بررسی حذف آرسنیک از آب

آرسنیک از جمله عناصری منحصر به فردی است که در ترکیبات محتلف پوسته کل کره زمین وجود داشته و غلظت آنها در گستره  ppm 5-2  است. این ترکیبات در کشاورزی، دامداری، پزشکی، الکترونیک و صنعت کاربرد داشته و از طریق منابع طبیعی یا فعالیت های انسانی به محیط زیست وارد گردیده و آلودگی‌های  محیط زیستی را موجب می‌شود.

شکل شیمیایی آرسنیک بستگی به منبع آن دارد؛ ترکیبات معدنی آرسنیک از کانی‌ها، فاضلاب صنایع مختلف وآفت‌کش‌ها و آرسنیک آلی از ورود فاضلاب‌های صنعتی، حشره‌کش ها و فعالیت های بیولوژیکی بر روی آرسنیک غیرآلی، وارد آب می‌شود. سمیت ترکیبات آرسنیک بستگی به فرم فیزیکی و ترکیب شیمیایی آن، راه ورودی آن به بدن، میزان و مدت تماس و مقادیر عناصر مؤثر در واکنش‌های ایجاد سمیت با آرسنیک در رژیم غذایی، سن و جنس متفاوت است. آرسنیک یک ماده سمی، تجمعی و بازدارنده آنزیم‌های گروه سولفیدریل است. ترکیبات معدنی آن بسیار سمی تر از ترکیبات آلی است و آرسنیت در اکثر اوقات سمی تر از آرسنات می‌باشد.

میزان آرسنیک در آب های طبیعی در حد mg/L  2-1و بعضاً تا mg/L 5  نیز در برخی از نمونه‌های نزدیک مناطق آلوده گزارش شده است.

بر اساس تقسیم بندی موسسه بین المللی تحقیقات سرطان (IARC )، ترکیبات غیرآلی آرسنیک در گروه 1 (سرطان زا برای انسان) قرار دارد. سازمان بهداشت جهانی (WHO ) مقدار ppb  10را به عنوان مقدار رهنمود نظارتی برای آرسنیک وضع کرده و این در حالی است که حداکثر مجاز تعیین شده در استاندارد ایران برای گروه با سطح کاربری دو، ppb   50 می باشد.

سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) توصیه می‌کند جهت دستیابی به میزان بالای حذف آرسنیک از آب آشامیدنی، طی یک مرحله پیش تصفیه قبل از فرآیند اصلی حذف (با استفاده از یک ماده شیمیایی اکسیدکننده و یا یک مرحله هوادهی) آرسنیک سه ظرفیتی (آرسنیت) را به آرسنیک پنج ظرفیتی (آرسنات) تبدیل و سپس نسبت به حذف آرسنات اقدام نمود. با توجه به اینکه آرسنات در محدوده معمول pH به صورت یک آنیون با بار منفی وجود دارد و آرسنیت در محدود pH آب آشامیدنی به صورت یک مولکول با بار خنثی می‌باشد، با یک اکسیداسیون ساده می‌توان این تبدیل را انجام و به طرز مؤثرتری اقدام به حذف آرسنیک نمود.

آرسنیک از نظر ظرفیت دارای چهار ظرفیت 3-، 0، 3+ و 5+ می باشد. آرسنیک محلول در آب به طور متداول در دو حالت اکسیداسیون As (V) و As (III) حضور دارد.

جدول 1– انواع آرسنیک در pH های مختلف

 

توضیحات هر گروه به شرح زیر است:

گروه 1: برای آبی که پس از تصفیه فیزیکی و گندزدایی ساده مانند فیلتراسیون سریع و گندزدایی قابل شرب خواهد بود.

گروه 2: برای آبی که پس از تصفیه فیزیکی معمول، تصفیه شیمیایی و گندزدایی مانند پیش­کلرزنی، انعقاد و لخته­سازی، ته­نشینی، فیلتراسیون و گندزدایی قابل شرب خواهد بود.

گروه 3: برای آبی که پس از تصفیه شیمیایی و فیزیکی پیشرفته، تصفیه و گندزدایی گسترده (مانند کلرزنی تا نقطه شکست) انعقاد، لخته­سازی، ته­نشینی، فیلتراسیون، جذب سطحی (کربن فعال) و گندزدایی قابل شرب خواهد بود.

بر طبق استاندارد 1053، استاندارد ملی آب آشامیدنی – ویژگی­های فیزیکی و شیمیایی– مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، آرسنیک جزء مواد شیمیایی معدنی سمی دسته­بندی شده است. طبق تعریف مواد شیمیایی معدنی سمی آن دسته از مواد شیمیایی هستند که پتانسیل سمی کردن آب و ایجاد عارضه سوء، در کوتاه مدت یا دراز مدت در سلامت انسان را دارند.

آرسنیک می­تواند از طریق خوردن، تنفس و جذب پوستی وارد بدن شود. مصرف طولانی آب آلوده به آرسنیک می­تواند به مشکلات سلامتی شدید، از جمله ضایعات پوستی (کراتوزیس و پیگمانتاسیون)، سرطان­های کلیه، کبد، ریه و… منجر شود.  مطالعات مختلف ارتباط معنی­دار بین غلظت بالای آرسنیک در آب آشامیدنی و سرطان­های کبد، ریه، پوست، مثانه و کلیه در مردان و زنان و پروستات و کبد در مردان را مشخص نموده است.

از جمله راه­های ورود آرسنیک به بدن می­تواند آب آشامیدنی آلوده، سیگار و تنباکو، حشره کش­ها و علف­کش­ها می­باشند.

مطالعات در تایوان، شیلی، آرژانتین و ژاپن نشاندهنده­ی رابطه آرسنیک با سرطان دستگاه تنفسی می­باشد و علاوه بر این اخیراً IARC آرسنیک در آب آشامیدنی را در گروه اول عوامل سرطان­زایی دستگاه تنفس معرفی کرده است.

شکل 1- راه های آسیب رسانی آرسنیک به بدن

 

اثرات زیان­آور آرسنیک بر سلامتی انسان، آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) را وادار به اعلام استاندارد جدیدی کرد و در ژانویه 2001 بیشترین سطح مقدار آرسنیک در آب را از ppb 50 به ppb 10 کاهش داد. این در حالی است که روش­های معمول تصفیه آب قادر به کاهش میزان آرسنیک تا این حد نمی­باشند و این شرایط، انجام تحقیقات در این زمینه را ضروری کرده است. در همین راستا، تلاش­های فراوانی توسط محققین در نقاط مختلف دنیا برای حذف آرسنیک ار آب شرب با استفاده از روش­های مختلف به عمل آمده است. با توجه به اهمیت این موضوع برخی از روش­های حذف آرسنیک از آب آشامیدنی بیان گردیده است.

روش های حذف آرسنیک از آب آشامیدنی

رایج­ترین فن­آوری های حذف آرسنیک عبارتند از

• اکسیداسیون
• انعقاد، لخته­سازی

• ترسیب
• فیلتراسیون
• شناورسازی با هوای محلول
• جذب سطحی
• فرآیندهای غشایی

دیگر روش­های بالقوه شامل گیاه پالایی یا استفاده از باکتری­ها، که می­تواند نقش مهمی در کاتالیز فرآیندهای حذف آرسنیک به روش بیولوژیک داشته باشد. تمام فن­آوری­های حذف آرسنیک در نهایت منجر به جداسازی آرسنیک از آب و تجمع آن در واسطه­های جذبی یا لجن ته­نشین شده و یا در یک مایع واسطه می­شود که در صورت دفع بی­رویه در محیط­زیست باعث آلودگی دوباره محیط­زیست و خطرات جانبی آن خواهد شد که نگرانی­های زیادی را متوجه خود کرده است. بهترین روش، استفاده مجدد از آرسنیک در صنایع مرتبط و یا روش­هایی برای تغییر ماهیت آرسنیک است. در همین راستا، با استفاده از روش­های زیستی- شیمیایی به‌طور مثال تولید کود گاو، میزان قابل ملاحظه­ای از میزان آرسنیک و ضایعات آن کاسته می­شود.

اکسیداسیون

آرسنیک سه ظرفیتی (آرسنیت) نسبت به آرسنیک پنج ظرفیتی (آرسنات) بسیار سمی تر است و تا 9pH=  به صورت مولکولی، غیرباردار وهمچنین حلالیت آن بالاتر است، این در حالی است که آرسنات قدرت واکنش پذیری بالاتری داشته، از این رو اغلب تکنولوژی های حذف آرسنیک، برای حذف آرسنات As5+ (As(V))، مؤثر هستند و در حذف فرم رایج 3 ظرفیتی آرسنیت As3+ (As(III)) ناتوان هستند.

فرآیند اکسیداسیون شیمیایی به عنوان یکی از روش های کم هزینه، سریع و مؤثر در حذف آلاینده ها از منابع آبی در بین تکنولوژی های مشابه مطرح است. از جمله اکسیدکننده ها می توان به کلرگازی، هیپوکلریت، اوزون، پرمنگنات، هیدروژن پراکسید و … اشاره نمود. اکسیژن هوا نیزیک عامل اکسیدکننده موثر دربسیاری از فرآینده است اما بسیار کند عمل می کند.

پس از اکسید شدن آرسنیت، قدرت رسوب دادن، جذب بر سطوح جامد و تمایل به کاتیون های فلزی آن تا حد زیادی افزایش پیدا خواهد کرد. بر این اساس، بسیاری ازسیستم های تصفیه شامل مرحله اکسیداسیون برای تبدیل آرسنیت به آرسنات می باشند.

انعقاد و لخته سازی

فناوری انعقاد اولین بار در سال 1970 در شمال شیلی برای از بین بردن آرسنیک مورد استفاده قرار گرفت . این تجربه نشان می‌دهد فناوری انعقاد در حذف آرسنیک از آب موثر است. در حال حاضر به کمک این فناوری می­توان به کاهش آرسنیک از 400 به 10 (μg/L) با نرخL/sec 500 رسید.

فرآیندهای انعقاد و لخته­سازی با استفاده از آلوم، کلرید فریک، سولفات فریک برای حذف آرسنیک انجام می­شود. این روش از جمله روش­های بسیار مؤثر در تصفیه آرسنیک بوده که در تست­های وسیع آزمایشگاهی و میدانی جواب­های بسیار مطلوبی ارائه کرده است. مواد ذکر شده وقتی به آب اضافه می­شوند، در طی 1 تا چند دقیقه در آب حل می­شوند. در طی این فرآیند لخته­سازی، تمام میکرو ذرات و یون­های با بار منفی به وسیله نیروهای الکترواستاتیک به لخته­های رشته­ای متصل می­شوند. آرسنیک نیز به این رشته­های لخته­ای جذب می­شود. بعد از مرحله انعقاد، به وسیله فیلترهای رسوب­گیر، لخته­های ایجاد شده را جداسازی می­کنند. برای حذف بهینه آرسنیک به روش انعقاد، کنترل زیاد pH و دوز مواد منعقد کننده نیاز می باشد. انعقاد با کلرید فریک در pH زیر 8 به خوبی عمل می­کند و آلوم تنها در محدوده کوچک pH، از 6 تا 8 قادر به عمل می­باشد. تحت شرایط کنترل شده می­توان از آهن موجود در آب­های زیرزمینی، به عنوان منعقد کننده برای حذف آرسنیک استفاده کرد. همچنین از آهک نیز می­توان استفاده کرد البته آهک بازده حدود 40% الی 70% را داراست و بیشترین بازدهی را در pH از 6/10 الی 4/11 را داراست.

ترسیب

ترسیب باعث می­شود که آرسنیک محلول به صورت ماده جامد معدنی با حلالیت پایین مانند آرسنات کلسیم تشکیل دهد. این ماده جامد را می­توان از طریق ته­نشینی و فیلتراسیون حذف نمود. زمانی که ماده­ی منعقدکننده افزوده می­شود و لخته تشکیل می­دهد، دیگر ترکیبات محلول همانند آرسنیک می­توانند نامحلول شده و تبدیل به جامد شوند؛ که این فرآیند به عنوان هم­رسوبی شناخته می­شود. این فرآیند تصفیه می­تواند علاوه بر آرسنیک دیگر اجزای محلول در آب از جمله کدورت بالا، آهن، منگنز، فسفات و فلوراید را حذف کند. همچنین در استفاده از این روش کاهش چشمگیری در بو و رنگ و تشکیل تری هالومتان­ها مشاهده می­شود. همچنین مطالعات نشان داده است که ترسیب با آلوم می­تواند فلزات به صورت جامد و محلول را حذف نماید. لازم به ذکر است که حذف آرسنیک توسط انعقاد با املاح آهن به همراه فیلتراسیون (هم­رسوبی) یکی از بهترین تکنیک­های شناخته شده است. در استفاده از این روش، دستیابی به غلظت­های کمتر از 10 میکروگرم در لیتر آرسنیک قابل حصول خواهد بود. در این فرآیند یک ترکیب بر پایه آهن مانند سولفات فریک به آب خام افزوده می­شود. آرسنیک با آهن ترکیب شده و رسوبی تشکیل می­دهد که در یک زلال­ساز ته­نشین خواهد شد. سپس با استفاده از یک صافی ذرات آهن، آرسنیک ته­نشین نشده از آب گرفته و تفکیک می­شوند. علاوه بر موارد فوق، می توان گفت سختی­گیری با آهک علاوه بر حذف سختی (کلسیم و منیزیم) می­تواند مواد دیگری را نیز از آب حذف نماید که از آن جمله می­تواند به آرسنیک اشاره نمود. در این روش برای به دست آوردن میزان بالای حذف، چندین ماده شیمیایی لازم است. کلر جهت اکسیداسیون آرسنیک ورودی نیاز است و سپس از آب آهک استفاده می­شود.

فیلتراسیون:

طرح کلی انعقاد، لخته­سازی و فیلتراسیون جهت حذف آرسنیک از آب ارائه شده است.

شکل 2- طرح کلی انعقاد، لخته­سازی و فیلتراسیون

 

فیلتراسیون یا صاف کردن یک روش جداسازی فیزیکی برای حذف ذرات معلق در هر مایع است که در آن عمل جداسازی به وسیله­ی عبور دادن محلول از میان یک غشا نیمه تراوا یا بستر متخلخل انجام می گیرد. یکی از ساده­ترین و ارزان­ترین روش­های حذف آرسنیک آب استفاده از فیلترهای سونو است که با استفاده از مواد اولیه مانند براده­های آهن عامل اصلی حذف آرسنیک می­باشد.

شناورسازی با هوای محلول

یکی از فرآیندهایی که اخیراً به منظور حذف آرسنیک از محیط­های آبی مورد توجه قرار گرفته است، فرآیند شناورسازی با هوای محلول می­باشد. مکانیسم شناورسازی از طریق رهاسازی حباب­های هوا در تانک شناورسازی از طریق انحلال هوا در آب خام با استفاده از فشار و سپس پایین آوردن فشار به دلیل مواجهه آن با هوای اتمسفر صورت می­پذیرد.

در این سیستم­ها جریان پس از عبور از سیستم انعقاد و لخته­سازی وارد بخش شناورسازی با هوای محلول (زلال­ساز DAF) می­شود. بر خلاف زلال‌سازهای متداول که مبتنی بر ته­نشینی (ترسیب) مواد معلق می‌باشند، اساس کار این زلال‌ساز، شناورسازی مواد معلق بر روی سطح مایع می‌باشد. در این روش از حباب‌های بسیار ریز برای شناورسازی لخته‌ها استفاده می‌گردد. تعداد و اندازه حباب‌ها عوامل تعیین‌کننده سرعت بالاروندگی در این زلال‌ساز می‌باشد. این نوع زلال‌ساز توانایی بالای حذف جلبک‌ها، مواد هیومیکی، زدودن رنگ و بو و حذف آهن و منگنز از آب را دارد.

پکیج­های DAF علاوه بر زلال‌سازی برای حذف روغن، گریس، چربی و ذرات کلوئیدی و همچنین تغلیظ لجن استفاده می‌شود. میزان حذف جلبک در این زلال‌ساز حتی بالاتر از میکرواسکرین بوده و قابلیت اطمینان حذف نیز در آن‌ها بالاتر است. از مزایای دیگر فرآیند زلال‌ساز DAF، بار سطحی بالا و تولید لجن غلیظ می‌باشد. توانایی تغلیظ لجن در این زلال‌ساز در حدی است که به عنوان روشی جهت تغلیظ لجن در برخی از تصفیه‌‌خانه‌ها استفاده می­گردد.

در این زلال­ساز مصرف مواد شیمیایی و زمان ماند لخته­سازی نسبت به زلال‌سازهای متداول کمتر می‌باشد، زیرا با توجه به فرآیند حذف مواد معلق که به صورت شناورسازی می‌باشد، نیازی به تشکیل لخته‌های بزرگ نیست. به همین دلیل می‌توان جهت کاهش هزینه‌ها و سهولت بهره‌برداری در مقیاس­های کوچک فرآیند انعقاد و لخته­سازی در لخته‌سازلوله‌ای به جای لخته‌ساز متداول (Flash mixer) استفاده نمود.

قلب سیستم‌های شناورسازی با هوای محلول، تولید حباب‌های بسیار ریز هوا می‌باشد. بنابراین سیستم تهیه محلول آب و هوای اشباع در این زلال‌سازها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا راندمان حذف وابستگی شدیدی به اندازه و تعداد حباب‌ها دارد. سیستم اشباع‌سازی شامل پمپ‌ها، کمپرسورها، مخزن اشباع­سازی، سیستم تزریق و نازل‌ها و سایر تجهیزات جانبی می­باشد.

لجن تولیدی حاوی 1 تا 3 درصد مواد جامد می‌باشد. لجن تشکیل شده در پکیجDAF باید به صورت مداوم تخلیه و تمیز گردد تا از اختلال در فرآیند زلال‌سازی جلوگیری شود.تیغه­های گردان اسکرابر موجود در بالای سطح، لجن شناور را برای آبگیری و دفع از سیستم خارج می­کنند. به این ترتیب میزان جامدات/چربی جریان خروجی از سیستم در پایین‌ترین حد ممکن قرار خواهد گرفت.

 

امروزه روش­های متعدد و کارآمدی برای حذف فلزات سنگین از آب، پیشنهاد شده است. یکی از این تکنیک­ها توسط سیستم جذب سطحی ارائه می­شود که در طراحی، بهره­برداری و تولید کیفیت بالای آب و تصفیه پساب انعطاف­پذیری دارد.علاوه براین، با توجه به خاصیت برگشت­پذیری بسیاری از فرآیندهای جذب سطحی، جذب­کننده را می­توان توسط فرآیندهای دفع مناسب برای استفاده­های متعدد بازیابی نمود. بسیاری از فرآیندهای دفع از هزینه­های نگهداری پایین، راندمان بالا و سهولت عملیات بهره­برداری برخوردارند. بنابراین، فرآیند جذب سطحی یا واکنش­های احیایی در صدر روش­های اصلی حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب قرار دارند.

مواد بسیاری همچون آلومینای فعال، کربن فعال، آهن و منگنز، شن و ماسه پوشیده، خاک رس کائولینیت، اکسید آهن هیدراته، بوکسیت فعال، اکسید تیتانیوم، اکسید سیلیکون و بسیاری از عناصر طبیعی و مصنوعی برای حذف آرسنیک به روش سطح جذبی می­توانند مورد استفاده قرار گیرند. در روش جذب سطحی عناصر موجود در آب خام در تماس با ماده واسطه از آب جدا شده و جذب آن ماده می­شوند. روش جذب سطحی جزء فرآیندهای فیزیکی شیمیایی می­باشد. بهره­وری این روش بستگی به مواد اکسیدکننده برای کمک و تحریک به جذب آرسنیک دارد .

تبادل یونی، استفاده از آلومینای فعال، گرانول­های هیدروکسید آهن و نانوذرات آهن با ظرفیت صفر (nZVI) از جمله مهم ترین فرآیندهای جذبی هستند که در حذف آرسنیک از آب آشامیدنی مؤثر می­باشند.

از نظر تاریخی، آلومینای فعال(Al₂O₃) ، مصرف عمده­ای در تصفیه آب داشته و عمدتاً برای فلوئورزدایی از آب آشامیدنی به کار گرفته می­شود. تغییرات اخیر در قوانین آب آشامیدنی در خصوص آرسنیک، استفاده از آلومینای فعال را که ویژگی مناسبی برای حذف آرسنیک دارد، مورد توجه قرار داد و انتظار می­رود در آینده استفاده از این ماده به فناوری­های متتخب برای تأسیسات کوچک تأمین آب با میزان آرسنیک در محدوده 5 تا 10 میکروگرم در لیتر تبدیل شود.

آلومینای فعال عموماً دارای یک سطح جذب خوب در حدود(m²/g 300-200) است . سطح جذب زیاد مواد، یک منطقه وسیع برای جذب آرسنیک را فراهم می­آورد. هنگامی که آب از میان ستون‌های بسته از آلومینای فعال عبور می کند، ناخالصی­های آب از جمله آرسنیک بر روی سطوح دانه­های آلومینای فعال جذب می­شوند. در این فرآیند یون­های آلاینده با هیدروکسید سطحی آلومینا مبادله می­شوند، درنهایت ستون شروع به اشباع شدن می­کند، ابتدا از بالا تا به قسمت­های پایین و اشباع نهایی فرا می­رسد. عملیات احیای آلومینای فعال به وسیله جریان حاوی سود سوز آور 4% بر روی ستون­های آلومینا انجام می­شود. سپس توسط آب شستشو داده شود و در انتها توسط یک اسید (اسید سولفوریک) خنثی­سازی صورت بگیرد. عملیات حذف آرسنیک با روش آلومینای فعال به pH و میزان آرسنیک محلول وابسته است..

رزین­های تبادل یونی

فرآیند تبادل یونی یکی از اشکال پدیده جذب سطحی است که در آن فاز سیال در تماس با فاز جامد جاذب قرار می­گیرد. طی این تماس برخی از اجزای موجود در فاز سیال جذب فاز جامد شده و از سیال جدا می­گردند. فرآیند تبادل یونی فرآیندی برگشت­پذیر است که طی آن یون­های خارجی موجود در آب جذب گروه­های عاملی قرار گرفته بر روی شبکه پلیمری (فاز جامد) می­گردند و به این ترتیب هرگونه ناخالصی یونی آب برطرف می­شود. پس از اشباع شدن گروه­های عاملی، سیستم تحت عملیات بازیابی و شستشوی شیمیایی قرار گرفته و مجدداً مورد استفاده قرار می­گیرد. در سیستم­های تبادل یونی برای تولید آب با درجه خلوص بالا، از رزین­های اسیدی و بازی استفاده می­شود. از جمله سیستم­های تبادل یونی که برای حذف آرسنیک از رزین تبادل یونی آنیونی (بازی قوی) استفاده می­شود. البته در این سیستم­ها، یون سولفات به یون آرسنیک ترجیح داده می­شود و این امر منجر به کاهش ظرفیت رزین برای حذف آرسنیک خواهد شد. رزین تبادل یونی زمانی بیشترین تأثیر را خواهد داشت که، مقدار سولفات کمتر از ppm 25 باشد.

تبادل یونی در حذف آرسنیک همانند یک سختی­گیری معمولی آب عمل می­کند. در این حال آرسنیک آب حذف شده و به جای آن کلر به آب افزوده می­شود. سولفات، کل جامدات محلول، سلنیوم، فلوراید و نیترات در رقابت با آرسنیک هستند که می­توانند به جای آن حذف شوند و کارایی فیلتر را در حذف آرسنیک کم کنند. جامدات معلق و آهن رسوب کرده نیز موجب گرفتگی واحدهای تبادل یونی می­شوند و بنابراین آب در صورت دارا بودن آن‌ها بهتر است قبل از گذر از واحد تبادل یونی از یک پیش­تصفیه گذرانده شود.

یکی از سیستم­های تبادل یونی حذف آرسنیک با نام تجاری ArsenXnp کارایی و راندمان بالایی در حذف آرسنیک از خود نشان داده است. این سیستم در راستای تکمیل رزین­های انتخاب­گر جهت تصفیه آب­های زیرزمینی از یون­های نیترات، پرکلرات و کروم شش ظرفیتی ساخته شده است. از مهم­ترین مزایای این روش، انتخاب­گری بالای آن برای یون آرسنیک است؛ که پلیمرهای پایه آن برای دوام و بقا نیاز به شستشو ندارند. این فناوری علاوه بر حذف آرسنیک از آب آشامیدنی، در جهت حذف آرسنیک از پساب­های صنایع نیمه هادی و آب­های استفاده شده در برج­های خنک­کننده نیز کاربرد دارد.

گرانول­ های هیدروکسید فریک (GFH)

هیدروکسید آهن گرانول نیز برای حذف و جذب آرسنات، آرسنیت و فسفات از آب استفاده می‌شود. راکتور گرانول هیدروکسید آهن یک بستر جذب کننده مانند یک فیلتر معمولی با یک جریان رو به پایین از آب است. آب حاوی آهن محلول و مواد معلق برای جلوگیری از گرفتگی بستر جذب باید هوادهی و ازطریق فیلترهای شنی و ماسه­ای به عنوان یک پیش تصفیه عبور کند.

فرآیند محدود کردن سرعت نفوذ درون ذرات برای جذب آرسنات به وسیله­ی اکسید آهن متخلخل مانند جذب سطحی ترکیبات آلی به وسیله­ی کربن فعال است، با وجود این که در مکانسیم جذب اختلافاتی وجود دارد.

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی گرانول­های هیدروکسید فریک مطابق با مشخصات ارائه شده در جدول 3 می­باشد.

جدول- 3 خصوصیات فیزیکی و شیمیایی GFH

خصوصیت	مقدار
رطوبت	48-43%
تخلخل	77-72%
pH	2/8-5/7
مساحت ویژه سطح	m2/g 280
دانسیته	kg/m3 1250
اندازه مؤثر	mm 2-32/0
ضریب یکنواختی	تقریبا 3

گیاه پالایی

گیاه پالایی روش جدیدی برای حذف آلودگی است. این تکنیک در واقع استفاده مستقیم از گیاهان سبز و ارتباط آنها با موجودات ذره­بینی خاک به منظور تجزیه، نگهداری و یا بی­خطر کردن آلاینده­ها می­باشد، که برای رفع هر دو نوع آلاینده آلی و معدنی به کار می­رود. این تکنولوژی سبز شیوه­ای مناسب جهت از بین بردن فلزات سمی خاک بوده و به دلیل مقرون به صرفه و مناسب بودن از نظر محیط­زیست بسیار قابل توجه است.

در روش دیگری با عنوانRhizofiltration ، استفاده از ریشه­های گیاه برای جذب رسوب فلزات و آلودگی­ها از محلول تعریف شده است. امروزه چندین گونه گیاه که می­توانند عناصر فلزی را از محیط زیست جذب و تصفیه نمایند شناخته شده است. از جمله سنبل آبی که در مسیرهای آب و آبراه­ها رشد می­کنند و مدل­های خوب و ارزانی برای جمع کردن فلزات و یون­های فلزی از آب هستند. مشخص شده است که بیش از 93% از آرسنیت و 95% از آرسنات در عرض 60 دقیقه قرار گرفتن در معرض یک پودر تولید شده از ریشه خشک شده گیاه حذف شدند.

در جدول 4 نام برخی از این گیاهان و مقدار آرسنیک جذب شده توسط آن‌ها آورده شده است.

جدول 4– اسامی گیاهان مناسب برای حذف آرسنیک

آرسنیک موجود در گیاه (میلی­گرم بر کیلوگرم گیاه خشک)	نام گیاه
2470	Agrostis tenuis
1966	Lemna gibba
1000>	Pteriscretica
1000>	Pteris longifolia
1000>	Egeriadensa
1000>	Ceratophyllum demersum
560	Holcus lanatus
441	Chara
361	Pterisargyraea
283	Hydrillaverticillata
247	Pistia Slratiotes
195	Colocasiaesculenta
144	Eichhornia crassipes

 

تجارب داخلی و خارجی در حذف آرسنیک

از آنجایی که حذف آرسنیک با عوارض نامطلوب در سلامتی انسان مسئله بسیار مهمی در مبحث تصفیه آب و فاضلاب می باشد؛ در ایران نیز فناوری‌های مختلفی در قالب تحقیقات جهت توسعه روش‌های حذف این آلاینده در زمینه های مختلف علمی-کاربردی صورت گرفته است.

مسافری و همکارانش (1384) تحقیقی در رابطه با عوارض ناشی از آرسنیک در آب استان کردستان و روش­های حذف آن از آب آشامیدنی انجام دادند، که در آن به روش اسمز معکوس به عنوان یکی از مناسب­ترین روش­های حذف آرسنیک از آب برای سیستم­های کوچک اشاره شده است. در این تحقیق از 5 نوع غشا اسمز معکوس به نام­های PVD، TFC-SRFT30، TFC-ULP و BW30 برای حذف آرسنیک  IIIاز آب شهر دلبران استان کردستان (با میزان آرسنیک بیش از ppb 70)، مورد مطالعه قرار گرفت. درصد حذف آرسنیک کلیه­ی غشاها بالاتر از 80 درصد بوده است. در غشا TFC-SR با توجه به دو پارامتر شار خروجی و درصد حذف آرسنیک (بیش از 95 درصد)، به عنوان بهترین غشا انتخاب شد و اثر پارامترهای فشار، دما و pH بر روی آن بررسی گردید و شرایط بهینه فشار bar 10 و pH حدود 7.8 به دست آمد. در تحقیق مذکور همچنین از روش آلومینای فعال شده جهت حذف آرسنیک از آب استفاده شد که درصد حذف آن از 61 تا 94 درصد بوده است.

بابایی و همکارانش (1385) مطالعه­ی آزمایشگاهی حذف آرسنیک از آب آلوده توسط جلبک ماکروسکوپی کارا (Kara macroscopic algae) را انجام دادند. هدف از انجام این مطالعه کاهش میزان آرسنیک از آب سطحی منطقه­ی چلپو کاشمر (استان خراسان رضوی) بود. نتایج حاصل حاکی از قابلیت بالای جلبک برای حذف آرسنیک بوده، به طوری که بالاترین درصد حذف به میزان 75 درصد گزارش گردیده است.

مسافری و مصداقی­نیا (1386) با استفاده از فرآیند جذب به بررسی امکان حذف آرسنیک از آب پرداختند و تأثیر غلظت اولیه­ی آرسنیک، حالت اکسیداسیون آرسنیک و pH برعمل جذب و میزان حذف انجام گردید. نظر به آلوده بودن آب­های مصرفی به آرسنیک در تعدادی از روستاهای کشور از جمله در استان کردستان، در تحقیق حاضر کارایی یک نوع آلومینای فعال اصلاح شده با ترکیبات آهنی محصول شرکت آلکان کانادا به اسم  AAFS-50، با هدف توسعه فناوری ساده تصفیة خانگی آب در مناطق روستایی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که در آزمایشات ناپیوسته (Batch) با دو برابر شدن دوز جاذب راندمان حذف (V)As در زمان­های تماس 0.5، 1و 2 ساعت به ترتیب درصد حذف آرسنیک از 44.8 به 72 درصد، از69.6به 90.8 درصد و از 92.4به 98 درصد افزایش یافت.

در مطالعات و آزمایشاتی که غلامی و همکارانش (1387) در یک پایلوت غشایی اسمز معکوس پلی­آمیدی Spiral wound مدل TE2521 در محدوده فشار Psi 190 و غلظت ppb 200 و محدوده دمایی 30-25 درجه سلسیوس و pH در محدوده 8-6 انجام دادند؛ مشخص شد که با افزایش فشار، فلاکس جریان نیز افزایش و درصد حذف آرسنیک نیز بالا می رود. غلظت آرسنیک ورودی به سیستم غشایی، تأثیر چندانی در عملکرد سیستم و راندمان آن ندارد. افزایش دما سبب بهبود عملکرد سیستم و افزایش نسبی در ریکاوری آن شد. pH محلول ورودی تأثیر چندانی در فلاکس و عملکرد هیدورلیکی سیستم ندارد، اما راندمان حذف در pHهای پایین به علت شکل یون­های آرسنات موجود، نسبتاً کاهش می­یابد.

کلیفورد و همکارانش (1986) نشان دادند راندمان حذف فرآیند اسمز معکوس برای آرسنیک پنج و سه ظرفیتی در آب با غلظت 1900-40 ppb به ترتیب 99-98  و 75-46  است.

تحقیق دیگری که توسط برند هیوبر و همکارانش (1998) انجام گرفت؛ نشان داد، فرآیندهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون آرسنیک پنج ظرفیتی را تا بیش از% 95  حذف می کند؛ درحالی که آرسنیک سه ظرفیتی را تا حدود%90 حذف می کند. به دلیل راندمان بالای حذف آرسنیک در اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون، علیرغم مصرف انرژی نسبتاً بالا در این دو فرآیند، کاربرد آنها امروزه گسترش یافته است. آنها نشان دادند راندمان حذف آرسنیک سه ظرفیتی که ده‌ها برابر سمی تر از آرسنیک پنج ظرفیتی است؛ در اسمزمعکوس و نانوفیلتراسیون به ترتیب 74 و 40 درصد است. این محققان دریافتند که اسمز معکوس نسبت به فرآیندهای غشایی دیگر کارایی بالاتری در حذف آرسنیک دارد. به این دلیل که حذف آرسنیک سه ظرفیتی توسط اسمز معکوس بدون افزودن مواد اکسیدکننده نسبت به فرآیندهای غشایی دیگر بالاتر است و در آب‌های حاوی آرسنیک سه ظرفیتی تنها فرآیند اسمز معکوس توانایی تحمل مقادیر بالای آن را دارد. یکی از محدودیت‌های عمده اسمز معکوس حذف مواد آلی محلول است، که ممکن است جهت تولید کیفیت مناسب برای تصفیه ی نهایی آب شهری لازم باشد.

کانگ و همکارانش (2000) از دو نوع غشای اسمزمعکوس پلی آمید و پلیونیل الکل برای حذف آرسنیک استفاده کردند، نتایج نشان داد پلیونیل الکل درPH=3 حدود 80 درصد راندمان دارد و درPH=5-8  راندمان به بالای 95% افزایش مییابد و در غشای پلیآمید راندمان در PH=3-5  ،75% بوده و با افزایش PH تا حد 10% راندمان حذف تا بالای 90% افزایش می یابد. این نتایج نشان می‌دهد که نوع المان غشایی وPH محلول در راندمان حذف آرسنیک تأثیر مستقیم دارد.

مورتی و آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا (2002) در دانشگاه ایالت مونتانا جهت ارزیابی فرآیند اسمز معکوس برای حذف آرسنیک از آب تحقیقی را انجام دادند، که تمرکز اصلی در این تحقیق بر حذف آرسنیک III بود. پس از 20 آزمایش پایلوت در این تحقیق، مشخص شد که در تمامی آنها حذف آرسنیک III ،بالاتر از 90 درصد بوده است.

کانل و همکارانش (2005) مقادیر مختلفی از نانوذرات آهن صفر (g.L 10، 7،  5،  2.5،  0.5) را برای جذب سطحي As(III) به میزانmg/L 1 در7  =pH مورد بررسي قرار دادند. نتایج نشان دادکه به غیر از موردg/L 0.5 از nZVI ، در بقیه موارد، بیش از80%   از کل آرسنیک در مدت 7 دقیقه جذب سطحي شده و در مدت60  دقیقه این مقدار به بیش از 99% رسید. محاسبات نظری نشان داد که سینتیک جذب سطحي آرسنیک از واکنش شبه درجه اول پیروی مي­کند. در این مطالعه، مساحت سطحي بالای نانوذرات نسبت به میكروذرات آهن صفر باعث افزایش 10 الي 30 برابر جذب سطحي آرسنیک شد. همچنین جذب سطحي آرسنیک بر روی نانوذرات آهن صفر مطابقت بیشتری با هم­ دمای فروندلیچ در مقایسه با همدمای لانگمویر داشت. جذب سطحي آرسنیک بر روی نانو ذرات آهن به طور مؤثری وابسته به  pH بوده و در محدوده­ی pH  بین4الي10، درصد حذف آرسنیک از6/88% الی 99/99% تغییر نمود.