حذف فلزات سنگین از پساب

برای حذف فلزات سنگین از پساب می توان از فرآیندهای جذب به طور گسترده استفاده کرد. پرکاربردترین جاذب کربن فعال است که بهترین نتایج را می دهد اما هزینه بالا استفاده از آن را محدود می کند. هزینه تولید و بازسازی بالایی دارد. از آنجایی که جهان امروز با کمبود منابع آب شیرین مواجه است، جستجوی جایگزین هایی که بار منابع موجود را کاهش می دهد، اجتناب ناپذیر است.

همچنین، فلزات سنگین حتی در غلظت های کمی سمی هستند، بنابراین یک روش ایمن برای حذف آنها از نظر زیست محیطی نیاز به جاذب های کم هزینه را ایجاب می کند. جذب سطحی یک تکنیک مقرون به صرفه است و به دلیل حداقل مزیت دفع زباله، شناخته شده است. این فصل بر روی فرآیند جذب و انواع جاذب های موجود امروزی تمرکز دارد. همچنین شامل جاذب‌های کم‌هزینه از زباله‌های کشاورزی تا زباله‌های صنعتی است که شرایط واکنش جذب را توضیح می‌دهد. مقرون به صرفه بودن، کاربرد فنی و در دسترس بودن آسان مواد خام با تأثیر منفی کم بر سیستم، پیشرو در انتخاب جاذب ها هستند.

1. توضیحات

فلزات سنگین عناصر سمی با وزن مخصوص بیشتر از 5 گرم بر سانتی متر مکعب هستند، به عنوان مثال. روی، آهن، مس، کروم، جیوه، سرب، نیکل، کو و غیره.

منابع طبیعی اصلی فلزات سنگین شامل فرآیندهای آتشفشانی، هوازدگی سنگ ها و فرسایش خاک است.

در حالی که منابع انسانی شامل فرآوری مواد معدنی، احتراق سوخت و فعالیت‌های صنعتی مانند استخراج معدن، فرآوری فلزات، کودهای شیمیایی و تولید رنگ و غیره است.

موجودات زنده منجر به اثرات زیست محیطی می شوند. فلزات سنگین توسط گیاهان جذب می‌شوند که از طریق زنجیره‌های غذایی در حیوانات و انسان‌ها بزرگ‌نمایی می‌شوند و به دلیل سرطان‌زایی‌شان اثرات منفی جدی بر سلامتی ایجاد می‌کنند .

جدول 1 حداکثر سطح آلاینده (MCL) در آب آشامیدنی ارائه شده توسط USEPA  همراه با اثرات مضر آنها را نشان می دهد.

 جدول 1

اثرات مضر فلزات سنگین

فلزات سنگین تمایل زیادی به تشکیل کمپلکس دارند، واکنش پذیری بالایی دارند و فعالیت بیوشیمیایی بیشتری دارند که باعث می شود در محیط بسیار پایدار باشند. آنها از طریق محیط آبی منتقل می شوند و می توانند در منابع آب و خاک متمرکز شوند. این باعث می شود که آنها برای انواع شکل های زندگی و محیط زیست بسیار خطرناک باشند. از این رو، حذف این فلزات سمی از فاضلاب قبل از تخلیه برای جلوگیری از عواقب زیانبار بیشتر ضروری است.

برای حذف فلزات سنگین از پساب از روش های مرسوم مانند فیلتراسیون غشایی، رسوب شیمیایی، تبادل یونی و غیره برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب استفاده می شود. با این حال، این روش ها از معایبی مانند راندمان پایین، نیاز به انرژی بالا، رسوب مواد سمی، ناکارآمدی هزینه و غیره رنج می برند.

برای گذر از این معایب، فرآیندهایی مانند جذب مورد بررسی قرار می گیرند، زیرا به میزان زیادی بر فراهمی زیستی و انتقال فلزات سمی تأثیر می گذارد. این روش کم هزینه و کارآمد برای پاکسازی فلزات سنگین از فاضلاب است. فرآیند جذب اغلب در بسیاری از موارد برگشت پذیر است، بنابراین جاذب را می توان دوباره بازسازی کرد و مزیت دیگری به این فرآیند اضافه کرد. عوامل زیادی مانند دما، pH، غلظت اولیه، زمان تماس و سرعت چرخش بر کارایی جاذب ها تأثیر می گذارد.

1.1 مروری بر فرآیند جذب

جذب یک پدیده سطحی است که در آن محلولی حاوی ماده جاذب بر روی سطح یک جاذب جذب می شود. پدیده جذب می تواند دو نوع باشد. یکی فیزیو جذب است که در آن ماده جاذب به دلیل نیروهای واندروالس به جاذب متصل می شود و دیگری جذب شیمیایی است که به دلیل واکنش های شیمیایی بین جاذب و جاذب اتفاق می افتد. فیزیوجذب برگشت پذیر، ضعیف و معمولا گرماگیر است، در حالی که جذب شیمیایی برگشت ناپذیر، انتخابی و گرمازا است .

1.2 ایزوترم جذب و مدل ها

ایزوترم های جذب، نمایش هایی هستند که مقدار املاح جذب شده روی سطح جاذب را در واحد وزن به عنوان تابعی از غلظت تعادل در دمای ثابت تخمین می زنند. ایزوترم های لانگمویر و فروندلیچ که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، فرآیند جذب را توصیف می کنند. برخی مدل‌های دیگر نیز استفاده می‌شوند مانند Redlich و Peterson ، Radke و Prausnitz ، Sips، Toth [33] و Koble و Corrigan .

1.3 انواع جاذب ها

جاذب‌ها معمولاً بر اساس منشأ آنها یعنی طبیعی و مصنوعی طبقه‌بندی می‌شوند. جاذب های طبیعی شامل خاک رس، مواد معدنی، زغال سنگ، سنگ معدن و زئولیت می باشد. در حالی که جاذب های مصنوعی از ضایعات صنعتی، ضایعات کشاورزی، لجن زباله و غیره تهیه می شوند.

2. حذف فلزات سنگین از پساب با جذب سطحی

جذب سطحی در مقایسه با سایر فن آوری های تصفیه فاضلاب برای حذف فلزات سنگین، یک روش کارآمد و مقرون به صرفه فرض می شود. مزیت اصلی این روش تولید پساب با کیفیت بالا است. فرآیند جذب نسبت به سایر فرآیندها برتری دارد زیرا یک روش اقتصادی برای اصلاح فلزات سنگین است.

در بیشتر موارد، جاذب را می توان دوباره بازسازی کرد و می توان از آن بیشتر استفاده کرد . استفاده از جذب آسان است و هیچ گونه آلاینده سمی تولید نمی کند، از این رو یک تکنیک دوستدار محیط زیست است.

معیارهای برجسته انتخاب جاذب ها عبارتند از:

• مقرون به صرفه بودن،
• سطح و تخلخل بالا،
• توزیع گروه های عاملی و قطبیت آنها
•  جاذب های معمولی و تجاری شامل کربن فعال، زئولیت ها، گرافن ها و فولرن ها  و نانولوله های کربنی می باشند

کربن‌ها و مشتقات آن‌ها به دلیل کارایی جذب بالا، پرکاربردترین جاذب‌ها هستند. توانایی استثنایی آن‌ها از ویژگی‌های ساختاری آن‌ها ناشی می‌شود که به آن‌ها سطح وسیعی را با تغییرات شیمیایی آسان می‌دهد که آنها را برای طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها به طور جهانی قابل قبول می‌کند.

کربن های فعال از چند نقص رنج می برند که استفاده از آنها را بسیار محدود می کند. ساخت آنها گران است. دفع کربن فعال مصرف شده دشوار است و بازسازی آنها دشوار و مقرون به صرفه نیست. بنابراین، تحقیقات گسترده ای در زمینه جاذب های کم هزینه انجام شد. جاذب های غیر متعارف ارزان هستند، به وفور در دسترس هستند و به دلیل ساختار متنوع خود که یون های آلاینده را به هم متصل می کنند، ظرفیت کمپلکس کنندگی بالایی دارند. آنها از زباله های کشاورزی تا لجن زباله های صنعتی و دوغاب مصرف شده را شامل می شوند.

2.1 جاذب کربن فعال برای حذف فلزات سنگین از پساب

کربن فعال (AC) به دلیل کارایی بالا، تخلخل و مساحت سطح بالا، یکی از پرکاربردترین جاذب ها می باشد. این به طور تجاری از کربن سازی مانند زغال سنگ و چوب ساخته می شود، بنابراین گران است و استفاده از آن محدود است. آنها عمدتاً از طریق پیرولیز مواد کربنی در دمای کمتر از 1000 درجه سانتیگراد تولید می شوند.

تهیه کربن فعال شامل دو مرحله است، یکی کربن کردن مواد خام در دمای کمتر از 800 درجه سانتیگراد در اتمسفر بی اثر، دوم فعال سازی محصول تولید شده در دمای بین 950 تا 1000 درجه سانتیگراد. از این رو، بیشتر مواد کربن دار را می توان به عنوان ماده خام برای تولید کربن فعال استفاده کرد، اگرچه ویژگی های محصول نهایی به مواد خام مورد استفاده و شرایط فعال بستگی دارد.

کربن جزء اصلی جاذب کربن فعال است، عناصر دیگری مانند هیدروژن، اکسیژن گوگرد و نیتروژن نیز وجود دارد. آنها به دو صورت پودری و دانه ای تولید می شوند. نوع پودری دارای منافذ بزرگ و سطح داخلی کوچکتر است. در حالی که دانه دانه دارای سطح داخلی بزرگ و منافذ کوچک است. ظرفیت جذب کربن فعال با تخلخل و سطح بالای آن به همراه ساختار شیمیایی آن تعیین می شود. از این رو، سایر مواد خام کم هزینه مانند ضایعات کشاورزی برای افزایش اثربخشی کربن فعال مورد توجه قرار می گیرند.

2.2 زئولیت ها

آنها سیلیکات آلومینیومی با ساختار کریستالی هستند که به طور طبیعی وجود دارند یا به صورت صنعتی تولید می شوند. آنها یکی از بهترین جاذب ها برای حذف فلزات سنگین هستند زیرا از مواد معدنی آلومینوسیلیکات هیدراته تشکیل شده اند که از آلومینا و سیلیس به هم پیوسته تشکیل شده اند. آنها دارای ظرفیت تبادل یونی قابل توجه، خواص آب دوست و سطح ویژه بالایی هستند که جاذب های بسیار خوبی برای اصلاح فلزات سنگین می کند .

زئولیتها همچنین می توانند اصلاح شوند که ظرفیت جذب بهتری در مقایسه با آنهایی که اصلاح نشده به دست می آورند. زئولیت NaX یکی از پرکاربردترین زئولیت های نانو اندازه برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب است. راد و همکاران نانوزئولیت NaX و سپس نانوالیاف نانوکامپوزیت پلیمر پلی وینیل استات/NaX برای بررسی حذف Cd2+ تهیه شد. حداکثر ظرفیت جذب 838.7mg/g در pH 5.0 گزارش شد.

2.3 مواد معدنی رسی

بنتونیت، یک کانی رسی دارای بالاترین ظرفیت تبادل کاتیونی است، قابل بازیافت و حدود 20 برابر ارزان تر از کربن فعال است. کانی های رسی در مقایسه با زئولیت ها ظرفیت حذف کمتری از فلزات سنگین دارند. اما آنها هنوز به دلیل مزایایی که دارند مانند خواص فیزیکی، شیمیایی و سطحی درخشان استفاده می شوند. جیانگ و همکاران حذف Ni2+، Pb2+، Cu2+ و Cd2+ از فاضلاب با استفاده از خاک رس کائولینیتی مورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد که غلظت Pb2+ از 00/160 به 00/8 میلی گرم در لیتر کاهش یافته است.

2.4 مواد نانوساختار

در دهه گذشته، نانولوله‌های کربنی، فولرن‌ها و گرافن  جایگاه مهمی را در حوزه جذب فلزات سنگین از پساب‌ها اشغال کرده‌اند. آنها دارای خواص مکانیکی و شیمیایی استثنایی، استحکام، ظرفیت تبادل، هدایت الکتریکی و پایداری حرارتی هستند. مساحت سطح بالا همراه با برهمکنش های بین مولکولی متعدد به آنها برتری نسبت به جاذب های دیگر در اصلاح فلزات سنگین می دهد.

2.4.1 نانولوله های کربنی، فولرن ها و گرافن

نانو لوله های کربنی

Iijima نانولوله های کربنی (CNTs) را در سال 1991 کشف کرد. آنها به شکل استوانه ای کربنی دراز با ورقه های گرافیت شش ضلعی پیوسته وجود دارند. آنها دو نوع هستند: CNT تک جداره که دارای یک ورق گرافیتی هستند و CNT های چند جداره که دارای صفحات متعدد هستند. آنها پتانسیل بسیار خوبی را برای فلزات سنگین از فاضلاب برای مس ، سرب،  کروم ، نیکل  و کادمیوم  به تصویر کشیده اند.

CNT

CNT ها به دلیل مزایایی مانند خواص مکانیکی و سطحی خواص الکتریکی و نیمه هادی، جاذب های عالی هستند. آنها همچنین سطح ویژه بالایی (150-1500 متر مربع بر گرم) را فراهم می کنند و وجود مزوپورها کارایی جذب آنها را افزایش می دهد. وجود گروه‌های عاملی مختلف حاوی عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و گوگرد به طور مستقیم و غیرمستقیم بر مکانیسم‌های جذبی که جذب فلزات سنگین را افزایش می‌دهند، تأثیر می‌گذارد.

CNT های اکسید شده همچنین ظرفیت جذب بسیار بالایی را برای حذف Cr6+، Pb2+ و Cd2+ از فاضلاب به تصویر می کشند.

توانایی CNT ها برای تغییر آسان آنها را به جاذب های انتخابی با شایستگی افزایش کارایی جذب تبدیل می کند. آنها به دلیل ویژگی های مکانیکی و سطحی قابل توجه، خواص مکانیکی و مغناطیسی و پایداری بالا، به عنوان جاذب های عالی در زمینه تصفیه فاضلاب معرفی می شوند. اما استفاده از آن به دلیل انباشته شدن محل های فعال توسط ماده جذب محدود شده است. از این رو، فعال سازی نانولوله های کربنی مزیت افزایش مکان های دارای گروه های عاملی را ارائه می دهد که به نوبه خود کارایی جذب آنها را برای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب افزایش می دهد.

فولرن

کشف فولرن ها در سال 1985 منجر به پیشرفت دیگری در علم جذب شد. آنها یک ساختار قفس بسته حاوی حلقه های کربنی پنج ضلعی و شش ضلعی با فرمول C20+m دارند که m یک عدد صحیح است. راندمان جذب آنها را نیز می توان به مورفولوژی سطح و وجود مزوپورها نسبت داد که میل ترکیبی یونی و سطح ویژه بالاتری را برای اصلاح یون های فلزات سنگین از آب و فاضلاب می دهد. الکسیوا و همکاران مطالعه ای با استفاده از فولرن ها برای حذف Cu2+ انجام داد و مکانیسم را از طریق مدل لانگمویر توضیح داد. حداکثر راندمان جذب 14.6 میلی مول بر گرم بود.

فولرن کروی حاوی 60 اتم کربن بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است. ویژگی های قابل توجه آن شامل گروه های عاملی هیدروکسیل و اپوکسی روی سطح، نسبت سطح به حجم زیاد، آب گریزی، میل ترکیبی الکترون بالا و ظرفیت تجمع کم است که آن را برای حذف فلزات سنگین مفید می کند. اما استفاده از آنها اغلب به دلیل قیمت بالا محدود می شود. بنابراین، تحقیقات در مورد ترکیب سایر جاذب های معمولی با فولرن ها انجام شده است. مشخص شد که فولرن‌ها ساختار متخلخل جاذب را افزایش می‌دهند که منجر به افزایش راندمان حذف فلزات سنگین می‌شود. مشخص شد که ظرفیت جذب AC ها 1.5-2.5 برابر پس از ورود فولرن ها به ساختار آنها افزایش یافته است.

گرافن

گرافن در سال 2004 وارد صحنه شد و یک شبکه دو بعدی شش ضلعی از اتم های کربن است. همچنین دارای خواص ساختاری، شیمیایی و مکانیکی است که به استفاده از آن در تصفیه فاضلاب کمک می کند. دارای مساحت سطح بالا، گروه های عاملی فعال و مکان هایی بر روی سطح آن است که ظرفیت جذب آن را افزایش می دهد. گرافن همچنین می تواند با اکسیداسیون فعال شود تا گروه های عاملی را افزایش دهد که ظرفیت جذب برای حذف فلزات سنگین را افزایش می دهد.

2.5 جاذب کم هزینه جهت حذف فلزات سنگین از پساب

اگرچه AC ها پرمصرف ترین جاذب ها هستند، اما استفاده از آنها به دلیل هزینه بالا و بازسازی کم آنها محدود است. همین امر در مورد جاذب های توسعه یافته دیگر مانند نانولوله های کربنی، فولرن ها و نانوکامپوزیت ها نیز صادق است. برای تسریع و موثر ساختن فرآیند تصفیه فاضلاب، جستجوی جاذب هایی که مقرون به صرفه باشند و همچنین دارای راندمان جذب بالا باشند، حیاتی است. بنابراین، نیاز به جاذب های کم هزینه متوجه شد. جاذب های کم هزینه شامل آن دسته از مواد غیر متعارفی هستند که به راحتی در دسترس هستند و عمدتاً پسماندهای کشاورزی و صنعتی مقرون به صرفه هستند.

2.5.1 ضایعات کشاورزی

پسماندهای کشاورزی دارای ترکیبی از لیگنین، سلولز، هیدروکربن ها، قندها، آب و نشاسته به همراه سایر گروه های عاملی هستند که ظرفیت جذب این ضایعات کشاورزی را افزایش می دهد. این ضایعات می توانند از پوست برنج گرفته تا پوسته گندم، پوسته تخم مرغ، پوسته نارگیل، میوه خرما، باگاس، پوست بادام زمینی، پوست میوه، بیوچار و غیره باشند. سپس الک می شوند تا اندازه ذرات مطلوب بدست آید که برای آزمایشات جذب استفاده می شود. آنها همچنین می توانند به کاراکترها تغییر داده شوند و بیشتر فعال شوند تا مکان های جذب را افزایش دهند .

جدول 2 ضایعات مختلف کشاورزی مورد استفاده برای حذف یون های فلزات سنگین را نشان می دهد.

جدول 2

ضایعات کشاورزی برای حذف فلزات سنگین

2.5.2 بیوچار

بیوچار ماده جامد زغالی است که از کربن شدن زیست توده به دست می آید. متداول ترین روش تولید زیست توده از طریق پیرولیز است که تجزیه حرارتی زیست توده در غیاب یا اکسیژن محدود است. بیوچارک‌ها نسبت به AC کربن کمتری دارند، بنابراین کربن، هیدروژن و اکسیژن بیشتری در ساختار آنها باقی می‌ماند. بیوچار پتانسیل قابل توجهی برای پاکسازی فلزات سنگین از پساب نسبت به جاذب های معمولی و کم هزینه نشان داده است. آنها ساختار مزوپور دارند که منجر به مساحت سطح بالا و وجود گروه های عملکردی مختلف می شود و مقدار خاکستر کم آنها را به جاذب های عالی و موثر تبدیل می کند. مواد اولیه مانند پوسته برنج، پوسته ذرت، ضایعات چایو لجن هضم شده  برای حذف استفاده شده است. فلزات سنگین از محلول های آبی و همچنین فاضلاب.

2.6 ضایعات صنعتی

فعالیت‌های صنعتی مقادیر زیادی زباله تولید می‌کنند که معمولاً برای دفع به مکان‌های دفن زباله فرستاده می‌شوند. این پسماندها ظرفیت جذب خوبی دارند و مشکل تصفیه زباله را حل می کنند. مواد زائد مانند خاکستر بادی ، گل قرمز  و سرباره به دلیل ظرفیت قابل توجهی که برای حذف فلزات سنگین از پساب دارند استفاده می شود. بسیاری از جاذب های پسماند صنعتی برای پاکسازی Zn2+ از پساب ها به کار گرفته شده اند. حداکثر ظرفیت جذب برای لیگنین 73.2mg/g، 168mg/g برای لجن زباله و 55.82mg/g برای ضایعات کاساوا بود.

جدول 3 انواع ضایعات صنعتی مورد استفاده برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب و محلول های آبی را نشان می دهد.

جدول 3

3. مقایسه جاذب های معمولی و غیر متعارف

برای کارآمد بودن فرآیند جذب، انتخاب مناسب ترین جاذب یک مرحله حیاتی است. اساس اصلی انتخاب یک جاذب شامل هزینه کم، ظرفیت جذب بالاو موثر برای طیف وسیعی از آلاینده ها می باشد. تحقیقات گسترده ای در زمینه عملکردها و مکانیسم های جذب معمولی و غیر متعارف شکل گرفته. جاذب های مختلف به دلیل تفاوت در شرایط تولید مواد خام و جاذب، مکانیسم های مختلفی را دنبال می کنند.

به طور عمده چهار مکانیسم برای جذب موثر آلاینده ها وجود دارد. جذب شیمیایی، جذب فیزیکی، تبادل یونی و بارش . دیویس و همکاران بیان کرد که تبادل یون لزوماً مکانیسم جذب را توصیف نمی کند، اما بسیاری از عوامل و مکانیسم های دیگر به موفقیت این فرآیند کمک می کنند. برخی دیگر از محققان نیز مکانیسم های جذب را توضیح دادند .

به وضوح می توان دید که کربن‌های فعال به دلیل سطح ویژه بالا، مورفولوژی سطح مکانیکی و ساختاری و وجود گروه‌های عاملی که می‌توانند اصلاح شوند، خود را به عنوان جاذب درخشان ثابت کرده‌اند. با این حال، جاذب های غیر متعارف به طور فزاینده ای به عنوان جاذب های کم هزینه و موثر استفاده می شوند. تحقیقات متمرکز بیشتر در مورد مهندسی و اصلاح آنها می تواند آنها را با برخی جاذب های جامد تجاری برابر کند.

4. نتیجه گیری

آلودگی فلزات سنگین یکی از خطرناک ترین شرایطی است که امروزه با آن مواجه هستیم. آنها حتی در غلظت های کمی مضر هستند. بسیاری از آنها سرطان زا هستند، باعث نقص مادرزادی می شوند و بسیار کشنده هستند. از این رو لازم است این فلزات سمی از فاضلاب قبل از تخلیه به آب های آزاد حذف شوند. جذب سطحی یکی از این تکنیک‌هاست که نه تنها به پاکسازی فلزات سنگین از پساب می‌پردازد، بلکه با ردپای کم نیز سازگار با محیط‌زیست است.

جاذب هایی مانند اکتیو شده به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند، اما به دلیل هزینه بالای آن محدود است. بنابراین، لازم است به دنبال گزینه‌هایی باشید که پایدار باشند و هدفشان رفع چشم‌انداز بزرگ‌تر مشکل باشد. جاذب های کم هزینه مانند ضایعات کشاورزی، ضایعات صنعتی و بیوچار نه تنها به حذف فلزات سنگین کمک می کنند، بلکه روش های ارزانی نیز هستند. مواد اولیه آنها به راحتی در دسترس است و این جاذب ها به راحتی قابل تولید هستند.

بنابراین، این یک فناوری سبز است که فرآیند تصفیه فاضلاب را تا حد زیادی افزایش می دهد. تحقیقات بیشتر در مورد توسعه جاذب های کم هزینه تر می تواند به اصلاح بیشتر فلزات سنگین کمک کند.

تماس با ما: