اهمیت به کارگیری تجهیزات استاندارد و کارآمد در بهبود کیفیت و راندمان فرآیند آبکاری
بخش سوم : تاثیر بکارگیری آبکشی های به هم پیوسته (Cascade rinsing)
رضا مهتر قره‌داغی(کارشناس ارشد خوردگی و حفاظت از مواد)
پیام صمدی(کارشناس ارشد مهندسی مواد و متالورژی)
چکیده:
صرف نظر از نوع فرآیند آبکاری وجه مشترک اکثر خطوط آبکاری استاندارد در دنیا حضور وان های آبکشی متعدد می باشد و از آنجائیکه خروجی این وان ها حجم عمده ای از پساب را تشکیل می دهند لازم است که میزان آب مصرفی در حین فرآیندهای آبکشی به حداقل رسانده شود. به این ترتیب علاوه بر کاهش مصرف آب می توان حجم پساب و هزینه های مرتبط با آن را نیز به حداقل رساند. امروزه در کشورهای پیشرفته استفاده از سیستم آبکشی چند مرحله ای به هم پیوسته (Cascade rinsing)، با هدف به حداقل رساندن میزان مصرف آب در طی فرآیندهای شستشو، یک الزام قانونی می باشد. با استفاده از این روش بالاترین راندمان شستشو در کنار کمترین میزان مصرف آب برآورده می شود. در مقاله ی قبلی اشاره ای کوتاه به این روش شده بود اما نظر به اهمیت آن در این مقاله به صورت موضوعی به آن می پردازیم.
مقدمه:
دلیل اهمیت شستشو چیست و چرا این فرآیند به ظاهر ساده، مهم است؟ شاید اشاره به این نکته که امروزه در کشورهای پیشرفته در یک خط آبکاری استاندارد نیکل – کروم از میان هر چهار وان موجود در خط، سه عدد وان به فرآیند شستشو اختصاص دارد برای مشخص شدن میزان اهمیت این مرحله کافی باشد. در واقع در خطوط استاندارد مرحله ی شستشو باید بعد از هر مرحله ی اصلی و به منظور برآورده نمودن اهداف زیر به کار گرفته شود :
1- متوقف نمودن واکنش شیمیایی محلول با قطعه
2- جلوگیری از آلوده شدن محلول های مراحل بعدی بواسطه ی انتقال محلول های مراحل قبلی به درون آنها
3- ممانعت از تغییر شرایط سطحی قطعه و تشکیل لکه به دلیل باقی ماندن محلول بر روی آن
شستشوی مناسب با بکارگیری حداقل مقدار نیروی انسانی و آب یک هدف ایده آل بوده که معمولاً به سختی برآورده می شود اما به جهت تبعات اقتصادی و زیست محیطی مربوط به آن همواره به عنوان هدف نهایی و مطلوب مورد توجه بوده است. کاهش نرخ مصرف آب علاوه بر کم کردن هزینه های مربوط به تامین آب، منجر به کاهش حجم پساب ناشی از خط و نیز توجیه پذیری اقتصادی بازیابی آن خواهد گردید که با این رویکرد تبعات زیست محیطی و اقتصادی کاهش مصرف آب مشخص می گردد. متاسفانه به دلیل ارزان بودن آب در کشور و عدم نظارت و مدیریت دقیق بر واحدهای آبکاری، اکثر فعالان این حوزه بدون در نظر گرفتن تبعات مربوط به فعالیت خود حجم غیر قابل قبولی از پساب را وارد واحد سیستم های فاضلاب می نمایند. این در حالیست که در کشورهای پیشرفته واحدهای آبکاری موظف هستند که با اتخاذ روش های مدیریتی کارآمد نسبت به تامین منابع آبی مورد نیاز خود اقدام نمایند. به طور مثال اگر یک واحد در روز نیاز به پنجاه متر مکعب آب داشته باشد تنها مجاز می باشد که بیست درصد از نیاز خود را از سیستم آب شهری استفاده نمایند و مابقی آنرا را باید از بازیابی پساب های کارگاه تامین نماید. با این رویکرد صاحبان اینگونه مراکز نه تنها ضرورت محافظت از منابع آبی خود را به خوبی درک می نمایند بلکه تمام تلاش خود را به کار می گیرند که کمترین میزان مصرف آب را در مراحل مختلف خطوط آبکاری داشته باشند. در واقع فعالان صنعت آبکاری در دنیا در تعریف عبارت "میزان تلاش لازم برای آبکاری یک قطعه" بازنگری نموده اند، به این مفهوم که در گذشته این عبارت بیشتر مترادف بود با مجموع مقدار ساعت کاری صرف شده توسط هر نفر اما از آنجائیکه امروزه هزینه های مربوط به مواد شیمیایی افزایش یافته و از سوی دیگر با پدیده های زیست محیطی و بحران کم آبی مواجه هستیم، فعالان این صنعت تبعات مربوط به این مضامین را نیز در باز تعریف عبارت فوق لحاظ نموده اند. به عبارت دیگر نقش استفاده ی بهینه از منابع را در طول فرآیند آبکاری قطعات برجسته نموده اند.
همانگونه که اشاره شد از جمله مراحلی که نقش بسزایی در تعیین میزان آب مصرفی یک خط آبکاری دارد مرحله ی آبکشی می باشد که با اتخاذ روش های کارآمد می توان آب مورد نیاز آنرا به طور چشمگیری کاهش داد. در این مقاله ابتدا شاخص های مرتبط با مرحله آبشویی را مرور کرده و سپس به تاثیر بکارگیری آبکشی های چند مرحله ای می پردازیم.
ضرورت شستشو و نسبت رقیق شدن:
به صورت عمومی لازم است که قطعات بین فرآیندهای مختلف آبکشی شوند. حال اگر قطعه ای که از مرحله ی شستشوی قلیایی (نظیر چربیگیری) بدون آبکشی وارد مرحله ی اسید شویی شود، منجر به آلوده شدن و تشکیل نمک روی سطح آن می گردد و لذا احتمال لکه دار شدن پوشش خواهد بود. متعاقباً اگر بعد از این مرحله نیز آبکشی انجام نشود محلول اصلی آبکاری آلوده خواهد شد. از سوی دیگر اگر آبکشی ها در آب آلوده انجام شود می تواند منجر به غیر فعال شدن سطح قطعات و یا انجام واکنش های جانبی و تشکیل رسوبات در درون مخازن آبکشی گردد. بنابراین رقیق سازی وان های آبکشی و تازه نمودن آب درون آنها مسئله ای حیاتی می باشد. شستشوی مناسب و استاندارد با غوطه ور نمودن قطعه در درون مخزن حاوی آب تمیز و روان صورت می پذیرد و این فرآیند منجر به رقیق شدن محلول به جا مانده بر روی قطعات می گردد. در این میان شاخصی وجود دارد به نام نسبت رقیق شدن که با استفاده از رابطه زیر محاسبه می گردد. در برخی موارد به این پارامتر فاکتور شستشو نیز گفته می شود.
مسئله ی مهم مقادیر عددی تعریف شده برای هر یک از مراحل می باشد. به عبارت دیگر مقادیر مجاز برای هر یک از عناصر در آبکشی های بعد از مراحل اصلی در تعیین نرخ جریان آب مورد نیاز موثر خواهد بود. شایان ذکر است حد مجاز آلاینده ها در پساب آبکاری در کشورهای اروپایی بسیار سختگیرانه است. به طور مثال برای عناصری همچون نیکل، مس و روی حد مجاز ppm 1 و در مورد کروم ppm 1/0 می باشد.
با استفاده از رابطه ی مربوط به "فاکتور رقیق شدن" می توان نرخ میزان مصرف آب را تعیین نمود و همچنین در صورت داشتن میزان غلظت مجاز تعیین شده از سوی سازمان های مربوطه برای غلظت عنصر آلاینده در پساب نهایی، می توان حجم آب مورد نیاز جهت دستیابی به غلظت مورد نظر را برآورد نمود. به جهت تبیین هر چه بهتر این معادله در ادامه مثالی ارائه می شود.
مثال : قطعات نیکل داده شده در درون یک وان دارای جریان آب روان شستشو داده می شوند. نرخ ورود پساب به وان شستشو (Drag out ) به مقدار 4 لیتر در هر ساعت تخمین زده می شود. اگر بخواهیم با نسبت 2000 این پساب را رقیق سازی نماییم به چه میزان آب در هر ساعت نیاز خواهیم داشت؟ ضمناً فرض می شود که غلظت فلز نیکل در حمام آبکاری 75 گرم بر لیتر باشد.
اگر تصور کنیم که شستشو صرفاً درون یک وان شستشو انجام شود (به صورت تک مرحله ای سرریز دار) طبق رابطه ی ارائه شده خواهیم داشت :
Dilution ratio = (4 + x) / 4 = 2000
با توجه به حجم پساب ورودی (Drag in) به وان شستشو و نظر به اینکه رقیق سازی با نسبت 2000 انجام می شود نرخ آب مورد نیاز تقریباً برابر با 8000 لیتر در هر ساعت خواهد بود. باید به این نکته اشاره نمود که نسبت رقیق سازی 2000 مورد تایید شرکت های معتبر در دنیا بوده و عددی منطقی، استاندارد و متداول می باشد. در این میان شاخصی وجود دارد به نام ثابت رقیق شدن که با حرف k نشان داده می شود و معکوس نسبت رقیق شدن می باشد :
بوسیله ی این پارامتر می توان غلظت عنصر مورد نظر را در وان شستشو محاسبه نمود. به این ترتیب که با ضرب نمودن غلظت اولیه ( C0 ) در ثابت رقیق شدن می توان به غلظت عنصر مورد نظر ( C ) در وان شستشو رسید. با توجه به غلظت فلز نیکل در محلول اصلی ( gr/lit 75 که معادل ppm 75000 است)، خواهیم داشت :
(1/8000)×75000= 9.375 ppm
در حقیقت در این مثال با دانستن نرخ جریان آب توانستیم میزان رقیق شدن پساب را در آخرین شستشو تخمین بزنیم. حال اگر تصور کنیم که حد مجاز غلظت نیکل در شستشوی نهایی آبکاری تقریباً ppm10 باشد، یعنی غلظت مجاز تعریف شده این مقدار باشد، جهت رقیق سازی پساب تنها با استفاده از یک مرحله شستشوی سرریزدار نیاز به نرخ جریانی در حدود 8000 لیتر در هر ساعت خواهیم داشت که غیر قابل تصور و فاقد هرگونه توجیه اقتصادی می باشد.
عمده هدف استفاده از شستشوی چند مرحله ای صرفه جویی در مصرف آب است به این ترتیب که با افزایش تعداد مراحل آبکشی، فرآیند رقیق سازی پساب را به جای یک مرحله در چندین مرحله ی متوالی انجام می دهیم و از همین رو در هر مرحله با پساب رقیق تری مواجه می شویم. در ادامه پیرامون این روش توضیحاتی ارائه می گردد.
شستشوی چند مرحله ای:
نشان داده شده است که با افزایش تعداد مراحل شستشو از یک به دو عدد، می توان به صورت محسوسی در مصرف آب صرفه جویی نمود. همانگونه که اشاره شد مبنای این پدیده افزایش تعداد مراحل رقیق شدن و در نتیجه کمتر شدن غلظت آلودگی ها در هر مرحله می باشد. جهت روشن تر شدن ماهیت این روش تصاویر شماتیکی از تاثیر افزایش تعداد آبکشی ها بر میزان نرخ آب مورد نیاز در اشکال 1 تا 3 نشان داده شده است. مشاهده می شود که با افزایش تعداد آبکشی ها میزان مصرف آب به طور چشمگیری کاهش می یابد. به این ترتیب که با افزایش مراحل رقیق سازی (آبکشی های دارای سرریز) نیاز به آب تازه در هر مرحله در مقایسه با حالتی که صرفاً از یک مرحله ی شستشو استفاده شود، کم می شود. در حالتی که تنها یک شستشو داشته باشیم، در برابر هر یک حجم پساب نیاز به 999 حجم آب در هر ساعت خواهد بود در حالیکه با افزایش تعداد آبکشی ها به دو عدد تقریباً نیاز به 31 حجم آب برای هر یک از شستشوها و در مجموع 62 حجم در هر ساعت برای هر دو خواهد بود. نهایتاً برای حالتی که سه مخزن شستشو داشته باشیم این عدد به 27 حجم کاهش خواهد یافت.
شکل 1. طرح شماتیکی از رقیق شدن پساب در وان های آبکشی یک مرحله ای دارای سرریز.
شکل 2. طرح شماتیکی از رقیق شدن پساب در وان های آبکشی دو مرحله ای دارای سرریز.
شکل 3. طرح شماتیکی از رقیق شدن پساب در وان های آبکشی سه مرحله ای دارای سرریز.
همانگونه که مشاهده گردید در این روش با بکارگیری مخازن شستشو به صورت جدا از هم و افزایش مراحل رقیق سازی توانستیم میزان مصرف آب را کاهش دهیم. حال اگر سیستم شستشو را به نحوی طراحی نماییم که جریان آب ورودی از تمامی وان ها عبور نماید، میزان مصرف آب باز هم کاهش خواهد یافت. در ادامه به معرفی فرآیند شستشوی چند مرحله ای به هم پیوسته می پردازیم.
نگاهی به شستشوی چند مرحله ای به هم پیوسته (Cascade rinsing):
همانگونه که اشاره گردید در یک فرآیند شستشوی ایده آل باید با کمترین میزان مصرف آب، قطعات شستشو داده شوند. امروزه یکی از موثرترین روش ها در خطوط آبکاری دنیا به کارگیری شستشو های چند مرحله ای به هم پیوسته (Cascade rinsing) است. این سیستم مشابه با روش قبلی می باشد با این تفاوت که سرریز هر وان وارد وان قبلی خود می شود و به این ترتیب تنها نیاز به یک ورودی و یک خروجی خواهد بود. در شکل 4 نمونه ای از این سیستم نشان داده شده است.
شکل 4. شماتیکی از سیستم شستشوی دو مرحله ای به هم پیوسته.
در این سیستم، با استفاده از چند مرحله ی به هم پیوسته تلاش می شود تا غلظت عناصر فلزی و نیز سایر عناصر آلاینده نظیر سیانور در پساب خروجی به پایین ترین میزان ممکن برسد و در عین حال کمترین مقدار آب ممکن مصرف شود. نرخ آب مصرفی در این سیستم نیز توسط میزان حد مجاز رقیق سازی برای هر عنصر و نیز نوع فرآیند آبکاری ( آویز یا بشکه ) تعیین می شود.
در مورد آبکاری بشکه ای (Barrel) نرخ جریان آب مورد نیاز بیشتر است که در این میان اندازه بارل ، سایز سوراخ ها و نیز هندسه ی قطعات نقش تعیین کننده ای را در میزان محلول خارج شده ( Drag out ) از محلول اصلی دارند و از همین رو نرخ جریان آب مورد نیاز برای شستشو متفاوت خواهد بود. در این مورد حداقل نرخ آب مصرفی گزارش شده جهت شستشوی 50 تا 100 لیتر به ازاء هر ساعت می باشد. در مورد آبکاری آویز ( Rack ) توصیه می شود که در خانه ی آخر از شستشوی اسپری استفاده گردد.
همانگونه که اشاره شد نرخ رقیق سازی متفاوت می باشد. امروزه در اروپا توصیه می شود که در طی فرآیندهای آماده سازی (Pre treatment) نسبت رقیق سازی باشد، یعنی به ازاء هر یک حجم پساب ورودی (Drag in ) باید 999 حجم آب داشته باشیم تا به این نسبت رقیق سازی صورت بگیرد. همینطور نسبت رقیق سازی پیشنهاد شده بعد از فرآیند آبکاری روی و بعد از فرآیند تکمیلی نظیر پسیواسیون می باشد که مورد آخر، به دلیل سختگیرانه بودن، کمتر برآورده می شود. لازم به ذکر است مقدار سطح آبکاری شده در هر ساعت نیز از جمله شاخص های موثر در تعیین میزان نرخ جریان مورد نیاز می باشد. مجدداً باید یادآوری نمود نظر به اهمیت حفاظت از محیط زیست و نیز ضرورت صرفه جویی در مصرف آب لازم است تمامی تمهیدات لازم جهت کاهش پساب تولید شده را اتخاذ نمود. رعایت مواردی همچون آهسته خارج کردن جیگ های آبکاری از درون محلول ها، افزایش زمان چکه، استفاده از صفحات شیبدار در فصل مشترک وان ها و طراحی جیگ مناسب پیشنهاد می شود. در ادامه مقایسه ی عددی جهت تبیین هر چه بهتر موضوع ارائه می شود. اگر میزان محلول خارج شده ( Drag out ) از یک وان آبکاری نظیر نیکل در حدود 7/3 لیتر در هر ساعت باشد و بخواهیم غلظت عناصر را در شستشوی نهایی برای فلز کروم به مقدار ppm 15 و برای سایر فلزات نظیر نیکل و روی به مقدار ppm 38 کاهش دهیم، جدول زیر مقادیر عددی مربوط به نرخ جریان آب مورد نیاز را در غلظت های اولیه متفاوت و نیز در انواع حالت های شستشوی یک تا چند مرحله ای ارائه می کند. این اعداد با استفاده از روابط حاکم استخراج شده است.
جدول 1. شرایط حاکم و نرخ جریان آب مورد نیاز در شستشوهای به هم پیوسته.
