מאת: קייט
Email:kate@aquasust.com
תאריך: 13 בנובמבר 2024
פעילויות תעשייתיות וביתיות צורכות כמויות עצומות של משאבי מים ומייצרות מי שפכים משמעותיים, מה שמוביל לבעיות של מחסור במים וירידה באיכות המים במדינות רבות. לכן, השגת טיפול ומחזור שפכים ללא זיהום היא בעיה דחופה שיש לטפל בה. שיטת הקרישה והשקיעה פשוטה לתפעול וחסכונית, מיושמת באופן נרחב בטיפול בשפכים תעשייתיים. ניתן לסווג את חומרי הקרישה הנפוצים לשלוש קטגוריות עיקריות: חומרי קרישה אנאורגניים, חומרי קרישה פולימרים אורגניים וחומרי קרישה מיקרוביאליים. בין אלה, חומרי הקרישה האנאורגניים הזולים הם כיום הנפוצים ביותר, בעוד שחומרי הקרישה האורגניים מציגים את השפעות הטיפול הטובות ביותר. חומרי קרישה מיקרוביאליים נמצאים עדיין בשלב המחקר המעבדתי. פיתוח של חומרי קרישה מרוכבים חדשים יעילים, בטוחים וחסכוניים הוא המגמה העיקרית לעתיד פיתוח חומרי הקרישה.
סיווג של חומרי קרישה
המנגנון המקובל ביותר של קרישה כרוך בשני תהליכים: קרישה וצירוף. תהליך הקרישה מתייחס לחוסר היציבות של חלקיקים קולואידים ויצירת אגרגטים קטנים; תהליך הצפיפות כולל אגרגטים קטנים אלה המתחברים יחד תחת השפעת חומר הקרישה ליצירת קבוצות גדולות יותר. המנגנונים העיקריים של חומרי הקרישה כוללים את דחיסה של השכבה החשמלית הכפולה, אפקט הגשר של הספיחה וצנופים גורפים, המערערים את היציבות של החלקיקים הקולואידים במים, מה שמוביל להצטברותם ושקיעתם, ובכך משיגים את אפקט הצפצופים. ניתן לסווג את חומרי הקרישה הנפוצים לשלוש קטגוריות עיקריות: חומרי קרישה אנאורגניים, חומרי קרישה פולימרים אורגניים וחומרי קרישה מיקרוביאליים.
01 חומרי קרישה אנאורגניים
עקרון הפעולה של קרישים אנאורגניים כולל דחיסת שכבה חשמלית כפולה וניטרול מטען. חומרי הקרישה יוצרים יונים נגדיים במי שפכים, אשר דוחסים את השכבה החשמלית הכפולה, וכתוצאה מכך ירידה בפוטנציאל הזטה של הקולואידים, גורם לשכבת ההידרציה על פני השטח להיעלם, ולערער את היציבות של הקולואידים. לאחר מכן, חלקיקים קולואידים טעונים מתקבצים באמצעות אינטראקציות בין-מולקולריות וכוחות אלקטרוסטטיים ויוצרים קבוצות גדולות וצפופות.
ניתן לסווג חומרי קרישה אנאורגניים על סמך קריטריונים שונים: לפי הרכב אניוני, ניתן לחלק אותם על בסיס סולפט ועל בסיס כלוריד; לפי משקל מולקולרי, ניתן לסווג אותם למולקולרי גבוה ולמולקולרי נמוך; ולפי סוג מלחי המתכת, ניתן לסווג אותם למלחי ברזל (כגון כלוריד ברזל, סולפט ברזל וסולפט ברזל) ומלחי אלומיניום (כגון אלומיניום סולפט, אשלגן אלומיניום סולפט ונתרן אלומינאט).
פקקים שנוצרו על ידי מלחי ברזל הם גדולים וצפופים, דורשים פחות מינון, והם מתפקדים היטב בטמפרטורות נמוכות עם טווח pH מתאים רחב (בין 5.0 ל-11). עם זאת, מלחי ברזל עלולים להיות מאכלים לציוד, מה שמחייב מעקב צמוד אחר מצב הציוד והצינורות במהלך השימוש. למלחי אלומיניום זמני שקיעה קצרים יותר וצבע נמוך יותר לאחר הטיפול, אך יעילותם תלויה מאוד ב-pH. בנוסף, רמות שיוריות גבוהות של Al³⁺ במים עלולות להוביל לזיהום משני, שעלול לגרום למחלת אלצהיימר ואנמיה בכניסה לגוף האדם, ולכן יש לנקוט בזהירות מיוחדת כדי למנוע זיהום משני.
חומרי קרישה בעלי משקל מולקולרי נמוך אלו הם זולים ומקורם נרחב אך יש להם בעיות כמו כמויות שימוש גבוהות, ייצור בוצה משמעותי ויעילות ירודה. לכן, יש מעבר הדרגתי מקרישים אנאורגניים מולקולריים נמוכים למולקולריים אנאורגניים גבוהים. נכון לעכשיו, חומרי קרישה אנאורגניים גבוהים מולקולריים בשימוש נפוצים כוללים קרישי אלומיניום פולימריים, קרישי ברזל פולימריים, קרישי סיליקה תגובתיים וחומרי קרישה מרוכבים. פעולתם מסתמכת בעיקר על אפקט הגישור, ומציגה יתרונות כמו פחות רגישות ל-pH וטמפרטורה, השפעות ספיחה יציבות, מינון נמוך יותר ופחות צבע שיורי. בשנים האחרונות, קנה המידה של הייצור של קרישים אנאורגניים מולקולריים גבוהים גדל בהדרגה, ומהווה 80% מכלל ייצור הקרישה, במיוחד מראה השפעות משמעותיות בטיפול בשפכים בעלי עכירות גבוהה.
02 קרישי פולימרים אורגניים
עקרונות הפעולה של חומרי קרישה אורגניים כוללים בעיקר:
(1)ספיחה של חלקיקים קולואידים באמצעות קשרי מימן, אינטראקציות אלקטרוסטטיות וכוחות ואן דר ואלס;
(2) מקטעי שרשרת הפולימר מקלים על התיישבות החלקיקים באמצעות מנגנון ספיחה מגשר. בהשוואה לקרישים אנאורגניים, לקרישי פולימרים אורגניים יש יתרונות כמו יעילות טיפול טובה יותר, זמן קצף קצר יותר, התאמה לטמפרטורות נמוכות, טווח pH רחב ופחות ייצור בוצה.
ניתן לחלק את חומרי הקרישה הפולימרים האורגניים לשתי קטגוריות: קרישי פולימרים מותאמים טבעיים ומקרישים פולימרים סינתטיים. לקרישי פולימרים סינתטיים יש משקלים מולקולריים ניתנים לשליטה וגבוהים יחסית, והם יכולים להכניס מספר גדול יותר של קבוצות פונקציונליות למקטעי השרשרת, ולספק אפקטים מצוינים של צפצופים. נכון להיום, הקריש הפולימרי הסינטטי המייצג ביותר בשוק הסיני הוא פוליאקרילאמיד (PAM) ונגזרותיו, המהווים 80% מכלל השוק.
בניגוד לפולימרים סינתטיים, בעלי עלויות ייצור גבוהות ורעילות סביבתית, לקרישי פולימרים שעברו שינוי טבעי יש יתרונות כגון זמינות רחבה, עלויות נמוכות יותר, בטיחות, חוסר רעילות ומאפיינים מולקולריים הניתנים להתאמה אישית. חומרי קרישה טבעיים של פולימרים מותאמים כוללים בעיקר נגזרות עמילן, צ'יטוזן, תאית, גואר מסטיק ומסטיקים אחרים, חלבונים ואצות על בסיס צמחי, שכולם יכולים להיות מקורם בצמחים ובעלי חיים.
לדוגמה, מולקולות עמילן שעבר שינוי יכולות להשיג אפקטים מצוינים של צפצופים; עמילן מאתר קטיוני ונגזרותיו יכולים להקפיץ ביעילות חלקיקים בעלי מטען שלילי, בעוד שלמבני עמילן מסועפים יש השפעות גדושים חזקות על יוני מתכות כבדות כמו נחושת, כספית ועופרת. קופולימרים של שתל עמילן המשולבים יחד עם מונומרים אחרים יכולים גם להסיר ביעילות יוני מתכות כבדות. ניתן להשיג שינוי בצ'יטוזן באמצעות שיטות כגון השתלה, אסטריפיקציה, הצלבה ואלקילציה. סוגים שונים של קרישי פולימרים טבעיים יכולים להשיג מגוון של תכונות רצויות באמצעות שינוי ושינוי כימי כדי לענות על צורכי הייצור המעשי וחיי היומיום.
03 פלוקולנטים מיקרוביאליים
פלקולנטים מיקרוביאליים הם מוצרים בעלי משקל מולקולרי גבוה וביומסה הנוצרים על ידי צמיחה ומטבוליזם של מיקרואורגניזמים מתורבתים ספציפיים בשלב מסוים. הם יכולים לגרום להצטברות ושקיעה של חלקיקים מרחפים מוצקים במי שפכים, ובכך להשיג את המטרה של טיהור גופי מים. לחומרים מיקרוביאליים יש מגוון רחב של מקורות והם חסכוניים; הם מורכבים בדרך כלל מפוליסכרידים, חלבונים, שרשראות DNA, גליקופרוטאינים וחומצות פוליאמיניות. הם יכולים להתפרק באופן טבעי מבלי לגרום לזיהום משני.
ישנם מיקרואורגניזמים רבים המסוגלים לייצר פלקולנטים, אותם ניתן לתיעש בקלות באמצעות עיצוב מסלול. עם זאת, המחקר על פקקולנטים מיקרוביאליים בסין עדיין מוגבל, והמחקרים הנוכחיים הם בעיקר ברמת המעבדה, רחוקים מלהגיע לייצור תעשייתי.
סיכויי פיתוח של פלקולנטים
לפלקולנטים יש מגוון רחב של יישומים בטיפול בשפכים, תוך הסרת יעילה של זיהומים מרחפים או מסיסים שונים, יוני מתכת, חיידקים, וירוסים ומזהמים אחרים. הם עוזרים להשיג ניקוי חמצן, דה-צבע והסרת זרחן, וכתוצאה מכך טיפול בשפכים לא מזהם וחסכוני במשאבים. עם התקדמות מחקר מתמשכת, סוגי הפלקולנטים המשמשים לטיפול בשפכים בסין עברו מחומרים אורגניים בעלי ערך מולקולרי נמוך לפלקולנטים אורגניים בעלי מולקולריות גבוהה ומסוגים בודדים למרוכבים, במטרה ליעילות, עלות-תועלת וידידותיות לסביבה.
בהשוואה לחומרים אי-אורגניים וחומרים סינתטיים מולקולריים גבוהים בשימוש נרחב, לחומרים טבעיים מולקולריים גבוהים יש יתרונות מובהקים כגון זמינות רחבה, עלות נמוכה, בטיחות, חוסר רעילות וידידותיות לסביבה. שפכים תעשייתיים הם לרוב גדולים בנפחם, מורכבים בהרכבם ומורכבים מפיזור יציבים; לפיכך, ייתכן שחומר פלקט בודד לא יסיר ביעילות את כל הרכיבים.
לאחרונה חלה מגמה לשימוש בחומרים מרוכבים אנאורגניים-אורגניים ואנ-אורגניים-מיקרוביאליים, תוך מינוף ההשפעות הסינרגטיות של פלוקולנטים אנאורגניים-אורגניים. ראשית, פלקולנטים אנאורגניים מנטרלים מטענים וצוברים זיהומים לאשכולות מולקולריים גדולים, ואחריהם פלקולנטים אורגניים בעלי מולקולרי גבוה הלוכדים אשכולות אלה באמצעות פעולת גישור לשקיעה יעילה. השימוש בחומרים אורגניים יכול לצמצם את כמות הפלקולנטים האורגניים הדרושים, ולהשיג תוצאות אופטימליות בעלות נמוכה יותר. עם זאת, תכשירים ומינונים ספציפיים חייבים להיבדק באופן רציף לפי סוגי שפכים.
נכון לעכשיו, נעשה שימוש נפוץ בחומרים מרוכבים של פוליאלומיניום כלוריד-פוליאקרילאמיד ומראים יעילות טובה; עם זאת, הם מהווים סיכונים סביבתיים מסוימים. מחקר עתידי עשוי להתמקד בשילוב של זרמים אורגניים של סיליקה פולימריים עם זרמים טבעיים אורגניים בעלי מולקולרי גבוה כדי לשפר את הידידותיות לסביבה. אם ניתן להשיג את הייצור התעשייתי של זרמים מיקרוביאליים, מערכות מורכבות מיקרוביאליות אורגניות צריכות גם להניב תוצאות טיפול מצוינות.
ההידרדרות באיכות המים עקב פעילות הייצור האנושי הפכה את הטיפול הלא מזהם ויעיל במשאבים בשפכים לנושא דחוף. השימוש בשיטות וסוכנים מתאימות של פקקולציה יכול להשיג תוצאות טיפול מצוינות בעלויות נמוכות. נכון לעכשיו, חומרי פקקים עברו ממשקל מולקולרי נמוך למשקל מולקולרי גבוה ומסוג יחיד לסוג מרוכב, ובכך מסירים למעשה זיהומים מרחפים ומומסים, מתכות כבדות וצבעים ממי שפכים.