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

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