن است نیاز به بهینه‌سازی شرایط جذب مانند pH و دما داشته باشد.

روش‌های نوین حذف کادمیوم:

1. نانو جاذب‌ها (Nanoadsorbents):

   • استفاده از نانوذرات مانند نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄) یا نانوذرات کربن برای جذب کادمیوم با ظرفیت بالا و سرعت جذب سریع.

   • این روش به دلیل سطح ویژه بالا و قابلیت جذب انتخابی بسیار مؤثر است.

2. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • استفاده از غشاهای نانوفیلتراسیون یا اسمز معکوس برای جداسازی کادمیوم از آب.

   • این روش بسیار مؤثر است اما هزینه‌های عملیاتی و نگهداری بالایی دارد.

3. زیست‌جذب (Biosorption):

   • استفاده از زیست‌توده‌های میکروبی یا جلبک‌ها برای جذب کادمیوم.

   • فرمول کلی:

     Cd2++Biomass→Cd-Biomass

   • این روش سازگار با محیط زیست و کم‌هزینه است اما ممکن است نیاز به بهینه‌سازی شرایط رشد و جذب داشته باشد.

4. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

   • استفاده از جریان الکتریکی برای تولید یون‌های فلزی که باعث تشکیل فلوک‌های حاوی کادمیوم می‌شوند.

   • این روش مؤثر است اما نیاز به انرژی الکتریکی دارد.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• بهینه‌سازی pH: pH بهینه برای جذب کادمیوم معمولاً بین ۶ تا ۸ است.

• زمان تماس: افزایش زمان تماس بین کادمیوم و جاذب می‌تواند کارایی حذف را افزایش دهد.

• غلظت جاذب: استفاده از غلظت بهینه جاذب برای حداکثر جذب.

• دما: در برخی روش‌ها مانند جذب سطحی، افزایش دما می‌تواند کارایی را بهبود بخشد.

ساخت و اجرا:

• طراحی سیستم: بر اساس حجم فاضلاب و غلظت کادمیوم، سیستم‌های تصفیه مانند راکتورهای جذب، ستون‌های تبادل یونی یا سیستم‌های غشایی طراحی می‌شوند.

• مواد مورد نیاز: انتخاب مواد جاذب، رزین‌ها یا غشاهای مناسب بر اساس هزینه و کارایی.

• نصب و راه‌اندازی: نصب سیستم‌های تصفیه و راه‌اندازی آنها با توجه به دستورالعمل‌های فنی.

• نگهداری و بهره‌برداری: انجام عملیات نگهداری دوره‌ای مانند احیای رزین‌ها یا تعویض غشاها.

نتیجه‌گیری:

حذف کادمیوم از آب و فاضلاب نیازمند انتخاب روش مناسب بر اساس شرایط خاص هر پروژه است. روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و تبادل یونی هنوز هم به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها و فناوری غشایی به دلیل کارایی بالا و سازگاری با محیط زیست در حال توسعه هستند. بهینه‌سازی شرایط عملیاتی و طراحی مناسب سیستم‌های تصفیه نیز از عوامل کلیدی در موفقیت این فرآیندها هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف کلسیم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. نرم‌سازی آهک (Lime Softening)

• مکانیسم:
  افزودن آهک (Ca(OH)₂) و سودا اش (Na₂CO₃) برای تشکیل رسوب کلسیم کربنات (CaCO₃):

  Ca2++CO32−​→CaCO3​↓(Ksp​=4.8×10−9)

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۱۰–۱۱.۵ (برای حداکثر رسوب‌دهی).

  • دوز آهک: ۱۰۰–۳۰۰ mg/L (بسته به سختی آب).

• مزایا: کاهش همزمان سختی کلسیم و منیزیم.

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

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های کاتیونی سدیمی (Na⁺) برای جایگزینی کلسیم (Ca2+Ca2+):

  +R-Na2​+Ca2+→R-Ca+2Na

• احیای رزین: شستشو با محلول NaCl غلیظ.

• محدودیت: رزین‌ها در حضور آهن یا منگنز سریعتر اشباع می‌شوند.

ج. اسمز معکوس (RO)

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

• پارامترها:

  • فشار عملیاتی: ۱۵–۳۰ بار.

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

۲. روش‌های نوین

الف. الکترودیالیز (Electrodialysis)

• مکانیسم:
  استفاده از میدان الکتریکی برای انتقال انتخابی یون‌های کلسیم از طریق غشاهای یونی.

• فرمول نرنست:

• E=E0−(RT/nF)ln⁡Q

• • E: پتانسیل سلول، Q: ضریب واکنش.

ب. نانوفیلتراسیون (Nanofiltration)

• مکانیسم:
  حذف انتخابی یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca2+Ca2+) با اندازه منافذ ۱–۲ نانومتر.

• راندمان: ۸۰–۹۰٪ با فشار عملیاتی ۵–۱۵ بار.

ج جذب سطحی با نانوذرات

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آلومینیوم (Al₂O₃): ظرفیت جذب تا ۸۰ mg/g.

  • نانولوله‌های کربنی: جذب از طریق گروه‌های عاملی اکسیژن.

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

نرم‌سازی آهک۷۰–۹۰٪ کم تولید لجن صنایع بزرگ و شهری

تبادل یونی۹۰–۹۹٪ متوسط نیاز به احیای مکرر خانگی و صنایع کوچک

الکترودیالیز۸۵–۹۵٪ بالا مصرف انرژی بالا صنایع پیشرفته

نانوفیلتراسیون۸۰–۹۰٪ متوسط گرفتگی غشا سیستم‌های ترکیبی

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهک:

  دوز آهک (mg/L)=غلظت Ca2+×۱.۴

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

  ظرفیت (meq/g)=جرم رزین (g)/(مقدار +Ca2حذف‌شده (meq))

• شار غشایی در RO:

• (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

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

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم نرم‌سازی آهک

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، تهنشین‌کننده، فیلتر لجن.

• اجرا:
  ۱. تزریق آهک و سودا اش.
  ۲. تنظیم pH به ۱۰–۱۱.
  ۳. جداسازی رسوب CaCO₃ و Mg(OH)₂.

ب. سیستم تبادل یونی

• تجهیزات:

  • مخزن رزین، پمپ آب شور (NaCl)، سیستم کنترل اتوماتیک.

• اجرا:

  • عبور آب از بستر رزین و احیای دوره‌ای با NaCl.

ج. سیستم نانوفیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار پایین، غشاهای نانوفیلتر، سیستم شستشوی معکوس (CIP).

• پیش‌تصفیه: فیلتر شنی و کربنی برای جلوگیری از گرفتگی.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: نرم‌سازی آهک برای آب‌های با سختی بالا و صنایع بزرگ مناسب است.

• روش نوین: نانوفیلتراسیون و تبادل یونی برای مصارف خانگی و صنایع کوچک کارآمدند.

• بهینه‌سازی:

  • ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با آهک + نانوفیلتراسیون).

  • استفاده از نانوذرات برای جذب انتخابی کلسیم.

• مدیریت پسماند:

  • بازیافت لجن CaCO₃ در صنعت ساختمان.

  • احیای رزین‌ها و غشاها برای کاهش هزینه‌ها.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۱۰ m³/day، سختی کلسیم ۳۰۰ mg/L (بر حسب CaCO₃).

• روش انتخابی: نانوفیلتراسیون با شار ۲۰ LMH.

  • سطح غشا: ۱۰۲۰×۲۴≈۰.۰۲ m²۲۰×۲۴۱۰​≈۰.۰۲m².

  • فشار عملیاتی: ۱۰ بار.

  • انرژی مصرفی: bar۱۰ ×۱۰ m³/day)/(۳۶۰۰×۰.۷)≈۰.۰۴ kWh/m³).

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف بریلیوم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. اهمیت حذف بریلیوم

بریلیوم (Be) یک فلز سمی است که حتی در غلظت‌های بسیار کم (µg/L) می‌تواند باعث بیماری‌های ریوی و سرطان شود.

• استانداردهای مجاز:

  • آب شرب: ≤ ۰.۰۰۴ mg/L (USEPA).

  • فاضلاب صنعتی: ≤ ۰.۱ mg/L (بسته به مقررات محلی).

۲. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:
  افزودن مواد قلیایی (مانند آهک یا سود سوزآور) برای تشکیل هیدروکسید بریلیوم نامحلول:

  Be2++2OH−→Be(OH)2​↓(Ksp​≈10−20)

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۹–۱۱ (برای حداکثر بازدهی).

  • دوز آهک: ۵۰–۱۵۰ mg/L.

• مزایا: هزینه پایین، سادگی اجرا.

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

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های کاتیونی انتخابی (مانند رزین‌های سولفونیک اسید) برای جذب Be2+:

  +R-Na2​+Be2+→R-Be+2Na

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

• چالش: تداخل با یون‌های کلسیم و منیزیم.

ج. جذب سطحی (Adsorption)

• مواد جاذب:

  • اکسید آلومینیوم فعال (AA): جذب از طریق پیوندهای سطحی.

  • کربن فعال: بازدهی محدود به دلیل اندازه کوچک یون بریلیوم.

۳. روش‌های نوین

الف. اسمز معکوس (RO) با غشاهای نانویی

• مکانیسم:
  استفاده از غشاهای پلی آمیدی با اندازه منافذ ۰.۱–۱ نانومتر برای حذف ۹۵–۹۹٪ بریلیوم.

• پارامترها:

  • فشار عملیاتی: ۲۰–۴۰ بار.

  • شار غشایی: ۱۰–۲۵ LMH.

• فرمول شار:

• (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آلومینیومی برای تولید هیدروکسید آلومینیوم که بریلیوم را جذب می‌کند:

  • واکنش آند:

    -Al→Al3++3e

  • تشکیل هیدروکسید آلومینیوم:

    ↓Al3++3OH−→Al(OH)3​

• فرمول فارادی:

• m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F)​

• • m: جرم الکترود مصرفی (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه)، M: جرم مولی Al (۲۷ g/mol).

ج. نانوجاذب‌های پیشرفته

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۵۰ mg/g.

  • نانولوله‌های کربنی اصلاح‌شده: افزایش سطح ویژه و گروه‌های عاملی.

• فرمول ایزوترم فروندلیچ:

  qe​=Kf​⋅Ce1/n​

۴. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

رسوب‌سازی۷۰–۸۵٪ کم تولید لجن سمی صنایع کوچک

تبادل یونی۸۰–۹۵٪ متوسط تداخل یونی آب‌های با TDS پایین

الکتروکوآگولاسیون ۸۵–۹۵٪ متوسط مصرف انرژی پساب‌های صنعتی

نانوجاذب‌ها ۹۰–۹۸٪ بالا هزینه تولید نانوذرات سیستم‌های پیشرفته

۵. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهک در رسوب‌سازی:

  دوز آهک (mg/L)=۳×غلظت Be2+

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

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

۶. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط، میکسر مکانیکی، مخزن تهنشینی.

• اجرا:
  ۱. تزریق آهک (دوز ۱۰۰ mg/L).
  ۲. تنظیم pH به ۱۰ با سود سوزآور.
  ۳. جداسازی لجن Be(OH)2​.

ب. سیستم RO

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا، غشاهای پلی آمیدی، سیستم CIP.

• پارامترها:

  • فشار: ۳۰ بار، شار: ۱۵ LMH.

ج. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آلومینیومی، منبع تغذیه DC (۳۰–۵۰ ولت).

• پارامترها:

  • جریان: ۱–۳ A/m²، زمان تماس: ۲۰–۴۰ دقیقه.

۷. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی شیمیایی برای غلظت‌های متوسط بریلیوم مناسب است.

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

• بهینه‌سازی:

  • ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با رسوب‌سازی + RO).

  • استفاده از جاذب‌های نانویی برای بازیافت بریلیوم.

• مدیریت پسماند:

  • تثبیت لجن با سیمان یا شیشه‌سازی.

  • احیای رزین‌ها و نانوذرات برای استفاده مجدد.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۲ m³/day، غلظت بریلیوم ۰.۱ mg/L، هدف: ≤ ۰.۰۰۴ mg/L.

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

  • انرژی مصرفی: (۳×۹۶۴۸۵)/(۲×۳۰×۶۰×۲۷)≈۰.۳۴ g Al.

  • زمان تماس: ۳۰ دقیقه.

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