تأثير تطبيق الكربون المنشط المسحوق في معالجة المياه في محطة توليد الطاقة الحرارية

1. المعالجة المسبقة لمياه التغذية

تحتوي المسطحات المائية الطبيعية غالبًا على الطين والطمي والدبال ومواد عالقة أخرى، بالإضافة إلى شوائب غروانية وبكتيريا وفطريات وطحالب وفيروسات وكائنات دقيقة أخرى، تتميز بثباتها في الماء، وهي السبب الرئيسي لتعكر الماء ولونه ورائحته. تدخل هذه المواد العضوية الزائدة إلى المبادل الأيوني، ملوثةً الراتنج، ومقللةً من قدرته التبادلية، بل ومؤثرةً على جودة المياه الخارجة من نظام التحلية. تهدف معالجة التخثير والترسيب والترشيح بشكل أساسي إلى إزالة هذه الشوائب، بحيث ينخفض ​​محتوى المواد العالقة في الماء إلى أقل من 5 ملغم/لتر، أي الحصول على ماء صافٍ. تُسمى هذه العملية بالمعالجة الأولية للماء. بعد المعالجة الأولية، يصبح الماء صالحًا للاستخدام كماء للغلي فقط بعد إزالة الأملاح الذائبة فيه عن طريق التبادل الأيوني، وإزالة الغازات الذائبة فيه عن طريق التسخين أو التفريغ أو النفخ. إذا لم تُزل هذه الشوائب أولًا، فلا يمكن إجراء المعالجة اللاحقة (التحلية). لذلك، فإن معالجة المياه بالتخثير هي حلقة وصل مهمة في عملية معالجة المياه.

تتم عملية المعالجة الأولية لمحطة الطاقة الحرارية على النحو التالي: الماء الخام ← التخثير ← الترسيب والتصفية ← الترشيح. ومن المواد المخثرة الشائعة الاستخدام في عملية التخثير: كلوريد البولي ألومنيوم، وكبريتات البولي حديديك، وكبريتات الألومنيوم، وثلاثي كلوريد الحديديك، وغيرها. ويتناول هذا المقال بشكل أساسي استخدامات كلوريد البولي ألومنيوم.

كلوريد الألومنيوم المتعدد، المعروف اختصارًا بـ PAC، يُصنع من رماد الألومنيوم أو معادن الألومنيوم كمواد خام. عند درجة حرارة عالية وضغط معين، يتفاعل الألومنيوم مع القلويات لإنتاج بوليمر. تختلف المواد الخام وعملية الإنتاج، وبالتالي تختلف مواصفات المنتج. الصيغة الجزيئية لـ PAC هي [Al2(OH)nCl6-n]m، حيث n عدد صحيح بين 1 و5، وm هو عدد عناصر المجموعة 10. يتوفر PAC في صورتين: صلبة وسائلة.

2. آلية التخثر

توجد ثلاثة تأثيرات رئيسية للمواد المخثرة على الجسيمات الغروية في الماء: التعادل الكهربائي، والتجسير بالامتزاز، والتنظيف. ويعتمد التأثير الرئيسي من بين هذه التأثيرات على نوع المادة المخثرة وجرعتها، وطبيعة الجسيمات الغروية وتركيزها في الماء، ودرجة حموضة الماء. آلية عمل كلوريد البولي ألومنيوم مشابهة لآلية عمل كبريتات الألومنيوم، ويشير سلوك كبريتات الألومنيوم في الماء إلى عملية إنتاج أيونات الألومنيوم الثلاثية (Al3+) لأنواع مختلفة من المركبات المتحللة.

يمكن اعتبار كلوريد متعدد الألومنيوم أحد المنتجات الوسيطة المتعددة في عملية التحلل المائي وبلمرة كلوريد الألومنيوم إلى Al(OH)3 في ظل ظروف معينة. وهو موجود مباشرة في الماء على شكل أنواع بوليمرية مختلفة وAl(OH)3(s)، دون المرور بعملية التحلل المائي لأيونات Al3+.

