Pembekuan adalah langkah penting dalam rawatan air industri. Ia secara langsung menjejaskan kecekapan penyingkiran bahan zarahan terampai dan kekotoran koloid dalam air, dan juga mempengaruhi kestabilan dan ekonomi proses seterusnya seperti penapisan, pelembutan dan penyahgaraman. Walau bagaimanapun, kesan pembekuan tidak semata-mata ditentukan oleh dos reagen, tetapi dipengaruhi oleh gabungan faktor termasuk keadaan hidraulik, suhu air, nilai pH, kekerasan air, dan kealkalian. Artikel ini menganalisis secara sistematik faktor yang mempengaruhi kecekapan pembekuan dari kedua-dua amalan kejuruteraan dan perspektif teori, dan menggunakan persamaan tindak balas kimia dan formula pengiraan untuk membantu pembaca memperoleh pemahaman yang lebih mendalam tentang proses teras ini.
I. Pengaruh Keadaan Hidraulik terhadap Kecekapan Pembekuan
Intipati proses pembekuan adalah pertemuan dan tindak balas reagen dengan zarah kekotoran di dalam air, akhirnya membentuk flok yang lebih besar dan lebih stabil. Jika keadaan hidraulik tidak mencukupi, reagen tidak boleh bercampur sepenuhnya dengan air, mengakibatkan kecekapan tindak balas yang rendah; namun, jika keadaan hidraulik terlalu kuat, flok yang telah terbentuk akan dipecahkan. Oleh itu, keamatan kacau mesti dikawal dalam julat yang munasabah. Penunjuk hidraulik yang biasa digunakan ialah nilai G kecerunan intensiti pencampuran, dikira seperti berikut.
Dalam formula: G ialah kecerunan keamatan campuran, s⁻¹; ialah ketumpatan pukal air, N/m³ atau kg/m³; h ialah kehilangan kepala dalam peralatan pembekuan, m; μ ialah kelikatan dinamik air, Pa·s atau N·s/m³; T ialah purata masa tinggal air yang mengalir melalui peralatan, s.
Dalam operasi sebenar, julat nilai G yang sesuai untuk peringkat pencampuran biasanya 600–1000 s⁻¹; julat nilai G yang sesuai untuk peringkat pemberbukuan biasanya 20–70 s⁻¹.
II. Pengaruh Suhu Air terhadap Kecekapan Pembekuan
Suhu air adalah satu lagi faktor utama yang mempengaruhi kecekapan pembekuan. Apabila suhu berkurangan, kelikatan air meningkat, peluang untuk perlanggaran antara zarah berkurangan, dan kadar pembentukan flok menjadi perlahan dengan ketara; pada masa yang sama, suhu rendah juga menghalang tindak balas hidrolisis reagen, yang membawa kepada penurunan kecekapan pembekuan. Apabila suhu air melebihi 15 darjah, tindak balas hidrolisis mempercepatkan, pertumbuhan flok cepat, dan pemendapan adalah baik. Apabila suhu air di bawah 10 darjah, hidrolisis agen sukar, daya pengikatan antara zarah lemah, flok longgar, dan pemendapan sukar. Apabila suhu air di bawah 5 darjah, dos koagulan perlu ditingkatkan dengan ketara, dan pelarasan kealkalian juga diperlukan untuk memastikan kesannya.
Oleh itu, dalam operasi musim sejuk, selalunya perlu mengambil langkah-langkah seperti meningkatkan dos agen dan meningkatkan keamatan kacau untuk mengimbangi kesan buruk suhu rendah.
III. Pengaruh Nilai pH terhadap Kesan Pembekuan
Tindak balas hidrolisis koagulan dalam air berkait rapat dengan nilai pH larutan. Mengambil garam aluminium dan garam besi sebagai contoh, produk hidrolisis dan keadaan pemendakan akan berubah dengan ketara dengan nilai pH yang berbeza.
1. Tindak balas koagulan garam aluminium
Di bawah keadaan pH yang sesuai, garam aluminium boleh membentuk mendakan aluminium hidroksida, seperti yang ditunjukkan dalam formula berikut.
Kesan pembekuan adalah optimum apabila nilai pH air berada dalam julat 5.5 hingga 7.5.
2. Tindak balas koagulan garam ferus
Hidrolisis garam ferik dalam air adalah kompleks, terutamanya melibatkan tindak balas berikut:
Julat pH yang sesuai ialah 6.0–8.0. Jika pH di bawah 3, garam ferik hampir tidak boleh membentuk flok ferik hidroksida; jika pH melebihi 9, Fe³⁺ akan berubah menjadi ion kompleks yang lebih larut, mengurangkan kesan pembekuan. Di bawah keadaan kealkalian yang tinggi, garam ferik mengalami tindak balas berikut.
Oleh itu, kesan pembekuan garam ferik adalah paling ideal di bawah keadaan neutral atau sedikit beralkali.
IV. Kesan Kekerasan dan Kealkalian Air
Ion bikarbonat, kalsium, dan magnesium dalam air boleh menjejaskan hidrolisis koagulan dan pembentukan flok dengan ketara disebabkan oleh tindak balas sampingan berikut.
Kealkalian yang sesuai memberi manfaat kepada tindak balas. Jika kealkalian air terlalu rendah, tambahan kapur (CaO) atau abu soda perlu ditambah untuk memastikan pembentukan flok hidroksida yang mencukupi. Formula berikut boleh digunakan untuk menganggarkan dos pampasan kealkalian.
Dalam formula: [CaO] ialah dos kapur tulen (CaO), mg setara/L; [a] ialah dos koagulan, mg bersamaan/L; [z] ialah kealkalian air mentah, mg bersamaan/L; [δ] ialah kealkalian sisa, biasanya diambil sebagai 0.5–1.0 mg bersamaan/L.
Kesimpulan: Pembekuan bukan tindak balas kimia tunggal, tetapi proses menyeluruh yang melibatkan kesan gabungan keadaan fizikal, kimia dan hidraulik. Perubahan dalam sebarang faktor, daripada keamatan kacau kepada suhu air, daripada pH kepada kealkalian, boleh membawa kepada perbezaan dalam kesan akhir. Oleh itu, hanya dengan memahami secara mendalam mekanisme ini kita boleh mencapai hasil rawatan air yang optimum dengan menyesuaikan diri dengan keadaan tempatan. Pada masa hadapan, apabila industri rawatan air meneruskan pemuliharaan tenaga, pengurangan pelepasan, dan operasi yang cekap, kawalan halus proses pembekuan akan menjadi semakin penting, dan memahami faktor-faktor yang mempengaruhinya akan menjadi salah satu kecekapan teras jurutera.