مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف کلسیم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. نرم‌سازی آهک (Lime Softening)

• مکانیسم:
  افزودن آهک (Ca(OH)₂) و سودا اش (Na₂CO₃) برای تشکیل رسوب کلسیم کربنات (CaCO₃):

  Ca2++CO32−​→CaCO3​↓(Ksp​=4.8×10−9)

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۱۰–۱۱.۵ (برای حداکثر رسوب‌دهی).

  • دوز آهک: ۱۰۰–۳۰۰ mg/L (بسته به سختی آب).

• مزایا: کاهش همزمان سختی کلسیم و منیزیم.

• معایب: تولید لجن حجیم و نیاز به مدیریت پسماند.

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های کاتیونی سدیمی (Na⁺) برای جایگزینی کلسیم (Ca2+Ca2+):

  +R-Na2​+Ca2+→R-Ca+2Na

• احیای رزین: شستشو با محلول NaCl غلیظ.

• محدودیت: رزین‌ها در حضور آهن یا منگنز سریعتر اشباع می‌شوند.

ج. اسمز معکوس (RO)

• مکانیسم:
  استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا برای حذف ۹۵–۹۹٪ یون‌های کلسیم.

• پارامترها:

  • فشار عملیاتی: ۱۵–۳۰ بار.

  • شار غشایی: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

۲. روش‌های نوین

الف. الکترودیالیز (Electrodialysis)

• مکانیسم:
  استفاده از میدان الکتریکی برای انتقال انتخابی یون‌های کلسیم از طریق غشاهای یونی.

• فرمول نرنست:

• E=E0−(RT/nF)ln⁡Q

• • E: پتانسیل سلول، Q: ضریب واکنش.

ب. نانوفیلتراسیون (Nanofiltration)

• مکانیسم:
  حذف انتخابی یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca2+Ca2+) با اندازه منافذ ۱–۲ نانومتر.

• راندمان: ۸۰–۹۰٪ با فشار عملیاتی ۵–۱۵ بار.

ج جذب سطحی با نانوذرات

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آلومینیوم (Al₂O₃): ظرفیت جذب تا ۸۰ mg/g.

  • نانولوله‌های کربنی: جذب از طریق گروه‌های عاملی اکسیژن.

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

نرم‌سازی آهک۷۰–۹۰٪ کم تولید لجن صنایع بزرگ و شهری

تبادل یونی۹۰–۹۹٪ متوسط نیاز به احیای مکرر خانگی و صنایع کوچک

الکترودیالیز۸۵–۹۵٪ بالا مصرف انرژی بالا صنایع پیشرفته

نانوفیلتراسیون۸۰–۹۰٪ متوسط گرفتگی غشا سیستم‌های ترکیبی

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهک:

  دوز آهک (mg/L)=غلظت Ca2+×۱.۴

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

  ظرفیت (meq/g)=جرم رزین (g)/(مقدار +Ca2حذف‌شده (meq))

• شار غشایی در RO:

• (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

• • J: شار (LMH)، ΔP: فشار اعمالی، Δπ: فشار اسمزی.

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم نرم‌سازی آهک

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، تهنشین‌کننده، فیلتر لجن.

• اجرا:
  ۱. تزریق آهک و سودا اش.
  ۲. تنظیم pH به ۱۰–۱۱.
  ۳. جداسازی رسوب CaCO₃ و Mg(OH)₂.

ب. سیستم تبادل یونی

• تجهیزات:

  • مخزن رزین، پمپ آب شور (NaCl)، سیستم کنترل اتوماتیک.

• اجرا:

  • عبور آب از بستر رزین و احیای دوره‌ای با NaCl.

ج. سیستم نانوفیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار پایین، غشاهای نانوفیلتر، سیستم شستشوی معکوس (CIP).

• پیش‌تصفیه: فیلتر شنی و کربنی برای جلوگیری از گرفتگی.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: نرم‌سازی آهک برای آب‌های با سختی بالا و صنایع بزرگ مناسب است.

• روش نوین: نانوفیلتراسیون و تبادل یونی برای مصارف خانگی و صنایع کوچک کارآمدند.

• بهینه‌سازی:

  • ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با آهک + نانوفیلتراسیون).

  • استفاده از نانوذرات برای جذب انتخابی کلسیم.

• مدیریت پسماند:

  • بازیافت لجن CaCO₃ در صنعت ساختمان.

  • احیای رزین‌ها و غشاها برای کاهش هزینه‌ها.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۱۰ m³/day، سختی کلسیم ۳۰۰ mg/L (بر حسب CaCO₃).

• روش انتخابی: نانوفیلتراسیون با شار ۲۰ LMH.

  • سطح غشا: ۱۰۲۰×۲۴≈۰.۰۲ m²۲۰×۲۴۱۰​≈۰.۰۲m².

  • فشار عملیاتی: ۱۰ بار.

  • انرژی مصرفی: bar۱۰ ×۱۰ m³/day)/(۳۶۰۰×۰.۷)≈۰.۰۴ kWh/m³).

مرجع تخصصی آب و فاضلاب