آب ظاهراً شفاف همیشه به معنای آب پاک و عاری از آلودگی نیست. گاهی بخش زیادی از آلودگی‌های موجود در آب به شکل ذرات بسیار ریز و نامرئی وجود دارند؛ ذراتی که به دلیل اندازه کوچک و ویژگی‌های سطحی خود، برای مدت طولانی در آب معلق می‌مانند و به‌راحتی ته‌نشین نمی‌شوند.

این ذرات می‌توانند شامل رس، سیلت، مواد آلی، بقایای میکروبی، ذرات کلوئیدی و ترکیبات مختلف حاصل از فعالیت‌های صنعتی باشند. حذف آن‌ها یکی از مراحل مهم تصفیه آب آشامیدنی، صنعتی و پساب است.

یکی از مواد شیمیایی پرکاربرد برای حل این مشکل، پلی‌آلومینیوم کلراید (Polyaluminium Chloride – PAC) است؛ ماده‌ای که با ایجاد تغییر در رفتار سطحی ذرات معلق، شرایط لازم برای تجمع و تشکیل لخته‌های بزرگ‌تر را فراهم می‌کند.

اما PAC دقیقاً چگونه عمل می‌کند؟ چرا ذراتی که ساعت‌ها در آب معلق می‌مانند، پس از افزودن این ماده به یکدیگر متصل می‌شوند و ته‌نشین می‌شوند؟

در این مقاله، سازوکار علمی عملکرد PAC، مراحل انعقاد و لخته‌سازی، عوامل مؤثر بر راندمان و کاربردهای صنعتی آن را بررسی می‌کنیم.

۱. چرا بعضی ذرات معلق در آب ته‌نشین نمی‌شوند؟

برای درک عملکرد PAC، ابتدا باید با رفتار ذرات معلق و کلوئیدی در آب آشنا شویم.

ذرات موجود در آب از نظر اندازه و ویژگی‌های فیزیکی به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند:

ذرات درشت و قابل ته‌نشینی: ذراتی که به دلیل اندازه و جرم خود، در شرایط مناسب با گذشت زمان ته‌نشین می‌شوند.

ذرات ریز معلق: ذراتی که ممکن است مدت زیادی در آب باقی بمانند و ته‌نشینی آن‌ها به‌تنهایی زمان‌بر باشد.

ذرات کلوئیدی: ذرات بسیار ریزی که معمولاً به دلیل اندازه کوچک و نیروهای الکتریکی سطحی، در آب پایداری نسبی دارند.

یکی از ویژگی‌های مهم بسیاری از ذرات کلوئیدی، داشتن بار الکتریکی سطحی است. در آب‌های طبیعی و بسیاری از پساب‌ها، سطح این ذرات معمولاً بار منفی دارد.

از آنجا که ذرات دارای بار مشابه یکدیگر را دفع می‌کنند، فاصله میان آن‌ها حفظ می‌شود و به‌سادگی به هم نمی‌چسبند.

به این ترتیب، حتی اگر ذرات از نظر وزن قابلیت ته‌نشینی داشته باشند، نیروهای دافعه الکتریکی می‌توانند مانع تجمع و تشکیل ذرات بزرگ‌تر شوند.

مشکل اصلی در بسیاری از این آب‌ها، فقط کوچک بودن ذرات نیست؛ بلکه پایداری کلوئیدی آن‌ها نیز هست.

اینجاست که مواد منعقدکننده مانند PAC وارد فرآیند تصفیه می‌شوند.

۲. PAC چیست و چه ویژگی شیمیایی دارد؟

پلی‌آلومینیوم کلراید یا PAC یک منعقدکننده معدنی بر پایه آلومینیوم است که در تصفیه آب و پساب کاربرد گسترده‌ای دارد.

این ماده در گروه منعقدکننده‌های آلومینیومی پیش‌هیدرولیزشده قرار می‌گیرد و از گونه‌های مختلف آلومینیوم با بار مثبت تشکیل شده است.

فرمول عمومی ساده‌شده آن را می‌توان به شکل زیر نمایش داد:

[ Al_2(OH)mCl{6-m} ]

مقدار و توزیع گونه‌های آلومینیومی در محصول به روش تولید، شرایط ساخت و میزان بازیسیته (Basicity) آن بستگی دارد. بنابراین PAC یک ترکیب کاملاً یکنواخت با یک ساختار مولکولی ثابت نیست، بلکه مجموعه‌ای از گونه‌های آلومینیومی با رفتار شیمیایی متفاوت است.

این ماده به‌صورت تجاری در دو شکل متداول عرضه می‌شود:

PAC مایع: محلول آماده مصرف که در واحدهای تصفیه آب از طریق پمپ‌های تزریق به جریان ورودی اضافه می‌شود.

PAC پودری: شکل جامد محصول که معمولاً برای نگهداری، حمل‌ونقل یا آماده‌سازی محلول مصرفی در واحدهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

میزان آلومینیوم، بازیسیته، ناخالصی‌ها، مشخصات فیزیکی و شرایط نگهداری از جمله پارامترهای مهم در ارزیابی کیفیت PAC هستند.

۳. PAC چگونه ذرات معلق را از آب جدا می‌کند؟

عملکرد PAC عمدتاً بر پایه دو سازوکار مهم انعقاد است:

۱. خنثی‌سازی بار الکتریکی ذرات (Charge Neutralization)

۲. انعقاد جاروبی یا به‌دام‌اندازی ذرات در رسوب هیدروکسید آلومینیوم (Sweep Flocculation)

این دو سازوکار ممکن است با توجه به pH، مقدار مصرف، ویژگی‌های آب و ترکیب PAC به‌صورت جداگانه یا هم‌زمان نقش داشته باشند.

الف) خنثی‌سازی بار الکتریکی ذرات

بسیاری از ذرات کلوئیدی موجود در آب دارای بار سطحی منفی هستند. به همین دلیل، یکدیگر را دفع می‌کنند و به شکل ذرات پراکنده باقی می‌مانند.

PAC حاوی گونه‌های آلومینیومی با بار مثبت است. پس از اضافه شدن به آب، این گونه‌ها می‌توانند با سطوح منفی ذرات برهم‌کنش داشته باشند و بار سطحی مؤثر آن‌ها را کاهش دهند.

در نتیجه، نیروی دافعه میان ذرات کمتر می‌شود و امکان نزدیک شدن و تجمع آن‌ها افزایش پیدا می‌کند.

این فرآیند را خنثی‌سازی بار یا Charge Neutralization می‌نامند.

به زبان ساده، PAC شرایطی ایجاد می‌کند که ذرات ریز دیگر مانند گذشته یکدیگر را دفع نکنند و بتوانند به هم نزدیک شوند.

ب) انعقاد جاروبی یا Sweep Flocculation

سازوکار مهم دیگر، تشکیل رسوب هیدروکسید آلومینیوم است.

گونه‌های آلومینیومی موجود در PAC پس از ورود به آب، تحت واکنش‌های هیدرولیز قرار می‌گیرند و در شرایط مناسب می‌توانند رسوب‌های هیدروکسید آلومینیوم تشکیل دهند.

واکنش ساده‌شده تشکیل هیدروکسید آلومینیوم را می‌توان به شکل زیر نشان داد:

[ Al^{3+}+3OH^- \rightarrow Al(OH)_3 ]

رسوب تشکیل‌شده می‌تواند ساختاری لخته‌ای و حجیم ایجاد کند. ذرات معلق و بخشی از مواد کلوئیدی در این ساختار به دام می‌افتند و همراه با آن از فاز آبی جدا می‌شوند.

به این پدیده انعقاد جاروبی گفته می‌شود؛ زیرا رسوب هیدروکسید آلومینیوم، ذرات موجود در آب را در ساختار خود گرفتار می‌کند.

در این حالت، PAC فقط بار ذرات را تغییر نمی‌دهد، بلکه با تشکیل لخته‌های هیدروکسیدی به جمع‌آوری و جداسازی آن‌ها نیز کمک می‌کند.

۴. تفاوت انعقاد (Coagulation) و لخته‌سازی (Flocculation) چیست؟

این دو اصطلاح گاهی به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند، اما از نظر فرآیندی تفاوت دارند.

انعقاد (Coagulation): مرحله‌ای است که در آن با افزودن ماده منعقدکننده مانند PAC، پایداری ذرات کلوئیدی کاهش می‌یابد و شرایط لازم برای تجمع آن‌ها فراهم می‌شود.

لخته‌سازی (Flocculation): مرحله‌ای است که در آن ذرات ناپایدارشده در اثر برخورد و برهم‌کنش با یکدیگر به‌تدریج تجمع پیدا می‌کنند و لخته‌های بزرگ‌تر و قابل جداسازی تشکیل می‌دهند.

در واقع، PAC عمدتاً نقش منعقدکننده را بر عهده دارد؛ اما برای تشکیل لخته‌های بزرگ‌تر، طراحی مناسب اختلاط و زمان کافی اهمیت دارد.

در برخی فرآیندها از پلی‌الکترولیت‌ها نیز به‌عنوان کمک‌لخته‌ساز استفاده می‌شود. این مواد می‌توانند با ایجاد پل بین ذرات، به رشد و استحکام لخته‌ها کمک کنند.

بنابراین، PAC و پلی‌الکترولیت لزوماً جایگزین یکدیگر نیستند و ممکن است در یک فرآیند تصفیه به‌صورت مکمل استفاده شوند.

۵. مراحل حذف ذرات معلق با استفاده از PAC در یک واحد تصفیه آب

در یک سیستم متداول تصفیه آب، فرآیند انعقاد و لخته‌سازی با PAC معمولاً شامل چند مرحله متوالی است.

مرحله اول: تزریق PAC

در ابتدا، PAC به مقدار مشخص و متناسب با کیفیت آب خام به جریان ورودی تزریق می‌شود.

مقدار تزریق باید بر اساس آزمون‌های آزمایشگاهی و شرایط واقعی آب تعیین شود. تزریق بیش از اندازه می‌تواند باعث افزایش هزینه، تولید لجن بیشتر و حتی کاهش راندمان انعقاد شود.

مرحله دوم: اختلاط سریع (Rapid Mixing)

پس از تزریق، PAC باید در مدت زمان کوتاه و به‌صورت یکنواخت در آب پخش شود.

هدف از اختلاط سریع، تماس مؤثر گونه‌های آلومینیومی با ذرات معلق و فراهم کردن شرایط مناسب برای ناپایدارسازی آن‌هاست.

اگر اختلاط کافی نباشد، بخشی از PAC ممکن است در آب به‌صورت غیریکنواخت توزیع شود و عملکرد فرآیند کاهش پیدا کند.

مرحله سوم: اختلاط آرام و تشکیل لخته (Flocculation)

پس از اختلاط سریع، آب وارد مرحله اختلاط آرام می‌شود.

در این بخش، سرعت جریان و شدت هم‌زدن باید به‌گونه‌ای باشد که ذرات بتوانند با یکدیگر برخورد کنند و لخته‌های بزرگ‌تر تشکیل دهند، بدون آنکه لخته‌های ایجادشده بر اثر تنش برشی بیش از حد شکسته شوند.

در صورت نیاز، پلی‌الکترولیت مناسب نیز در این مرحله اضافه می‌شود.

مرحله چهارم: جداسازی لخته‌ها

پس از تشکیل لخته‌های مناسب، نوبت به جداسازی آن‌ها از آب می‌رسد.

این کار می‌تواند با یکی از روش‌های زیر انجام شود:

ته‌نشینی (Sedimentation): لخته‌ها به دلیل ویژگی‌های فیزیکی خود در مخزن ته‌نشینی به سمت کف حرکت می‌کنند.

شناورسازی با هوای محلول (DAF): حباب‌های ریز هوا به لخته‌ها متصل می‌شوند و آن‌ها را به سطح آب منتقل می‌کنند تا از سطح جمع‌آوری شوند.

