منعقد کننده چیست؟ | آشنایی با کواگولانت ها

منعقد کننده (کواگولانت) ها ترکیباتی هستند که با خنثی نمودن بار ذرات معلق موجود سبب لخته سازی ذرات می گردند. این ترکیبات در فرایند های تصفیه ی آب به وفور استفاده می شوند. از جمله انواع این مواد می توان به نمک های معدنی مانند آلوم و ترکیبات پلیمری اشاره کرد. در ادامه ی متن قصد داریم تا شما را با نحوه عملکرد کواگولانت ها و انواع آن بیشتر آشنا کنیم پس با ما همراه باشید.

چرا استفاده از منعقد کننده ها مهم است؟

این مواد از جمله ترکیباتی هستند که در فرایند های تصفیه ی آب برای جدا سازی ذرات معلق و حذف فسفر اضافی موجود در آب به وفور استفاده می شوند.  این مواد به طور کلی به دو دسته ی آلی و معدنی تقسیم می شوند. معمولا انواع آلی برای جداسازی ذرات جامد و مایع و تولید رسوب استفاده می شوند. از جمله مهم ترین ترکیبات آلی می توان به پلی آمین ها و PolyDADMACs اشاره نمود. این ترکیبات در حالت کاتیونی می توانند سبب خنثی نمودن ذرات معلق با بار منفی و ایجاد میکروفلوک ها شوند. از مزایای استفاده از این مواد می توان به عدم تاثیر گذاری بر pH، تولید رسوب و لجن کمتر و مقادیر کمتر مورد نیاز اشاره نمود.

انواع کواگولانت ها در تصفیه آب

کواگولانت ها انواع مختلفی شامل آلوم، سولفات آهن و پلی الکترولیت های کاتیونی می شود. همه این مواد با کم کردن پتانسیل زتا سیستم کلوئیدی، منجر به برخورد بیشتر ذرات کلوئیدی به یکدیگر شده و در ادامه با هم زدن آهسته آن ها با یکدیگر، منعقد می کنند. از نمک های آلومینیوم قلیایی و اسیدی برای پاک و شفاف کردن آب استفاده می شود. نمک های آهن سه ظرفیتی بسیار کاربردی تر هستند اما از دوظرفیتی آن نیز جهت حذف فسفر از آب استفاده می شود. به طور کلی منعقد کننده ها به دو دسته تقسیم می شوند:

• کواگولانت آلی (پلیمری)
• کواگولانت معدنی

کواگولانت های آلی

این منعقد کننده ها به منظور جداسازی مواد جامد موجود در آب و تولید لجن مورد استفاده قرار می گیرند. دو نوع ماده شیمیایی تصفیه آب آلی وجود دارد. اولین مورد پلی آمین هایی مانند پلی دی آلیل دی متیل آمونیوم کلراید، یا (polyDADMAC) که بیشترین استفاده را دارند. این مواد بیشترین تاثیر در تصفیه فاضلاب و آب خام بسیار کدر را دارند و با خنثی کردن بار ذرات کار می کنند. نوع دوم مواد شیمیایی آلی فاضلاب، ملامین فرمالدهید و تانن است که به منظور منعقد سازی مواد کلوئیدی موجود در آب مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد به ویژه در از بین بردن لجن بسیار مناسب هستند. چرا که می توانند مواد آلی مانند روغن و چربی را به خود جذب کنند.

برتری منعقد کننده پلیمری در مقایسه با سایر منعقد کننده ها مانند آلوم در این است که منعقد کننده های پلیمری دارای جرم مولکولی بسیار بالایی هستند که می تواند به راحتی موجب ته نشینی شود . 

ساختار منعقد کننده های پلیمری

رایج ترین گروه های آنیونی مواد منعقد کننده در ساختار پلی الکترولیت‌های آنیونی گروه کربوکسیلات (–COO-) ،گروه فسفنات  (–PO3H-, –PO32-) و گروه سولفونات (–SO3-) می‌باشد. در پلی الکترولیت‌های کاتیونی رایج ترین گروه عاملی آمین‌های نوع اول و دو م و چهارم   (–NH3+, =NH2+ & ≡N+) می‌باشند.

نوع آنیون موجود در ساختار منعقد کننده های پلیمری و نحوه تکرار آن در ساختار پلیمر نشان دهنده خواص پلی الکترولیتی نظیر حلالیت در آب و سایر محلول‌های قطبی و با پیوند هیدروژنی (مثل الکل )، هدایت الکتریکی و ویسکوزیته محلول می‌باشد. بر خلاف پلی الکترولیت‌های غیر یونی این خصوصیات به شدت به میزان  pH و غلظت نمک بستگی دارد. تمامی پلی الکترولیت‌های طبیعی یا سنتزی می‌توانند در مقیاس زیادی تولید شوند. پلی الکترولیت‌های طبیعی مانند پکتین، آلژینات و پلی پپتایدها هستند. نمونه‌هایی از پلی الکترولیت‌های سنتزی نیز پلی آلیل آمین‌ها و نمک هایشان می‌باشد.

از جمله مهمترین پلی الکترولیت های مورد استفاده در تصفیه آب می توان به پلی اکریل آمید اشاره کرد که در ادامه به آن بیشتر خواهیم پرداخت : 

پلی اکریل آمید

واژه پلی اکریل آمید به هر پلیمری اطلاق می‌شود که یکی از مونومرهای آن اکریل آمید باشد. اگر بخواهیم با دقت بیشتری راجع به این ماده بررسی کنیم نامگذاری ایوپاک آن، (poly (prop-2-enamide می‌باشد که یک پلیمر قابل حل در آب است و از  پلیمریزاسیون  مونومرهای اکریل آمید و N, N′-methylenebis) acrylamide) به دست آمده است.

 پلی اکریل آمید ها پلیمرهایی متورم شونده هستند که تنها نوع تجاری آن، (poly (2-propenamide می‌باشد که به آن پلی اکریل آمید گفته می شود. این نوع از پلیمرها بسته به نوع کاربریشان می‌توانند به صورت خطی یا اتصال عرضی ساخته شوند. PAM ویسکوزیته آب را افزایش داده و سبب لخته شدن ذرات موجود در آن می‌شود. پلیمرهای اتصال عرضی می‌توانند مقدار خیلی زیادی آب را به علت وجود گروه‌های آمیدی که با آب تشکیل پیوند هیدروژنی می‌دهند را جذب کنند که این نوع از pam  ژل نامیده می‌شود. وزن مولکولی پلی اکریل آمید های تجاری از 105 تا بیشتر از 107 می‌باشد.

پلی اکریل آمید با مونومرهای اکریل آمید به تنهایی غیر یونی است. برای حصول پلی اکریل آمید آنیونی نیاز است تا مونومرهای acrylate یا  2- (acrylamido-2-methylpropane sulfonate (AMPS نیز با درصدهای متفاوت در ساختار پلی اکریل آمید موجود باشند.

همچنین در ساختار منعقد کننده ها (coagulants) و لخته ساز های پلی اکریل آمیدهای کاتیونی به جای مونومرهای اکریل آمید دیگر مونومرها از جمله:

• dimethyldiallylammonium
• (ethanaminium (N, N, N-trimethyl-2-((1-oxo-2-propenyl) oxy
• 1,2-dimethyl-5-vinylpyridinum

 حضور دارند.

کاربرد PAM در محیط زیست

به طور کلی پلی اکریل آمید به طور گسترده در حوزه های محیط زیستی کاربرد دارد از جمله :

1) به عنوان بهبود دهنده ویسکوزیته در ازدیاد برداشت نفت  (EOR) و اخیراً نیز به عنوان کاهنده اصطکاک در شکست هیدرولیکی یا HVHF

2) به عنوان منعقد کننده و لخته ساز در تصفیه آب و آب گیری از لجن

3) به عنوان عامل بهبود دهنده خواص خاک در کاربرد های کشاورزی

در جدول زیر شکل ساختاری پلی اکریل آمیدهای مختلف قابل مشاهده است:

ساختار	نام	دسته بندی
	Polyacrylamide	پلی اکریل آمید غیر یونی PAM
	Polyacrylamide-co acrylic acid, hydrolyzed polyacrylamide	پلی اکریل آمید آنیونی APAM
	poly(AM-co (DADMAC	پلی اکریل آمید کاتیونی CPAM

منعقد کننده های پلیمری کاتیونی 

پلی اکریل آمیدهای کاتیونی نیز به عنوان جداساز های امولسیونی و برای افزایش کارایی فیلتراسیون و آب گیری از لجن کاربرد دارند. همانند منعقد کننده‌ های الی این ماده نیز با خنثی سازی بار سطحی ذرات کلوییدی و سپس ته نشینی آنها کمک به جداسازی مواد جامد می‌کند و از حجم لجن باقی مانده نیز می‌کاهد.

در تصفیه پساب صنایع کاغذ این ماده سرعت ته نشینی را افزایش می دهد. الکتروفورز ژل برای جداسازی ابر مولکول ها  نیز  یکی از کاربردهای مهم دیگر این مواد است که کمتر از سایر کابرد ها به آن پرداخته شده است،  هنگامی که یک جریان الکتریکی از میان ژل پلی اکریل آمید عبور می‌کند پروتئین یا نوکلئیک اسیدها به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند. از آنجایی که حرکت آنها به بار و اندازه مولکول ها بستگی دارد هر کدام از مولکول ها به سمت مشخصی در ماتریس ژل حرکت می‌کنند.  پلی اکریل آمید های غیر یونی برای کاربردهای معدنی و صنایع نساجی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی از  کاربردهای پلی اکریل آمید استفاده به عنوان پایدار کننده در لوسیون ها و محصولات دیگر آرایشی و  بهداشتی است. اگرچه این ماده به خودی خود مشکل زا و خطرناک نیست اما مونومرهای تشکیل دهنده آن به شدت سرطان زا هستند . اتحادیه اروپا برای محصولاتی که ازپلی اکریل آمید در ساخت آنها استفاده شده است محدودیت میزان مونو اکریل آمیدها  را تعیین کرده است اما ایالات متحده امریکا هنوز ممنوعیتی برای استفاده از این ماده تعیین نکرده است. این ماده در محصولات آرایشی و بهداشتی از قبیل مرطوب کننده های صورت، محصولات ضد پیری، لوسیون ها، محصولات مو و ضد افتاب ها کاربرد دارد.