همانگونه که مشاهده می شود در حالتی که غلظت کروم در پساب خروجی ( Drag out ) lit/gr 120 باشد و در صورتی که تنها از یک شستشوی تک مرحله ای سرریز دار استفاده نماییم نیاز به بیش از سی هزار لیتر آب در هر ساعت خواهد بود و این در حالیست که در صورت به کارگیری سیستم شستشوی سه مرحله ای این عدد به کمتر از هشتاد لیتر آب در هر ساعت کاهش خواهد یافت که تفاوت حاصله بسیار چشمگیر است. در شکل 5 نمونه ای از وان آبکشی به هم پیوسته از نوع سه مرحله ای نشان داده شده است. همچنین با افزایش تعداد مراحل شستشو مصرف آب باز هم کمتر خواهد شد که معمولاً در انتخاب تعداد مراحل شستشو از روابط حاکم میان غلظت اولیه و نیز حد مجاز غلظت عنصر آلاینده در درون وان های شستشو استفاده می شود.
شکل 5. شماتیکی از سیستم شستشوی سه مرحله ای به هم پیوسته.
در پایان یادآور می شود که هر چه تعداد مراحل شستشوی بهم پیوسته (Cascade rinsing) بیشتر باشد مصرف آب کمتر خواهد بود و غلظت آلاینده ها در پساب خروجی با راندمان بالاتری کاهش خواهد یافت و در عین حال کیفیت آبکشی بواسطه رعایت فاکتور رقیق شدن نیز افزایش می یابد. همچنین توصیه می شود که بر روی وان های آبکشی از سیستم تلاطم هوایی استفاده شود زیرا در غیر اینصورت ممکن است آب تمیز قبل از استفاده شدن وارد سر ریز شود و به این ترتیب به هدر رود.
همواره نکات زیر را در بکارگیری شستشوهای چند مرحله ای به هم پیوسته باید در نظر داشت:
1- هر چه غلظت ناخالصی در محلول بیشتر می شود نرخ جریان آب مورد نیاز، صرف نظر از تعداد مراحل شستشو، بیشتر می شود. یاد آور می شود که غلظت پساب با حجم Drag out نسبت مستقیم دارد.
2- در صورتی که تنها از شستشوی یک مرحله ای استفاده گردد، نرخ جریان آب مورد نیاز جهت شستشو با نسبت مستقیم بر اساس غلظت ناخالصی در پساب افزایش می یابد.
3- نرخ جریان آب مورد نیاز با افزودن تنها یک مرحله شستشو به طور چشمگیری کاهش می یابد.
4- در جدول ارائه شده بیشترین تغییرات در میزان آب مورد نیاز در میان شستشوهای تک مرحله ای به دو مرحله ای می باشد. در حالی که کمترین تغییرات در نرخ جریان آب مصرفی در افزایش تعداد شستشوها از چهار به پنج مرحله است.
5- کاهش دادن حجم Drag out و کم کردن نرخ انتقال آن به وان های شستشو در مقابل کم کردن غلظت پساب توسط شستشوهای چند مرحله ای به هم پیوسته در اولویت قرار می گیرد. به بیان دیگر با بکارگیری روش های موثر باید تا حد امکان از انتقال محلول وان های اصلی نظیر نیکل و کروم به وان های آبکشی جلوگیری نمود.
جمع بندی:
متاسفانه بخش وسیعی از فعالان حوزه ی آبکاری علیرغم آگاه بودن نسبت به مصرف بی رویه ی آب توسط واحدهای مربوطه شان هیچگونه برنامه ی عملی جهت کاهش میزان مصرف آب ندارند و صرفاً به دنبال یافتن روش های تامین آن نظیر حفر چاه های غیر مجاز، خرید آب های بی کیفیت و ... هستند که شاید عمده ترین دلیل این موضوع را بتوان فعالیت های پنهانی آنها و عدم نگرانی از بر ملا شدن ماهیت کاریشان از یک سو و نیز ارزان بودن آب از سوی دیگر دانست. این عدم توجه منجر به بروز مشکلات متعدد از جمله تولید حجم وسیعی از پساب می گردد که معمولاً به دلیل عدم وجود سیستم های خنثی سازی این پساب مستقیماً به درون سیستم های فاضلاب ریخته می شود. این در حالیست که استفاده از سیستم های شستشوی چند مرحله ای به هم پیوسته (Cascade rinsing) نه تنها منجر به کاهش چشمگیر مصرف آب می گردد بلکه سبب افزایش راندمان آبکشی ها و نیز کاهش حجم پساب ناشی از خط می شود. کلام آخر اینکه اگر نگاه ما به پدیده ی صرفه جوئی در مصرف آب صرفاً مادی نباشد و لحظه ای از منظر هدر رفتن منابع این سرزمین به آن نگاه کنیم و وجوه اخلاقی کارمان را قضاوت نماییم، به طور حتم در نحوه ی مصرف آب تجدید نظر اساسی خواهیم نمود.