حذف آرسنیک از آب

در مناطقی که آب آشامیدنی حاوی سطوح ناایمن آرسنیک است، نگرانی جدی، یافتن یک منبع سالم آب آشامیدنی است.  یافتن منبع امن جدید یا حذف آرسنیک از آب دو راه حل اصلی به شمار می آید. اگر نتوان منبع آب سالم از آرسنیک یافت، هدف کوتاه مدت کاهش سطح آرسنیک است. روش‌های مختلفی برای حذف آرسنیک از آب وجود دارد. روش های مهم زیر در زیر مورد بحث قرار می گیرند:

1. اکسیداسیون

2. انعقاد، بارش و فیلتراسیون

3. جذب (فیلتراسیون جذبی)

4. تبادل یونی

5. تکنیک های غشایی

اکسیداسیون

بیشتر تاثیر فن‌آوری‌های حذف آرسنیک در از بین بردن شکل پنج ظرفیتی آرسنیک (As(V)، و تبدیل به آرسنات، به چشم می خورد، زیرا شکل سه ظرفیتی (As(III)، آرسنیت عمدتاً کمتر از pH 9.2 شارژ نمی‌شود. بنابراین آرسنات بسیار کمتر از آرسنیت تحرک دارد، زیرا تمایل دارد با کاتیون‌های فلزی رسوب کند یا بر روی سطوح جامد جذب شود.

بنابراین، بسیاری از سیستم های تصفیه شامل یک مرحله اکسیداسیون برای تبدیل آرسنیت به آرسنات هستند. آرسنیت می تواند توسط اکسیژن (O2)، هیپوکلریت (HClO)، پرمنگنات (HMnO4) و پراکسید هیدروژن (H2O2) اکسید شود. اکسیژن اتمسفر در دسترس ترین عامل اکسید کننده است و بسیاری از فرآیندهای تصفیه اکسیداسیون توسط هوا را ترجیح می دهند. با این حال، اکسیداسیون آرسنیک در هوا یک فرآیند بسیار کند است و ممکن است هفته ها برای اکسیداسیون طول بکشد.اکسیداسیون آرسنیت در هوا می تواند توسط باکتری ها، محلول های اسیدی یا قلیایی قوی، مس، کربن فعال پودری و دمای بالا کاتالیز شود .

اکسیداسیون و ته نشینی غیرفعال

در خانه ها اکسیداسیون با اکسیژن موجود به طور طبیعی در هوا در طول جمع آوری و ذخیره سازی  ممکن است باعث کاهش غلظت آرسنیک در آب ذخیره شده شود که به عنوان رسوب غیرفعال نیز شناخته می شود. برای ته نشینی غیرفعال، آب باید برای مدت زمان کافی ذخیره شود تا امکان تبادل اکسیژن از هوا به آب فراهم شود.

به نظر می رسد کاهش آرسنیک توسط رسوب گذاری ساده به کیفیت آب، به ویژه وجود آهن رسوب دهنده در آب، بستگی دارد. قلیائیت زیاد و وجود آهن در آب چاه لوله باعث افزایش حذف آرسنیک با ذخیره سازی می شود.

انعقاد و فیلتراسیون

انعقاد و فیلتراسیون با نمک های فلزی و آهک و به دنبال آن فیلتراسیون، مستندترین روش حذف آرسنیک از آب است. در فرآیند انعقاد، آرسنیک از طریق سه مکانیسم از محلول حذف می شود .

1. رسوب: تشکیل ترکیبات نامحلول.

2. رسوب همزمان: ادغام گونه های آرسنیک محلول در فازهای هیدروکسیدهای فلزی در حال رشد (مانند رسوب همزمان با Fe(III)؛

3. جذب: اتصال الکترواستاتیکی آرسنیک محلول به سطوح خارجی هیدروکسید فلز نامحلول.

فناوری انعقاد از سال 1970 در شمال شیلی برای حذف آرسنیک از آب آشامیدنی استفاده شده است. این تجربه نشان می دهد که انعقاد یک فناوری موثر برای حذف آرسنیک است. در حال حاضر می توان آرسنیک را از 400 میکروگرم در لیتر به 10 میکروگرم در لیتر با سرعت 500 لیتر در ثانیه کاهش داد، با فرض اینکه pH، عوامل اکسید کننده و انعقاد به شدت کنترل شوند .

فرآیندهای انعقاد لخته سازی با استفاده از آلوم، کلرید آهن یا سولفات آهن در حذف آرسنیک موثر هستند

آنها شناخته شده ترین راه تصفیه آرسنیک هستند و در مطالعات آزمایشگاهی و میدانی بیشتر از سایر فناوری ها آزمایش شده اند .هنگامی که به آب اضافه می شوند، تحت هم زدن موثر به مدت یک تا چند دقیقه حل می شوند. در طی این فرآیند لخته سازی، انواع ریز ذرات و یون های دارای بار منفی با اتصال الکترواستاتیکی به لخته ها متصل می شوند.

آرسنیک نیز بر روی لخته های منعقد شده جذب می شود. می توان آن را تا حدی با ته نشینی حذف کرد، در حالی که ممکن است برای اطمینان از حذف کامل همه لخته ها به فیلتراسیون نیاز باشد. حذف آرسنیک توسط انعقاد عمدتاً توسط pH و دوز انعقادی کنترل می شود. انعقاد با کلرید آهن در pH کمتر از 8 بهترین عملکرد را دارد و آلوم دامنه موثر باریکتری از pH 6 تا 8 دارد.

استفاده از آهن طبیعی موجود در آب های زیرزمینی

استفاده از آهن طبیعی موجود در آب های زیرزمینی یک روش امیدوارکننده برای حذف آرسنیک با جذب است، به این معنی که نیازی به افزودن مواد شیمیایی نیست. رسوبات آهنی که در اثر اکسیداسیون آهن محلول به وجود می‌آیند، آرسنیک را از طریق انعقاد، جذب، رسوب و فیلتراسیون و همچنین با اکسیداسیون حذف می‌کنند. راندمان واحدها به میزان آرسنیک و آهن آب بستگی دارد. با افزایش زمان تماس گونه های آرسنیک و لخته های آهن می توان آن را افزایش داد.

انعقاد با آهک

تصفیه آب با افزودن آهک سریع، CaO یا آهک هیدراته، Ca(OH)2 آرسنیک را حذف می کند. تصفیه آهک فرآیندی مشابه انعقاد با نمک فلز است. هیدروکسید کلسیم رسوب شده، Ca(OH)2 به عنوان یک لخته جذب کننده برای آرسنیک عمل می کند. آهک اضافی حل نمی شود، اما به عنوان یک کمک منعقد کننده باقی می ماند که باید همراه با رسوبات از طریق فرآیند ته نشینی و فیلتراسیون حذف شود.

مشاهده شده است که حذف آرسنیک توسط آهک نسبتاً کم است، معمولاً بین 40-70٪. بیشترین حذف در pH 10.6 تا 11.4 به دست می آید (AHMED 2001). نرم کردن آهک ممکن است به عنوان یک پیش تصفیه مورد استفاده قرار گیرد و به دنبال آن انعقاد زاج یا آهن انجام شود.

اکسیداسیون خورشیدی و رسوب اکسیدهای Fe(III) با As(V) جذب شده

SORAS یک روش ساده است که از تابش آب با نور خورشید در بطری شفاف PET یا دیگر UV-A (نگاه کنید به SODIS) برای کاهش سطح آرسنیک در آب آشامیدنی استفاده می کند. روش SORAS مبتنی بر دو مرحله است: مرحله اول شامل اکسیداسیون فتوشیمیایی (از طریق اثر نور UV خورشیدی) As (III) به As (V) و سپس مرحله دوم شامل بارش یا فیلتر کردن As (V) است.

جذب شده روی اکسیدهای آهن (III) که یا به طور طبیعی وجود دارند یا اضافه می شوند و با افزودن آب لیمو به حالت تعلیق نگهداری می شوند. این می تواند یک روش تصفیه آب باشد که در سطح خانگی برای تصفیه مقادیر کمی آب آشامیدنی استفاده می شود.

آب های زیرزمینی در بنگلادش به طور طبیعی حاوی آهن (II) و آهن (III) هستند. بنابراین SORAS می تواند محتویات آرسنیک را کاهش دهد و تقریباً بدون هیچ هزینه ای در دسترس همه باشد.

فیلتراسیون جذبی

چندین محیط جذب مانند آلومینا فعال، کربن فعال، ماسه پوششی با آهن و منگنز، خاک رس کائولینیت، اکسید آهن هیدراته، بوکسیت فعال، اکسید تیتانیوم، اکسید سیلیسیم و بسیاری از محیط های طبیعی و مصنوعی هستند که آرسنیک را از آب حذف می کنند. کارایی محیط جذب به استفاده از عوامل اکسید کننده به عنوان کمک برای تحریک جذب آرسنیک در محیط بستگی دارد.

آلومینا فعال

آلومینا فعال (Al2O3) سطح جذب خوبی دارد، در محدوده 200-300 m2/g. مساحت سطح بزرگ به ماده منطقه بسیار زیادی برای جذب آرسنیک می دهد. هنگامی که آب از یک ستون بسته بندی شده از آلومینا فعال عبور می کند، ناخالصی ها از جمله آرسنیک موجود در آب روی سطوح دانه های آلومینا فعال می نشیند.

در نهایت، ستون ابتدا در ناحیه بالایی خود و سپس در پایین دست به سمت انتهای پایین اشباع و در نهایت ستون کاملاً اشباع می شود. بازسازی آلومینا اشباع شده با قرار دادن محیط در معرض 4 درصد سود سوزآور (NaOH) به صورت دسته‌ای یا با جریان از طریق ستون انجام می‌شود که منجر به فاضلاب سوزاننده شدیداً آلوده به آرسنیک می‌شود.

حذف آرسنیک توسط آلومینا فعال شده توسط pH و محتوای آرسنیک آب کنترل می شود. با نزدیک شدن به نقطه بار صفر، راندمان کاهش می یابد و در pH 8.2 که سطح بار منفی دارد، ظرفیت حذف تنها 5-2 درصد ظرفیت در pH بهینه است. برخی از نمونه‌هایی از محیط‌های جذبی مبتنی بر آلومینا فعال عبارتند از: «آلومینای فعال BUET»، «آلومینای فعال تقویت‌شده آلکان» و «واحد تصفیه آرسنیک Apyron».

هیدروکسید آهن دانه ای

هیدروکسید آهن دانه ای نیز برای حذف جذبی آرسنات، آرسنیت و فسفات از آب استفاده می شود. راکتورهای گرانول هیدروکسید آهن، جاذب های بستر ثابت هستند که مانند یک فیلتر معمولی با جریان آب رو به پایین عمل می کنند. آب حاوی آهن محلول بالا و مواد معلق باید هوادهی شود و از طریق بستر شن و ماسه به عنوان پیش تصفیه تصفیه شود تا از گرفتگی بستر جذب جلوگیری شود.

اکسید سریم آبدار

اکسید سریم آبدار نیز جاذب خوبی است. آزمایش آزمایشگاهی و آزمایش میدانی مواد در چندین مکان نشان داد که این جاذب در حذف آرسنیک از آب‌های زیرزمینی بسیار کارآمد است.

تراشه های آجر و ماسه روکش با آهن

شن و ماسه با روکش آهن و تراشه های آجری با روکش آهن در از بین بردن As(III) و As(V) موثر هستند. “فیلتر آرسنیک Shapla” نمونه‌ای از فیلتر حذف آرسنیک خانگی است که بر اساس تراشه‌های آجری با روکش آهن ساخته و توسط سازمان توسعه بین‌المللی (IDE) توسعه یافته است.آب جمع‌آوری‌ از چاه‌های لوله‌ای آلوده از میان فیلترهایی که در ظرف خاکی قرار گرفته‌اند عبور می‌کند که در زیر آن یک سیستم زهکشی وجود دارد.

فیلترهای آرسنیک خانگی

برخی از فیلترها مانند SONO 3 KALSHI، KanchanTM یا فیلتر آرسنیک SAFI از پرکننده‌های آهن صفر (آهن جامد)، ماسه، تراشه‌های آجری و کک چوب برای حذف آرسنیک و سایر فلزات کمیاب از آب زیرزمینی استفاده می‌کنند (همچنین به فیلترهای آرسنیک مراجعه کنید). آرسنیک از طریق جذب روی مخلوط پرکننده آهن صفر ظرفیتی نیمه اکسید و ماسه حذف می گردد.

فیلتر KanchanTM توسط موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، سازمان محیط زیست و بهداشت عمومی (ENPHO) و برنامه تامین آب و بهداشت روستایی (RWSSSP) نپال توسعه یافته است. فیلتراسیون آهسته ماسه و جذب روی هیدروکسید آهن را با هم ترکیب می کند و در حذف آرسنیک، عوامل بیماری زا، آهن، کدورت، بو و برخی دیگر از آلاینده ها در آب آشامیدنی موثر است.

فیلتر

فیلتر از یک جعبه بتنی یا پلاستیکی تشکیل یافته که با لایه‌هایی از شن و ماسه پر است، مانند فیلتر بیوسند. در بالای فیلتر به عنوان مرحله اول یک لایه 5 کیلوگرمی میخ آهنی نصب می شود. این میخ‌ها وقتی در معرض هوا و آب قرار می‌گیرند خیلی سریع زنگ می‌زنند و ذرات هیدروکسید آهن تولید می‌کنند که جاذب عالی آرسنیک است. هنگامی که آب حاوی آرسنیک در فیلتر را می افزایند، واکنش کمپلکس سطحی رخ می دهد و آرسنیک به سرعت بر روی سطح ذرات هیدروکسید آهن می نشیند.

سپس  به لایه شنی زیر ذرات آهن حاوی آرسنیک می افزایند. به دلیل فضای منافذ بسیار کوچک در لایه ماسه ریز، ذرات آهن حاوی آرسنیک در چند سانتی‌متر بالای لایه ماسه ریز به دام می‌افتند. در نتیجه، آرسنیک به طور موثر از آب حذف می شود.

فیلتر SAFI یک فیلتر شمع سرامیکی سازگار است که بر اساس اصول جذب و فیلتراسیون بر روی مواد کامپوزیت متخلخل فعال شمع عمل می کند. این فیلتر از مواد متخلخل کامپوزیتی مانند کائولینیت و اکسید آهن است که اکسید آهن هیدراته بر روی آن با عملیات شیمیایی و حرارتی متوالی رسوب می کند. اکسی هیدروکسیدهای آهن، آلومینیوم و منگنز در حذف آرسنیک، آهن و باکتری ها نقش دارند.

تبادل یونی

تبادل یونی مشابه با آلومینا فعال است. فقط محیط یک رزین مصنوعی با ظرفیت تبادل یونی متعارف بهتر است. رزین مصنوعی بر اساس یک اسکلت پلیمری متقابل به نام ماتریس  است. گروه‌های عاملی باردار از طریق پیوند کووالانسی به ماتریکس متصل می‌شوند و به گروه‌های اسیدی، ضعیف اسیدی، قوی بازی و ضعیف بازی تقسیم می‌شوند. فرآیند تبادل یونی  به pH آب وابستگی کمتری دارد .

آرسنیت، بدون شارژ، با فرآیند تبادل یونی حذف نمی شود. از این رو، پیش اکسیداسیون As(III) به As(V) برای حذف آرسنیت توسط فرآیند تبادل یونی مورد نیاز است، اما مازاد اکسیدان اغلب باید قبل از تبادل یونی حذف شود تا از آسیب رزین های حساس جلوگیری شود. همانطور که رزین تمام می شود، نیاز به بازسازی دارد. رزین های تبادل یونی را می توان به راحتی با شستشو با محلول NaCl بازسازی کرد.

تکنیک های غشایی

غشاهای مصنوعی برای از بین بردن بسیاری از آلاینده ها از آب از جمله پاتوژن ها، نمک ها و یون های فلزی مختلف کاربرد دارند. معمولاً از دو نوع فیلتراسیون غشایی استفاده می شود: غشاهای کم فشار مانند میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون و غشاهای پرفشار مانند نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس. حذف آرسنیک توسط فیلتراسیون غشایی مستقل از pH و حضور سایر املاح است اما وجود مواد کلوئیدی بر آن تأثیر منفی می‌گذارد.

آهن و منگنز همچنین می توانند منجر به پوسته پوسته شدن و رسوب غشاء شوند.آلودگی غشایی توسط ناخالصی های موجود در آب، قابل شستشوی معکوس نیست. آبی که غلظت‌های بالایی از مواد جامد معلق دارد، برای حذف آرسنیک با تکنیک‌های غشایی برای جلوگیری از گرفتگی نیاز به پیش تصفیه دارد.

حذف آرسنیک از آب با اسمز معکوس

اسمز معکوس یکی از روش ها و تجهیزات بسیار کاربردی در تصفیه آب می باشد که عکس عمل اسمز موجود در طبیعت رفتار می کند. در این تجهیزات آب حاوی آلاینده ها با فشار از غشاهایی با منافذ بسیر کوچک می گذرد. بر اثر عبور آب از این غشاها ذرات کوچکی مانند آرسنیک امکان عبور را پیدا نخواهند کرد.

حذف آرسنیک با اولترافیلتراسیون

استفاده از غشاهای اولترافیلتراسیون از دیگر روش ها برای کاهش مقدار آرسنیک موجود در آب می باشد که البته کارایی آن کمتر از اسمز معکوس است. با توجه به اینکه منافذ این غشاها بزرگتر از اسمز معکوس می باشند، به همین دلیل بهتر است ابتدا عمل لخته سازی و انعقاد صورت گیرد تا کارایی و راندمان افزایش پیدا کند.

حذف آرسنیک از آب با نانوفیلتراسیون

عبور آب از غشاهای نانوفیلتراسیون که دارای منافذی به اندازه 0.001 میکرون می باشند نیز می تواند گزینه ای نسبتا مناسب برای حذف آرسنیک از آب باشد. این گروه از ممبران ها نیز کارایی کمتری نسبت به RO دارند.

دفع لجن

تمام فن آوری های حذف آرسنیک از آب در نهایت  در محیط های جذب، لجن یا محیط های مایع آرسنیک را متمرکز می کنند و دفع بی رویه آنها ممکن است منجر به آلودگی محیط زیست شود.

از این رو، دفع زیست محیطی ایمن لجن، محیط های اشباع  و زباله های مایع غنی از آرسنیک بسیار نگران کننده است.

آزمایش‌هایی برای ارزیابی تبدیل آرسنیک از محلول‌های آبی در حضور مدفوع گاو انجام شد.

برخی از مطالعات نشان دادند که فرآیند بیوشیمیایی (به عنوان مثال، متیلاسیون زیستی) در حضور فضولات تازه گاو ممکن است منجر به کاهش قابل توجه آرسنیک از پسماندهای تصفیه غنی از آرسنیک شود.

تماس با ما: