فیلتراسیون آب بر اساس مکانیسم جذب مواد جامد متنوعی صورت می گیرد که هر کدام به نوعی به بهبود فرآیند جداسازی ذرات کمک می کنند. ساختار پیچیده و پر از منافذ ماسه‌ها در فیلتر شنی موجب می شود که مایع هنگام عبور از این مسیر پر پیچ و خم، ذرات جامد معلق خود را در تماس با سطح دانه‌های شن از دست بدهد.
مکانیسمهای مختلف جذب مواد ذره ای
این ذرات می توانند از طریق یکی از مکانیسم های زیر جذب شوند:
برخورد مستقیم
این مکانیسم زمانی رخ می دهد که ذرات معلق در مسیر جریان مستقیم مایع به سطح دانه‌های شن برخورد کرده و به آن می چسبند. این فرآیند بیشتر برای ذرات بزرگ تر یا سنگین تر مؤثر است که حرکت آنها به طور قابل توجهی تحت تأثیر جریان مایع قرار دارد.
فیلتراسیون سطحی
در این مکانیسم جذب مواد جامد، ذرات معلق با اندازه بزرگ تر از منافذ موجود در سطح بستر شنی، نمی توانند از فیلتر عبور کنند و در همان ابتدای سطح فیلتر متوقف می شوند. این فرایند شبیه یک سد مکانیکی عمل می کند و مانع عبور ذرات بزرگ تر از اندازه حفرات می شود. فیلتراسیون سطحی معمولاً اولین مرحله در حذف ذرات است و برای ذراتی مانند خاک، شن و مواد معلق بزرگ تر از چند میکرون مؤثر است.
نیروی واندروالسی
نیروهای بین مولکولی ضعیف (واندروالس) بین سطح دانه‌های شن و ذرات جامد معلق می تواند موجب جذب این ذرات شود. این نیروها که شامل نیروی لندن نیز هستند، به دلیل خاصیت الکتریکی لحظه ای در سطح مواد، ایجاد می شوند و به دام انداختن ذرات ریزتر کمک می کنند.
دانه‌های شن با داشتن بار سطحی خاص می توانند ذراتی با بار مخالف را جذب کنند. این فرایند به ویژه برای جذب مواد آلی و ذرات بسیار کوچک که ممکن است از منافذ فیلتر عبور کنند، مؤثر است. کارایی این مکانیسم به جنس شن، اندازه سطح ویژه و ویژگی‌های شیمیایی آب وابسته است.
جاذبه بار سطحی
بار الکتریکی سطحی ذرات و دانه‌های شن نقش مهمی در جذب ذرات جامد دارد. اگر بار سطحی ذرات معلق مخالف بار سطح دانه‌های شن باشد، جاذبه الکتریکی ایجاد شده موجب چسبیدن ذرات به سطح ماسه می شود. این مکانیسم در شرایطی که pH آب تنظیم شده باشد یا به واسطه افزودن مواد شیمیایی، بار الکتریکی ذرات کنترل شده باشد، بسیار مؤثرتر عمل می کند.
انتشار
ذرات جامد ریز که حرکت آنها تحت تأثیر انرژی حرارتی قرار دارد، می توانند به سطح دانه‌های ماسه نزدیک شده و جذب شوند. این مکانیسم به طور ویژه برای جداسازی ذرات کوچک تر و سبک تر که حرکت تصادفی دارند (حرکت براونی)، اهمیت دارد.
رسوب گذاری
هنگامی که جریان آب کاهش می یابد، نیروی گرانش بر روی ذرات معلق اثر می گذارد و ذرات سنگین تر از آب ته نشین می شوند. این ذرات در بین فضای خالی میان دانه‌های شن و ماسه گیر می کنند و از جریان آب جدا می شوند. رسوب گذاری به طور عمده برای ذراتی که وزن مخصوص بالاتری نسبت به آب دارند مؤثر است و نقش مهمی در کاهش بار آلودگی ورودی ایفا می کند.
دیفیوژن
ذرات بسیار ریز (مانند کلوئیدها و نانوذرات) به دلیل حرکت براونی (حرکت تصادفی ناشی از برخورد با مولکول‌های آب) به طور نامنظم حرکت کرده و به سطوح دانه‌های شن برخورد می کنند. این برخوردها باعث جذب این ذرات بر روی دانه‌ها می شود. دیفیوژن به طور ویژه در حذف ذرات کوچک تر از 1 میکرون اهمیت دارد و اغلب نقش تکمیلی در کنار سایر مکانیسم‌ها ایفا می کند.
انعقاد و لخته سازی
برای افزایش کارایی تجهیزات مرتبط با سیستمهای فیلتراسیون آب، در بسیاری از مواقع مواد منعقد کننده شیمیایی به آب ورودی اضافه می شود. این مواد باعث خنثی شدن بار الکتریکی ذرات معلق و چسبیدن آنها به یکدیگر می شوند و لخته‌های بزرگ تری تشکیل می دهند.
این لخته‌ها به راحتی توسط مکانیسمهای دیگر مانند رسوب گذاری یا گیر کردن در فضای خالی حذف می شوند. استفاده از این تکنیک معمولاً در تصفیه خانه‌های بزرگ و برای آب‌های با بار آلودگی بالا انجام می شود.
نیروهای هیدرودینامیکی
نیروهای هیدرودینامیکی ناشی از جریان آب در بستر شنی نیز یکی دیگر از انواع مکانیسم جذب مواد جامد می باشد که می توانند بر حرکت ذرات و نحوه قرارگیری آنها در فیلتر تأثیر بگذارند. کاهش سرعت جریان آب و تنظیم مناسب دبی ورودی می تواند باعث افزایش فرصت جذب و حذف ذرات شود.
رفتار ذرات و تأثیر عمق فیلتر
گاهی ذرات معلق به دلیل موانعی که در سطح بستر ایجاد می شود، نمی توانند در لایه‌های اولیه جذب شوند و به عمق بیشتری از فیلتر نفوذ می کنند. در این حالت، جذب ذرات در لایه‌های عمیق تر فیلتر رخ می دهد. با گذشت زمان و با افزایش مواد جمع شده بر روی سطح دانه‌های شن، ممکن است دانه‌های شن که قبلاً توسط مواد جامد اشباع شده اند، به دلیل تراکم زیاد ذرات، بخشی از ذرات جدید را دفع کنند. در طولانی مدت این رفتار ممکن است باعث افت فشار فیلتر شنی شده و مشکلاتی را به بار بیاورد.
راه های تقویت مکانیسمهای جذب ذرات معلق
برای افزایش کارایی سیستمهای جذب ذرات معلق و اطمینان از حذف حداکثری آنها، روش‌های زیر می توانند پیش از ورود جریان به بستر شنی مورد استفاده قرار گیرند:
- تنظیم و تغییر pH آب می تواند بار سطحی ذرات معلق و ماسه‌ها را تغییر دهد. این تغییر باعث افزایش جذب الکترواستاتیکی میان ذرات و سطح ماسه می شود.
- افزودن کاتیون‌های با بار زیاد (مانند آلومینیوم 3+ یا کلسیم 2+) باعث خنثی شدن بار سطحی ذرات معلق می شود و امکان تجمع و به دام افتادن آنها در بستر شنی را افزایش می دهد در واقع باعث انعقاد این ذرات معلق میشود.
- استفاده از زنجیره‌های پلیمری باردار به عنوان لخته ساز می تواند موجب ایجاد پل‌های ارتباطی بین ذرات جامد معلق و دانه‌های شن شود. این پل‌ها ذرات را به هم متصل کرده و باعث ایجاد لخته میشود تا امکان جذب بهتر آنها را فراهم می کنند.
- میتوان با دانه بندی و توزیع دانه‌های شن نقش کلیدی در تعیین میزان حذف ذرات ایجاد کرد. بسترهای ریزتر کارایی بالاتری در حذف ذرات کوچک دارند اما ممکن است سرعت جریان را کاهش دهند.
- با کاهش سرعت جریان آب باعث افزایش زمان تماس بین آب و فیلتر شده و کارایی مکانیسمهای مختلف را بهبود می بخشد.
- ضخامت بستر فیلتر تاثیر بسزایی در کارایی دستگاه دارد بطوری که هر چقدر ضخامت بستر بیشتر باشد باعث افزایش فرصت حذف ذرات در عمق فیلتر می شود. برای افزایش بستر میتوان سیلیس درون فیلتر شنی را افزایش داد.
- همچنین کیفیت آب ورودی، میزان آلودگی، اندازه ذرات معلق و ترکیبات شیمیایی آب ورودی می‌توانند بر عملکرد سیستم فیلتراسیون آب اثر داشته باشد.
بطور کلی مکانیسمهای متنوعی که در فرآیند جذب ذرات جامد بمنظور تصفیه آب دخیل هستند، این روش را به یک راهکار کارآمد برای تصفیه مایعات تبدیل کرده اند.
با ترکیب ویژگی‌های طبیعی بستر شنی و استفاده از روش‌های شیمیایی و فیزیکی برای بهبود عملکرد، می توان کارایی این فیلتر را به حداکثر رساند. این فرآیند نه تنها باعث حذف ذرات معلق می شود، بلکه به بهبود کیفیت آب و کاهش آلودگی کمک شایانی می کند.
