حذف بور از منابع آب طبیعی

آلودگی آب‌های سطحی توسط آلاینده های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی مشکل فراگیر در اکثر کشورهای جهان است. با توجه به اهمیت آب و اثراتی که آلودگی آن می‌تواند بر سلامتی انسان و اکوسیستم طبیعی داشته باشد، پایش کیفیت آن از اهمیت بسازیی برخوردار است. حفاظت و بهره برداری بهینه و پایدار از منابع آبی مانند هر نوع توسعه دیگری نیازمند برنامه مدیریتی بوده که مشتمل بر مراحل و گام‌های خاص خود است و باید با اولویت بندی و برنامه اجرایی مدون به اجرا گذاشته شود.  هدف اصلی مدیریت کیفیت آب، تضمین پایداری کمیت و کیفیت منابع آب به منظور تأمین مصارف مختلف است.

بور (B) یک شبه­فلز در گروه 13 جدول تناوبی است. ایزوتوپ­های پایدار بور از جرم­های 10 و 11 هستند که در نسبت حدی به ترتیب %20 به 80% وجود دارند و منجر به وزن اتمی 81/10 می­شود. بور دارای حالت­های اکسیداسیون مختلف در ترکیبات است، اما مهم­ترین و رایج­ترین آن 3+ است. حالت­های اکسیداسیون پایین­تر 1+، صفر یا کمتر از صفر تنها در ترکیباتی از جمله بوران­های بالاتر (مانند B₅H₉)، هالیدها (مانند B₄Cl₄)، بوریدهای فلزی (مانند Ti₂B)و یا در برخی ترکیبات حاوی پیوندهای چندگانهB‒B  وجود دارد.

بور در محیط آبی به طور عمده به صورت اسید بوریک (H₃BO₃) است. اسید بوریک یک جامد روغنی و محلول در آب است (g/L 55 در ^oC 25). از آنجایی که بور تنها عنصر غیرفلزی در گروه 13 در جدول تناوبی است، شیمی بور و ترکیباتش مانند اسید بوریک یکتا است. با آرایش الکترونی 1s²2s²2p¹، بور الکترون­گیرنده است. در نتیجه، اسید بوریک به صورت اسید ضعیف عمل می­کند. در محلول آبی به صورت اسید بورنستد تجزیه نمی­شود؛ یعنی بور تنها با 3 الکترون در لایه ظرفیت، نمی­تواند از قاعده هشتایی پیروی کند و بنابراین اسید بوریک پروتون­دهنده نیست. اما به جای آن، تجزیه اسید بوریک فقط می­تواند از طریق فرآیند هیدرولیز اتفاق بیفتد؛ یعنی با پذیرش یک یون هیدروکسیل به عنوان اسید لوییس عمل کرده تا یون تتراهیدروکسی بورات را تشکیل دهد.

بنابراین، فرم­های غالب از بور معدنی در سیستم­های آبی طبیعی اجزای تک هسته نظیر اسید بوریک و یون بورات^[1] () هستند..

اسید بوریک محلول در آب بدون بار است و دارای ساختار مثلثی می­باشد. شکل 2 یک اندازه واقعی مقایسه­ای بین مولکول اسید بوریک و یون­های سدیم و کلر را در آب نشان می­دهد.

شکل 2- مقایسه اندازه بین اسید بوریک و برخی اجزای دیگر در محلول­های آبی

استانداردها، قوانین و دستورالعمل­ها بور

استانداردهای کیفیت منابع آب برای کاربری شرب در سه گروه آب با جزئیات کامل پیش­تر در گزارش تجزیه و تحلیل نتایج پایش به شماره مدرک ARB-EN-R-1011 ارائه شده است. در اینجا خلاصه­ای از نتایج استانداردها ارائه شده است.  توضیحات هر گروه به شرح زیر می‌باشد:

• 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.

استانداردها یا دستورالعمل ها برای غلظت بور در آب آشامیدنی در اطراف جهان به طور گسترده ای متفاوت، محدوده آن از0.5-5 mg/L، است (جدول 1 ). حد مجاز غلظت بور در آب آشامیدنی معمولاً توسط در نظر گرفتن یک سری از فاکتورها شامل سلامت انسان و محیط زیست، ویژگی های اجتماعی و طبیعی، فن آوری‌های موجود و اثربخشی هزینه ها تعیین می شود. به نظر می رسد مقادیر استاندارد یا دستورالعمل بور در آب آشامیدنی بر پایه تحمل گیاهان است که بیشتر به مواد محتوی بور حساس می باشد. برای مثال، فلسطین اشغالی دارای یک استاندارد بور بسیار دقیق است، زیرا مرکبات -گونه گیاهی حساس به بور- از دیدگاه کشاورزی برای آنها اهمیت دارد. سطح بور تنظیم شده در آب آشامیدنی در کانادا mg/L5 است که احتمالاً به این دلیل است که اولاً حضور بور در آب تازه بسیار پایین و ثانیاً نمک زدایی آب دریا در کانادا استفاده نمی شود. فن آوری های حال حاضر برای دفع بور هم می تواند در قوانین تأثیرگذار باشد. در 1990 میلادی، سازمان بهداشت جهانی حد مجاز mg/L 0.3 برای بور در آب آشامیدنی در نظر گرفت. اما، این مقدار به دلیل عدم وجود فن آوری‌های دفع بور قابل قبول از نظر اقتصادی، به mg/L 0.05 در سال 1998 افزایش یافت .WHO  برای سال‌های متعددی، محدوده‌ی بور در آب آشامیدنی را کمتر از mg/L 0.5 در نظر گرفته است. اما، از سال 2011 کمیته کیفیت آب آشامیدنی  تصمیم گرفت مقدار بور در دستورالعمل را mg/L 2.4 در نظر بگیرد و این مقدار در دستورالعمل ها ثبت گردد.

بر اساس آخرین نسخه استاندارد 1053 مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران (ویرایش پنجم) حداکثر میزان بور در آب آشامیدنی  mg/L 0.5 تعیین شده است. جدول 1 میزان مجاز بور را بر اساس دو استاندارد 1053 (استاندارد ملی ایران) و  WHO (سازمان بهداشت جهانی) گزارش می دهد.

جدول 1- استاندارد کیفیت منبع آب برای کاربری شرب

پارامتر	میزان مجاز بور در آب آشامیدنی (ppm)
	WHO	1053
		گروه اول	گروه دوم	گروه سوم
بور	4/2	*5/0	1	1

در متن استاندارد 1053 چنین نوشته شده است که “منبع و مأخذی که برای تدوین این استاندارد مورد استفاده قرار گرفته به شرح زیر است:”

“WHO, 2008, “Guidelines for Drinking-Water Quality”, second addendum. Vol., Recommendations. 3rd ed. ISBN 978 92 4 154760 4. World Health Organization.”

لذا استاندارد 1053 بر اساس مبانی استاندارد WHO تهیه و تنظیم شده است. نکته قابل ذکر این است که از سال 2011 کمیته کیفیت آب آشامیدنی و سازمان بهداشت جهانی تصمیم گرفت مقدار بور در آب آشامیدنی در دستورالعمل را mg/L 4/2 در نظر بگیرد و این مقدار در دستورالعمل­ها ثبت گردد.. در واقع، اکثر واحدهای نمک­زدایی آب دریا با استفاده از فن­آوریRO، هدف­های بسیار پایین بور را به جدیت در نظر می­گیرند، به طوری که در برخی موارد به خوبی زیر سطح مورد نیاز می­باشد (جدول 2).

جدول 2– استانداردها و مقادیر مجاز برای بور در آب آشامیدنی

 

پیامدهای بهداشتی و زیست محیطی بور

اگر چه یک مقدار حداقل از بور در زنجیره غذای انسان نقش مهمی ایفا می­کند، اما مقادیر مازاد آن برای انسان می­تواند سمی باشد. علائم مسمومیت بور در انسان عبارتند از تهوع، استفراغ، اسهال، درماتیت، بی­حسی، کم اشتهایی، کاهش وزن و کاهش فعالیت جنسی. نتایج منفی در تعداد زیادی از آزمایش­های جهش­زایی نشان می­دهد که اسید بوریک و بوراکس دارای سمیت ژنتیکی[2] نیستند. در مطالعات طولانی مدت در موش­ها، اسید بوریک و بوراکس باعث افزایش میزان بروز تومور نشد.

حداکثر میزان مصرف ایمن بور بر طبق گزارشات سازمان بهداشت جهانی mg/d 13 می­باشد. لازم به ذکر است که اثرات بهداشتی اسید بوریک و بوراکس بر سلامت انسان به طور عمده از اطلاعات حیوانات آزمایشگاهی به دست می­آید. مصرف بیش از حد بور می­تواند برای سلامت حیوانات ضرر داشته باشد. مطالعات متعددی گزارش کرده­اند که پیش از رویش دندان، قرار گرفتن در معرض اسید بوریک می­تواند مضر باشد که این مورد روی موش­ها بدون هیچگونه عوارض جانبی قابل مشاهده در سطح[3]/daykg وزن بدنmg/ 2/71 بیشترین اثر را دارد. قرار گرفتن در معرض بور به صورت دهانی (روش خوراکی) می­تواند سمیت تولید مثل را در موش­ها ایجاد کند و مقدار NOAEL  برای موش­های مونث و مذکر به ترتیب /daykg وزن بدنmg/ 136 و /daykg وزن بدنmg/ 9/98 است.

اگر چه به نظر می­رسد که بور یک ماده میکرومغذی ضروری برای برخی از گیاهان است، اما سطح معینی از تحمل برای گیاهان وجود دارد و غلظت بیش از حد بور در خاک و در آب­ های کشاورزی می­تواند برای گیاهان مضر باشد (جدول 3). سمیت بور در جایی که خاک­های قلیایی و شور با وجود بارندگی کم و سنگ­شویی[4]بسیار محدود در کنار یکدیگر قرار دارند مثل استرالیا، شمال آفریقا و غرب آسیا تولید محصول را محدود می­کند. با این حال، قرار گرفتن در معرض ​​بیش از حدبور عموماً به عنوان یک نتیجه از فعالیت­های انسان-طبیعت مانند فراباروری [5]و یا آبیاری با آب حاوی سطح بالا بور، لجن فاضلاب و خاکستر رخ می­دهد. مسمومیت گیاهان می­تواند به روش­های گوناگون با توجه به ارتباط بین بور آبیاری، بور محلول در خاک و مکانیزم جذب بور توسط گیاه تفسیر شود. گیاهان گاهی می­توانند همزمان تحت تأثیر سموم بور و شوری قرار گیرند. این اتفاق زمانی رخ می­دهد که گیاهان با آب حاوی سطوح بالای بور و شوری آبیاری می­شوند، و یا در مناطقی کشت می­شوند که حاوی غلظت بالا بور و نمک، به خصوص مناطق خشک یا نیمه خشک که در آن بارندگی و اشباع کم هستند.

جدول 3- تحمل نسبی محصولات کشاورزی به بور

حد تحمل بور (mg/L)	محصولات کشاورزی
حساس (1>)	توت سیاه، مرکبات، هلو، گیلاس، آلو، انگور، لوبیا چشم بلبلی، پیاز، سیر، سیب­زمینی شیرین، گندم، جو، ماش، کنجد، لپه، توت فرنگی، سیب­زمینی ترشی، لوبیا قرمز، لیمو، آووکادو، پرتقال، زردآلو، گردو
نیمه تحمل (2-1)	فلفل دلمه، نخود، هویج، تربچه، سیب­زمینی، خیار، لوبیا سبز، کدو تنبل، گل آهاری، جو دوسر، نوعی ذرت، گندم، زیتون، گوجه فرنگی، آفتابگردان
تحمل (2<)	کاهو، کلم، کرفس، شلغم، ذرت، کنگرفرنگی، تنباکو، خردل، شبدر، کدو، تیل، ذرت خوشه­ای، یونجه، باقلا، جعفری، چغندر قرمز، چغندر قند، مارچوبه

 

روش های حذف بور:

با توجه به اینکه فعالیت‌های صنعتی در عصر حاضر به شدت مقدار بور را در آب اشامیدنی افزایش داده‎اند، به همین دلیل روش‌های متعددی برای حذف آن ارائه شده است. روش‌های جذبی از پرکاربردترین آن‌ها به شمار می‌روند. روش حذف بور از آب آشامیدنی با شیوه‌های جذبی تنوع بالایی داشته و از مهم‌ترین آنها می‌توان به گزینه‌های زیر اشاره کرد:

حذف بور با رزین کیلیت کننده:

یکی از روش‌های حذف بور از آب آشامیدنی، جذب آن‌ها با رزین‌های کیلیت‌کننده است. این رزین‌ها قدرت بالایی در ایجاد پیوند با بور موجود در آب داشته و به همین دلیل آنها را به سمت خود جذب می‌کند. رزین‌های کیلیت کننده شامل لیگاندهایی با گروه‌های هیدروکسیل، آمین و کربوکسیل هستند که قدرت جذب انتخابی بسیار خوبی برای عنصر بور دارند. مولکول‌های ترکیبات پلی اکسید تمایل به برقراری پیوند با بور از طریق تشکیل استرهای بوریک اسید یا کمپلکس‌های آنیونی بورات دارند. در این گونه ترکیبات وجود آمین نوع سوم ضروری است زیرا در حین تشکیل کمپلکس توسط گروه‌های هیدروکسیل، پروتون آزادی ایجاد می‌گردد که می‌بایست توسط گروه آمین جذب شود. بر اساس همین طرح، تحقیقات گسترده‌ای بر روی رزین‌های انتخابگر بور آغاز گردید. بیشتر رزین‌ها توسط اصلاح کوپلیمر استایرن و دی وینیل بنزن با N-methyl-D-glucamine (NMDG) سنتز شده اند.

شکل 3- رزین هاي مورد استفاده براي حذف بوراز محلولهاي مایي با گروههايNMDG

گروه‌هاي عاملي اين نوع رزين‌ها از طریق پیوند کووالانسی و تشكيل كمپلكس كورديناسيوني بور را جذب مي‌كنند.

شکل 4- مکانیزم پیوند بور با رزین کیلیت کنندهNMDG

استفاده از پلیمرهای طبیعی در ساختار رزین های کیلیت کننده برای اولین بار توسط اورلاندو انجام شد. اکثر پلیمر های طبیعی در ساختار خود دارای گروه های آمین هستند، که برای کمپلکس کردن بوریک اسید مورد نیاز است. ترکیبات جدیدی از اصلاح مشتقات پلیمر های طبیعی سلولز و کیتوسان با NMDG سنتز شده‌اند که قابلیت بسیار بالایی را برای جذب و حذف بور دارا هستند.

حذف بور از محلول های آبی با کانی زئولیت

یکی از مهم ترین چالش ها در حذف بور از آب آشامیدنی این است که بور در محلول های آبی به صورت BOH₃  با بار منفی است. به همین دلیل به سختی می‌توان آن را جدا کرد. کانی زئولیت از جمله انتخاب های ایده آل برای جذب بور و حذف آن از آب محسوب می‌شود. در ساختار این کانی اسکلت آلومینیوسیلیکاتی، آب زئولیتی و کاتیون‌های تبادلی وجود دارد و با توجه به غلظت محلول خارجی و بار یونی و تراکم بار قدرت جذب در آن تغییر می‌کند. در این روش به منظور افزایش قدرت جذب بور توسط زئولیت می‌توان PH را بیشتر کرد. هر چه PH بیشتر، قدرت جذب بور توسط زئولیت بالاتر است.

حذف بور از آب اشامیدنی با روش های غشایی

استفاده از فرآیندهای غشایی از دیگر روش‌های موثر برای حذف و کاهش مقدار بور در آب آشامیدنی محسوب می‌شود. در این روش‌ها آب از غشا عبور داده شده و بور از این طریق از آن جدا می‌شود. به منظور افزایش قدرت جداسازی بور از آب آشامیدنی با روش های غشایی، لازم است PH تا 11 افزایش پیدا کند. این روش بیشتر برای نمک زدایی از اب دریا کاربرد دارد. به دلیل اینکه در فرایند های غشایی به سختی میتوان غلظت بور را به مقدار مجاز کاهش داد، یک یا چند مرحله به فرایند اصلی این روش اضافه می‌گردد. در اغلب فرایندهای غشایی برای حذف مقادیر قابل ملاحظه ای از بوریک اسید، لازم است PH تا حدود 10-11  بالا رود. در این شرایط بوریک اسید به بورات تبدیل می شود. با بالابردن PH بازده حذف بور تا 98% افزایش می یابد. یکی از معایب بالا بردن PH در این روش، رسوب کردن هیدروکسید منیزیم و کلسیم بر روی سطح غشا و در نتیجه گرفتگی آن است.

حذف بور از آب با روش های هیبریدی

روش‌های ترکیبی یا هیبریدی از دیگر شیوه‌های کاربردی برای حذف و کاهش بور در آب آشامیدنی به شمار می‌رود. در حالت کلی روال جداسازی بور در روش‌های هیبریدی به این صورت است که ابتدا بور به کمک پلیمرها کمپلکس شده و در نهایت با عبور از غشا جداسازی انجام می‌شود. تکنیک‌های رایج این روش MEUF،PEUF،AMF می‌باشند. در سیستم PEUF ابتدا یون بورات بر روی پلیمرهای قابل انحلال در آب کمپلکس می‌گردد و سپس توسط غشاهای UF جداسازی می‌شود. PEUF همچنین برای حذف دیگر یون‌های آلوده کننده محلول آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلیمرهایی که برای حذف بور در این روش  مورد استفاده قرار می‌گیرند، با اتصال لیگاندهای مشابه قند به زنجیر های پلیمری سنتز می‌گردند. جهت بهبود بازده این تکنیک پارامترهایی نظیر نسبت پلیمر به بور، PH و وزن مولکولی پلیمر مورد بررسی قرار گرفته است. کارایی و سرعت بالا در حذف بور از مزایای تکنیک PEUF و البته هزینه های بالای آن از معایب آن می باشد. در تکنیک AMF از ذرات جاذب میکروکروی و غشاهای میکروفیلتراسیون استفاده می‌شود که به دلیل بازده بالا و قیمت پایین بهترین تکنیک روش هیبریدی است.

حذف بور از آب با لخته سازی

استفاده از انعقاد و لخته سازی روش دیگری برای کاهش و جداسازی بور از آب می‌باشد که در دو مرحله انجام می‌شود. در مرحله نخست انعقاد انجام شده و در گام دوم جذب سطحی صورت می‌گیرد. برای انعقاد در این روش از پلی آلومینیوم کلراید استفاده شده و مقدار PH نیز تا 11 افزیش پیدا می‌کند. در گام بعد برای جذب سطحی از کربن فعال استفاده می‌شود.

حذف بور از آب با تکنولوژی Electrocoagulation، Donnan Dialysis ، Capacitive deionization method و همچنین استفاده از امواج رادیواکتیو از دیگر روش‌های نوین برای حذف بور از آب آشامیدنی به شمار می‌روند. اغلب این روش‌ها در سطح آزمایشگاهی ارائه شده و در حال حاضر در تصفیه خانه ها کاربرد ندارند

 

 

 

[1]Borate

[2]Genotoxic

[3] No observable adverse effect level (NOAEL)

[4] Leaching

[5] Over-fertilization