مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف منیزیم (Mg²⁺) از آب و فاضلاب عمدتاً به دلیل ایجاد سختی آب و مشکلات ناشی از آن مانند رسوب‌گذاری در سیستم‌های لوله‌کشی، کاهش کارایی شوینده‌ها و اختلال در فرآیندهای صنعتی اهمیت دارد. منیزیم معمولاً همراه با کلسیم در منابع آب طبیعی وجود دارد. در زیر روش‌های سنتی و نوین حذف منیزیم، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف منیزیم:

1. نرم‌سازی با آهک (Lime Softening):

   • افزودن آهک (Ca(OH)₂) و سودا اش (Na₂CO₃) برای تبدیل منیزیم به هیدروکسید منیزیم نامحلول.

   • فرمول واکنش:

     +Mg2++Ca(OH)2​→Mg(OH)2​↓+Ca2

   • مزایا: کاهش همزمان سختی کلسیم و منیزیم.

   • معایب: تولید لجن و نیاز به تنظیم دقیق pH (~۱۰.۵–۱۱).

2. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل کاتیونی (مانند رزین سولفونیک اسید) برای جایگزینی یون‌های Mg²⁺ با Na⁺.

   • فرمول کلی:

     +2R-Na+Mg2+→R2​-Mg+2Na

   • مزایا: مناسب برای آب‌های با سختی متوسط.

   • معایب: نیاز به احیای دوره‌ای با محلول NaCl و هزینه بالای رزین.

3. ترسیب شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • استفاده از فسفات‌ها یا کربنات‌ها برای تشکیل ترکیبات نامحلول مانند منیزیم فسفات.

   • فرمول واکنش:

     ↓3Mg2++2PO43−​→Mg3​(PO4​)2​

   • محدودیت: هزینه مواد شیمیایی و تولید لجن.

روش‌های نوین حذف منیزیم:

1. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • اسمز معکوس (RO):

     • جداسازی یون‌های Mg²⁺ با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا.

     • بازده: ۹۵–۹۹٪ حذف منیزیم.

   • نانوفیلتراسیون (NF):

     • مناسب برای حذف انتخابی یون‌های دوظرفیتی مانند Mg²⁺.

   • مزایا: عدم نیاز به مواد شیمیایی.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و نگهداری.

2. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

   • استفاده از الکترودهای آهن یا آلومینیوم و جریان الکتریکی برای تولید هیدروکسیدهای فلزی که منیزیم را جذب می‌کنند.

   • فرمول واکنش:

     -Al→Al3++3e
   • ​↓Al3++Mg2++OH−→Al(OH)3​⋅Mg(OH)2

   • مزایا: کاهش همزمان چند آلاینده.

3. جاذب‌های نانوساختار (Nanostructured Adsorbents):

   • استفاده از نانوذرات اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) یا گرافن اکسید اصلاح‌شده برای جذب انتخابی Mg²⁺.

   • مکانیسم: گروه‌های عاملی (-OH) روی سطح نانوذرات، یون‌های منیزیم را جذب می‌کنند.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۵۰ mg/g) و امکان بازیابی جاذب.

4. فرآیندهای الکتروشیمیایی (Electrochemical Processes):

   • استفاده از سلول‌های الکترولیتی برای رسوب‌دهی منیزیم روی کاتد.

   • فرمول واکنش:

     ↓Mg2++2e−→Mg

   • مزایا: بازیابی منیزیم به صورت فلزی.

   • معایب: نیاز به غلظت بالا و انرژی زیاد.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • آهک‌زدایی: pH ~۱۰.۵–۱۱ برای تشکیل Mg(OH)₂.

  • الکتروکواگولاسیون: pH ~۶–۸ برای پایداری فلوک‌ها.

• غلظت مواد شیمیایی: دوز بهینه آهک یا آلوم برای جلوگیری از مصرف بیش از حد.

• زمان تماس: ۲۰–۶۰ دقیقه برای فرآیندهای ترسیب.

• ولتاژ در الکتروکواگولاسیون: ۱۰–۳۰ ولت.

فرمول‌های کلیدی:

• محصول انحلال (Ksp) برای Mg(OH)₂:

  Ksp​=[Mg2+][OH−]2=1.8×10−11

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای آب‌های سخت: ترکیب آهک‌زدایی با فیلتراسیون.

   • برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانوفیلتراسیون یا الکتروکواگولاسیون.

2. مواد و تجهیزات:

   • آهک، سودا اش، رزین‌های تبادل یونی، غشاهای نانوفیلتراسیون، الکترودهای آلومینیوم.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای اختلاط سریع و آهسته (برای آهک‌زدایی)، ستون‌های تبادل یونی یا سیستم‌های غشایی.

4. نگهداری:

   • دفع لجن‌های حاوی منیزیم، احیای رزین‌ها با NaCl و تمیزکاری غشاها.

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند آهک‌زدایی و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه نسبی پایین، هنوز در صنعت استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانوفیلتراسیون، الکتروکواگولاسیون و جاذب‌های نانوساختار به دلیل کارایی بالا و سازگاری با محیط زیست، برای سیستم‌های پیشرفته مناسب هستند. انتخاب روش نهایی به عواملی مانند غلظت منیزیم، هزینه و مقررات زیست‌محیطی بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب