فرایند جذب سطحی

 سابقا استفاده از کربن فعال تنها محدود به تصفیه آبهای آشامیدنی بود. طی دو دهه اخیر به تواناییها و پتانسیلهای این ماده جاذب به منظور استفاده در صنعت تصفیه فاضلاب توجه شده است. در سال 1974 آژانش حفاظت  محیط زیست آمریکا 154 ترکیب آلی را در آب های آشامیدنی به عنوان آلاینده معرفی نمود . تشخیص این ترکیبات توام با تعداد بسیار زیادی از آلاینده های غیر آلی مسئله مهمی است که مورد توجه این آژانس قرار گرفته است.

امروزه هنوز دستیابی به روشهای اقتصادی تصفیه آب و فاضلاب یکی از بحثهای مهم در بین متخصصین این امر می باشد. همچنانکه قبلا به آن اشاره شد استفاده از کربن فعال طی دهه اخیر در صنعت تصفیه فاضلاب مورد توجه قرار گرفته است. جذب رنج وسیعی از آلاینده ها با استفاده از کربن فعال گرانولی(GAC ) با موفقیت انجام شده است.با این وجود استفاده از GAC معمولا با مسائل از قبیل هزینه های سرمایه گزاری و بهره برداری همراه است(Wang et al., 2005).

در صنعت آب فرآیند جذب سطحی به انتقال جرم از یک فاز مایع به یک فاز جامد اطلاق می شود. در این فرآیند ماده جذب شونده (adsorbate) ماده ای است که در حد فاصل فاز جامد و مایع از فاز مایع حذف می شود. و ماده جاذب (adsorbent) می تواند یک فاز جامد، گاز یا مایع باشد که ماده جذب شونده را در خود تجمع می دهد.

هر چند جذب سطحی برای فرآیند شناور سازی (flotation) که گاز و مایع در مجاورت هم قرار می گیرد هم می تواند بکار رود اما هدف این فرایند در صنعت آب جذب سطحی در تماس فاز جامد- مایع است.

جذب سطحی به فرآیند تجمع مواد موجود در فاز محلول بر روی یک فصل مشترک(interface) مناسب اطلاق می شود. ماده جذب شونده(adsorbate) به ماده ای اطلاق می شود که در حال حذف شدن از فاز محلول در فصل مشترک(فصل مشترک محلول و ماده جاذب) باشد. فرآیند جذب سطحی در سه مرحله صورت می گیرد :

1-macrotransport

مرحله ماکروترانسپورت شامل حرکت ماده جذب شونده(مثلا یک ماده آلی) از داخل فاز مایع(آب) به سمت فصل مشترک آب و ماده جامد از طریق انتشار(diffusion) و advection می باشد.

مرحله میکروترانسپورت شامل انتشار مواد آلی از میان حفرات درشت(macropore) به سمت جایگاه های جذب سطحی در حفرات کوچک(micropore) ماده جاذب جامد می باشد.

اگرچه جذب سطحی می تواند هم در سطح ماده جاذب و هم داخل ماکروپورها و مزوپورها اتفاق افتد اما مساحت سطح این مکانها در مقایسه با مساحت سطح میکروپورها آنچنان کوچک است که در عمل می توان از مقدار ماده جذب شونده ای که در این مکانها جذب سطحی شده اند صرفنظر کرد(Metcalf & Eddy, 2003). دو مشخصه عمده مواد جاذب جامد :

1- نسبت سطح به حجم بسیار بالا

2- تمایل اختصاصی جذب نسبت به ترکیب خاص در فاز محلول.

انتقال از محلول:

در مرحله اول مواد آلی(ماده جذب شونده) داخل محلول از داخل محلول به سمت لایه های مجاور ماده جذب شونده(لایه های محلول) مهاجرت می کنند.(از طریق advection و dispersion در تماس دهنده کربن).

مرحله انتقال در فیلم از طریق پراکنش(Film deffusion transport) :

 در این مرحله از طریق فرآیند پراکنش مواد آلی که در لایه مجاور به ماده جاذب قرار دارند به سمت دهانه حفرات ماده جاذب حرکت می کند.

مرحله انتقال در حفره(Pore transport step):

 در این مرحله حرکت ماده جذب شونده در داخل حفره می تواند به دو صورت باشد:

1- انتقال در امتداد یا داخل فضای خالی حفره(molecular deffusion throgh the pore)

 2-انتقال یا حرکت در امتداد مجاور سطح داخلی حفرات(Deffusion along the surface of adsorbet).

به متصل شدن یا درگیرشدن مواد جذب شونده در جایگاه مناسب جذب در ماده جاذب اطلاق می شود. جذب سطحی می تواند در سطوح خارجی ماده جاذب، حفرات بزرگ، حفرات با اندازه متوسط، حفرات ریز و حفرات تحت ریز(submicropores) صورت می گیرد.اما سطوح داخلی ماکروپورها ومزوپورها در مقایسه با سطوح داخلی میکروپورها و ساب میکروپورها کوچک بوده از اینرو معمولا از مقدار مواد جذب شده در سطوح داخلی آنها(ماکروپورها و مزوپورها) صرفنظر می شود(چون نسبت سطح به حجم حفره در آنها کم است).

نیروهای دخیل در فرآیند جذب سطحی:

-بارهای نامشابه کلمبیک(Coulombic-unlike chargers)

-بارهای نقطه ای و دو قطبی(Point charge and Dipole)

-تقابل های دو قطبی- دو قطبی

-گونه های باری خنثی و نقطه ای(Doint charge neutral species)

-نیروهای لاندن- واندروالس(London-Vanderwaols forces)

-پیوندهای کووالانسی توام با واکنش(Covalent bonding with reaction)

-پیوندهای هیدروژنی(Hydrogen bonding).

از آنجا که تمیز بین جذب سطحی فیزیکی و شیمیایی مشکل است اغلب عبارت sorption برای توصیف اتصال مواد آلی(جذب شونده) به کربن فعال بکار می رود.چون فرآیند جذب سطحی در چندین گام پی در پی صورت می گیرد آهسته ترین گام در این فرآیند به عنوان گام محدود کننده میزان جذب(Rate limiting step) شناخته می شود.رویهم رفته چنانچه جذب سطحی فیزیکی روش اساسی در جذب سطحی تلقی شود در این حالت یکی از مراحل انتقال انتشاری(Deffusion transport) گام محدود کننده خواهد بود چرا که میزان جذب سطحی فیزیکی سریع است. و هرگاه جذب سطحی شیمیایی روش اساسی جذب تلقی شود در این حالت مرحله چهارم یعنی جذب سطحی یا جذب(adsorption or sorption)به عنوان مرحله یا گام محدود کننده منظور می شود.زمانی که سرعت جذب(sorption) برابر یا سرعت پس جذب(Desorption) باشد در آن حالت تعادل برقرار شده و ظرفیت ماده جاذب یا کربن نیز تکمیل شده است.