جزئیات مقالات      مقالات » ته نشینی ساده مواد معلق آب

ته نشینی ساده مواد معلق آب


ته نشینی ساده مواد معلق آب : موادی که دانسیته آنها به اندازه کافی بیشتر از آب است به روش ثقلی و به صورت مجزا، ته نشین می شوند. اندازه، شکل و وزن مخصوص این ذرات در زمان ته نشینی تغییر نمی کند , مانند سنگ ریزه ، شن ، ماسه و سایر مواد معلق معدنی آب خام، زمان ماند یعنی مدت زمان توقف آب در حوضچه ته نشینی بین ۱/۵ تا ۴ ساعت متغیر است.

عمق این استخرها معمولا بین ۳ تا ۵ متر و نسبت طول به عرض آنها بین ۳ تا ۶ متغیر است. سرعت ته نشینی مواد در آب به عوامل مختلفی مانند وزن مخصوص، قطر ذرات و درجه حرارت آب بستگی دارد (درجه حرارت بالاتر، باعث ویسکوزیته کمتر می شود).

فرآیند اصلی در مجتمع کردن ذرات ریز و تبدیل آنها به ذرات درشت تر، انعقادسازی و لخته گذاری است. ذرات ریز موجود در آب های طبیعی از نظر منشأ، اندازه و غلظت با یکدیگر تفاوت دارند.

برخی از آنها منشأ خاکی و یا اتمسفری دارند مانند ذرات مس، سیلیکا و میکروارگانیزم ها.

برخی دیگر داخل محیط آب و از طریق واکنش های شیمیایی و یا بیولوژیکی تولید می شوند مانند کربنات کلسیم و ترکیبات آلی حاصل از تجزیه گیاهان.

در ته نشینی مواد ریز در آب، دو نکته مطرح است :

الف) مشکل سرعت سقوط ذرات ریز (طبق قانون استوک)

ب) دافعه ناشی از بار الکتریکی ذرات (دافعه الکترواستاتیکی(


مشکل سرعت سقوط ذرات ریز :

ذراتی با ابعاد میکرونی، ساعتها طول میکشد تا ته نشین شوند. به طور مثال اگر اندازه ذرات ۰/۰۰۰۱ میلیمتر باشد (ذرات کلوئیدی) برای ته نشینی به ۷۵۵ روز نیاز است .

با درشت کردن ذرات در حدود میلیمتر، زمان لازم برای سقوط یک متر در آب، به حدود ثانیه کاهش مییابد.

دما و سرعت ته نشینی موازی هم عمل می کنند هر چه دما بیش تر شود، سرعت ته نشینی هم بیشتر می شود.

باید توجه داشت که از نظر مهندسی، زمان بیش از چند ساعت برای جداسازی قابل قبول نیست. در آب، ذرات ریز کلوئیدی از نظر اندازه آنقدر بزرگ هستند که بتوان سطح تماس مشترکی بین آنها و آب تشخیص داد.

در این سطح مشترک ناحیه ای وجود دارد که خواصی متفاوت با خواص ذرات و ویژگی های آب دارد و نقش مهمی را در رفتار این سیستم ها ایفا می نماید.

از سوی دیگر یکی از ویژگی های مهم ذرات خیلی ریز و کلوئیدی، میزان سطح زیاد در واحد جرم آنها است (بزرگ بودن نسبت سطح به جرم).

ازاینرو خواص مربوط به سطح ذره از قبیل حضور گروه های یونیزه شونده و بارهای الکتریکی (که با سطح ذرات متناسب است) بسیار اهمیت دارد.

ذرات خیلی ریز اغلب در سطح خود دارای بار الکتریکی هستند. یکسان بودن علامت بار الکتریکی سبب می گردد که در داخل آب، ذرات نتوانند به یکدیگر نزدیک گشته و مجتمع شوند.


دافعه ناشی از بار الکتریکی ذرات : اغلب ذرات خیلی ریز در سطح خود دارای بار الکتریکی هستند. بار ذرات توسط یون های با بار مخالف موجود در سیستم احاطه می شود.

