آیا روساز پلاستیکی در برابر خوردگی در تصفیه خانه‌های فاضلاب مقاوم است؟

درک چالش‌های خوردگی در محیط‌های تصفیه فاضلاب

مشکل روسكش‌های فلزی: نرخ بالای خوردگی در تصفیه فاضلاب

پره‌های فلزی مورد استفاده در سیستم‌های فاضلاب به شدت تحت تأثیر مواد شیمیایی مختلفی از جمله هیدروژن سولفید، کلریدها و اسیدهای متعدد قرار می‌گیرند که دائماً به آنها حمله می‌کنند. زنگ‌زدگی به سرعت ایجاد می‌شود و باعث تضعیف ساختار در طول زمان می‌گردد، همچنین مشکل دیگری ناشی از میکروب‌ها وجود دارد که خوردگی ایجاد کرده و منجر به تشکیل حفره‌ها و ترک‌های تنشی در قطعات فولادی می‌شود. تمام این روش‌های مختلف از بین رفتن پره‌ها معمولاً منجر به خرابی‌هایی قبل از عمر مورد انتظار آنها می‌شود و این امر مشکلات قابل توجهی برای عملیات کارخانه ایجاد می‌کند. برخی از واحدها حدود ۴۰ درصد افزایش در زمان توقف را به دلیل این مشکلات گزارش می‌دهند که واقعاً بر کارایی روزانه تصفیه‌خانه‌ها تأثیر می‌گذارد.

چگونه مواد پلاستیکی در برابر تخریب شیمیایی و بیولوژیکی مقاومت می‌کنند

پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی‌اورتان به دلیل ساختار مولکولی غیرفعال، در برابر خوردگی مقاوم هستند؛ زیرا این مواد از واکنش‌های الکتروشیمیایی با عوامل تهاجمی فاضلاب حمایت نمی‌کنند. سطوح صاف آنها همچنین تشکیل بیوفیلم را مهار می‌کنند و خوردگی تحت تأثیر میکروبیولوژیکی (MIC) را در مقایسه با جایگزین‌های فلزی ۶۵ تا ۸۰ درصد کاهش می‌دهند.

مواد رایج در تصفیه فاضلاب: از فولاد ضدزنگ تا پلیمرهای مهندسی

فولاد ضدزنگ همچنان به دلیل استحکام اولیه‌اش انتخاب رایجی محسوب می‌شود، اما حتی نسخه‌های با کیفیت درجه 316 نیز پس از تنها ۲ یا ۳ سال در معرض محیط‌هایی با غلظت بالای کلرید، شروع به ایجاد حفره می‌کنند. مواد مهندسی جدیدتر مانند پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) بسیار طولانی‌تر دوام دارند. این مواد می‌توانند بین ۸ تا حدود ۱۲ سال درون مخازن تهنشینی اولیه باقی بمانند. برخی افراد با قرار دادن تیغه‌های پلیمری روی قاب‌های فلزی، سعی در ترکیب مزایای قیمت و دوام دارند تا بهترین ترکیب را به دست آورند. اما در مناطق تصفیه ثانویه که سطوح pH به شدت و به صورت نوسانی تغییر می‌کنند، اکثر بهره‌برداران در عمل مستقیماً به سراغ پاک‌کن‌های کاملاً پلاستیکی می‌روند، چرا که این مواد در شرایط سخت بدون اینکه به سرعت از بین بروند، عملکرد بهتری دارند.

کندهای پلاستیکی با نوآوری های علوم مواد، این چالش ها را حل می کنند و استراتژی اثبات شده ای برای کاهش تعمیرات زیرساخت های فاضلاب مدرن ارائه می دهند.

چرا کندهای پلاستیکی در شرایط سخت در برابر خوردگی مقاوم تر هستند؟

ثبات مولکولی پلی اورتان و HDPE در فاضلاب خوردگی

در مورد مقاومت در برابر خوردگی، پوليورتان و HDPE با حدود 98٪ محافظت در برابر تخریب برجسته می شوند. اساساً سه دلیل برای این عملکرد چشمگیر وجود دارد. اول از همه، ماهیت غیر متخلخل آنها به این معنی است که میکروب ها نمی توانند وارد آنها شوند، به لطف تراکم بین 0.94 تا 0.98 گرم در هر سانتی متر مکعب. دوم، زنجیره های پلیمر حتی در معرض غلظت کلور زیر 500 قسمت در میلیون یا اسید سولفوریک در سطوح pH زیر 1 پایدار باقی می مانند. و سوم، این مواد از خوردگی گالوانک رنج نمی برند چون به سادگی برق را هدایت نمی کنند. آزمایش ها نشان داده اند که پس از گذراندن ۱۰ هزار ساعت در شرایط بسیار اسیدی تا قلیایی که pH آن از ۲ تا ۱۲ می باشد، این پلاستیک ها هنوز حدود ۸۹ درصد از قدرت کشش اولیه خود را حفظ می کنند. این در واقع چهار برابر بهتر از آنچه که ما با جایگزین های فولاد پوشانده شده با اپوکسی در آزمایش های مشابه می بینیم.

مطالعه موردی: مقایسه عملکرد 5 ساله فولاد ضد زنگ در مقابل کندهای پلاستیکی

یک تأسیسات پساب در منطقه میدوست با مقایسه دو رسوب‌گیر اولیه مشابه که از مواد مختلف برای تجهیزات خارنده استفاده می‌کردند، نتایج زیر به دست آمد:

سیستم پلاستیکی زمان توقف عملیاتی را ۷۳٪ و هزینه‌های تعمیرات سالانه را به میزان ۱۸٬۰۰۰ دلار کاهش داد و کارایی اقتصادی بلندمدت در شرایط سخت را تأیید کرد.

روند: افزایش استقبال از خارنده‌های غیرفلزی در تأسیسات شهری

امروزه بیش از دو سوم تأسیسات تصفیه فاضلاب در سراسر ایالات متحده هنگام نصب تجهیزات جدید، به سیستم‌های پاک‌کننده مبتنی بر پلیمر روی می‌آورند. چرا؟ خُب، بازگشت سرمایه به سرعت اتفاق می‌افتد، معمولاً در عرض حدود ۲۲ ماه، علاوه بر این حدود ۴۰ درصد انرژی کمتری مورد نیاز است، زیرا این سیستم‌ها در مقایسه با مدل‌های قدیمی‌تر به اندازه قبل با جریان آب مقاومت نمی‌کنند. به نظر می‌رسد اغلب مهندسان اخیراً به سمت مواد پلی‌اتیلن با چگالی بالا حرکت کرده‌اند. این مواد حتی در شرایط غوطه‌وری مداوم نیز تقریباً ۱۵ سال دوام دارند که منطقی است، چرا که طبق مطالعه‌ای که در سال ۲۰۲۳ در مجله Materials Performance منتشر شده، مشکلات خوردگی تقریباً در ۴ مورد از هر ۱۰ خرابی تجهیزات در تأسیسات تصفیه آب نقش دارند.

مقایسه مستقیم پاک‌کننده‌های پلاستیکی و فلزی: دوام و نگهداری

مکانیسم‌های خوردگی در فلزات: اکسیداسیون، خوردگی گودی (پیتینگ) و ترک خوردگی تنشی

پره‌های فلزی در معرض اکسیداسیون ناشی از اکسیژن محلول (2-4 قسمت در میلیون)، خوردگی نقطه‌ای ناشی از کلرید (تا 1,500 میلی‌گرم/لیتر در واحدهای ساحلی) و ترک‌خوردگی خستگی شدید در اتصالات جوشی هستند. بر اساس مطالعه بین‌المللی NACE در سال 2022، 72 درصد از خرابی‌های پره‌های استیل ضدزنگ ناشی از این مکانیزم‌هاست و میانگین هزینه تعمیرات حوادث به 740 هزار دلار رسیده است (Ponemon 2023).

معیارهای عملکرد: نرخ خرابی و بازه‌های تعمیر و نگهداری

پره‌های پلاستیکی دارای نرخ خرابی سالانه‌ای 83 درصد کمتر نسبت به سیستم‌های فلزی هستند، مطابق داده‌های مرجع صنعتی. بازه‌های تعمیر و نگهداری از هر 50 ساعت برای پره‌های فلزی به بیش از 800 ساعت برای طراحی‌های پلیمری افزایش یافته است. چرخه‌های تعویض بیشترین تفاوت را نشان می‌دهند:

محدودیت‌های پره‌های پلاستیکی: عملکرد در شرایط pH بسیار بالا و پایین

اگرچه برس‌های استاندارد HDPE مقاومت بالایی دارند، اما پس از ۱۲ ماه در محیط‌های با pH برابر ۲، ۱۵٪ استحکام کششی خود را از دست می‌دهند، در حالی که در شرایط خنثی تنها ۲٪ تخریب رخ می‌دهد. با این حال، مواد پیشرفته مانند PVDF (پلی‌وینیلیدن فلوراید) در محدوده pH 0 تا 14 یکپارچگی خود را حفظ کرده و کمتر از ۰٫۵٪ از دست دادن سالانه مواد دارند و بنابراین برای کاربردهای شدید ایده‌آل هستند.

روش‌های بهترین انتخاب برس‌های پلاستیکی مقاوم در برابر خوردگی در کاربردهای فاضلاب

معیارهای کلیدی انتخاب مواد برای قابلیت اطمینان بلندمدت

هنگام انتخاب یک پایه‌زن پلاستیکی، دو عامل اصلی وجود دارند که ابتدا باید در نظر گرفته شوند: مقاومت در برابر مواد شیمیایی و توانایی حفظ شکل تحت فشار. UHMWPE و پلی‌اورتان به دلیل داشتن چگالی پایین بین ۰٫۹۴ تا ۰٫۹۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب، به این دلیل که به راحتی مواد را جذب نمی‌کنند، بسیار توصیه می‌شوند. این مواد همچنین حدود ۸۹ درصد از استحکام اولیه خود را حتی پس از بیش از ۱۰۰۰۰ ساعت قرار گرفتن در شرایط اسیدی یا قلیایی با pH بین ۲ تا ۱۲ حفظ می‌کنند، مطابق یافته‌های منتشر شده در گزارش نوآوری مواد در سال گذشته. برای کسانی که به طور خاص با غلظت‌های کلر زیر ۵۰۰ قسمت در میلیون یا کاربردهای اسید سولفوریک سروکار دارند، موادی را انتخاب کنید که حداقل ۹۸ درصد از آنها از نظر شیمیایی بی‌اثر ارزیابی شده‌اند تا عملکرد بلندمدت بدون مشکلات تخریب تضمین شود.

عوامل طراحی و نصب که عمر مفید پایه‌زن را به حداکثر می‌رسانند

هندسه بهینه‌شده تیغ که با ابعاد دستگاه تمیزکننده هم‌راستا است، سایش و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. مطالعه‌ای در سال 2023 نشان داد که پاک‌کن‌های طراحی‌شده با استفاده از تحلیل المان محدود (FEA) در شرایط لجن ساینده، هزینه‌های تعویض را تا 65٪ کاهش می‌دهند. عوامل مهم نصب شامل:

• درایوهای متغیر سرعت که خود را با ویسکوزیته لجن تنظیم می‌کنند و صرفه‌جویی تا 85٪ در انرژی را فراهم می‌آورند
• سیستم‌های نصب ماژولار که امکان تحمل هم‌راستایی ±5 میلی‌متر را فراهم می‌کنند تا از قفل شدن جلوگیری شود
• ساختارهای مرکزی تقویت‌شده که تغییر شکل کمتر از 0.3٪ را تحت بار 15 کیلونیوتن حفظ می‌کنند

روند آینده: پیشرفت‌ها در فناوری پلیمر برای محیط‌های فاضلاب

طرح‌های جدید کامپوزیتی هسته الیاف شیشه را درون ماتریس‌های HDPE تعبیه می‌کنند و مقاومت ضربه‌ای را تا 40٪ افزایش می‌دهند. مطالعه آزمایشی در سال 2024 نشان داد که ترکیب پلیمری با نانوسنسورهای حساس به pH، دقت پیش‌بینی تعمیر و نگهداری را تا 72٪ بهبود می‌بخشد. محققان همچنین در حال توسعه افزودنی‌های زیست‌تخریب‌پذیر هستند که بدون تضعیف دوام HDPE در کاربردهای فاضلاب، دفع ریزپلاستیک را تا 70٪ کاهش می‌دهند.

سوالات متداول

چه عواملی باعث خوردگی در روسک‌های فلزی مورد استفاده در تصفیه فاضلاب می‌شوند؟

علت اصلی خوردگی در روسک‌های فلزی، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی مانند سولفید هیدروژن، کلریدها و اسیدهای مختلف موجود در فاضلاب، همچنین خوردگی تحت تأثیر میکروبی (MIC) است که منجر به ایجاد حفره‌ها و ترک‌های تنشی می‌شود.

چرا مواد پلاستیکی مانند HDPE و پلی‌اورتان در تأسیسات تصفیه فاضلاب ترجیح داده می‌شوند؟

مواد پلاستیکی مانند HDPE و پلی‌اورتان به دلیل ساختار مولکولی غیرفعال آنها که از واکنش الکتروشیمیایی با عوامل خطرناک فاضلاب پشتیبانی نمی‌کند و همچنین سطح صاف آنها که خوردگی تحت تأثیر میکروبی را کاهش می‌دهد، ترجیح داده می‌شوند.

در مقایسه با روسک‌های فلزی، روسک‌های پلاستیکی از نظر مقاومت در برابر خوردگی چگونه عمل می‌کنند؟

پلاستیک‌های تیغه‌ای مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارند و حدود ۹۸٪ در برابر تخریب محافظت می‌کنند. این مواد دچار خوردگی گالوانیک نمی‌شوند و حتی پس از قرار گرفتن طولانی‌مدت در شرایط سخت، درصد بالایی از استحکام کششی اولیه خود را نسبت به جایگزین‌های فلزی حفظ می‌کنند.

پیامدهای هزینه‌ای استفاده از تیغه‌های پلاستیکی به جای تیغه‌های فلزی چیست؟

استفاده از تیغه‌های پلاستیکی می‌تواند توقف عملیاتی را تا حدود ۷۳٪ کاهش دهد و هزینه‌های تعمیرات سالانه را به‌طور چشمگیری پایین آورد. همچنین چرخه تعویض آنها طولانی‌تر است که منجر به کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در بلندمدت و بهبود کارایی هزینه‌ای کلی در محیط‌های خورنده می‌شود.