بررسی کارایی منعقد کننده پلی آکریل آمید اصلاح شده با نانو ذرات آلومینیوم اکسید

لجن فعال یکی از فرآیندهای تصفیه متعارف زیستی در تصفیه خانه‌های فاضلاب است. در این فرآیند مقدار زیادی لجن تولید میشود. تجربه نشان داده است که هزینههای ناشی از تصفیه لجن به طور چشمگیری بالا میباشد و 50-35 درصد کل هزینه‌های بهره برداری ناشی از تصفیه فاضلاب را به خود اختصاص می‌دهد. از این رو به لحاظ اقتصادی و عملکردی، مدیریت لجن به ویژه حذف آب اضافی تولیدشده طی فرآیند تصفیه زیستی یکی از مهمترین مراحل در تصفیه فاضلاب می‌باشد. به منظور کاهش هزینه‌های گزاف سرمایه گذاری، راهبری تأسیسات تصفیه، تثبیت لجن و جلوگیری از آلودگی‌های محیط زیست، لازم است حجم لجن تولیدی در تصفیه خانه‌های فاضلاب تا حد امکان کاهش یابد. بدین منظور معمولا از روش تغلیظ و آبگیری لجن استفاده می‌شود. آبگیری لجن یکی از مشکل‌ترین مباحث مهندسی محیط زیست در ارتباط با دفع آن است. از آنجا که لجن اصلاح شده، به راحتی تغلیظ و آبگیری می‌شود؛ بنابراین در تصفیه خانه‌های فاضلاب عملیات آماده سازی لجن اهمیت ویژه ای دارد.

در واقع آماده سازی یا اصلاح کیفیت شیمیایی لجن، فرآیندی فیزیکی-شیمیایی است که موجب تسهیل حذف آب و بازیافت مواد جامد لجن میشود. در عملیات تصفیه لجن این فرآیند غالبا قبل از مراحل تغلیظ و آبگیری انجام شده و افزایش بازدهی این واحدها را فراهم می‌کند. آماده سازی لجن فرآیندی دومرحله ای شامل انعقاد و لخته سازی است. اولین هدف از آماده سازی لجن افزایش اندازه ذرات، غلبه بر آثار ناشی از آبدار بودن و دفع بار الکتریکی بین ذرات می‌باشد. به عبارت دیگر، آماده سازی لجن سبب تجمع ذرات ریز پراکنده و کلوئیدی موجود در لجن و آزاد شدن آب پیوندی موجود میان آنها می‌شود. در اغلب موارد برای آماده سازی لجن از مواد شیمیایی معدنی مانند آلوم، کلرور فریک، سولفات فریک و پلی الکترولیت‌های آلی استفاده می‌شود که باعث افزایش لجن تولیدی می‌شوند. امروزه پلی الکترولیتها در تصفیه آب و فاضلاب کاربرد گسترده ای یافته اند. به تازگی استفاده از این ترکیبات در آماده سازی لجن برخلاف منعقد کننده‌های شیمیایی به دلیل عدم افزایش جرم لجن تولیدی، عدم تخریب ارزش گرمایی لجن و سهولت بهره برداری و نگهداری از تأسیسات مربوط، روند فزاینده ای داشته است. ترکیب شیمیایی پلی آکریل آمید با محدوده وسیع وزن مولکولی و انواع بار الکتریکی و چگالی در دسترس است که نسبت به سایر پلیمرها ارزان‌تر و مؤثرتر می‌باشد. از ویژگی‌های کاربرد پلی آکریل آمیدها می‌توان دوز مصرفی کم، راندمان بالا و عدم ایجاد آلودگی محیط زیست را نام برد. نانوتکنولوژی نیز تکنولوژی سریع و نوینی است که امکان کار، دست کاری و تولید ابزار، مواد و ساختارهایی در سطح مولکولی و حتی اتمی در بعد نانومتر را فراهم می‌کند. فناوری نانو دارای پتانسیل بسیار زیادی جهت پیشرفت در فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب و بهبود کارایی تصفیه است. نانومواد در مقایسه با مواد در ابعاد بزرگ، سطوح بسیار وسیع‌تری دارند. همچنین این مواد قادر به برهم کنش با گروه‌های شیمیایی مختلف به منظور افزایش میل ترکیبی آنها با ترکیبات ویژه می‌باشند.

با توجه به توانمندی‌های فناوری نانو در حذف و کنترل آلودگی‌های محیطی و تصفیه وجلوگیری از انتشار آنها می‌توان آن را به عنوان یک فناوری سبز و ابزاری مؤثر برای دستیابی به توسعه پایدار در نظر گرفت. امروزه با پیشرفتهای صنعتی و وجود انواع مختلف آلودگی در پساب‌های صنعتی و محیط زیست، توسعه لخته سازهای پلیمری جدید با روش‌های اصلاح، پیوندزنی و تهیه ساختارهای هیبریدی برای اهداف مختلف مد نظر قرار گرفته است. از این رو، استفاده از هیبرید ترکیبات آلی-معدنی شامل پلیمر و نانوذرات معدنی به طور روزافزون گسترش یافته است. این ترکیبات افزون بر داشتن خواص هر یک از اجزا به دلیل داشتن گروه‌های عاملی متفاوت و وجود آثار هم افزایی در ساختار اجزای آنها خواصی جدید را نشان می‌دهند که مشخصه هیچ یک از اجزای آنها به تنهایی نیست. مطالعاتی نیز در زمینه کاربرد پلیمرهای مختلف ازجمله پلی آکریل آمید فعالسازی شده با نانوذرات مختلف درزمینه حذف آلودگی‌های زیست-محیطی انجام شده است. درمطالعه‌های وانگ و همکاران اثر پلی آکریل آمید اصالح شده با نانوذرات سیلیکا را در حذف کل جامدات معلق فاضلاب حفاری بررسی نمودند. نتیجه این بررسی نشان داد که این کمک منعقد کننده اصلاح شده دارای کارایی بسیار بالاتری ازپلی آکریل آمید به تنهایی می‌باشد. مطالعه دیگری توسط لین و همکاران با عنوان آبگیری لجن توسط نشاسته اصلا ح شده با نانو ذرات آهن، آلومینیوم و سیلیکا نشان داد، این پلیمر جدید می‌تواند به عنوان یک لخته ساز دوستدار محیط زیست، با کارایی بالا مورد استفاده قرار گیرد. مطالعات متعددی نیز در زمینه آبگیری و کاهش حجم لجن انجام شده است. تاپا وهدلی اثر متقابل پلی الکترولیت و لیگنین را بر آبگیری لجن هضم شده بررسی نمودند و دریافتند که ذره‌های لیگنین باعث بهبود فرآیند متراکم سازی و آبگیری لجن به وسیله ایجاد پل‌های پلیمری می‌شود. گنجی دوست و همکاران گزارش دادند از میان پلیمرهای طبیعی مورد استفاده، کیتوزان با حداقل مصرف سرعت آبگیری، لجن هضم شده را افزایش میدهد. لی و لو گزارش نمودند لجن در برابر پلی الکترولیت‌های دوگانه دارای عملکرد بهتر در جذب ذرات می‌باشد و در این حالت لخته‌های تولیدی بزرگتر است که در نتیجه باعث بهبود آبگیری لجن و دوزکمتر پلی الکترولیت می‌شود. وانگ و همکاران در بررسی ارتباط بین خصوصیات پلی آکریل آمیدهای کاتیونی ساخت کارخانجات مختلف و عملکرد آبگیری لجن دریافتند که درجه کاتیونی پلی آکریل آمید مهمترین عاملی است که بر دوز کمک منعقد کننده در آبگیری تأثیر می‌گذارد و با افزایش این درجه درصد آبگیری لجن افزایش می‌یابد؛ بنابراین هدف از انجام این پژوهش بررسی و مقایسه کارایی کمک منعقدکننده پلی آکریل آمید اصلاح شده با نانوذرات آلومینیوم اکسید در آبگیری لجن تولیدی از تصفیه زیستی فاضلاب شهری می‌باشد.

روش کار
این پژوهش یک مطالعه تجربی بوده که در مقیاس آزمایشگاهی انجام شد و از فرآیند انعقاد و لخته سازی جهت بهینه کردن کاربرد کمک منعقد کننده فعالسازی شده استفاده گردید. کمک منعقد کننده استفاده شده بر پایه پلی آکریل آمید کاتیونی از نوع صنعتی با وزن مولکولی بالا و دیگر مواد شیمیایی مورد استفاده از شرکت مرک آلمان و سیگما آلدریچ آمریکا با درجه ساخت ایران، دستگاه DR2000 (هک، آمریکا( استفاده شد.


ساخت نانوذرات آلومینیوم اکسید
 جهت تهیه و ساخت نانوذرات اکسید آلومینیوم، مقدار 3 گرم از ماده کلرید آلومینیوم در 150 میلی لیتراتانول و مقداری آب مقطر دو بار تقطیر حل شد تا محلول شفافی به دست آید. سپس 60  میلی لیترآمونیاک به آرامی و قطره قطره به محلول به دست آمده اضافه و مرتب هم زده شد تا رسوب ژل مانند سفید رنگ هیدروکسید آلومینیوم تشکیل شود. در نهایت نانوذره ساخته شده، سه مرتبه با آب مقطر شست و شو داده شد. 


روش آماده‌سازی کمک منعقد کننده 
به  منظور اصلاح کمک منعقد کننده با نانوذرات از روش تشکیل همزمان استفاده گردید. در این روش ابتدا 100 میلی لیتر آب مقطر دیونیزه در یک بشر ریخته و pH آن توسط هیدروکلریک اسید در محدوده 4-3 تنظیم شد. 1 میلی لیتر ماده آمینو پروپیل‌تری اتوکسی سیالن با 10 میلی لیتر اتیل الکل خالص مخلوط و pH محلول آمینو پروپیل‌تری اتوکسی سیلان توسط اگزالیک اسید یک نرمال به سه رسید و به مدت یک ساعت برای هیدرولیز در دمای آزمایشگاه (25 درجه سانتیگراد) قرارگرفت. سپس محلول آمینو پروپیل‌تری اتوکسی سیلان با 100 میلی لیتر آب دیونیزه مخلوط و 1 گرم پلی آکریل آمید کاتیونی به این ترکیب اضافه گردید و به مدت 20 دقیقه با شیکر مغناطیسی هم زده شد، سپس نانوذره آلومینیوم اکسید که به طور مجزا ساخت شده بود، به آرامی به محلول آماده شده اضافه شد تا نانوذرات روی سطح پلی آکریل آمید قرار گیرند. در نهایت 1/0 گرم پتاسیم پرسولفات و 1/0 گرم سدیم سولفات برای تکمیل پلیمریزاسیون به محلول اضافه و به مدت 4 ساعت در دمای اتاق نگهداری شد.
از عمومی‌ترین روش‌ها برای تعیین سرعت صاف کردن لجن، زمان صاف کردن، مقاومت ویژه در برابر صاف کردن  ( Specific Resistance To Filtration :SRF) و زمان مکش مویین CST :Time Suction Capillary )) را می‌توان نام برد .چنانچه جامدات موجود در لجن و ویسکوزیته فیلترشده در نمونه‌ها یکسان باشد، آزمونTTF ،دارای همبستگی با نتایج زمان مکش موئین و مشابه مقاومت ویژه در برابر فیلتراسیون می‌باشد، با این خصوصیت که تست TTF بسیار ساده‌تر است. از طرف دیگر نتایج حاصل از این آزمون قابل استفاده در دیگر روش‌های آبگیری، به خصوص فیلتراسیون خلأ می‌باشد.
 میزان pH ،غلظت کمک منعقد کننده، سرعت و زمان اختاط تند بهینه با توجه به نتایج داده‌های حاصل از چهار پارامتر زیر انتخاب شد: 
- تعیین زمان فیلتراسیون نمونه   (TTF ) )زمان لازم جهت صاف نمودن 50 میلی لیتر حجم نمونه)
- تعیین درصد رطوبت کیک لجن حاصل 
- تعیین میزان کدورت آب فیلترشده (مبنای میزان مواد خروجی در آب فیلترشده)
- تعیین میزان کل جامدات معلق آب فیلترشده

یافته‌ها
 طیف IR کمک منعقدکننده خالص پلی آکریل آمید در نمودار 1 آمده است و طیف کمک منعقدکننده اصلاح شده در نمودار 2 مشاهده می‌شود که نشان دهنده قرارگیری نانوذره مورد نظر بر روی ترکیب پلی آکریل آمید است. نمودار 1 دارای گروه‌های عاملی در پیک‌های مختلف می‌باشد. پیک2937cm-1 ارتعاشات گروه عاملی متیلن،2133 cm-1  ارتعاشات گروه عاملی کربونیل ، 1655 cm-1  ارتعاشات خمشی گروه عاملی آمین،  1134cm-1و 1444 مربوط به ارتعاشات خمشی گروه عاملی آسیل، 1522 cm-1و 2937 ارتعاشات کششی گروه عاملی متیل و پیک  3407 cm-1ارتعاشات گروه عاملی هیدروکسیل را نشان می‌دهد. در شکل 3 منحنی جذب آکریل آمید اصلاح شده توسط نانوذرات آلومینیوم اکسید، پیک  1679cm-1متعلق به ارتعاشات کششی ) H-Nگروه عاملی آمین(پلی آکریل آمید می‌باشد. پیک1128 cm-1  را می‌توان به ارتعاشات خمشی -CH3(گروه عاملی آسیل(از سطح پلی آکریل آمید اصلاح شده با نانوذرات آلومینیوم اکسید نسبت داد. باندهای 2937cm-1 و 1525 را نیز می‌توان به ارتعاش کششی باندهای H-C (گروه عاملی متیل (از سطح پلی آکریل آمید اصلاح شده نسبت داد. باندهای مشاهده شده بین 583cm-1 و 469 تأییدی بر وجود گروه‌های آلومینیوم اکسید در ترکیب است که نشان می‌دهد پلی آکریل آمید به خوبی توسط نانوذرات اکسید آلومینیوم اصلاح شده است. پیک جذبیcm-1 2130 ارتعاشات گروه عاملی کربونیل رانشان می‌دهد. نوار جذبی ظاهرشده در ناحیه  3416 cm-1 به گروه) -OH گروه عاملی هیدروکسیل( در ترکیب نسبت داده شده است . پیک جذبی 1721 cm-1 نیز نمایانگر گروه  O=C (گروه عاملی کربونیل) در ساختار اصلاح کننده سیلانی می‌باشد. نتایج تعیین pH بهینه تأثیر کمک منعقدکننده اصلاح شده با نانوذرات آلومینیوم اکسید بر آبگیری لجن در نمودارهای 3 تا 6 آمده است. طبق نتایج حاصل، مدت زمان فیلتراسیون، کدورت و کل جامدات معلق آب فیلترشده در5 pH= و درصد رطوبت کیک لجن در 6-4 pH= در حداقل میزان مشاهده گردید که در مقایسه با نمونه لجن شاهد به ترتیب4/33 ،3/53 ،68 و 2/12 درصد کاهش داشت. با توجه به اهمیت پارامترهای درصد رطوبت کیک لجن، زمان فیلتراسیون، کدورت و کل جامدات معلق آب فیلترشده، 5pH=  برای آماده سازی لجن جهت آبگیری با کمک منعقدکننده اصلاح شده با نانوذرات آلومینیوم اکسید، به عنوان pH بهینه انتخاب گردید. 
با توجه به نتایج حاصل از تعیین غلظت بهینه )نمودارهای 7 تا 10) مدت زمان فیلتراسیون در غلظت‌های 4و 2 میلی گرم بر لیتر از سایر نمونه‌ها کمتر و این مقادیر نسبت به نمونه شاهد 4/24 درصد کاهش داشت. رطوبت کیک لجن، کدورت و کل جامدات معلق آب فیلترشده نیز در غلظت چهار میلی گرم بر لیتر، حداقل میزان مشاهده و نسبت به نمونه شاهد به ترتیب 2/11 ،57 و 58 درصد کاهش داشت.
 

فرم ارسال نظر

مشاوره رایگان : 
09130834835
03132732259
09132298114