مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف باریم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:
  باریم به صورت یون Ba2+ در آب وجود دارد و با افزودن سولفات (SO4+2−​) به شکل سولفات باریم (BaSO4​) نامحلول رسوب می‌کند:

  Ba2++SO4+2−→BaSO4↓(Ksp=1.1×10−10)

• مواد شیمیایی:

  • سدیم سولفات (Na2​SO4​) یا سولفوریک اسید (H2​SO4​).

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۶–۸ (برای جلوگیری از تشکیل BaCO3BaCO3​ در محیط قلیایی).

  • دوز سولفات: ۱.۱ برابر مقدار استوکیومتری (مثلاً برای ۵۰ mg/L +Ba2، دوز ≈ ۳۵ mg/L SO4-2−​).

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های کاتیونی سولفونیک اسید برای جایگزینی Ba2+ باNa+:

  R-Na2+Ba2+→R-Ba+2Na

• احیای رزین: شستشو با NaCl غلیظ (۱۰٪) یا HCl.

• ظرفیت رزین: ۲–۴ میلی‌اکیوالان بر گرم (meq/g).

ج. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از آلوم (Al2​(SO4​)3​) یا کلرید فریک (FeCl3​) برای تشکیل لخته‌های هیدروکسیدی کهBa+2 را جذب می‌کنند.

• پارامترها:

  • دوز منعقدکننده: ۲۰–۱۰۰ mg/L.

  • pH بهینه: ۶–۷.

۲. روش‌های نوین

الف. اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO)

• مکانیسم:
  استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا برای حذف ۹۵–۹۹٪ یون‌های Ba2+Ba2+.

• فرمول شار غشایی:

  
  (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

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

ب. الکترودیالیز (Electrodialysis)

• مکانیسم:
  انتقال انتخابی یون‌ها از طریق غشاهای کاتیونی و آنیونی تحت میدان الکتریکی.

• فرمول نرنست:

  E=E0−(RT/nF)ln⁡Q
• E: پتانسیل سلول، Q: ضریب واکنش.

ج. جذب سطحی پیشرفته (Advanced Adsorption)

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۱۲۰ mg/g.

  • زیست‌جاذب‌ها (Biochar): جذب از طریق گروه‌های عاملی اکسیژن.

• فرمول ایزوترم لانگمیر:

  (1+KL​⋅Ce​)/(Qmax​⋅KL​⋅Ce)=qe​​​

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آهنی یا آلومینیومی برای تولید هیدروکسید فلزی که باریم را جذب می‌کند:

  • واکنش آند:

    −Fe→Fe2++2e

  • تشکیل هیدروکسید آهن:

    ↓Fe2++2OH−→Fe(OH)2​

• فرمول فارادی:

  
  m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F)​

• • m: جرم الکترود مصرفی (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه).

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

رسوب‌سازی ۸۰–۹۵٪ کم تولید لجن صنایع شیمیایی

تبادل یونی ۹۰–۹۸٪ متوسط حساسیت به یون‌های رقیب آب‌های با TDS پایین

اسمز معکوس ۹۵–۹۹٪ بالا مصرف انرژی بالا صنایع نیمه‌هادی

الکترودیالیز ۸۵–۹۵٪ بسیار بالا هزینه تجهیزات سیستم‌های پیشرفته

۴. فرمول‌های کلیدی

محاسبه دوز سولفات در رسوب‌سازی

دوز سولفات (mg/L)=غلظت Ba+2×۱.۰۵

• مثال: برای ۵۰ mg/LBa+2، دوز ۳۵ ≈ mg/LSO4-2.

ظرفیت رزین تبادل یونی

عمر رزین (روز)=((kg)غلظت Ba2+×دبی (m³/day))/(ظرفیت رزین (meq/g)×جرم رزین )

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، میکسر مکانیکی، مخزن تهنشینی.

  • پمپ لجن برای جمع‌آوری BaSO4​.

• اجرا:
  ۱. تزریق Na2​SO4​ به آب.
  ۲. تنظیم pH به ۶–۷ با آهک یا اسید.
  ۳. جداسازی لجن و خشک‌کردن آن.

ب. سیستم اسمز معکوس

• تجهیزات:

  • غشاهای پلی آمیدی مارپیچی، پمپ فشار بالا (۱۵–۳۰ bar).

  • پیش‌تصفیه (فیلتر شنی و کربنی).

• اجرا:

  • نصب غشاها در دو مرحله برای افزایش راندمان.

ج. سیستم الکترودیالیز

• تجهیزات:

  • غشاهای کاتیونی/آنیونی، الکترودهای تیتانیومی، منبع تغذیه DC.

• پارامترها:

  • ولتاژ: ۲۰–۵۰ ولت، جریان: ۱–۵ A/m².

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی با سولفات برای صنایع با غلظت بالای باریم مناسب است.

• روش نوین: اسمز معکوس و الکترودیالیز برای حذف با راندمان > ۹۵٪ پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی:

  • ترکیب رسوب‌سازی با تبادل یونی برای کاهش هزینه.

  • استفاده از نانوذرات برای جذب انتخابی.

• مدیریت پسماند:

  • تثبیت لجن BaSO4​ با سیمان یا دفن بهداشتی.

  • احیای رزین‌ها با NaCl یا HCl.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۱۰ m³/day، غلظت Ba2+ = ۱۰۰ mg/L، هدف: ≤ ۲ mg/L.

• روش انتخابی: رسوب‌سازی + تبادل یونی.

  • دوز Na2​SO4​:( ۱۰۰×96.06)/(137.33)×1.1≈۷۷ mg/L.

  • حجم رزین: با فرض ظرفیت ۳ meq/g و دبی ۱۰ m³/day، جرم رزین ≈ ۵۰ kg.

• شرایط: دبی ۵ m³/day، غلظت باریم ۱۰ mg/L، هدف: ≤ ۲ mg/L.

• روش انتخابی: الکتروکوآگولاسیون با جریان ۲ A/m².

  • زمان تماس: ۳۰ دقیقه.

  • انرژی مصرفی: (۲×۹۶۴۸۵)/(۲×۳۰×۶۰×۵۶)≈۱.۰۴ g Fe.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب