مقدمه
در دهه‌های اخیر با افزایش جمعیت، رشد صنایع و مصرف گسترده آب، مسئله تصفیه فاضلاب به یکی از چالش‌های مهم زیست‌محیطی تبدیل شده است. فاضلاب‌های شهری و صنعتی حاوی مقادیر زیادی مواد آلی، ذرات معلق، فلزات سنگین و ترکیبات شیمیایی هستند که در صورت تخلیه بدون تصفیه به محیط زیست، موجب آلودگی منابع آبی و تهدید سلامت انسان می‌شوند. برای بهبود کارایی فرایندهای تصفیه فیزیکی و شیمیایی، از مواد شیمیایی منعقدکننده و لخته‌ساز استفاده می‌شود. یکی از مؤثرترین این مواد پلی آکریل‌آمید کاتیونی (Cationic Polyacrylamide) یا به اختصار CPAM است.
پلی آکریل‌آمید کاتیونی چیست؟
پلی آکریل‌آمید (PAM) یک پلیمر سنتزی محلول در آب است که از مونومر آکریل‌آمید ساخته می‌شود. با تغییر نوع گروه‌های عاملی متصل به زنجیره پلیمری، انواع مختلفی از آن تولید می‌شود؛ از جمله پلی آکریل‌آمید آنیونی، غیریونی و کاتیونی. در نوع کاتیونی، گروه‌های آمونیوم چهارتایی یا آمین‌های نوع دوم و سوم به زنجیره پلیمری افزوده می‌شوند که باعث می‌شود پلیمر دارای بار مثبت شود.
بار مثبت در ساختار پلی آکریل‌آمید کاتیونی نقش کلیدی در عملکرد آن دارد؛ زیرا بیشتر ذرات معلق و ترکیبات آلی موجود در فاضلاب دارای بار منفی هستند و تمایل زیادی به جذب بارهای مثبت دارند. این ویژگی باعث می‌شود CPAM بتواند به‌طور مؤثری ذرات ریز معلق را به یکدیگر متصل کرده و تشکیل لخته‌های بزرگ‌تری دهد که به راحتی از فاضلاب جدا می‌شوند.
مکانیسم عملکرد پلی آکریل‌آمید کاتیونی در تصفیه فاضلاب
عملکرد CPAM بر پایه سه مکانیسم اصلی استوار است:
-
خنثی‌سازی بارهای سطحی (Charge Neutralization):
ذرات کلوئیدی موجود در فاضلاب به‌دلیل بار منفی، یکدیگر را دفع می‌کنند و در حالت تعلیق باقی می‌مانند. هنگامی که پلی آکریل‌آمید کاتیونی به سیستم اضافه می‌شود، بار مثبت آن بار منفی ذرات را خنثی کرده و باعث کاهش نیروی دافعه بین ذرات می‌شود. در نتیجه، ذرات به یکدیگر نزدیک شده و تمایل به تجمع پیدا می‌کنند. -
پل‌سازی بین ذرات (Bridging Mechanism):
زنجیره‌های بلند CPAM می‌توانند بین چندین ذره معلق پل ایجاد کنند. این پدیده منجر به تشکیل لخته‌های بزرگ‌تر و پایدارتر می‌شود که به راحتی در فرایند ته‌نشینی یا فیلتراسیون جدا می‌گردند. -
جذب سطحی و انعقاد فیزیکی:
گروه‌های فعال موجود در CPAM می‌توانند از طریق پیوند هیدروژنی و نیروهای واندروالس به سطوح ذرات آلی یا غیرآلی متصل شوند. این تعامل‌ها فرایند لخته‌سازی را تقویت کرده و موجب بهبود شفافیت آب خروجی می‌شود.
کاربردهای پلی آکریل‌آمید کاتیونی در تصفیه فاضلاب
۱. تصفیه فاضلاب شهری
در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری، CPAM به‌عنوان کمک‌منعقدکننده در مرحله لخته‌سازی استفاده می‌شود. افزودن مقدار کمی از این پلیمر می‌تواند کارایی ته‌نشینی مواد معلق را تا چند برابر افزایش دهد و حجم لجن تولیدی را کاهش دهد. همچنین در واحد آبگیری از لجن (Sludge Dewatering) نیز CPAM موجب بهبود راندمان دستگاه‌های فیلترپرس و سانتریفیوژ می‌شود.
۲. تصفیه فاضلاب صنعتی
صنایع مختلف از جمله پتروشیمی، کاغذسازی، نساجی، فولاد، چرم، لبنیات و مواد غذایی معمولاً فاضلاب‌هایی با بار آلی و مواد معلق بالا تولید می‌کنند. پلی آکریل‌آمید کاتیونی به‌دلیل داشتن بار مثبت، برای حذف مواد آلی و رنگ‌زاها در این نوع فاضلاب‌ها بسیار مؤثر است. در بسیاری از صنایع، CPAM در ترکیب با پلی‌آلومینیوم کلراید (PAC) یا سولفات آلومینیوم استفاده می‌شود تا همزمان انعقاد و لخته‌سازی انجام گیرد.
۳. تغلیظ و آبگیری لجن
یکی از مراحل پرهزینه در تصفیه فاضلاب، آبگیری از لجن است. CPAM با افزایش سرعت ته‌نشینی ذرات لجن و تسهیل خروج آب، به‌طور قابل توجهی مصرف انرژی و هزینه‌های بهره‌برداری را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، لجن خشک‌شده حاصل از استفاده از CPAM معمولاً حجم کمتری دارد و حمل‌ونقل آن آسان‌تر است
مزایای استفاده از پلی آکریل‌آمید کاتیونی
-
بهره‌وری بالا در دوز پایین:
مقدار مورد نیاز CPAM معمولاً بسیار کم است، اما تأثیر آن چشمگیر می‌باشد. -
افزایش سرعت ته‌نشینی و شفافیت آب خروجی.
-
قابل استفاده در گستره وسیعی از pH (حدود 4 تا 9).
-
کاهش حجم لجن و بهبود آبگیری.
-
سازگاری با سایر مواد شیمیایی مانند PAC و آهک.
-
غیر سمی بودن و پایداری شیمیایی بالا.
نحوه استفاده و دوز مصرفی
پلی آکریل‌آمید کاتیونی معمولاً به‌صورت پودر خشک یا محلول آماده عرضه می‌شود. برای استفاده صنعتی، پودر CPAM باید ابتدا در آب با غلظت مناسب (معمولاً ۰٫۱ تا ۰٫۵ درصد) حل شود و سپس به جریان فاضلاب تزریق گردد. مقدار دقیق مصرف بسته به نوع فاضلاب، غلظت مواد معلق، pH و دمای محیط تعیین می‌شود، اما به‌طور میانگین در بازه ۱ تا ۱۰ میلی‌گرم بر لیتر متغیر است. انجام آزمایش جار (Jar Test) پیش از استفاده در مقیاس واقعی، بهترین روش برای تعیین دوز بهینه است.
عوامل مؤثر بر کارایی پلی آکریل‌آمید کاتیونی
-
درجه کاتیونیته (Cationic Degree): هرچه میزان بار مثبت در ساختار CPAM بیشتر باشد، تمایل آن برای جذب ذرات منفی بیشتر خواهد بود.
-
وزن مولکولی پلیمر: پلیمرهای با وزن مولکولی بالا، خاصیت پل‌سازی قوی‌تری دارند اما ممکن است سرعت انحلال پایین‌تری داشته باشند.
-
pH و دمای فاضلاب: در محدوده pH خنثی عملکرد بهینه دارد و دمای بالاتر معمولاً باعث افزایش سرعت واکنش می‌شود.
-
زمان اختلاط: اختلاط بیش از حد می‌تواند باعث تخریب لخته‌ها شود، بنابراین باید تنظیم شود.
نکات ایمنی و زیست‌محیطی
پلی آکریل‌آمید کاتیونی در غلظت‌های معمول مورد استفاده، ماده‌ای نسبتاً بی‌خطر است؛ با این حال باید در انبار خشک و خنک نگهداری شود و از تماس مستقیم پودر آن با پوست و چشم جلوگیری گردد. مونومر آکریل‌آمید آزاد (در صورت وجود) سمی است، بنابراین محصولات معتبر با درصد مونومر آزاد بسیار پایین (کمتر از ۰٫۰۵٪) باید استفاده شوند.
از دیدگاه زیست‌محیطی، CPAM به‌دلیل مصرف پایین و قابلیت تجزیه نسبی در محیط، اثر مخرب قابل توجهی ندارد و یکی از گزینه‌های مناسب برای تصفیه فاضلاب به شمار می‌آید.
جمع‌بندی
پلی آکریل‌آمید کاتیونی یکی از پرکاربردترین و مؤثرترین لخته‌سازهای شیمیایی در سیستم‌های تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی است. این ماده با مکانیسم‌های خنثی‌سازی بار، پل‌سازی و جذب سطحی، قادر است ذرات معلق و ترکیبات آلی را به‌سرعت ته‌نشین کرده و موجب شفافیت بالای پساب شود. استفاده صحیح از CPAM نه‌تنها کیفیت آب تصفیه‌شده را ارتقا می‌دهد، بلکه هزینه‌های بهره‌برداری و حجم لجن تولیدی را کاهش می‌دهد. به همین دلیل، امروزه بسیاری از تصفیه‌خانه‌ها و واحدهای صنعتی از این پلیمر به‌عنوان بخش جدایی‌ناپذیر فرایند تصفیه استفاده می‌کنند.