3. التطبيق والعوامل المؤثرة

1. درجة حرارة الماء

تؤثر درجة حرارة الماء بشكل واضح على فعالية عملية التخثير. فعند انخفاض درجة حرارة الماء، يصبح تحلل المادة المخثرة أكثر صعوبة، وخاصةً عندما تقل درجة الحرارة عن 5 درجات مئوية، حيث يكون معدل التحلل بطيئًا، وتكون المادة المتكتلة الناتجة ذات بنية مفككة ومحتوى مائي عالٍ وجزيئات دقيقة. وعند انخفاض درجة حرارة الماء، يزداد ذوبان الجزيئات الغروية، ويطول زمن التخثير، ويتباطأ معدل الترسيب. وتشير الأبحاث إلى أن درجة حرارة الماء التي تتراوح بين 25 و30 درجة مئوية هي الأنسب.

2. قيمة الرقم الهيدروجيني للماء

تُعدّ عملية التحلل المائي لكلوريد البولي ألومنيوم عملية إطلاق مستمر لأيونات الهيدروجين (H+). لذا، في ظل ظروف حموضة مختلفة، تتشكل وسائط تحلل مائي مختلفة، وتتراوح قيمة الحموضة المثلى لمعالجة التخثر بكلوريد البولي ألومنيوم عمومًا بين 6.5 و7.5، حيث يكون تأثير التخثر أعلى في هذه الحالة.

3. جرعة المادة المخثرة

عندما تكون كمية المُخثِّر المُضافة غير كافية، تزداد العكارة المتبقية في مياه الصرف. أما عندما تكون الكمية كبيرة جدًا، فإن امتصاص الجزيئات الغروية في الماء لكمية زائدة من المُخثِّر يُغيِّر من خصائص شحنة هذه الجزيئات، مما يؤدي إلى زيادة العكارة المتبقية في المياه المُصرَّفة مرة أخرى. عملية التخثير ليست تفاعلًا كيميائيًا بسيطًا، لذا لا يُمكن تحديد الجرعة المطلوبة بناءً على الحسابات، بل يجب تحديدها وفقًا لجودة المياه المُحدَّدة لتحديد الجرعة المُناسبة. وعندما تتغير جودة المياه موسميًا، يجب تعديل الجرعة وفقًا لذلك.

4. وسيلة الاتصال

في عملية المعالجة بالتخثير أو غيرها من عمليات الترسيب، يمكن تحسين فعالية المعالجة بالتخثير بشكل ملحوظ في حال وجود طبقة من الطين في الماء. إذ توفر هذه الطبقة مساحة سطحية كبيرة، ومن خلال الامتزاز والتحفيز والتبلور، تُحسّن فعالية المعالجة بالتخثير.

يُعدّ الترسيب بالتخثير طريقة شائعة الاستخدام في معالجة المياه حاليًا. ويُستخدم كلوريد البولي ألومنيوم في الصناعة كمادة مُخثِّرة لمعالجة المياه، لما يتميز به من أداء تخثيري ممتاز، وتكوين كتل كبيرة، وجرعة أقل، وكفاءة عالية، وسرعة في الترسيب، ونطاق تطبيق واسع، وغيرها من المزايا. وبالمقارنة مع المواد المُخثِّرة التقليدية، يُمكن تقليل الجرعة بمقدار الثلث إلى النصف، مما يُوفر 40% من التكلفة. وبالجمع بين هذه الطريقة وتشغيل مرشح بدون صمامات ومرشح الكربون النشط، تنخفض عكارة المياه الخام بشكل كبير، وتتحسن جودة المياه المُعالجة في نظام التحلية، كما تزداد سعة التبادل لراتنج التحلية، مما يُقلل من تكلفة التشغيل.