انواع روش های جذب سطحی

انواع روش های جذب سطحی

جذب سطحی (Adsorption):

فرآیند جذب سطحی (Adsorption) عبارتند از : جمع آوری مواد روی سطح مواد جاذب می باشد ولی جذب (Absorption) نفوذ مواد جمع شده به درون جاذب است. از آن جائیکه این دو پدیده غالباً همزمان رخ می دهند از واژه (Sorption) برای این پدیده ها استفاده می گردد.

جذب شونده (Adsorbate): جزئی که جذب یا تغلیظ می شوند را جذب شونده می‌نامند.

جاذب (Adsorbent): فاز جذب کننده را جاذب می نامند.

علل جذب سطحی و انواع آن

جذب سطحی ناشی از دو نیروی زیر انجام می گیرد.

اولین نیروی مؤثر در جذب سطحی ناشی از خاصیت حلال گریزی (Solvent-disliking ) یا لیوفوبیک جزء حل شونده به حلال می باشد.

دومین نیروهای مؤثر در جذب سطحی تمایل ویژه جزء حل شده به سطح جاذب جامد می باشد. براساس این نیروها سه نوع جذب سطحی وجود دارد.

الف) جذب سطحی تبادلی (Exchange Adsorption)

فرآیندی است که یون ها بر روی سطح تجمع یافته و سطح را باردار می نمایند عامل تعیین کننده جذب سطحی تبادلی، بار یون هاست هر چه بار یون جذب شونده بیشتر باشد، شدت جذب بیشتر می باشد. بطور مثال یون های دارای 3 بار، نسبت به یون های دارای یک بار سرعت جذب بیشتری به سطح مخالف دارند. چنانچه بار یون ها یکسان باشد، شدت جذب بستگی به اندازه مولکول دارد. بطوریکه هر چه اندازه مولکول کوچکتر باشد، به راحتی در عمق بیشتری از سطح جاذب نفوذ نماید. این نوع جذب همانند جذب سطحی شیمیایی برای انجام واکنش عکس، انرژی زیادی نیاز می باشد. بنابراین برگشت ناپذیر است.

ب) جذب سطحی فیزیکی (Physical Adsorption)

جذب سطحی فیزیکی عمدتاً در اثر نیروهای واندروالس بوجود می آید. مقدار نیروی واندروالس متناسب با عکس مجذور فاصله دو ذره است. از مشخصه این نوع جذب، انرژی کم جذب می باشد و یک فرآیند برگشت پذیر است. در این نوع جذب راندمان جذب با کاهش دما، افزایش می یابد. در دمای پایین این نوع جذب غالب می باشد. نمونه ای از جذب فیزیکی می توان جذب سطحی توسط کربن فعال را نام برد.

ج) جذب سطحی شیمیایی (Chemical Adsorption)

در این نوع جذب، بین جزء جذب شونده و سطح جاذب یک واکنش شیمیایی اتفاق می افتد و یک فرآیند غیرقابل برگشت است زیرا برای انجام واکنش عکس به انرژی زیادی نیاز است. برخلاف جذب سطحی فیزیکی در این نوع جذب با افزایش دما، سرعت جذب یا واکنش افزایش می یابد در نتیجه راندمان جذب سطحی افزایش می یابد. جذب سطحی شیمیایی به ندرت در مهندسی محیط زیست کاربرد دارد. ولی جذب سطحی فیزیکی رایج می باشد. بیشتر پدیده های جذب سطحی در اثر ترکیبی از سه نوع جذب فوق انجام می گیرد و معمولاً تشخیص آن ها به راحتی امکان‌پذیر نیست.

عوامل مؤثر بر جذب سطحی

بعضی از عوامل مؤثر بر جذب به شرح ذیل می باشد:

1- مساحت سطح جاذب: چون جذب سطحی یک پدیده سطحی است، میزان جذب به نسبت مساحت سطح مخصوص جسم جاذب بستگی دارد. مساحت سطح مخصوص عبارتند از کل مساحت سطح جاذب که در عمل جذب شرکت می کند. هر چه ذرات جاذب ریزتر باشند به علت افزایش سطح تماس میزان جذب افزایش می یابد.

2- نوع جذب شونده: اندازه و قطر مولکول های جزء جذب شونده باید در حدی باشد که بتواند جذب و وارد روزنه گردد.

3-PH : PH محلولی که در آن عمل جذب صورت می گیرد بر میزان جذب سطحی تأثیر می گذارد زیرا یون هیدروژن و هیدروکسید به سرعت جذب سطح جاذب می شوند در نتیجه میزان جذب سایر یون ها را تحت تأثیر قرار می دهند. به طور کلی جذب سطحی آلاینده آلی محلول در آب با کاهش PH افزایش می یابد.

4- دما: واکنش های جذب سطحی گرمازا یا اگزوترمیک هستند بنابراین با کاهش درجه حرارت میزان جذب افزایش می یابد و در صورتی که جذب شیمیایی غالب باشد با افزایش دما، میزان جذب افزایش می یابد. ولی چون عامل اصلی جذب سطحی، جذب فیزیکی است و در جذب فیزیکی با افزایش دما میزان جذب کاهش می یابد.

5- اختلاط: هرچه اختلاط بیشتر شود، سرعت جذب بیشتر می شود.

6- غلظت جذب شونده: هرچه غلظت جزء جذب شونده در محلول بیشتر باشد، میزان جذب بیشتر می باشد.

انواع جاذب و خصوصیات آن ها

جاذب‌ها به طور کلی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند.

جاذب‌های طبیعی: از این نوع جاذب ها می توان سیلیکاژل، خاک رس، خاک دیاتومه، کربن فعال و آلومینیای فعال یا آلومین را نام برد. آلومین و خاک رس دارای فرآیند جذب سطحی انتخابی می باشند که Al2O3 در حذف فلوراید و بنتونیت در حذف فلزات سنگین، دترجنت ها و رنگ مؤثر می باشد.

جاذب‌های مصنوعی: ماکرو مولکول ها و رزین‌هایی هستند که سطح مخصوص 300-750 g/m2 دارند و به سادگی احیاء می‌شوند.

انواع مختلف کربن فعال

کربن فعال براساس اندازه ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:

1-کربن فعال پودری: Powdered Activated Carbon) PAC): قطر مؤثر ذرات آن ها کمتر از (50µm (10-50µm می باشد.

2-کربن فعال دانه‌ای: Granular Activated Carbon) GAC): قطر مؤثر ذرات آن بزرگتر از 0.1mm می باشد.

هزینه احیاء PAC زیاد ولی هزینه احیاء GAC کمتر و آسان تر می باشد. PAC بیشتر برای حذف پیش سازهای DBPS و مولد طعم و بو استفاده می شود ولی GAC بیشتر برای حذف ترکیبات آلی پیچیده، VOCS، SOCS و THMS استفاده می شود. کاربرد PAC در تصفیه آب محدود به زلال سازی است. PAC ممکن است همراه با مواد منعقد کننده بکار می رود که در این حالت تشکیل فلوک ها با خصوصیات ته نشینی خوب را تشدید می کند.

توليد كربن فعال

کربن فعال را از ذغال موادی نظیر پوست بادام، نارگیل، گردو و سایر انواع چوب و ذغال سنگ تهیه می کنند. برای تولید ذغال فعال مراحل زیر باید انجام گیرد:

1. آب گیری یا خشک کردن (Dehydration): درجه حرارت مورد نیاز برای خشک کردن حدود 1700C می باشد.
2. کربونیزاسیون (Carbonization): معمولاً در دمای 400 تا  6000C و عدم حضور هوا عمل کربونیزاسیون صورت می گیرد. در دمای زیاد مواد اضافی حذف و کربن باقی می ماند. مواد در حال خروج سبب ایجاد خلل و فرج در توده کربن می گردند.
3. فعال سازی (Activation): در این مرحله کربن به خوبی متخلخل می گردد. عمل فعال سازی به دو صورت شیمیایی و فیزیکی انجام می گیرد. روش فیزیکی بیشتر کاربرد دارد و در این روش کربن با بخار دارای دمای  600-700C تماس می یابد.

احیا GAC

بسته به مقدار، نوع آلاینده های آلی و میزان فعالیت بیولوژیکی در ستون GAC، فاصله زمانی مورد نیاز برای احیاء GAC از 6 ماه تا 5 سال متغیر می باشد. سه روش برای احیاء GAC اشباع شده وجود دارد که عبارتند از:

1. احیاء با بخار (Steam Regeneration ): این روش برای کربنی مناسب است که توسط ترکیبات آلی فرار اشباع شده باشد.
2. احیاء حرارتی (Thermal Regeneration ): این نوع احیاء یک فرآیند پیرولیتیک در درجه حرارت 815 سانتیگراد می باشد.
3. احیاء شیمیایی (Chemical Regeneration ): در این روش از یک حلال برای استخراج ترکیبات جذب شده در درجه حرارت تقریباً 100 درجه سانتیگراد استفاده می شود.

فرآیندهای غشایی و نمک زدایی

فرآیند جداسازی غشایی عبارتند از کاربرد غشاهای نیمه تراوا برای جداسازی ناخالصی های آب می باشند به طوری که آب از غشاء عبور و ناخالصی ها در پشت غشاء باقیمانده و تغلیظ می‌گردد. میزان تصفیه توسط غشاء تابع نوع غشاء، نوع و میزان نیروی فشاری و خصوصیات آب می‌باشد. اما این فرآیند مشکلاتی هم دارد که نظیر:

1. گرفتگی غشاء (ناشی از باکتری ها، باقیمانده و پلیمرهای کاتیونیک برای بعضی از غشاها)
2. نیاز به پیش تصفیه آب خام ورودی با کیفیت پائین
3. تصفیه مواد زائد باقیمانده قبل از دفع الزامی است.

میکروفیلتراسیون (MF)

این نوع غشاها برای جداسازی ذرات و مولکول ها با اندازه 0/1 تا 1 میکرومتر نظیر کلوئیدها و ویروس ها به کار می رود. صافی میلی پور یک نوع MF می باشد. معمولاً شست و شوی معکوس غشاء هر 20 دقیقه انجام می گیرد. عمل تمیز کردن شیمیایی غشاء با توجه به کیفیت آب خام هر 2 تا 3 ماه توسط NaOH یا اسید با دترجنت با فشار بیش از (15PSI (1Kgm2 انجام می شود.

اولترافیلتراسیون (UF)

اندازه روزنه آن ها کوچکتر از  0/1µm است و برای جداسازی مولکول ها و یون ها با اندازه بین 0/001 تا µm 0/1 نظیر پلیمرها، پروتئین ها و ویروس ها به کار می روند.

بیشتر UF در مقابل گرفتگی حساس هستند و باید عمل شست و شوی معکوس صورت گیرد.

نانوفیلتراسیون (Nano filtration)

اندازه روزنه آن ها بین غشاء UF و RO  می‌باشد. NF که در تصفیه آب بکار می رود دارای اندازه 0.001 تا µm 0.002 می‌باشند و NF  قادر به حذف پیش سازهای DBP، یون های کلسیم و منیزیم می باشد. در نرم سازی آب مؤثر و اقتصادی تر از آهک می باشد. چون TOC را به طور مؤثر حذف می نمایند.

بنابراین انعقاد پیشرفته برای حذف پیش ساز DBP لازم نیست. این نوع غشاها میکروب ها را 100 درصد حذف می نمایند و به همین علت NF را می توان بجای ازن زنی، جذب سطحی کربن فعال و انعقاد پیشرفته بکار گرفت. ولی مسائل گرفتگی این نوع غشاء سبب می گردد که پیش تصفیه نظیر فرآیند تصفیه متداول قبل از آن مفید و مؤثر می باشد.

اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس فرآیند فیزیکی است که می تواند از محلولی دارای ناخالصی مثلاً آب نمک را به کمک یک غشاء نیمه تراوا و فشار هیدرواستاتیک، حلالی تقریباً خالص تهیه نماید. این فرآیند برای جداسازی مولکول ها با اندازه متوسط کمتر 0.001µm نظیر یون ها، مولکول های آبی با وزن مولکولی کم بکار می رود.

جنس غشاء از استات سلولز، پلی آمید و پلی فنیل اکسید می باشد که استفاده غشاء از جنس استات سلولز متداول تر می باشد. غشاء باید در مقابل حمله مواد شیمیایی یا بیولوژیکی مقاوم بوده و قدرت تحمل فشار اعمال شده را داشته باشد و از همه مهمتر در برابر تغییرات PH مقاوم باشند.

RO قادر به نمک زدایی آب دریا (3600 mg/l ) به آب دارای 300TDS mg/l می باشد. RO را هیپرفیلتراسیون (Hyper filtration) هم می نامند چون فشار مورد نیاز زیاد است. اختلاف RO و NF در میزان فشار و اندازه موادی است که حذف می نمایند، می باشد.

NF و UF قادر به حذف اجزاء محلول با وزن مولکولی کم تا متوسط نمی باشند. RO می تواند انواع یون های با وزن مولکولی کم و انواع کلوئیدها، باکتری ها و ویروس ها را حذف کند.

الکترودیالیز (ED)

الکترودیالیز از یک سری غشاهای ساخته شده از رزین تبادل یون استفاده می کند. این غشاها به طور انتخابی یون ها را انتقال می دهد. یک نوع غشاء قابل نفوذ برای کاتیون ها می باشد ولی آنیون ها را متوقف می کند و نوع دیگر برای آنیون ها قابل نفوذ بوده و کاتیون ها را متوقف می کند.

غشاهای واحد الکترودیالیز تقریباً 0.5 mm ضخامت دارند. برای بازدهی 60-25 درصد، زمان تماس 10 تا 20 ثانیه لازم است. سلول ها برای افزایش بازدهی به صورت سری و برای ایجاد جریان لازم به صورت موازی قرار داده می شوند. در شرایط ایده آل تقریباً 90 درصد آب ورودی یون زدایی شده و یون ها در 10 درصد باقیمانده متمرکز می شود. مهمترین کاربرد الکترودیالیز شیرین کردن آب‌های نیمه شور یا لب شور با TDS کمتر از 10000mg/l است. حداکثر درجه حرارت آب مورد بهره برداری 45 C است.

این روش تنها روش تصفیه آب است که به طور صد در صد تمام عوامل بیماری زا را از آب حذف می کند. از نظر تئوری تقطیر قادر به حذف تمام مواد غیر فرار می باشد. اما در عمل به خاطر حمل ذرات مایع توسط بخار ممکن است مقداری مواد جامد و نیز مواد کلوئیدی داشته باشیم. در این روش می توان از هر نوع آبی استفاده کرد.

برای جلوگیری از ایجاد رسوب سخت در داخل دستگاه معمولاً تصفیه مقدماتی آب ورودی برای حذف یون های فلزی می توان از رزین های تعویض یونی به عنوان تصفیه مقدماتی استفاده کرد. این روش به سرمایه گذاری زیاد و پرسنل ماهر نیاز دارد و انرژی مورد نیاز آن در مقایسه با سایر روش های فوق بیشتر است.

تبادل یون

• برای تصفیه آب های لب شور دارای TDS از 2000 تا 3000mg/l مناسب است.
• حذف سایر مواد معدنی

 

حتما بخوانید:

⇐ تصفیه شیمیایی گازها

⇐ دستگاه های کنترل الودگی های هوای محیط