يلعب الجير دورًا كيميائيًا متعدد الوظائف واقتصاديًا وفعالاً في معالجة مياه الصرف الصناعي، وتمتد وظيفته إلى ما هو أبعد من التعديل البسيط للحمض-. وتكمن قيمته الأساسية في تحويل الملوثات الذائبة في الماء إلى مواد صلبة غير قابلة للذوبان من خلال سلسلة من العمليات الكيميائية والفيزيائية، وبالتالي تحقيق الفصل والتنقية.
1. تعديل الرقم الهيدروجيني وتفاعل الهطول
المكونات الرئيسية للجير هي أكسيد الكالسيوم (CaO) أو هيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)₂)، والتي تشكل بيئة قلوية قوية عندما تذوب في الماء. وهذا هو أساس جميع وظائفها.
يمكنه تحييد مياه الصرف الصحي الحمضية بسرعة إلى ظروف محايدة أو قلوية، مما يخلق الظروف اللازمة للمعالجة اللاحقة وترسيب المعادن.
في ظل الظروف القلوية، يمكن أن يتفاعل مع أيونات المعادن المختلفة في الماء لتكوين هيدروكسيدات الماء غير القابلة للذوبان أو رواسب الملح. على سبيل المثال:
إزالة المعادن الثقيلة (مثل النحاس والنيكل والزنك والكروم): Cu²⁺ + Ca(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + Ca²⁺
إزالة الفوسفور: التفاعل مع الأرثوفوسفات لتكوين راسب هيدروكسيباتيت: 5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻ → Ca₅(PO₄)₃(OH)↓
إزالة الفلوريد: تكوين راسب فلوريد الكالسيوم: Ca²⁺ + 2F⁻ → CaF₂↓
2. التخثر-تأثير تآزري للتخثر
لا يوفر الجير بيئة قلوية فحسب، بل إن أيونات الكالسيوم (Ca²⁺) التي ينتجها والرواسب نفسها لها تأثير تآزري فيزيائي وكيميائي:
يمكن لـ Ca²⁺ أن يضغط الطبقة الكهربائية المزدوجة من الجزيئات الغروية في مياه الصرف الصحي، مما يقلل من استقرارها ويعزز التخثر الغروي.
تعمل المواد القابلة للذوبان الدقيقة من هيدروكسيد الكالسيوم المتولدة وتكتلاتها، أثناء التكوين والترسيب، كشبكة دقيقة، حيث تقوم ميكانيكيًا بتغليف وامتصاص وكنس الجزيئات الدقيقة العالقة والأصباغ العضوية وبعض المواد الغروية الموجودة في الماء، مما يؤدي إلى استقرارها معًا. تعمل هذه العملية على تحسين كفاءة إزالة التعكر واللون بشكل كبير.
3. قدرة معالجة متقدمة لملوثات محددة
في بعض سيناريوهات مياه الصرف الصناعي، يلعب الجير دورًا حاسمًا:
إزالة الاستحلاب وإزالة الزيت: بالنسبة لمياه الصرف الصحي الزيتية والمستحلبة، يمكن لبيئة درجة الحموضة العالية أن تعطل الواجهة المستقرة لقطرات الزيت المستحلبة، مما يعزز عملية إزالة استحلاب الزيت وفصله.
التصبن: يمكنه تصبن الأحماض الدهنية والمواد العضوية الأخرى في مياه الصرف الصحي، مما ينتج عنه صابون الكالسيوم غير القابل للذوبان، والذي يسهل إزالته.
التصلب الكيميائي: بالنسبة لمياه الصرف الصحي التي تحتوي على الكبريتيدات والزرنيخات وما إلى ذلك، يمكن أن تولد رواسب ملح الكالسيوم أكثر استقرارًا، مما يقلل من سميتها وهجرتها.
4. إزالة الصلابة
يعتبر الجير أكثر فعالية في إزالة "صلابة الكربونات" (أي صلابة الكالسيوم والمغنيسيوم المرتبطة بأيونات البيكربونات). التفاعل الأساسي هو "ترسيب قلونة البيكربونات":
إزالة صلابة الكالسيوم: Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
يعد هذا التفاعل أمرًا بالغ الأهمية: تتفاعل أيونات الكالسيوم المدخلة خارجيًا (من الجير) مع بيكربونات الكالسيوم في الماء لتكوين راسب كربونات الكالسيوم. من الناحية النظرية، تتطلب إزالة جزيء واحد من بيكربونات الكالسيوم جزيءًا واحدًا من الجير وينتج جزيئين من راسب كربونات الكالسيوم.
إزالة صلابة المغنيسيوم: Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O
تتطلب إزالة المغنيسيوم درجة حموضة أعلى (عادةً أعلى من 10.5) لأن هيدروكسيد المغنيسيوم له قابلية ذوبان أقل. يقوم الجير أولاً بتحويل كربونات المغنسيوم إلى راسب هيدروكسيد المغنسيوم، بينما يقوم في نفس الوقت بتحويل أيونات البيكربونات المرتبطة إلى راسب كربونات الكالسيوم.
في التطبيقات التي تتطلب التخفيف العميق لمياه الصرف الصحي (إزالة كل من الكربونات والصلابة-غير الكربونية في نفس الوقت)، يتم استخدام "عملية الصودا-الجيرية" بشكل شائع.
الجير (Ca(OH)₂): يزيل صلابة الكربونات (كما هو موضح أعلاه).
رماد الصودا (Na₂CO₃): يزيل الصلابة غير الكربونية. على سبيل المثال:
CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl
MgSO₄ + Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓ + Na₂SO₄
يمكن لهذه العملية المدمجة أن تقلل الصلابة الكلية إلى مستوى منخفض عند درجة حموضة مناسبة.