حذف فلزات سنگین از آب

فلزات سنگین در آب

آلودگی مربوط به فلزات سنگین در آب یکی از خطرناکترین انواع آلودگیهای آب به شمار می آید. حذف و جداسازی فلزات سنگین نظیر کادمیوم، کروم، مس، نیکل، سرب، آرسنیک و روی از آب با فرایندهای مختلفی انجام می شود. فرایندهای ته نشینی شیمیایی، جذب سطحی، جداسازی غشایی، الکترو دیالیز و فتوکالیز برای جداسازی فلزات سنگین به کار می روند. شرکت مهندسی فران مجری پروژه های طرح و ساخت جداسازی فلزات سنگین با فرایندهای مختلف است.

عدم تصفیه و تخلیه فاضلاب و پسابهای صنعتی، منبع اصلی ورود آلاینده های فلزات سنگین از قبیل کادمیوم، کروم، مس، نیکل، سرب، آرسنیک و روی به منابع آب زیر زمینی و آبهای سطحی است. حلالیت بالای فلزات سنگین در آب منجر به جذب این ترکیبات مضر توسط میکروارگانیسم های زنده می شود. ورود فلزات سنگین به زنجیره غذایی به معنی خطر انباشته شدن این ترکیبات در بدن انسان است. مطالعات مختلف نشان می دهد که اگر فلزات با غلظت بیشتر از حد مجاز مصرف شوند، بروز مشکلات و اختلالات در سلامت انسانها حتمی است.

حذف فلزات سنگین از پساب غیر آلی می تواند با فرآیندهای تصفیه سنتی مانند رسوب گذاری شیمیایی، تبادل یونی و فرایند حذف الکتروشیمیایی انجام شود. علی رغم استفاده از این روشها در دهه های گذشته ولی حذف ناقص فلزات سنگین، مصرف انرژی بالا و تولید لجن سمی از معایب روشهای سنتی جداسازی فلزات سنگین از آب است.

اخیرا فرایندهای متعددی برای توسعه فناوری های ارزان و موثر در حذف فلزات سنگین مورد توجه قرار گرفته اند. جذب سطحی(Adsorbtion) به یکی از روش های جایگزین در تصفیه تبدیل شده است، در سال های اخیر جستجو برای جاذب های کم هزینه که ظرفیت اتصال فلزات بالایی داشته باشد، افزایش یافته است. این جاذب ها از مواد معدنی، ترکیبات زیستی، زئولیت، ضایعات صنعتی، زباله های زراعی، زیست توده و مواد پلیمری انتخاب می شوند.

جداسازی غشایی نیز برای تصفیه پسابهای صنعتی به دلیل کارایی بالا و قیمت مناسب به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرد. فرایند مختلف جداسازی غشایی نظیر اولترافیلتراسیون(UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس(RO) در تصفیه پسابهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

فرایندهای تصفیه الکتریکی مانند الکترودیالیز نیز به حفاظت از محیط زیست کمک کرده است. فرآیند فوتوکاتالیستی یک روش نوآورانه و امیدوار کننده برای جداسازی کارآمد آلاینده های فلزات سنگین از آب است. اگرچه بسیاری از روش ها برای تصفیه پساب های غیر معدنی استفاده می شود، تصفیه ایده آل باید نه تنها مناسب و قابل اجرا برای شرایط محل مورد نظر باشد، بلکه باید قادر به رعایت استانداردهای آلودگی سطحی (MCL) نیز باشد.

بیماریهای ناشی از فلزات سنگین در پسابهای صنعتی

معمولاً آلودگی مربوط به فلزات سنگین زمانی بیماری زا تلقی می شود که تراکم آنها از ۵ گرم در هر سانتیمتر مکعب تجاوز کند. آرسنیک حتی به شکل نیمه فلز هم به عنوان فلز سنگین خطرناک شناخته می شود. فلزات سنگین موجب اثرات جدی بر روی سلامتی انسان نظیر اختلال رشد، سرطان، آسیب به اعضای بدن، آسیب به سیستم عصبی می شوند و در مقادیر تجمع بالا در بدن منجر به مرگ خواهند شد. قرار گرفتن در معرض بعضی از فلزات مانند جیوه و سرب همچنین ممکن است باعث فعال شدن سیستم خود ایمنی شود، که در آن سیستم ایمنی بدن انسان به سلولهای خود حمله می‌کند.

فلز سنگینعلائم بیماریحداکثر غلظت مجاز (mg/l)
آرسنیکظهور مشکلات پوستی، سرطان، بیماری عروقی0.050
کادمیومآسیب کلیه، اختلال کلیوی، سرطان زا0.01
کرومسردرد، اسهال، تهوع، استفراغ، سرطان زا0.05
مسآسیب کبدی، بیماری ویلسون، بی خوابی0.25
نیکلدرماتیت، تهوع، آسم مزمن، سرفه، سرطان زا0.2
رویافسردگی، بی حالی، علائم عصبی و افزایش تشنگی0.80
سربآسیب مغز جنین، بیماری کلیه، سیستم گردش خون و سیستم عصبی0.006
جیوهآرتریت روماتوئید و بیماری کلیه ها، سیستم گردش خون و سیستم عصبی0.00003

حذف فلزات سنگین از آب

فرایندهای سنتی برای حذف و جداسازی فلزات سنگین از پسابهای صنعتی به ته نشینی شیمیایی، شناور سازی، جذب سطحی و رسوب الکترو شیمیایی محدود می شود. برای حذف فلزات سنگین از پساب غیر آلی به طور گسترده ای از روش رسوب شیمیایی استفاده می شود. راهکار اصلی این فرایند برای حذف فلزات سنگین به صورت واکنش زیر است:

که +M2 و -OH به صورت یون فلزی محلول هستند در حالی که  هیدروکسید فلز نامحلول است. تنظیم PH برای شرایط پایه (PH 9-11) پارامتر بسیار مهمی است که توسط ته نشینی شیمیایی به شدت بهبود پیدا می کند. آهک و سنگ آهک معمولا ترکیبات در دسترس و کم هزینه در بیشتر کشورها استفاده می‌شود. آهک می تواند به طور موثری فلزات محلول در آب با غلظت بیشتر از ۱۰۰۰ mg/L را پالایش کند. از دیگر مزیت‌های استفاده از آهک ساده بودن فرآیند، تجهیزات مورد نیاز ارزان قیمت و عملکرد ساده با ایمنی بالا است. معایب استفاده از آهک در کنار مزایای آن در حذف فلزات سنگین از پسابهای صنعتی نیز باید مورد توجه قرار بگیرد. تولید لجن زیاد با آلودگی بالا، سرعت ته نشینی کم و کیفیت پایین ته نشینی از معایب استفاده از آهک در تصفیه پسابهای صنعتی است.

استفاده از رزین های تبادل یونی یکی دیگر از روش های موفق در حذف فلزات سنگین از آب است. حذف غیر انتخابی یونها در فرایند تبادل یون و حساسیت بالای فرایند نسبت به تغییرات PH از معایب فرایند تبادل یون در حذف فلزات سنگین به شمار می رود. محدودیتها در جداسازی فلزات سنگین بعد از احیای رزینهای تبادل یونها از دیگر معایب فرایند تبادل یونی در جداسازی فلزات سنگین است.

رزینهای تبادل یونی انتخابی یکی از گزینه های دیگر جداسازی انتخابی یونهای فلزات سنگین از آب هستند. این رزینها با حذف انتخابی یونهای فلزات سنگین، غلظت این ترکیبات مضر را کاهش می دهند. پس از اشباع رزین، فرایند احیا، شرایط عملیاتی رزین را به کارکرد اولیه باز می گرداند.

فرایند احیا از طریق الکترولیت یا میدان الکتریکی یکی از فناوری های مورد استفاده در حذف فلزات از جریان آب است. این فرآیند از الکتریسیته برای عبور جریان از محلول حاوی ترکیبات آلاینده استفاده می کند که از طریق صفحه کاتد و آند انجام می شود. خوردگی الکترودها یک عامل محدود کننده این فرایند است که در آن الکترودها باید به صورت مداوم جایگزین شوند

جذب سطحی فلزات سنگین

جذب سطحی به فرایند جذب یون ها از فاز مایع به فاز جامد گفته می شود. جذب سطحی در واقع گروهی از فرآیند ها هستندکه شامل جذب سطحی و واکنش ته نشینی است. اصولا جذب سطحی فرآیند انتقال جرم است که ذرات از فاز مایع به سطح جامد منتقل می شوند که به واکنش های شیمیایی و فیزیکی محدود می‌شوند.

جذب سطحی مواد طبیعی

زئولیت طبیعی به دلیل خواص با ارزش مانند قابلیت تبادل یونی بسیار مورد توجه است. از میان اغلب زئولیت‌های طبیعی مورد مطالعه، کلینوپتیلولیت برای انتخاب برخی از یونهای سنگین فلزات مانند Pb (II)، Cd (II)، Zn (II) و Cu (II) بسیار مناسب است. در مطالعات اخیر نشان داده شده است که امکان تبادل کاتیون کلینوپلتیلولیت بستگی به روش پیش تصفیه و شرایط توانایی بهبود تبادل یونی و بازده حذف دارد. همچنین توانایی انواع مختلف سنتز‌های زئولیت برای فلزات سنگین به تازگی مورد مطالعه قرار گرفته است. PH در جذب سطحی مناسب یون‌های مختلف فلزات سنگین نقش بسیار مهمی دارد.

جذب سطحی در کشاورزی اصلاح شده و پسماندهای زیستی (جذب زیستی)

اخیراً مطالعات مختلفی در مورد حذف فلزات سنگین از پسابهای صنعتی با استفاده از محصولات جانبی کشاورزی به عنوان جاذب انجام شده است. استفاده از محصولات کشاورزی در جذب زیستی فلزات سنگین، به عنوان زیست جذب شناخته می شود. از زیست توده(بیوماس) میکروبی غیر فعال (غیر زنده) برای جذب و کاهش غلظت فلزات سنگین در جریان فاضلاب توسط مسیر تصفیه فیزیکی و شیمیایی استفاده می شود. منابع جدید مانند پوسته فندق، پوسته برنج، زردآلو، ذرت یا سبوس ها می توانند به عنوان یک جاذب برای جذب فلزات سنگین پس از اصلاح یا با حرارت دادن و تبدیل به کربن فعال، استفاده شوند.

جذب سطحی روی بیوپلیمر ها و هیدروژل های اصلاح شده

بیوپلیمر ها برای تولید کارخانه ای جذاب هستند زیرا مناسب برای یون فلزی با غلظت های پایین، در دسترس و سازگار با محیط طبیعی هستند. یکی دیگر از ویژگی های جذاب بیوپلیمرها آن است که آن‌ها دارای تعدادی از گروه های مختلف کاربردی مانند هیدروکسیل ها و آمین ها هستند که باعث افزایش کارایی جذب یون‌های فلزی و امکان بارگذاری حداکثر مواد شیمیایی می شود.

جداسازی فلزات سنگین با فرایند غشایی

فرایند مختلف جداسازی غشایی توانایی جداسازی طیف وسیعی از یونهای محلول و نامحلول از آب را دارد. فرایند اولترافیلتراسیون (UF) برای جدا سازی فلزات سنگین، ماکرومولکول ها و مواد جامد معلق از محلول های معدنی، بر اساس اندازه منافذ (۵-۲۰ nm) و وزن مولکولی ترکیبات (۱۰۰۰-۱۰۰,۰۰۰ Da) به کار برده می شود. این ویژگی منحصر به فرد UF را قادر می سازد که اجازه عبور آب و محلول های با وزن مولکولی کم را بدهد، در حالی که از ورود ماکرومولکول هایی که اندازه‌ای بزرگتر از اندازه منافذ ممبران دارند جلوگیری می شود. در نمونه ای از مطالعات در حذف یون های Cu(II) و Zn(II) به ترتیب حذف ۱۰۰% و ۹۵% در محدوده PH 8.5 تا ۹٫۵ بدست آمده است.

مقایسه فرایند اسمز معکوس(RO) و نانو فیلتراسیون(NF) برای تصفیه پسابهای حاوی یون های مس و کادمیوم راندمان بالای حذف را در فرآیند RO می دهد. میزان حذف نمک برای مس و کادمیوم در فرآیند RO به ترتیب ۹۸% و ۹۹% است در حالی که در فرایند UF برابر ۹۰% است.

ترکیب فرایندهای مختلف غشایی برای جدا سازی انتخابی با هدف کاهش هزینه و افزایش راندمان فلزات سنگین استفاده می شود. این فرآیند به سه بخش تقسیم می شود: ابتدا، میکرو فیلتراسیون (MF) و UF برای جدا سازی مواد آلی و ذرات معلق استفاده می شود، سپس الکترودیالیز (ED) برای خالص سازی موثرتر استفاده می شود و در انتها آب شور از فرآیند ED برای کاهش نرخ ریکاوری آب به بخش تصفیه NF و RO بازگردانده می شود. مقایسه بین فرآیند های مختلف جداسازی غشایی نشان می دهد که کارایی فیلتراسیون غشایی UF در شرایط معمول مناسب نیست، حتی هنگامی که با ممبران MF مقایسه شود. نتیج مطالعات نشان می دهد که فرایند RO در جدا سازی فاضلاب بهتر از NF عمل می کند.

شرکت مهندسی فران، طراحی و ساخت واحدهای تصفیه آب صنعتی با فرایندهای مختلف غشایی را برای جداسازی فلزات سنگین با به روز ترین دانش مهندسی تصفیه آب انجام می دهد.

حذف فلزات سنگین با فرایند الکترو دیالیز

الکترودیالیز (ED) یک روش جداسازی ممبران است که ذرات یونیزه شده در محلول با استفاده از ایجاد پتانسیل الکتریکی از ممبران های مبدل یونی عبور می کند. ممبران ها صفحات نازک از مواد پلاستیکی با ویژگی ها کاتیون یا آنیونی هستند. هنگامی که محلول شامل ذرات یونی از طریق بخش های سلولی عبور می کند، آنیون ها به سمت آند و کاتیون ها به سمت کاتد حرکت می کنند.

برخی از نتایج بدست آمده در  مطالعات در محاسبه عملکرد ممبران های مبدل یونی برای الکترودیالیز Ni(II) و Co(II) یون ها از محلول وجود دارد. دو ممبران مبدل یونی پرفلوروسولفونیک نافیون ۱۱۷ و سولفونات پلی وینیل دی فلوراید (SPVDF) تحت شرایط عملکردی یکسان بررسی شده است. با استفاده از پرفلوروسولفونیک نافیون ۱۱۷ بازده حذف Co(II) و Ni(II) به ترتیب ۹۰% و ۶۹% بدست آمده است. نتایج نشان می دهد با افزایش ولتاژ و دما عملکرد سلول ها بهبود می یابد، در حالی که درصد جداسازی با افزایش جریان کاهش می یابد.

فتو کاتالیز و حذف فلزات سنگین

در مطالعات اخیر فرآیند فتو کاتالیز در پساب های کارخانه های نیمه هادی ها به دلیل دیدگاه تبدیل انرژی خورشیدی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. این فرآیند فتوکاتالیتی برای تخریب سریع و موثر آلاینده های محیطی ایجاد شده است. پس از روشن شدن رابط نیمه هادی الکترولیتی با انرژی نور بیش از باند نیمه هادی، جفت الکترون حفره (e / h +) به ترتیب در رسانایی و باند والانس نیمه هادی تشکیل می شود. این حاملهای شارژ که به سطح نیمه هادی منتقل می شوند، قادر به کاهش یا اکسیداسیون ذرات محلول هستند. چندین نیمه رسانا شامل TiO2، ZnO، CeO2، CdS، ZnS و …. مورد استفاده قرار گرفته است که بهترین عملکرد فتوکاتالیز را دی‌اکسید تیتانیوم دارد.

مزایا و مشکلات هر یک از فرآیند های تصفیه فاضلاب برای حذف فلزات سنگین در جدول زیر به طور خلاصه ارائه شده است.

فرایند جداسازیمزیت هامعایب
ته نشینی شیمیاییهزینه سرمایه گذاری پایین، عملکرد سادهتولید لجن فعال، هزینه اضافی عملکردی برای حذف لجن فعال
جذب سطحی با جاذب های جدیدهزینه کم، شرایط عملکرد ساده، دارای محدوده PH وسیع، ظرفیت اتصال فلزی بالاحذف انتخابی پایین، هدر رفت بخشی از محصول
فیلتراسیون ممبرانفضای اشغالی کوچک، فشار کم، جدا سازی انتخابی بالاهزینه عملیاتی بالا به دلیل گرفتگی ممبران
الکترو دیالیزجداسازی انتخابی بالاهزینه عملیاتی بالا به دلیل گرفتگی ممبران و مصرف انرژی
فتو کاتالیزحذف فلزات و مواد آلی به طور همزمان، آسیب کمتر به محصولزمان ماند بالا، تجهیزات محدود

شرکت دانش بنیان مهندس فران با تکیه بر سرمایه انسانی متخصص، فرایندهای مختلف حذف و جداسازی فلزات سنگین را در قالب پروژه های طرح و ساخت، پیشنهاد می کند.

 Reference:New trends in removing heavy metals from industrial wastewater