پلیمرهای لخته ساز 

در بحث استفاده از این مواد منعقد کننده و لخته ساز در تصفیه آب و پساب باید اشاره کرد که تاثیر فرایند لخته سازی بر اساس کاهش کدورت، TSS ، COD ورنگ بررسی می‌شود و طبق تحقیقات در شرایط بهینه این پارامترها تا 90% کاهش پیدا می کنند. میزان استفاده بسیار بالا از پلیمرها به عنوان لخته ساز به علت  راحتی استفاده از آنها و عدم نیاز به تنظیم مداوم  pH  است. از طرفی مقادیر بسیار کمی از آنها تاثیر بسیار زیادی در حوزه مصرفی مثل تصفیه پساب دارد.

خصوصیات اصلی پلیمرهایی که به عنوان لخته ساز استفاده می شوند می‌تواند به شرح زیر باشد:

 پلی اکریل آمید به علت اقتصادی بودن و کابری آسان مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. این قابلیت نیز وجود دارد که این ماده را به عنوان لخته ساز در وزن های مختلف و چگالی بار های متفاوت و در سه نوع آنیونی، غیر یونی وکاتیونی سنتز کرد . با توجه به نیاز مشتری نوع بار سطحی و میزان وزن مولکولی قابل تغییر است. در شکل زیر نحوه عملکرد این ماده در تصفیه پساب و پل زنی بین ذرات مشاهده می‌شود.

کواگولانت های معدنی

این مواد به طور معمول نسبت به نوع آلی خود، ارزان تر و اقتصادی تر هستند و در طیف وسیعی از فرآیندهای تصفیه سازی استفاده می شوند. خاصیت اسیدی دارند و به همین علت هنگام نگهداری و حمل آن ها باید مرقبت های لازم صورت گیرد. منعقد کننده های معدنی به ویژه در تصفیه آب خام با کدورت پایین موثر هستند و در صورت عدم کفایت منعقد کننده های آلی، می توان از آن برای تصفیه این نوع آب استفاده کرد. این مواد عموما بر پایه آلومینیوم یا آهن هستند. سولفات آلومینیوم متداول ترین ماده شیمیایی برای تصفیه فاضلاب در جهان است. از دیگر نمونه های این مواد می توان به آلومینیوم کلرید، پلی آلومینیوم کلرید، سولفات آهن و فریک کلرید اشاره کرد.

 در ادامه به ویژگی های یک منعقد کننده خوب اشاره شده است:

• حاوی گروه های سولفات یا کلرید باشد.
• مایع یا جامد باشد. اکثرا در محلول های آبی هستند مانند آلومینیوم سولفات یا فریک کلراید.
• اسیدی یا قلیایی باشد. نمک های آلومینیوم مانند پلی آلومینیوم کلراید سطح معینی از قلیاییت را دارا هستند.
• توانایی اتصال به تعدادی از اتم های دو یا سه ظرفیتی را داشته باشندو نمک های آهم می توانند به عنوان نمک دوظرفیتی عمل کنند.

عوامل موثر بر فرآیند انعقادسازی

عوامل بسیاری بر عملکرد کواگولانت موثر هستند که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قلیایی بودن آب
• pH محیط
• دما
• مقدار مواد معلق موجود در آب
• میزان مواد آلی موجود در آب

افزایش میزان pH، مقدار قلیاییت آب، غلظت مواد معلق، دما و همچنین کاهش مواد آلی، به بهتر شدن فرآیند لخته سازی کمک می کند.

چه تفاوتی میان کواگولانت و فلوکولانت وجود دارد؟

کواگولانت به معنای انعقاد دهنده است درحالیکه فلوکولانت لخته کننده است. فرآیند انعقاد یک فرآیند شیمیایی است که در آن با ناهمنام کردن بارها، و جذب بارهای ناهمنام به یکدیگر صورت می گیرد. در حالیکه لخته سازی یک فرآیند فیزیکی است و شامل خنثی سازی بار نیست. فرآیند انعقاد-لخته سازی می تواند به عنوان یک مرحله مقدماتی یا واسطه ای بین سایر فرآیندهای تصفیه آب یا فاضلاب مانند فیلتراسیون و رسوب استفاده شود.

کاربرد کواگوالانت ها

در تصفیه آب، از کواگولانت ها برای حذف طیف گسترده ای از مواد خطرناک شامل مواد آلی و عوامل بیماری زا، مواد معدنی و سمی، مانند آرسنیک، فسفر شیمیایی و فلوراید از آب استفاده می شود.

از دیگر کاربردهای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاربردهای پزشکی برای ایجاد لخته خون
• تولید کاغذ
• منسوجات
• عملیات نفت و گاز
• معادن

لینک های مفید : 

گلوتارآلدئید

 خرید پلی آلومینیوم کلراید