فیلتراسیون (Filtration): لخته‌ها و ذرات باقی‌مانده با عبور آب از بسترهای فیلتر مانند ماسه یا سایر محیط‌های فیلتراسیون حذف می‌شوند.

انتخاب روش به ویژگی‌های آب، نوع لخته، ظرفیت تصفیه‌خانه و طراحی واحد بستگی دارد.

مرحله پنجم: کنترل کیفیت آب تصفیه‌شده

در پایان، کیفیت آب خروجی از نظر پارامترهایی مانند کدورت، pH، آلومینیوم باقی‌مانده و سایر شاخص‌های موردنیاز بررسی می‌شود.

هدف این است که علاوه بر کاهش ذرات معلق، شرایط کیفی آب برای ورود به مراحل بعدی تصفیه یا مصرف نهایی فراهم شود.

۶. چه عواملی بر عملکرد PAC تأثیر می‌گذارند؟

عملکرد PAC به عوامل مختلفی وابسته است و نمی‌توان یک دوز یا شرایط عملیاتی ثابت را برای تمام منابع آب و پساب‌ها در نظر گرفت.

مهم‌ترین عوامل عبارت‌اند از:

یکی از نکات مهم این است که افزایش مقدار PAC همیشه به معنای افزایش راندمان نیست.

اگر مقدار منعقدکننده بیش از حد موردنیاز باشد، ممکن است بار سطحی ذرات دوباره تغییر کند و پایداری آن‌ها افزایش یابد. همچنین مقدار آلومینیوم باقی‌مانده و حجم لجن تولیدی ممکن است بیشتر شود.

به همین دلیل، انتخاب دوز بهینه اهمیت زیادی دارد.

۷. آزمون جار (Jar Test)؛ چگونه مقدار مناسب PAC را تعیین کنیم؟

یکی از روش‌های استاندارد و کاربردی برای تعیین مقدار مناسب PAC، آزمون جار یا Jar Test است.

در این آزمون، نمونه آب خام در چند ظرف آزمایشگاهی یکسان قرار می‌گیرد و به هر ظرف مقدار متفاوتی از PAC اضافه می‌شود.

سپس شرایط اختلاط سریع، اختلاط آرام و زمان ته‌نشینی شبیه‌سازی می‌شود.

در پایان، عملکرد هر نمونه با بررسی پارامترهایی مانند کدورت باقیمانده، pH، ویژگی ظاهری لخته‌ها و در صورت نیاز آلومینیوم باقی‌مانده مقایسه می‌شود.

برای مثال، می‌توان چند دوز مختلف را در محدوده آزمایشی انتخاب کرد و با ثابت نگه داشتن سایر شرایط، بهترین نتیجه را مشخص کرد.

نتیجه آزمون جار به اپراتور و مهندس فرآیند کمک می‌کند تا مقدار مناسب PAC و شرایط عملیاتی را برای آب موردنظر تعیین کنند.

نکته مهم این است که نتیجه آزمون جار باید با شرایط واقعی واحد تصفیه هماهنگ باشد. تغییر کیفیت آب خام در طول زمان می‌تواند نیاز به تکرار آزمون و اصلاح دوز مصرفی داشته باشد.

۸. PAC چه آلاینده‌هایی را از آب حذف می‌کند؟

PAC عمدتاً برای حذف ذرات معلق، کلوئیدها و بخشی از مواد آلی قابل حذف از طریق انعقاد و لخته‌سازی استفاده می‌شود.

مهم‌ترین کاربردهای آن عبارت‌اند از:

ذرات ریز رس و سیلت: این ذرات از عوامل اصلی ایجاد کدورت در آب‌های سطحی هستند و با انعقاد و لخته‌سازی می‌توان آن‌ها را به شکل لخته‌های قابل جداسازی درآورد.

مواد آلی طبیعی: بخشی از مواد آلی طبیعی موجود در آب، مانند ترکیبات هیومیکی، می‌توانند با گونه‌های آلومینیومی برهم‌کنش داشته باشند و از طریق انعقاد، جذب سطحی یا تشکیل رسوب از آب جدا شوند.

ذرات کلوئیدی: PAC با کاهش پایداری این ذرات، شرایط تجمع و حذف آن‌ها را فراهم می‌کند.

برخی آلاینده‌های میکروبی: میکروارگانیسم‌ها و ذرات حامل آن‌ها ممکن است همراه با لخته‌ها حذف شوند. بااین‌حال، انعقاد با PAC به‌تنهایی فرآیند گندزدایی محسوب نمی‌شود و جایگزین ضدعفونی نهایی نیست.

نکته مهم این است که PAC برای حذف تمام آلاینده‌های محلول طراحی نشده است. برای مثال، بسیاری از نمک‌های محلول، یون‌ها و ترکیبات آلی کوچک ممکن است با انعقاد معمولی به‌خوبی حذف نشوند و به روش‌هایی مانند اسمز معکوس، تبادل یونی، جذب یا فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته نیاز داشته باشند.

۹. تفاوت PAC پودری و PAC مایع در تصفیه آب چیست؟

PAC در بازار به دو شکل اصلی پودری و مایع عرضه می‌شود. هر دو شکل می‌توانند برای فرآیند انعقاد استفاده شوند، اما انتخاب آن‌ها به شرایط بهره‌برداری و مشخصات محصول بستگی دارد.

نکته مهم در مقایسه این دو شکل، توجه به مقدار ماده مؤثر است. برای مثال، یک کیلوگرم PAC پودری را نمی‌توان بدون در نظر گرفتن درصد آلومینیوم یا مشخصات محصول، معادل یک کیلوگرم PAC مایع دانست.

بنابراین، مقایسه اقتصادی و فنی باید بر اساس مقدار ماده مؤثر و عملکرد واقعی هر محصول انجام شود، نه صرفاً قیمت هر کیلوگرم یا لیتر.

۱۰. مزایای استفاده از PAC در تصفیه آب صنعتی

استفاده از PAC در بسیاری از واحدهای تصفیه آب و پساب به دلیل ویژگی‌های شیمیایی و عملکرد انعقادی آن رایج است.

مهم‌ترین مزایای قابل بررسی عبارت‌اند از:

•  توانایی ناپایدارسازی بسیاری از ذرات کلوئیدی و کاهش کدورت
• امکان استفاده در فرآیندهای متداول انعقاد و لخته‌سازی
• عرضه در شکل‌های پودری و مایع
• امکان استفاده در کنار پلی‌الکترولیت‌ها
• قابلیت طراحی برای انواع مختلف آب خام و پساب، با تعیین دوز مناسب
• امکان استفاده در واحدهای ته‌نشینی، شناورسازی و فیلتراسیون

البته عملکرد PAC به کیفیت محصول، نوع آب، شرایط عملیاتی و طراحی واحد وابسته است و نمی‌توان یک میزان راندمان ثابت را برای تمام کاربردها اعلام کرد.

۱۱. نکات مهم در انتخاب و مصرف PAC

برای دستیابی به عملکرد مناسب، تنها خرید PAC کافی نیست. مشخصات فنی محصول و شرایط بهره‌برداری باید به‌درستی بررسی شوند.

مهم‌ترین موارد عبارت‌اند از:

۱. درصد آلومینیوم: میزان آلومینیوم موجود در محصول یکی از شاخص‌های مهم برای ارزیابی و مقایسه PAC است.

۲. بازیسیته (Basicity): این پارامتر بر ویژگی‌های هیدرولیز و رفتار انعقادی محصول اثر می‌گذارد.

۳. pH محلول: بررسی pH محصول و تأثیر آن بر آب مورد تصفیه اهمیت دارد.

۴. ناخالصی‌ها: میزان آهن، مواد نامحلول و سایر ناخالصی‌ها باید مطابق مشخصات فنی و استاندارد موردنیاز کنترل شوند.

۵. شرایط نگهداری: PAC باید در ظروف و مخازن سازگار با ماهیت شیمیایی محصول نگهداری شود.

۶. دوز مصرفی: مقدار تزریق باید با آزمون جار و بررسی شرایط واقعی فرآیند تعیین شود.

۷. آلومینیوم باقی‌مانده: در کاربردهایی که کیفیت آب خروجی اهمیت بالایی دارد، اندازه‌گیری آلومینیوم باقی‌مانده ضروری است.

۱۲. نقش PAC در تصفیه آب و پساب؛ از صنایع تا تأمین آب مصرفی

کاربرد PAC محدود به تصفیه آب آشامیدنی نیست. این ماده در بخش‌های مختلف صنعتی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع فولاد و فلزات: برای کمک به حذف ذرات معلق و بخشی از آلودگی‌های موجود در جریان‌های پساب صنعتی.

صنایع پتروشیمی و پالایشگاه‌ها: برای تصفیه برخی جریان‌های آب و پساب، متناسب با ماهیت آلاینده‌ها و طراحی واحد تصفیه.

صنایع غذایی: برای انعقاد و کاهش کدورت در جریان‌های آبی و پساب‌های قابل‌تصفیه با این روش.

تصفیه‌خانه‌های آب شهری: برای کاهش کدورت، حذف ذرات کلوئیدی و کمک به حذف بخشی از مواد آلی طبیعی.

صنایع کاغذ و نساجی: برای کمک به حذف ذرات، رنگ و بخشی از مواد معلق موجود در پساب، با توجه به نوع آلاینده و شرایط فرآیند.

جمع‌بندی؛ PAC چگونه آب را شفاف می‌کند؟

پلی‌آلومینیوم کلراید یکی از مواد مهم در فرآیندهای انعقاد و لخته‌سازی آب است. این ماده با استفاده از گونه‌های آلومینیومی دارای بار مثبت، پایداری بسیاری از ذرات کلوئیدی را کاهش می‌دهد و شرایط لازم برای تجمع آن‌ها را فراهم می‌کند.

همچنین تشکیل رسوب هیدروکسید آلومینیوم می‌تواند به به‌دام‌اندازی ذرات معلق و ایجاد لخته‌های بزرگ‌تر کمک کند.

پس از تشکیل لخته‌ها، می‌توان آن‌ها را با روش‌هایی مانند ته‌نشینی، شناورسازی یا فیلتراسیون از آب جدا کرد.

در واقع، PAC به‌تنهایی یک فیلتر نیست؛ بلکه ماده‌ای شیمیایی است که با تغییر رفتار ذرات، جداسازی آن‌ها را در مراحل بعدی تصفیه امکان‌پذیر می‌کند.

انتخاب نوع مناسب PAC، تعیین دوز بهینه، کنترل pH و قلیائیت و طراحی صحیح مراحل اختلاط و جداسازی، عواملی هستند که کیفیت نهایی آب تصفیه‌شده را تعیین می‌کنند.

در کاسپین شیمی، تأمین و توسعه مواد شیمیایی موردنیاز صنایع تصفیه آب و پساب، بخشی از رویکرد ما برای ارائه راهکارهای تخصصی و کاربردی به صنایع مختلف است.

منابع علمی و فنی

۱. Australian Drinking Water Guidelines – Polyaluminium Chloride:
https://guidelines.nhmrc.gov.au/australian-drinking-water-guidelines/part-5/treatment-chemicals/polyaluminium-chloride

۲. Wei et al. (2015), Coagulation behavior of polyaluminum chloride: Effects of pH and coagulant dosage, Chinese

Journal of Chemical Engineering.
https://doi.org/10.1016/j.cjche.2015.02.003

۳. Yan et al. (2008), Mechanism of natural organic matter removal by polyaluminum chloride, Water Research.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2008.04.017

۴. ASTM D2035 – Standard Practice for Coagulation-Flocculation Jar Test of Water.

۵. Ontario Water Works Association – Optimization Guidance Manual for Drinking Water Systems, بخش Coagulation and Flocculation.