چگونگی تغییرات پتانسیل الکتریکی در اطراف سطح هر ذره، تابع قدرت یونی محلول آبی است. آنچه در مبحث انعقادسازی اهمیت دارد زتا پتانسیل ذرات است و نه ابعاد ذرات.

با توجه به آن که در انعقادسازی باید بار ذرات تعدیل شود تا دافعه ی بین ذرات کاهش یابد، می توان انتظار داشت که بهترین شرایط انعقادسازی زمانی فراهم می شود که زتا پتانسیل به حدود صفر کاهش باشد.

هرگاه دو ذره کلوئیدی با بار هم نام به یکدیگر نزدیک شوند، لایه نفوذی آنها در یکدیگر تداخل نموده و منجر به برقراری پتانسیل دافعه بین آنها میگردد. هر چه فاصله کمتر گردد پتانسیل دافعه بیشتر می شود .


جاذبه بین ذرات ریز : نیروی جاذبه بین ذرات ناشی از نیروی و اندروالسی بوده و این نیرو که درهرصورت بین ذرات وجود دارد، تحت تأثیر شدید فاصله بین دو ذره است .

نیروی دافعه الکترواستاتیکی و نیروی جاذبه ناشی از نیروی واندروالسی از نظر وابستگی به اندازه فاصله بین ذرات تفاوت های مهمی با هم دارند .

نیروی دافعه، تابعی توانی فاصله بین ذرات است،

در حالی که نیروی جاذبه، تابعی هذلولی از فاصله بین ذرات است.


قدرت یونی هر محلول، برابر مجموع حاصل ضرب غلظت هر یون در مربع ظرفیت همان یون است.

افزایش غلظت الکترولیت (که به مفهوم افزایش قدرت یونی محلول است) عملاً روی جاذبه و اندروالسی محلول های رقیق تأثیری ندارد اما دافعه الکترواستاتیکی شدیداً به غلظت، ظرفیت و تا حدودی نوع الکترولیت وابسته است .


افزایش قدرت یونی (که می تواند ناشی از غلظت یون و نیز ظرفیت یون باشد) باعث کاهش دامنه نفوذ دافعه الکتریکی می شود. افزایش قدرت یونی محلول در کاهش دامنه نفوذ پتانسیل الکتریکی میشود .


پایداری و ناپایداری ذرات کلوئیدی : منظور از ذره پایدار، آن ذره ای است که به صورت منفرد در آب و یا هر محلول دیگری وجود دارد. ذره ناپایدار ذرهای است که تمایل به جمع شدن با ذرات دیگر را دارد.

گاهی انعقادسازی را به مفهوم بزرگ شدن اندازه ذره معلق میدانند که البته با تجمع

ذرات معلق همراه است. ذره پایدار ذرهای است که تمایل به جمع شدن با ذرات دیگر را ندارد.

پایداری ذرات کلوئیدی به دو صورت پایداری الکترواستاتیک و پایداری استریک مطرح میگردد.




الف - پایداری الکترواستاتیک: همان گونه که اشاره شد. اکثر ذرات موجود در آب، در سطح خود دارای بار الکتریکی هستند و علامت بار آنها اغلب منفی است. بار الکتریکی ذرات کلوئیدی ممکن است به چند طریق حاصل شده باشد .

- تغییرات در داخل شبکه کریستالی ذرات (مانند جانشینی اتم Al به جای اتم Si در ترکیبات سیلیسی)

- جذب سطحی یون ها بر روی سطح ذرات

- انحلال نابرابر یون های مثبت و منفی در آب

- یونیزاسیون گروه های عامل موجود در سطح ذرات

هرگاه دو ذره کلوئیدی با بار مخالف به یکدیگر نزدیک شوند، لایه نفوذی آنها در یکدیگر تداخل نموده و منجر به برقراری نیروی دافعه بین آنها میگردد و پایداری الکترواستاتیک را سبب می شود.




ب - پایداری استریک: مهم ترین عاملی این نوع پایداری، جذب سطحی پلیمرهای طبیعی موجود در آب بر روی ذرات کلوئیدی است. پلیمرهای با وزن مولکولی بالا می توانند در قسمتهای مختلف روی سطح ذرات کلوئیدی جذب شوند.

این نوع پلیمرها معمولا دارای دو گروه هیدروفیل و هیدروفوب (آب دوست و آبگریز) هستند.

گروه هیدروفیل به صورت آزاد در داخل آب باقی می ماند اما گروه هیدروفوب تمایل زیاد به جذب سطحی دارد. به این ترتیب هر مولکول پلیمر، ممکن است در چند نقطه از طریق جذب سطحی به سطح ذره متصل شده و حلقه های متعددی را تشکی دهد.

چنان چه دو ذره در وضعیت فوق به یکدیگر نزدیک شوند، دو پدیده ممکن است اتفاق بیفتد:

• در اثر برخورد، لایه های پلیمری جذب شده متراکم گشته و حجم کل آنها کاهش یابد. تراکم یا کاهش حجم، حرکت پلیمرها را محدود میسازد و مانع نزدیک تر شدن ذرات به یکدیگر میگردد.

• در اثر برخورد ذرات، لایه های پلیمری جذب شده در هم تداخلی نمایند. به این ترتیب در بخش حاصل از تداخلی، غلظت پلیمری افزایش می یابد. چنان چه این لایه بیشتر از اجزا آب دوست پلیمر تشکیل شده باشد، تمایل آنها به حضور در توده آب بالاتر خواهد بود و احتمال اتصال با قسمتهای دیگر مولکول پلیمرها ضعیفتر می شود.




در این صورت بین دو ذره اصلی نیروی دافعه برقرار خواهد گردید که پایداری استریک را سبب میگردد.

اما از نظر ترمودینامیکی ذرات با تجمع، به سطح انرژی پایین تری دست می یابند. نیروی جاذبه بین ذرات، نیروی و اندروالسی و نیروی دافعه بین آنها، نیروی ناشی از دافعه الکترواستاتیکی است.

در واقع پایداری (عدم تمایل به تجمیع) و ناپایداری (تمایل به تجمیع ) ذرات معلق، بستگی به مقدار مجموع پتانسیل جاذبه واندروالسی و پتانسیل دافعه الکترواستاتیکی (پتانسیل خالص) دارد. پتانسیل دافعه تا فاصله بسیار کمی از دو ذره، از پتانسیل جاذبه بیشتر است اما در فاصله های نسبتاً زیاد، هر دو پتانسیل قابل صرف نظر کردن هستند.




تغییرات پتانسیل دافعه الکترواستاتیکی، جاذبه واندروالسی و پتانسیل خالص با فاصله به صورت کیفی

هرچه دو ذره به هم نزدیک تر می شوند مقدار پتانسیل خالص به تدریج افزایش مییابد تا در فاصله ای معین از دو ذره، پتانسیل خالصی صفر می شود؛ که به این مفهوم است که دو ذره در شرایطی قرار دارند که دافعه و جاذبه ای که بر هم دیگر اعمال می کنند برابر است و اگر فاصله دو ذره از این نقطه کمتر شود پتانسیل خالص مقدار منفی شده و معرف آن است که جاذبه ای بین دو ذره به وجود آمده است.




این پتانسیل خالص جاذبه، اگر کم باشد دو ذره می توانند در اثر برخورد به صورت جذب فیزیکی در کنار هم قرار گیرند اما اگر دو ذره بیش از پیش به هم نزدیک شوند، با افزایش جاذبه خالصی که بین دو ذره به وجود می آید، برخورد دو ذره می تواند منجر به تشکیل پیوند شیمیایی گردد.

میخواهیم نتیجه بگیریم که برای این که دو ذره ناپایدار گردند و تشکیل ذره ی بزرگ تری بدهند لازم است که فاصله بین آنها تا حدی کاهش یابد که حداقل جاذبه ای بین دو ذره به وجود آید. فاصله بین دو یا چند ذره ناپایدار را نمی توان خیلی کم کرد چون مستلزم صرف انرژی خیلی زیادی است.

 



 
   
خانه اصلی::درباره ما::محصولات::ارتباط با ما