مقایسه کلروفریک و پلی آلومینیوم کلراید PAC در تصفیه آب؛ کدام منعقدکننده انتخاب مناسب‌ تری است؟

مقایسه کلروفریک و پلی آلومینیوم کلراید PAC در تصفیه آب؛ کدام منعقدکننده انتخاب مناسب‌ تری است؟

انتخاب بین کلروفریک یا کلرید فریک (Ferric Chloride – FeCl₃) و پلی آلومینیوم کلراید ((PAC ) زمانی اهمیت پیدا می کند که کیفیت آب خروجی، مصرف مواد شیمیایی و میزان تولید لجن مستقیماً روی هزینه بهره برداری تصفیه خانه اثر می گذارد. در یک تصفیه خانه ممکن است کلروفریک با قیمت خرید پایین تر وارد سایت شود، اما افت pH، مصرف ماده قلیایی و خوردگی تجهیزات هزینه نهایی را بالا ببرد. در سایت دیگری PAC گران تر خریداری می شود، اما به دلیل شرایط آب خام، دوز مؤثر پایین تر و کنترل ساده تر فرایند، هزینه تصفیه هر مترمکعب آب کاهش پیدا می کند. به همین دلیل نمی توان بدون بررسی آب خام گفت PAC همیشه بهتر است یا کلروفریک همیشه اقتصادی تر است. انتخاب صحیح باید بر اساس کدورت، pH، قلیائیت، TOC، رنگ، فسفر، دمای آب، سیستم ته نشینی، محدودیت دفع لجن و مشخصات واقعی محصول خریداری شده انجام شود.

کلروفریک و PAC در فرایند انعقاد چه کاری انجام می دهند؟

بخش زیادی از ذرات کلوئیدی و مواد معلق موجود در آب به قدری ریز هستند که با ته نشینی معمولی از آب جدا نمی شوند. این ذرات معمولاً دارای بار الکتریکی سطحی هستند و همین بار باعث می شود یکدیگر را دفع کرده و برای مدت طولانی در آب معلق باقی بمانند. در فرایند انعقاد، موادی مانند کلروفریک و پلی آلومینیوم کلراید PAC به آب تزریق می شوند تا این پایداری الکتریکی را کاهش دهند. یون های فلزی موجود در این منعقدکننده ها، بار سطحی ذرات را خنثی کرده و زمینه نزدیک شدن آن ها به یکدیگر را فراهم می کنند.
پس از این مرحله، ذرات ریز به هم متصل شده و فلوک های بزرگ تر و سنگین تری تشکیل می دهند که در واحد ته نشینی یا فیلتراسیون راحت تر از آب جدا می شوند. تفاوت عملکرد کلروفریک و PAC در تصفیه آب بیشتر به محدوده pH، کیفیت آب خام، مقدار مصرف، نوع آلاینده و حجم لجن تولیدی مربوط می شود؛ به همین دلیل تعیین دوز مناسب معمولاً با Jar Test انجام می شود.

عملکرد کلروفریک

کلروفریک پس از تزریق به آب هیدرولیز می شود و گونه های هیدروکسیدی آهن تشکیل می دهد. این ترکیبات می توانند بار ذرات کلوئیدی را خنثی کرده و بخشی از آلودگی ها را از طریق مکانیسم هایی مانند جذب سطحی و Sweep Flocculation به فلوک منتقل کنند. از نظر عملیاتی، کلرید فریک معمولاً فلوک هایی نسبتاً سنگین ایجاد می کند و به همین دلیل در بسیاری از واحدهای ته نشینی عملکرد مناسبی دارد. مزیت دیگر ترکیبات آهن در تصفیه فاضلاب، توانایی آن ها در رسوب دهی فسفات است. به همین دلیل کلرید فریک در فرایندهای حذف شیمیایی فسفر کاربرد زیادی دارد. اما هیدرولیز FeCl₃ قلیائیت آب را مصرف می کند. اگر قلیائیت آب خام کم باشد، افزایش دوز کلروفریک می تواند باعث افت محسوس pH شود و در چنین شرایطی اپراتور ناچار به تزریق آهک، سود یا سایر مواد قلیایی خواهد شد.

عملکرد پلی آلومینیوم کلراید PAC

PAC یک منعقدکننده آلومینیومی پیش هیدرولیزشده است. بخشی از گونه های پلیمری آلومینیوم قبل از ورود محصول به آب تشکیل شده اند؛ به همین دلیل رفتار PAC با آلوم یا سولفات آلومینیوم معمولی یکسان نیست. گونه های پلیمری دارای بار مثبت می توانند بار منفی ذرات کلوئیدی را خنثی کنند و شرایط تشکیل فلوک را فراهم آورند. نکته مهم برای واحد خرید این است که PAC یک محصول واحد با مشخصات ثابت نیست.
دو محموله با نام «پلی آلومینیوم کلراید» ممکن است از نظر:

• درصد Al₂O₃
• Basicity یا بازیسیته
• میزان مواد نامحلول
• آهن
• pH محلول
• شکل پودری یا مایع
• و ترکیب گونه های آلومینیوم

با یکدیگر تفاوت داشته باشند.
مطالعات مربوط به PAC نیز نشان داده اند که تغییر Basicity و نسبت OH/Al می تواند هم عملکرد انعقاد و هم مقدار آلومینیوم باقیمانده را تغییر دهد. بنابراین مقایسه قیمت دو PAC فقط بر اساس قیمت هر کیلوگرم، روش دقیقی برای خرید صنعتی نیست.

مقایسه کلروفریک و PAC در تصفیه آب

برای مقایسه کلروفریک و PAC در تصفیه آب باید شرایط فرآیند، ویژگی های آب ورودی و هدف نهایی تصفیه به صورت هم زمان بررسی شوند. هر دو ماده به عنوان منعقدکننده در سیستم های تصفیه آب و فاضلاب استفاده می شوند، اما عملکرد آن ها در همه پروژه ها یکسان نیست. جدول زیر دید سریع تری از تفاوت های این دو منعقدکننده ارائه می دهد و می تواند برای انتخاب اولیه و تصمیم گیری فنی مورد استفاده قرار گیرد.

این جدول برای غربال اولیه مناسب می باشد ؛ انتخاب نهایی نباید فقط بر اساس آن انجام گردد. آزمایش های مقایسه ای نشان می دهند که دوز بهینه PAC و FeCl₃ می تواند از یک آب خام تا آب خام دیگر کاملاً متفاوت باشد. برای نمونه، در یک مطالعه روی Combined Sewer Overflow، دوز بهینه گزارش شده برای PAC حدود 20 mg/L و برای FeCl₃ حدود 38 mg/L بود؛ این اعداد مشخصات همان آب آزمایش شده هستند و نباید به عنوان دوز ثابت طراحی برای سایر تصفیه خانه ها استفاده شوند. همین نکته دلیل اهمیت Jar Test است.

PAC بهتر کدورت را می گیرد یا کلروفریک؟

پاسخ بدون آنالیز آب خام، ممکن نمی باشد.
در آب با کدورت بالا، شرایط انعقاد ممکن است عمدتاً تحت تأثیر تشکیل رسوب حجیم هیدروکسید فلزی و به دام افتادن ذرات قرار گیرد. در آب کم کدورت، مکانیسم خنثی سازی بار و تشکیل فلوک اهمیت بیشتری پیدا می کند.
وجود مواد آلی طبیعی، جلبک، سیلیس، دما و قلیائیت هم نتیجه را تغییر می دهد. برای مثال در یک مطالعه روی آب با جلبک و قلیائیت بالا، ترکیب PAC و FeCl₃ نسبت به استفاده منفرد از هر منعقدکننده در برخی شاخص های کیفیت آب عملکرد بهتری نشان داد. این موضوع نشان می دهد حتی انتخاب میان PAC و کلروفریک همیشه یک تصمیم صفر و یک نیست و در بعضی فرایندها استفاده ترکیبی پس از تست آزمایشگاهی قابل بررسی است. بنابراین وقتی یک تأمین کننده صرفاً بر اساس کدورت آب، یک دوز قطعی PAC یا کلروفریک پیشنهاد می دهد، هنوز بخشی از اطلاعات تصمیم گیری وجود ندارد.
حداقل باید این پارامترها مشخص باشند:
pH، قلیائیت، Turbidity، TSS، دما و در کاربردهای حساس تر TOC، UV254، رنگ و در صورت نیاز فسفات.

مقایسه PAC و کلروفریک از نظر pH و قلیائیت

این بخش در بسیاری از پروژه ها تعیین کننده است. کلروفریک پس از ورود به آب طی واکنش های هیدرولیز، قلیائیت مصرف می کند. اگر آب خام قلیائیت کافی داشته باشد، سیستم می تواند این مصرف را بدون افت شدید pH تحمل کند. اما فرض کنید یک واحد صنعتی آب سطحی نسبتاً نرم با قلیائیت پایین را تصفیه می کند. اگر برای کنترل کدورت مجبور باشد دوز FeCl₃ را افزایش دهد، ممکن است pH از محدوده مناسب انعقاد خارج شود. از این نقطه به بعد افزایش بیشتر کلروفریک الزاماً کیفیت خروجی را بهتر نمی کند؛ حتی ممکن است عملکرد فرایند افت کند. اپراتور مجبور می شود تزریق ماده قلیایی را وارد مدار کند. اینجاست که قیمت واقعی کلروفریک دیگر فقط قیمت هر کیلوگرم FeCl₃ نیست.
باید هزینه:
کلروفریک + ماده تنظیم pH + لجن + استهلاک پمپ و تجهیزات + عملیات نگهداری را بررسی کرد.
PAC به دلیل پیش هیدرولیز شدن معمولاً قلیائیت کمتری نسبت به نمک های ساده آلومینیوم یا آهن مصرف می کند. این ویژگی برای آب هایی که Buffer Capacity پایینی دارند می تواند مزیت عملیاتی مهمی باشد. و این موضوع که PAC در هر PH کار میکند و نتیجه مطلوب را میدهد درست نمی باشد. نوع PAC و Basicity آن مهم است و بهترین محدوده عملکرد باید با آزمایش مشخص شود. مطالعات روی انواع مختلف PAC نیز نشان داده اند که تغییر pH اولیه می تواند مقدار آلومینیوم باقیمانده و راندمان حذف NOM و کدورت را تغییر دهد.

کلروفریک برای حذف فسفر چه مزیتی دارد؟

در تصفیه فاضلاب، داستان کمی متفاوت است. اگر یکی از اهداف اصلی تصفیه کاهش Orthophosphate باشد، ترکیبات آهن گزینه جدی محسوب می شوند. آهن با فسفات واکنش می دهد و گونه های کم محلول تشکیل می شود که می توان آن ها را همراه لجن از سیستم خارج کرد.
به همین دلیل کلرید فریک در:
تصفیه خانه های فاضلاب شهری، صنایع غذایی، برخی پساب های صنعتی و واحدهایی که محدودیت فسفر خروجی دارند کاربرد زیادی دارد. اما یک اشتباه رایج این است که اپراتور فقط نسبت تئوری آهن به فسفر را محاسبه کند. در آب واقعی، Fe³⁺ فقط با فسفات واکنش نمی دهد. هیدرولیز، قلیائیت، مواد آلی و سایر ترکیبات موجود در پساب نیز روی مصرف مؤثر آهن اثر می گذارند. بنابراین دوز عملیاتی باید از آزمایش و سپس Trial عملیاتی استخراج شود. تولید لجن؛ هزینه ای که هنگام خرید منعقدکننده دیده نمی شود فرض کنید دو منعقدکننده کیفیت آب خروجی مشابهی ایجاد کنند. در نگاه اول محصولی که قیمت خرید پایین تری دارد برنده به نظر می رسد. اما اگر همان محصول روزانه چند مترمکعب لجن بیشتر ایجاد کند، شرایط اقتصادی تغییر می کند.
لجن بیشتر یعنی:

• بار بیشتر روی Clarifier
• افزایش دفعات تخلیه لجن
• مصرف بیشتر پلیمر در Dewatering
• افزایش بار Filter Press یا Centrifuge
• هزینه حمل بیشتر
• و هزینه بالاتر دفع لجن

PAC در بسیاری از کاربردها می تواند در دوز فعال مناسب، تولید لجن شیمیایی را کاهش دهد، ولی این مزیت ثابت و تضمین شده نیست.نوع آب و دوز نهایی تعیین کننده اند. از طرف دیگر لجن کلروفریک اغلب قابلیت ته نشینی مناسبی دارد و در برخی سیستم ها همین ویژگی برای اپراتور ارزشمند است. بنابراین فقط اندازه گیری حجم لجن پس از 30 دقیقه کافی نیست. در Jar Test حرفه ای بهتر است سرعت ته نشینی، حجم لجن و در صورت مهم بودن هزینه آبگیری، قابلیت Dewatering نیز بررسی شود.

PAC یا کلروفریک در آب سرد؟

کاهش دما معمولاً سرعت واکنش های هیدرولیز و برخورد ذرات را پایین می آورد و تشکیل فلوک را دشوارتر می کند. PAC به دلیل پیش هیدرولیز بودن در بسیاری از آب های سرد رفتار پایداری نشان می دهد، اما نباید از این جمله نتیجه گرفت که PAC در تمام آب های سرد از FeCl₃ عملکرد بهتری دارد. مطالعات روی منابع آب کم دما و کم کدورت نشان داده اند که ترکیب منعقدکننده های آهنی و آلومینیومی در بعضی شرایط می تواند عملکرد مناسب تری ایجاد کند. اگر تصفیه خانه در زمستان با افت عملکرد مواجه می شود، Jar Test باید با نمونه آب همان فصل انجام شود. آزمایش روی نمونه تابستان و استفاده از همان دوز برای زمستان، یکی از خطاهای رایج بهره برداری است.

باقیمانده آهن و آلومینیوم در آب خروجی

تزریق بیش از حد منعقدکننده همیشه به معنی انعقاد بهتر نیست. در سیستم کلروفریک، نامناسب بودن pH، دوز یا جداسازی فلوک می تواند باعث افزایش آهن باقیمانده شود. این موضوع ممکن است روی رنگ، کیفیت ظاهری آب و واحدهای پایین دست تأثیر بگذارد. در PAC نیز باید Residual Aluminum کنترل شود.مشخصات خود PAC، Basicity، pH آب و مقدار مصرف همگی روی گونه های آلومینیوم باقیمانده اثر دارند. مطالعات آزمایشگاهی نشان داده اند که حتی PACهای مختلف در یک pH و شرایط مشابه می توانند مقادیر متفاوتی از آلومینیوم باقیمانده ایجاد کنند. این مسئله در سیستم هایی که پس از انعقاد، ممبران NF یا سایر فرایندهای حساس قرار دارد اهمیت بیشتری پیدا می کند؛ باقی مانده منعقدکننده ممکن است روی رفتار واحد پایین دست اثر بگذارد.

هنگام خرید PAC فقط درصد Al₂O₃ را نگاه نکنید

یکی از اشتباهات متداول در استعلام خرید PAC این است که واحد خرید فقط می پرسد:
(PAC) چند درصد است؟ درصد Al₂O₃ مهم است، اما تمام مشخصات محصول نیست.
برای مقایسه دو PAC بهتر است موارد زیر از COA بررسی شود:

• Al₂O₃: نشان دهنده مقدار ترکیبات آلومینیومی محصول است.
• Basicity: پارامتر مهمی برای شناخت میزان پیش هیدرولیز شدن PAC است و می تواند بر رفتار انعقاد اثر بگذارد.
• مواد نامحلول: مقدار بالای Insoluble Matter می تواند مشکلاتی در آماده سازی محلول، مخزن و دوزینگ ایجاد کند.
• مقدار آهن: به خصوص در کاربردهای آب آشامیدنی یا فرایندهای حساس اهمیت دارد.
• فلزات سنگین و ناخالصی ها: کیفیت ماده اولیه و فرایند تولید در این قسمت تعیین کننده است.
• نوع پودری یا مایع: روی حمل، ذخیره سازی، غلظت سازی و سیستم تزریق اثر می گذارد.

در خرید کلروفریک چه مشخصاتی مهم است؟

برای FeCl₃ نیز غلظت واقعی محلول اهمیت زیادی دارد.

دو محموله کلروفریک با وزن یکسان الزاماً مقدار ماده فعال یکسانی وارد تصفیه خانه نمی کنند.
در خرید کلروفریک مایع باید مشخصاتی مانند:

• درصد FeCl₃ یا آهن
• دانسیته
• Free Acid
• مواد نامحلول
• ناخالصی ها
• و انطباق محصول با کاربرد موردنظر

بررسی شود.
موضوع بعدی خوردگی است.
کلروفریک محلولی بسیار خورنده است. شیر، فلنج، پمپ تزریق، اتصالات و مخزن باید متناسب با غلظت و شرایط کاری انتخاب شوند. در عمل هزینه تعویض مکرر یک پمپ دوزینگ یا خوردگی اتصالات می تواند اختلاف قیمت خرید ماده منعقدکننده را به راحتی از بین ببرد.

محاسبه اقتصادی صحیح؛ قیمت هر کیلو معیار کافی نیست
فرض کنید:
PAC کیلویی گران تر از کلروفریک است. اگر واحد خرید فقط قیمت تن ماده را مقایسه کند، FeCl₃ احتمالاً جذاب تر دیده می شود.
اما در تصفیه خانه باید این شاخص محاسبه شود:
هزینه مواد شیمیایی برای تصفیه یک مترمکعب آب
و برای محاسبه دقیق تر:

Total Treatment Cost = Coagulant + pH Adjustment + Polymer + Sludge Handling + Maintenance

ممکن است PAC با قیمت واحد بالاتر، در Jar Test با مصرف کمتر به همان کیفیت خروجی برسد. اما نتیجه برعکس هم ممکن است رخ دهد. در یک آب خام با قلیائیت مناسب و هدف اصلی حذف فسفر، ممکن است کلروفریک از نظر فنی و اقتصادی انتخاب منطقی تری باشد. به همین دلیل عددهایی مانند PAC (همیشه 50 درصد کمتر مصرف می شود)قابل تعمیم نیستند. برای نمونه، در یک مطالعه روی پساب شست وشوی فیلتر، دوز بهینه یک منعقدکننده آلومینیوم-آهن پلیمری 7 mg/L و FeCl₃ حدود 15 mg/L گزارش شد؛ این نتیجه صرفاً مربوط به همان آب و همان محصولات آزمایش شده است.

 Jar Test را چگونه برای مقایسه PAC و کلروفریک انجام دهیم؟

اگر قرار است تصمیم خرید گرفته شود، Jar Test بهتر است به شکل مقایسه ای طراحی شود، نه اینکه فقط «شفاف ترین بشر» انتخاب شود.
چند دوز PAC و چند دوز FeCl₃ انتخاب کنید.
برای هر نمونه این موارد ثبت شود:

• دوز منعقدکننده
• pH نهایی
• میزان مصرف ماده تنظیم pH
• زمان شروع تشکیل فلوک
• اندازه و استحکام فلوک
• سرعت ته نشینی
• کدورت آب زلال شده
• رنگ یا UV254 در صورت اهمیت
• میزان فسفر در کاربرد فاضلاب
• حجم لجن
• آهن یا آلومینیوم باقیمانده در کاربردهای حساس

پس از آن هزینه هر دوز محاسبه شود.
مطالعات انعقاد نیز Jar Test را به عنوان روش عملی تعیین دوز بهینه به کار می برند و نشان می دهند افزایش دوز بعد از نقطه بهینه الزاماً راندمان را افزایش نمی دهد. برای واحد خرید، بهترین نمونه لزوماً بشری نیست که کمترین Turbidity را نشان می دهد. اگر یک دوز PAC کدورت را از 80 به 0.7 NTU برساند و دوز گران تر آن را به 0.5 NTU کاهش دهد، باید دید آیا این 0.2 NTU اختلاف برای فرایند واقعاً ارزش اقتصادی دارد یا خیر.

چه زمانی کلروفریک را جدی تر بررسی کنیم؟

کلروفریک معمولاً ارزش بررسی بیشتری دارد وقتی:

حذف فسفر هدف اصلی فرایند است.
در تصفیه فاضلاب، این موضوع می تواند عامل اصلی انتخاب باشد.

آب ظرفیت بافری و قلیائیت مناسبی دارد.
در این وضعیت افت pH ناشی از کلروفریک ممکن است مشکل جدی ایجاد نکند.

ته نشینی سریع فلوک اهمیت زیادی دارد.
رفتار فلوک آهنی در برخی Clarifierها بسیار مناسب است.

هزینه تولید لجن محدودیت اصلی سایت نیست.
اگر سایت تجهیزات مناسب آبگیری و دفع لجن دارد، این عامل وزن کمتری در تصمیم خواهد داشت. ولی هزینه خوردگی و سازگاری متریال تجهیزات باید وارد محاسبه شود.

چه زمانی PAC را جدی تر بررسی کنیم؟

PAC معمولاً گزینه قابل بررسی تری است وقتی:
آب خام قلیائیت کمی دارد.
کاهش نیاز به اصلاح pH می تواند مزیت مهمی باشد.

محدودیت ظرفیت لجن وجود دارد.
در برخی آب ها PAC با دوز مؤثر کمتر، بار لجن شیمیایی را کاهش می دهد.

نوسانات کیفیت آب زیاد است.
یک PAC مناسب ممکن است Window عملیاتی قابل قبولی ایجاد کند؛ ولی این موضوع باید روی آب واقعی ثابت شود.

کیفیت آب شرب یا آب فرایندی حساس است.
در این حالت امکان کنترل دقیق PAC، گرید محصول و آلومینیوم باقیمانده اهمیت بالایی پیدا می کند.

7 اشتباه رایج هنگام انتخاب کلروفریک یا PAC

1. انتخاب ماده فقط بر اساس قیمت هر کیلو
این رایج ترین خطاست. قیمت مصرف برای هر مترمکعب آب مهم تر است.

2. استفاده از دوز پیشنهادی یک تصفیه خانه دیگر
حتی دو منبع آب در یک شهر ممکن است رفتار انعقادی متفاوتی داشته باشند.

3. مقایسه همه PACها با یکدیگر
PAC یک خانواده محصول است و Basicity، Al₂O₃ و کیفیت تولید روی عملکرد اثر دارند.

4. نادیده گرفتن قلیائیت
خصوصاً در مصرف کلروفریک، افت pH می تواند کل نتیجه اقتصادی را تغییر دهد.

5. توجه نکردن به هزینه لجن
هزینه Dewatering و Disposal باید در TCO وارد شود.

6. اوردوز کردن منعقدکننده
دوز بیشتر همیشه بهتر نیست و می تواند کیفیت خروجی یا فلز باقیمانده را نامطلوب کند.

7. خرید عمده قبل از تست نمونه محصول
بهتر است نمونه همان گرید و همان تولیدکننده ابتدا روی آب واقعی سایت آزمایش شود.

کلروفریک یا PAC؛ برای تصفیه خانه شما کدام مناسب تر است؟

اگر هدف اصلی حذف فسفر باشد، کلروفریک معمولاً گزینه ای است که باید جدی بررسی شود. اگر قلیائیت آب پایین، حساسیت به تغییر pH یا محدودیت تولید لجن وجود دارد، PAC می تواند مزیت عملیاتی ایجاد کند. اما برای حذف کدورت، رنگ یا مواد آلی نمی توان یک منعقدکننده را بدون آزمایش برنده اعلام کرد. نوع آب خام و مشخصات محصول نتیجه را تعیین می کند.
در خرید صنعتی، تصمیم درست زمانی گرفته می شود که سه عدد کنار هم قرار بگیرند:
دوز مؤثر، کیفیت آب خروجی و هزینه واقعی تصفیه هر مترمکعب آب.
برای پروژه هایی که بین کلروفریک و پلی آلومینیوم کلراید PAC مردد هستند، کارشناسان دلکو صنعت می توانند بر اساس آنالیز آب خام، نوع فرایند، دوز مصرف فعلی، ظرفیت تصفیه خانه و مشخصات تجهیزات، گزینه های مناسب را بررسی کنند. اگر قصد خرید PAC یا کلروفریک دارید، ارائه آنالیز آب و شرایط عملیاتی قبل از انتخاب گرید، کمک می کند محصول بر اساس نیاز واقعی سیستم انتخاب شود.