โพลีอะคริลาไมด์: สารเคมีในการตกตะกอนและการเชื่อม

กลไก: วิธีที่โพลีอะคริลาไมด์ตกตะกอนและเชื่อมอนุภาคคอลลอยด์อินทรีย์

โพลีอะคริลาไมด์ (PAM) ทำให้เกิดการกำจัดคอลลอยด์อินทรีย์โดยหลักๆ แล้วโดยกลไกทางกายภาพและเคมีเสริมสองกลไก: การทำให้ประจุเป็นกลาง (การตกตะกอน) และการเชื่อมโยงการตกตะกอน ในการทำให้ประจุเป็นกลาง PAM ประจุบวก (หรือ PAM ไฮโดรไลซ์บางส่วนเมื่อมีแคตไอออนหลายวาเลนท์) ช่วยลดแรงผลักไฟฟ้าสถิตที่ทำให้อนุภาคอินทรีย์ขนาดเล็กกระจัดกระจาย ช่วยให้อนุภาครวมตัวกันและตกตะกอน ในการเชื่อมโยง PAM ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะดูดซับลงบนอนุภาคหลายตัวพร้อมกัน: สายโซ่โพลีเมอร์ยาวเส้นเดียวจะยึดติดกับพื้นผิวในบริเวณที่แยกจากกัน และเชื่อมโยงอนุภาคทางกายภาพเข้ากับฟอสฟอรัสขนาดใหญ่ที่เกาะตัวอย่างรวดเร็วหรือสามารถแยกน้ำออกได้

คุณสมบัติของโพลีเมอร์ที่กำหนดการตกตะกอนและปฏิกิริยาการเชื่อม

น้ำหนักโมเลกุล (ความยาวโซ่)

PAM ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง (โดยทั่วไป >5–10 MDa) ชอบการเชื่อมเนื่องจากขดลวดยาวสามารถขยายระยะห่างระหว่างอนุภาคขนาดใหญ่และพันอนุภาคหลายตัวได้ PAM ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำมีความสามารถในการเชื่อมโยงที่จำกัดและมีพฤติกรรมเหมือนสารตกตะกอนระยะสั้นที่สามารถช่วยปรับประจุให้เป็นกลางแต่ก่อตัวเป็นตะกอนที่มีขนาดเล็กลง

ความหนาแน่นและประเภทของประจุ (ประจุบวก, ประจุลบ, ประจุลบ)

เครื่องหมายและความหนาแน่นของกลุ่มไอออนิกบน PAM ควบคุมกลไกการตกตะกอน (การทำให้ประจุเป็นกลาง):

• PAM ประจุบวก: มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในการตกตะกอนคอลลอยด์อินทรีย์ที่มีประจุลบ (เช่น สารฮิวมิก อนุภาคตะกอนประจุลบ) ผ่านการดึงดูดด้วยไฟฟ้าสถิตและการทำให้เป็นกลาง
• Anionic PAM: มีประโยชน์เมื่อคอลลอยด์มีประจุบวกหรือเมื่อต้องการการเชื่อมต่อโดยไม่ต้องทำให้ประจุเป็นกลางอย่างรวดเร็ว มักใช้กับสารตกตะกอนประจุบวกในการรักษาสองขั้นตอน
• PAM แบบไม่มีประจุ: ทำหน้าที่หลักในการเชื่อมโยงและเป็นที่ชื่นชอบในกรณีที่ปฏิกิริยาของไอออนิกอ่อนหรือแปรผัน

ตัวแปรกระบวนการสำคัญที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิผล

pH และความแข็งแรงของไอออนิก

pH เปลี่ยนแปลงประจุพื้นผิวของคอลลอยด์อินทรีย์และประจุปรากฏของโพลีเมอร์ไฮโดรไลซ์บางส่วน ความแรงของไอออนิกบีบอัดชั้นไฟฟ้าสองชั้นและสามารถส่งเสริมการตกตะกอนโดยการลดแรงผลักลง ค่า pH ของการบำบัดน้ำโดยทั่วไปคือ 6–9 แต่ค่า pH ที่เหมาะสมจะต้องได้รับการทดสอบ เนื่องจากค่า pH สามารถเปลี่ยนโครงสร้างของโพลีเมอร์และพฤติกรรมการดูดซับได้

การผสมผสานพลังงานและลำดับ

การผสมเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว (แรงเฉือนสูง) มักจะใช้เพื่อกระจายสารตกตะกอนและสร้างความถี่ในการชนกันสำหรับการวางตัวเป็นกลางของประจุ การผสมอย่างอ่อนโยนเพื่อให้โซ่โพลีเมอร์ดูดซับและเชื่อมต่อโดยไม่ต้องตัดโซ่ยาว การตัดเฉือนมากเกินไปจะทำลายก้อนเนื้อที่เกิดจากการเชื่อมและลดประสิทธิภาพการตกตะกอนและการแยกน้ำออก

การประยุกต์ใช้งานจริง: กลยุทธ์ในการจ่ายสารและวิธีการทดสอบขวด

การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ PAM ต้องใช้การทดสอบขวดขนาดเล็กที่เลียนแบบการผสมในภาคสนามและเวลาคงอยู่ ขั้นตอนทั่วไปได้แก่: ผสมอย่างรวดเร็วเพื่อจำลองการกระจายตัวของสารตกตะกอน เติมโพลีเมอร์ในปริมาณต่ำแล้วสังเกตดู เพิ่มปริมาณอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งความขุ่น ปริมาตรของตะกอน หรืออัตราการตกตะกอนถึงค่าที่เหมาะสมในทางปฏิบัติ ประเมินความแข็งแรงของฟองโดยการใช้พัลส์แรงเฉือนสูงสั้นๆ และสังเกตการเจริญเติบโตใหม่ ใส่ช่องว่าง (ไม่มีโพลีเมอร์) และการทดสอบน้ำหนักโมเลกุลหรือความหนาแน่นของประจุที่แตกต่างกันเสมอ

การตรวจสอบและการวิเคราะห์เพื่อยืนยันการตกตะกอนและการเชื่อมโยง

ใช้การวัดเสริมเพื่อประเมินว่าการตกตะกอน (การทำให้ประจุเป็นกลาง) หรือการเชื่อมมีผลเหนือกว่า และเพื่อวัดประสิทธิภาพ:

• การกำจัดความขุ่นและสารแขวนลอย (TSS) — ตัวชี้วัดภาคสนามอย่างรวดเร็วของการก่อตัวรวมตัว
• ศักยภาพของซีตา — ซีต้าใกล้ศูนย์บ่งชี้ว่าการวางตัวเป็นกลางของประจุมีประสิทธิผล ถ้าซีต้ายังคงเป็นลบแต่เกิดฟองขนาดใหญ่ การเชื่อมต่อน่าจะมีความโดดเด่น
• การกระจายขนาดอนุภาค — การเติบโตของเส้นผ่านศูนย์กลางของอุทกพลศาสตร์ที่ใหญ่ขึ้นเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงความสำเร็จในการเชื่อมโยง
• การตกตะกอนความเร็วและเวลาในการดูดของเส้นเลือดฝอย (CST) สำหรับตะกอน — ประเมินกำไรจากการแยกน้ำจากการเชื่อมตะกอน

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบและคำแนะนำในการปฏิบัติงาน

เริ่มต้นต่ำและไตเตรท

เริ่มต้นด้วยขนาดยาอย่างระมัดระวังและเพิ่มขนาดในการทดสอบขวดโหล การให้ยาเกินขนาดสามารถทำให้คอลลอยด์กลับคืนสู่สภาพเดิมได้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการเปลี่ยนแปลงสมดุลของประจุลบ/ประจุบวก) หรือสร้างก้อนเนื้อลื่นและไวต่อแรงเฉือนซึ่งยากต่อการแยกน้ำ

ลำดับด้วยสารตกตะกอน

เมื่อสารอินทรีย์มีประจุสูงหรือมีความเข้มข้นสูง ให้ใช้สารตกตะกอนโลหะ (เช่น สารส้ม เฟอร์ริกคลอไรด์) หรือโพลีอิเล็กโตรไลต์ประจุบวกเพื่อลดประจุก่อน ตามด้วย PAM ที่มีเมกะวัตต์สูงเพื่อเชื่อมโยงและการเติบโตของ floc ในกากตะกอนอุตสาหกรรมหลายชนิด สารตกตะกอนแบบรวมช่วยให้ได้ผลลัพธ์ในการดักจับของแข็งและการแยกน้ำที่ดีที่สุด

การจัดการแรงเฉือนและการเลือกปั๊ม

เลือกปั๊มและท่อเพื่อลดแรงเฉือนหลังจากการเติมโพลีเมอร์ หากโพลีเมอร์ต้องผ่านโซนที่มีแรงเฉือนสูง ให้พิจารณาการปรับสภาพดาวน์สตรีม (ผสมลงในโซนนิ่ง) เพื่อให้ฟล็อคสามารถก่อตัวใหม่ได้

ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม ความปลอดภัย และคุณภาพโพลีเมอร์

คำนึงถึงโมโนเมอร์ที่ตกค้าง (อะคริลาไมด์) ในผลิตภัณฑ์ PAM เกรดทางเทคนิค เลือกผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรองสำหรับโมโนเมอร์ที่ตกค้างต่ำเมื่อนำมาใช้ในการปล่อยทิ้งที่ดื่มได้หรือเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ให้พิจารณาความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพและชะตากรรมของฝูงสัตว์ขนาดใหญ่ด้วย — การใช้ที่ดินหรือการฝังกลบของแข็งที่แยกน้ำออกอาจต้องมีการทดสอบสารตกค้างของโพลีเมอร์, AOX หรือสารปนเปื้อนที่เกี่ยวข้อง ขึ้นอยู่กับเขตอำนาจศาล

การแก้ไขปัญหาทั่วไป

• การตกตะกอนไม่ดีแต่การปรับปรุงความขุ่นต่ำ: ตรวจสอบโพลีเมอร์ MW (อาจต่ำเกินไป) และประวัติแรงเฉือน ลองใช้ PAM แบบไม่มีประจุหรือประจุบวก MW ที่สูงขึ้นและลดแรงเฉือน
• ก้อนเนื้อเหลวและอ่อนแอหลังจากได้รับโดสในปริมาณมาก: การให้ยาเกินขนาดอาจทำให้เกิดความเสถียรของสเตอริกได้ ลดขนาดยาและทำการทดสอบขวดโหลอีกครั้ง
• ประสิทธิภาพที่ไม่สอดคล้องกับความแปรปรวนที่มีอิทธิพล: ใช้การตรวจติดตามความขุ่น/ศักยภาพซีต้าแบบออนไลน์ และการปรับขนาดยาอัตโนมัติ (การควบคุมผลป้อนกลับ)

ข้อสรุป — กลไกการจับคู่กับวัตถุประสงค์

หากต้องการกำจัดอนุภาคคอลลอยด์อินทรีย์อย่างมีประสิทธิภาพ ให้ระบุว่าลำดับความสำคัญของคุณคือการตกตะกอนอย่างรวดเร็ว (การทำให้ประจุเป็นกลาง) หรือการก่อตัวของตะกอนที่สามารถแยกน้ำออกได้ (การเชื่อม) เลือกประจุโพลีเมอร์และน้ำหนักโมเลกุลเพื่อให้ตรงกับเป้าหมาย ปรับสภาวะ pH/ไอออนิกและการผสมให้เหมาะสม และตรวจสอบด้วยการทดสอบขวดและการตรวจติดตามซีต้า/ขนาด โพลีอะคริลาไมด์ที่ใช้อย่างเหมาะสมยังคงเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่ยืดหยุ่นและประหยัดที่สุดในการเปลี่ยนคอลลอยด์อินทรีย์ที่เสถียรให้เป็นของแข็งที่ตกตะกอนหรือกรองได้