روش نوین تصفیه آب و فاضلاب با استفاده از باریکه های الکترونی

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 45، تابستان 97

روش نوین تصفیه آب و فاضلاب با استفاده از باریکه­های الکترونی

سید محمد موسویان [1]^*

smm1358@gmail.com

چکیده

ورود فزاینده انواع آلاینده به محیط زیست و وضع استانداردهای زیست محیطی سخت گیرانه و عدم توانایی روش­های معمول تصفیه برای حذف کامل و یا کاهش آلاینده ها به سطح مطلوب منجر به مطالعه و توسعه فرایندهای تصفیه جدید نظیر باریکه­های الکترونی شده است. تاباندن باریکه­های الکترونی به آب و فاضلاب، باعث تولید هم­زمان گونه های  فعال احیاءکننده و اکسیدکننده (_aq^-e، H^●، (OH^● می شود که به سرعت و به صورت غیرانتخابی با ترکیبات آلاینده واکنش داده و آن­ها را تجزیه نمایند. در این مقاله، سابقه استفاده از باریکه­های الکترونی و کاربردهای آن در کنترل آلودگی زیست محیطی در مقیاس های مختلف و شتاب دهنده های الکترونی به عنوان تجهیزات تولیدکننده باریکه های الکترونی، راکتورهای مورد استفاده برای تابش باریکه­های الکترونی، عوامل موثر در کارایی این روش  و سیستم های باریکه­های الکترونی ارایه شده است و با توجه به نقاط قوت این روش نسبت به روش­های متداول تصفیه و همچنین هزینه کم­تر و عملکرد بهتر آن به خصوص در زمینه گندزدایی فاضلاب و لجن و حذف رنگ از فاضلاب صنایع، دور از ذهن نیست که در آینده نزدیک    به عنوان یکی از فناوریهای مهم در حفظ محیط زیست معرفی گردد.

کلمات کلیدی: باریکه­های الکترونی، تصفیه، آب و فاضلاب، شتاب­دهنده الکترونی، گونه­های فعال، رادیکال­های هیدروکسیل.

New Method of Water and Wastewater Treatment Using Electron Beams

Seyed Mohammad Mosavian ^[2]*(Corresponding Author)

smm1358@gmail.com

Abstract

Release of several types of pollutants to the environment and implementation of ever strict environmental rules and the inability of traditional treatment methods to completely eliminate or reduce the pollutants to a standards level lead to study and develop of new treatment processes such as the electron beams. The electron beams irradiation to water and wastewater resulting generation of reducing and oxidizing species (OH•, H•, e-aq) that react quickly and non-selectively with contaminants in the water and wastewater and then decompotion them. In this paper, the history of using of electron beam and its applications in environmental pollution control in various scales, electron accelerators as electron beams production tools, reactors used for irradiation, Factors affecting the efficiency of this method, electron beams systems and advantages and disadvantages of electron beams is presented. Due to the strengths of this method than conventional methods and also lower costs and better performance, especially in the field of disinfection, sewage, sludge and color removal of wastewater industries, in the near future, is not far from the mind to be introduced as one of the key technologies in protecting the environment.

Key Words: Electron Beams, Treatment, Water and Wastewater, Electron Accelerator, Active Species, Hydroxyl Radicals.

مقدمه

نگاهی گذرا بر وضعیت محیط زیست جهان در دو دهه گذشته نشان می­دهد که مشکلات و مسایل آلودگی محیط­زیست نه­تنها کاهش نیافته بلکه روز به روز در حال افزایش است. حدود 300 سال پیش، انقلاب صنعتی در قرن 19 میلادی همراه با پیشرفت­های علمی، موجبات تعالی جامعه بشری را فراهم آورد و دست­آوردهای با ارزشی به همراه داشت اما عدم توجه به نیازهای آتی بشر و بهره­برداری لجام گسیخته از منابع طبیعی برای برآورده کردن نیاز صنایع مختلف و به دنبال آن، تولید و مصرف روز افزون انواع مواد شیمیایی، منجر به رها شدن انواع آلاینده­های شیمیایی به منابع آبی شده است که به دلیل پیچیدگی و افزایش روزافزون آلاینده­ها، روش­های معمول قادر به تصفیه کامل آلاینده­ها نیستند و از طرفی طی دو دهه گذشته، استانداردهای زیست­محیطی سخت­گیرانه­تری وضع شده است که این عوامل باعث شده است که در چند سال اخیر روش­های تصفیه متنوعی از لحاظ اقتصادی و فنی مورد آزمایش قرار گرفته و توسعه پیدا کنند. از جمله روش­های تصفیه ممکن برای تصفیه آب و فاضلاب بکارگیری تابش­های یون­ساز می­باشد. تابش­های یون­ساز مانند پرتو گاما و باریکه­های الکترونی از شکل­های موثر انرژی هستند که می­توانند آلاینده­های آلی را تجزیه کنند. پرتوهای یون­ساز منجر تجزیه آب و متعاقب آن باعث ایجاد رادیکال­های آزاد هیدروکسیل، هیدروژن و الکترون می­شود که میل به واکنش قوی آنها بویژه رادیکال­های هیدروکسیل باعث تجزیه ترکیبات آلی می­شود(1). قدرت نفوذ باریکه­های الکترونی نسبت پرتو گاما در مواد کم است اما از نظر انتقال انرژی به اتم­های ماده هدف، باریکه­های الکترونی نسبت به پرتو گاما و حتی سایر امواج الکترومغناطیسی (پرتوهای نور مرئی، ماوراء بنفش و اشعه ایکس) برتری دارد(2). تابش باریکه­های الکترونی[3] جزء فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته[4] محسوب
می­گردد(3). همان­طور که می­دانید در فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته گونه­های شیمیایی خیلی فعال واکنش­پذیر مانند رادیکال­های هیدروکسیل تولید می­شود که اکسیده­کننده­های خیلی قوی و فعال بوده و به سرعت (M^-1S^-1 10⁹-10⁶) و به­صورت غیرانتخابی[5] با اکثر ترکیبات آلی واکنش داده و آن­ها را تجزیه می­کنند(4). از کشف تابش­های با انرژی بالا بیش از 100 سال می­گذرد و توانایی این تابش­ها در تغییرات ویژگی­های فیزیکوشیمیایی مواد به خوبی شناخته شده است و استفاده از فناوری تابش برای استریلیزاسیون ادوات پزشکی، تابش­دهی مواد غذایی، فرواری پلیمر و در چند دهه گذشته به منظور تصفیه هوا، آب و فاضلاب رشد چشمگیری داشته است(5). مطالعات انجام شده در سال­های اخیر نشان می­دهد تابش­های یونیزه­کننده نظیر پرتو گاما و باریکه­های الکترونی به تنهایی یا در ترکیب با روشهای دیگر در تجزیه ترکیبات آلی مقاوم در محلول­های آبی و حذف و غیر فعال سازی انواع میکروارگانیسم­ها و انگل­ها موثر می­باشند. باریکه­های الکترونی قابلیت خود را در تجزیه بسیاری از ترکیبات آلی خطرناک و غیرفعال کردن باکتری­ها و کلی­فرم­ها نشان داده است و می­تواند برای تصفیه فاضلاب انواع صنایع نظیر صنایع غذایی، بهداشتی، داروسازی، کاغذ و نساجی کاربرد داشته باشد. از این باریکه­ها نه تنها برای حذف ترکیبات سمی ساده بلکه برای حذف مخلوطی از آلاینده­های موجود در انواع آب و فاضلاب با کیفیت­های مختلف می­توان استفاده کرد(14،5). کاربرد باریکه­های الکترونی در زمینه تصفیه آب آشامیدنی، فاضلاب و تصفیه آب زیرزمینی مقرون به صرفه خواهد بود (9). در جدول 1 کارایی باریکه­های الکترونی را برای حذف برخی ترکیبات آلی در محیط آبی را مشاهده می­کنید.

جدول1- کارایی فرآیند باریکه های الکترونی پر انرژی برای حذف ترکیبات آلی در محیط آبی (13)

اولین مطالعات در زمینه تصفیه با تابش که با هدف گندزدایی انجام گرفت به دهه 1950 میلادی بر می­گردد. در دهه 1960 میلادی این مطالعات برای تصفیه آب و قاضلاب توسعه پیدا کرد و بعد از انجام تحقیقات آزمایشگاهی بر روی فاضلاب صنایع و آب زیرزمینی آلوده در دهه­های 70 و 80 میلادی، چند واحد تصفیه در مقیاس پایلوت برای تحقیق و بررسی بیش­تر در دهه 90 میلادی ساخته شد(14، 9). اولین کاربرد تابش در مقیاس کامل برای تصفیه فاضلاب واحد صنعتی تولید لاستیک مصنوعی در شهر ورونژ[6] روسیه گزارش شده است. در واحد مذکور از تابش برای تبدیل امولسیون­کننده غیر قابل تجزیه بیولوژیکی و سمی نکال[7] به شکل قابل تجزیه استفاده می­شد (9،10،14). در سال 2005 نیز از باریکه­های الکترونی در مقیاس بزرگ در تصفیه­خانه صنعتی شهر دائگو[8] کره جنوبی با حمایت آژانس بین­المللی انرژی اتمی برای تصفیه فاضلاب نساجی با 10.000 مترمکعب در شبانه روز استفاده شد و نشان داد این روش نسبت به سایر روش­های متداول تصفیه دیگر کم هزینه­تر است (14، 9). علاوه بر کشور کره­جنوبی با هماهنگی آژانس بین­المللی انرژی اتمی، در کشورهای دیگری نظیر هلند، اردن، اتریش، برزیل، آمریکا، مجارستان، پرتغال، اکوادر و ترکیه استفاده از تابش­های یونیزه­کننده در مقیاس­های مختلفی برای تصفیه آب و فاضلاب    مورد آزمایش قرار گرفت که به برخی از نتایج مهم آزمایشات انجام گرفته اشاره می­شود(9):

• · کاربرد باریکه­های الکترونی در مقیاس کامل در کره­جنوبی ثابت کرد فرآیند مذکور در مقایسه با سایر روش­های تصفیه مقرون به صرفه­تر می­باشد.
• · مقایسه تصفیه فاضلاب با باریکه­های الکترونی با اشعه ماوراءبنفش و ازن­زنی از نظر اقتصادی نشان داد فرآیند باریکه الکترونی برای کنترل ای­کلی[9] در حجم­های بالای 5.000 مترمکعب در روز خیلی مقرون به صرفه­تر از دو روش ذکر شده است.
• · تابش باریکه الکترونی و گاما جریان خروجی از واحد تصفیه ثانویه و پیشرفته تصفیه­خانه فاضلاب شهری منجر به تخریب ترکیبات آلی، حذف فعالیت استروژنی و کاهش محسوس در تعداد میکروارگانیسم­ها به طور هم­زمان می شود.
• · فرآیند تابش قادر است غلظت­های پایین استروژن را در پساب­هایی با کیفیت گوناگون با کارایی بالایی حذف نماید.
• · بعد از حذف موفقیت­آمیز آلاینده­های آب توسط فرآیند تابش باید آب تصفیه شده از نظر وجود محصولات جانبی سمی غیر تشخیص، با روش­های شیمیایی، مورد بررسی قرار گیرد.

لازم به ذکر است به دلیل این­که این فرآیند نسبتا سرمایه­بر (سرمایه­گذاری اولیه) بوده و فناوری جدیدی در عرصه تصفیه آب و فاضلاب می­باشد تصفیه­خانه­های که از روش فوق استفاده می­کنند کم است و باید مطالعات و اطلاع­رسانی زیادی برای شناساندن و کاربرد تجاری آن برای تصفیه و حذف انواع مختلف ترکیبات آلی و میکروارگانیسم­ها صورت پذیرد(16، 9).

اثر باریکه­های الکترونی

فناوری باریکه­های الکترونی برپایه استفاده از اشعه­های یون­ساز (گاما و باریکه الکترون) برای شروع تغییرات شیمیایی در  محیط آبی استوار است. بر خلاف سایر اشعه­ها (اشعه ماوراءبنفش و مادون بنفش) باریکه­های الکترونی تقریبا به طور کامل در اوربیتال­های الکترونی ترکیبات هدف جذب می­شوند و بدین سان باعث افزایش سطح انرژی الکترون­های اتم/ مولکول می­شوند و در نهایت باعث خارج شدن یک یا چند الکترون از مدار و شکسته شدن باند شیمیایی آن­ها و ایجاد تغییرات ساختاری ترکیبات هدف می­شوند. سطح انرژی باریکه­های الکترونی تابش شده به حدی است که منجر به تغییر در ساختار مولکولی ترکیبات می­شود اما به قدری نیست که باعث فعالیتهای رادیواکتیویته شود(15).

در فاصله زمانی^7-10 ثانیه بعد ازعبور باریکه­های الکترونی از محیط آبی، گونه­های فعال مختلفی نظیر رادیکال­های هیدروکسیل(^●OH)، الکترون­ها(_aq^-e) و اتم­های هیدروژن(H^●) تولید می­گردد. تغییرات شیمیایی انجام شده بعد از عبور الکترون­ها توسط هیمن گونه­های فعال صورت می­گیرد. این گونه­ها با قدرت اکسیدکنندگی و احیاء­کنندگی بالای خود آلاینده­های شیمیایی و بیولوژیکی آب را تحت تاثیر قرار می­دهند و همچنین بخشی از باریکه­های الکترونی به طور مستقیم بر روی میکروارگانیسم­ها تاثیر می­گذارند(18). واکنش شماره 1،  تشکیل گونه­های فعال در اثر رادیولیز آب توسط باریکه­های الکترونی را نشان می­دهد: 

H₂O +EB (باریکه الکترونی) ®OH^● + eˉ_aq + H^● + HO₂^● + H₂O₂  (1)

کارایی حذف توسط باریکه­های الکترونی معمولاً تحت عنوان G بیان می شود. G به میزان برانگیختگی، گونه­های فعال و سایر ترکیبات تشکیل شده یا از بین رفته در یک سیستم وقتی که صد الکترون­ولت انرژی جذب می­شود تعریف می­گردد و در حقیقت بیان­گر کارایی تبدیل انرژی الکترون به محصولات شیمیایی است.

ترکیب محصولات تولید شده در واکنش شماره 1 محیط منحصر به فردی بوجود می­آورند که در آن واکنش­های اکسایش و احیا هم­زمان اتفاق می­افتد. به عبارت دیگر فرآیند باریکه الکترونی تنها فرآیندی است قابلیت تولید هم­زمان گونه­های احیاءکننده (_aq^-e، H^●) و اکسیدکننده (^●OH، HO₂^●، H₂O₂)و حتی با غلظت یکسان دارا می­باشد. باریکه­های الکترونی قادرند چندین هزار گونه­های فعال را تشکیل دهد(13). بازدهی تشکیل رادیکال­های آزاد در ازای انرژی مصرفی بالاتر از سایر فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته است(17).

اکسیدکننده غالب در میان اکسیدکننده­ها، رادیکال هیدروکسیل است که بیش­ترین تاثیر را در کارایی تصفیه با باریکه­های الکترونی را دارند.. لازم به ذکر است که رادیکال­های هیدروکسیل قدرت اکسیدکنندگی بالایی نسبت به اکسیدکننده­های متداول نظیر کلر، ازن، اکسیژن، پرمگنات­پتاسیم، اسید هیپوکلروس دارد(18).

تولید باریکه­های الکترونی

تولید الکترون­های پرانرژی از طریق شتاب دهنده­های الکترونی انجام می پذیرد. در شکل 2 اجزای اصلی یک شتاب دهنده­های الکترونی نشان داده شده است. از تفنگ الکترون[10]  (شامل کاتد، آند و کلاهک نگهدارنده) برای تولید و شتاب الکترون استفاده می­شود که در آن الکترون­ها از یک کاتد حاوی الکترون­های ساکن(رشته تنگستن) که در اثر عبور جریان گرم شده است منتشر شده و در اثر اختلاف پتانسیلی که از چند صد تا چند هزار ولت بین کاتد و آند در داخل محفظه خلاء برقرار می­گردد به سمت آند شتاب داده می­شود. وقتی الکترون­ها شتاب می­یابند سطح انرژی آن­ها به چند میلیون برابر می‌رسد و برخوردار از انرژی عظیمی می‌شوند و سرانجام الکترون­های شتاب گرفته از مجرای آند به شکل نوار باریکی خارج شده و به صورت جریانی از الکترون­های پرانرژی به لایه آب یا فاضلاب تابانده می­شوند.

شکل 2- شمای یک شتاب دهنده الکترونی

سابقه استفاده از شتاب­دهنده­های الکترونی در زمینه فرآوری مواد به بیش از نیم قرن می­رسد. در حال حاضر 1300 شتاب­دهنده الکترونی با مجموع قدرت حدود 50 مگاوات در سرتاسر جهان برای فرآیند تابش و با اهداف تحقیقاتی مختلف  مورد استفاده قرار می­گیرد(5). از پیشگامان استفاده از شتاب دهنده­ها در کنترل آلودگی زیست­محیطی، موسسه تحقیقات انرژی اتمی ژاپن[11] موسوم به تاکاساکی[12] است. در آن زمان (1970 میلادی) انگیزه اصلی موسسه، توسعه شتاب­دهنده­های با قدرت بالا برای تصفیه پیوسته گاز اضافی و فاضلاب با حجم­های زیاد بود(14).

ولتاژ شتاب­دهنده­های الکترونی که برای کاربردهای زیست­محیطی استفاده می­شود از 500 کیلوالکترون ولت تا 10 مگاالکترون ولت متغیر است. در حال حاضر فقط تعدادی از صنایع و سازمان­های علمی قادر به ساخت شتاب­دهنده­ها هستند. تولیدکننده­های اصلی شتاب­دهنده­ها در کشورهای ایالات متحده آمریکا، ژاپن، بلژیک، فرانسه، روسیه، چین و هلند قرار دارند و در بیش­تر کشورهای در حال توسعه نیز گرایش برای ساخت و استفاده از این تجهیزات وجود دارد(20، 19، 16، 13، 5). شتاب­دهنده­ها بر اساس انرژی تقسیم بندی می­شوند ولی آن­چه که در کاربرد فناوری باریکه­های الکترونی در زمینه محیط زیست یک عامل مهم محسوب می­شود قیمت شتاب دهنده الکترونی است. سازندگان شتاب­دهنده­ها انواع مختلف شتاب­دهنده­های الکترونی را با دامنه انرژی 5/0 تا 10 مگاالکترون­ولت و قدرت باریکه 50 تا 400 کیلووات تولید می­کنند. برای تصفیه گاز دودکش صنایع، انرژی الکترون تقریباً   1-7/0 مگاالکترون ولت مناسب است ولی انرژی­های بالای 1 مگاالکترون ولت برای تصفیه فاضلاب مفید خواهد بود. بعضی شتاب­دهنده­ها با انرژی بالای 5 مگاالکترون­ولت با قدرت باریکه پایین­تری (کمتر از 50 کیلووات) ساخته می­شوند. قدرت­های پایین­تر برای واحدهای آزمایشگاهی و پایلوت مناسب می­باشند. شتاب­دهنده­های با انرژی متوسط برای تصفیه گاز دودکش و فاضلاب سودمند خواهد بود. برای تصفیه لجن، انرژی­های بالاتر نیاز بود که قدرت باریکه این شتاب­دهنده­ها به 400 کیلووات می­رسد. در شکل 1 شتاب­دهنده الکترونی مورد استفاده در تصفیه­خانه فاضلاب نساجی دائگو کره­جنوبی با قدرت 400 کلیووات و انرژی 1 مگاالکترون­ولت را مشاهده می­کنید.

شکل 3- واحد تصفیه فاضلاب نساجی شهر با استفاده از باریکه­های الکترونی دائگو کره جنوبی(20)

 به طور کلی در انتخاب شتاب­دهنده­ها برای کاربردهای زیست­محیطی باید به معیارهای زیر توجه نمود:

• قدرت باریکه بالا که بهره­وری را افزایش و هزینه عملیاتی را کاهش می دهد.
• کارایی الکتریکی بالا که مصرف انرژی را کم و            هزینه عملیاتی را کاهش می­دهد.
•  قابلیت استفاده حداکثری از باریکه که بهره­وری را افزایش و هزینه عملیاتی را کاهش می­دهد.

در جدول 2 سازندگان شتاب دهنده­ها، انواع و مشخصات آن­ها و هزینه واحد شتاب دهنده­ها را بر حسب قدرت آن­ها ارایه می­دهد.

جدول 2- سازندگان شتاب دهنده­ها، انواع و مشخصات آن­ها (5)

در پرتودهی مواد، بخشی از تابش که جذب محیط می­شود و باعث تغییرات قیزیکی و شیمیایی می­شود مدنظر قرار می­گیرد که تحت عنوان دز جذب شده تعریف می­شود. دز جذب شده یکی واحد کمی مهم بوده و به مقدار انرژی جذب شده در واحد جرم ماده گفته می­شود. واحد دز جذب شده در سیتم SI، گری^[13] می باشد و شامل جذب یک ژول در یک کیلوگرم ماده است. واحد سابق دز جذب شده، راد^[14] می­باشد و معادل‌ 100 ارگ‌^[15] برای‌ هر گرم‌ ماده‌ است و هر گری برابر با 100 راد می­باشد. حداکثر نفوذ یک باریکه الکترونی به انرژی الکترون­ها، چگالی ماده مورد هدف، قدرت باریکه، مدت زمانی که ماده در معرض باریکه الکترون قرار می گیرد دارد. اغلب سیستم­های باریکه الکترونی که برای تصفیه آب و فاضلاب کاربرد دارند معمولا قدرت نفوذی کم­تری دارند. برای مثال میزان نفوذ الکترونهای 5/1 مگاالکترون ولتی تقریباً برابر 7 میلی­متر است. بنابراین به منظور استفاده از این فرآیند ابتدا باید حجم آب را به روش­های مختلف به صورت لایه­های نازک در آورده و سپس تابش صورت گیرد. بنابراین سیستم توزیع آب یکی از واحدهای مهم در کاربرد فرآیند باریکه الکترونی است. برای این­که یک سیستم باریکه الکترونی در تصفیه موثر باشد باید مایع با ضخامت­های کم پخش گردد به طوری که الکترون­ها بتوانند به صورت یکنواخت به تمامی مایع نفوذ کنند. اگر ضخامت مایع به سبب میزان بالای جریان یا محدودیت­های سیستم توزیع زیاد باشد در این صورت نیاز است مایع بر حسب هدف تعریف شده چند بار در معرض باریکه­های الکترونی قرار گیرد. کدورت و رنگ تاثیر چندانی در میزان نفوذ باریکه ندارند(21).

عمدتاً سه نوع راکتور برای برهم­کنش باریکه­های الکترونی و آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می­گیرد که در شکل 3 مشاهده می­کنید. در راکتور (الف) آب یا فاضلاب توسط فشانه­هایی[16] به طور مداوم با فشار درون یک مخزنی پاشیده می­شود و باریکه­های الکترونی به صورت عمودی به مایع تابانده می­شود. این نوع
راکتور امکان تصفیه حجم­های زیاد فاضلاب را توسط شتاب­دهنده­های نیرومند فراهم می­آورد. در راکتور (ب) مایع توسط افشانه­ها[17] در سطح محدودی پخش شده و باریکه­های الکترونی به آن قطرات ریز تابانده می­شود. این راکتور شرایط مناسبی برای وقوع اکسیداسیون زنجیری آلاینده­ها در تماس با هوا ایجاد می­کند. این تماس باعث نفوذ اکسیژن به فاضلاب می­شود و به دنبال آن ترکیب ازن رادیولیتیک و باریکه­های الکترونی در جهت تصفیه موثر اتفاق می­افتد. در راکتور نوع (ج) فاضلاب در داخل مخزن کم عمق به صورت ثقلی جریان پیدا کرده و به شدت با گاز یا هوا تزریق شده توسط حباب­سازها و یا منافذ تعبیه شده در کف مخزن، مخلوط می­شود(5).

به طور کلی مهم­ترین اجزای سیستم­های باریکه­های الکترونی شامل موارد زیر است:

-   شتاب دهنده الکترونی

-   منبع قدرت

-   جاروبگر باریکه[18]

-   اتاقک تماس باریکه با آب یا فاضلاب

-   تجهیزات توزیع آب و فاضلاب

-   پمپ­ها و لوله های تغذیه کننده و تخلیه

-   تجهیزات مقاوم در برابر حرارت

-   سیستم­های پایش و کنترل

-   حفاظ سربی

شکل4- راکتورهای مورد استفاده برای تابش باریکه­های الکترونی

 الف- فشانه،ب-افشانه، ج- جریان رو به بالا (5)

کاربردهای باریکه­های الکترونی در تصفیه آب و فاضلاب

همان­طور که گفته شد تحقیقات آزمایشگاهی بر روی فاضلاب صنعتی و آب­های زیرزمینی آلوده در دهه 70 و 80 میلادی صورت پذیرفت. در دهه 90 میلادی، چندین تصفیه­خانه و تجهیزات سیار باریکه­های الکترونی برای بررسی­های بیشتر ساخته شد. مطالعات انجام گرفته در سال­های اخیر کارایی تابش­های یون­ساز نظیر پرتوهای گاما، باریکه­های الکترونی را با ترکیب با سایر روش­های تصفیه را در تجزیه ترکیبات آلی مقاوم در محلول­های آبی و حذف موثر یا غیرفعال­سازی میکروارگانیسم­های گوناگون و انگل­ها را به اثبات رسانده­اند و نشان داده است کاربرد باریکه­های الکترونی برای تصفیه آب آشامیدنی، فاضلاب و آب­های زیرزمینی مقرون به صرفه خواهد بود. سرعت فرآیند تابش در تجزیه آلاینده بیش­تر از سایر فرآیندهای متداول ارزیابی شده است. معمولا حداکثر کارایی این فرآیند در غلظت­های ^3-10 مول بر لیتر(pmm 100) یا کمتر آلاینده خواهد بود. تصفیه چنین فاضلاب­های آسان بوده و به دزهای پایین (حدود 1 کیلوگری) نیاز داشته و تقریبا حذف کاملی از بو، طعم، رنگ و کدورت را فراهم می­کند. به طور کلی تبدیل آلاینده­ها در اثر اکسیداسیون زنجیری، تشکیل ترکیبات نامحلول، انعقاد ذرات کلوئیدی و بالا بردن تجزیه پذیری بیولوژیکی اتفاق می­افتد(10).

آب­های سطحی و زیرزمینی که برای تامین آب شرب مورد استفاده قرار می­گیرند معمولا آلوده به میکروارگانیسم­های بیماریزا و انگل­ها و آلاینده­های شیمیایی هستند و غالبا سطح آلودگی به قدری است که با دزهای پایین تابش از بین می­روند. دزهای نزدیک یک کیلوگری برای تصفیه و گندزدایی آب­های طبیعی به ویژه برای تخریب ترکیبات آلی نظیر مواد هیومیکی ایجادکننده رنگ و بو و غیره کافی است. تابش، ترکیبات آلی حاوی کلر را تخریب می­کند. برای تجزیه غلظت­های کمتر از ^4-10 مول، دزهای پایین (1 کیلوگری و حتی پایین تر) مورد نیاز است. همان­طور که می­دانید این ترکیبات سمی و سرطان­زا بوده و از محیط نشات می­گیرند و یا در اثر کلرزنی آب­های دارای ترکیبات آلی تولید می­شوند. باید این نکته توجه نمود تابش ترکیبات کلرینه می­تواند باعث بوجود آمدن محصولات سمی دیگری شود که باید این محصولات نیز مورد تصفیه قرارگیرد و در این صورت دز مورد نیاز به طور قابل ملاحظه­ای افزایش می­یابد.

تلفیق تابش با ازن منجر تقویت اثر تصفیه می­شود. برای مثال برای کاهش تری­کلرواتان از ppb 120 به  ppb5 با استفاده از تابش نیاز به 370 گری می­باشد ولی وقتی ppm 3 ازن به آب اضافه می شود دز تابش مورد نیاز برای همان میزان کاهش به 45 گری است. استفاده از تابش برای تصفیه آب­های زیرزمینی نیز گزارش شده است. در ابتدا از این روش برای احیاء چاه­هایی که منافذ آنها با رسوب مواد نامحلول گرفته شده استفاده می­شد. تابش باکتری­های احیاء کننده آهن و منگنز را از بین برده و به تبع آن مانع رسوب مواد نامحلول در روی منافذ چاه می­شد(22).

در جریان خروجی از صنایع، فلزات سمی نظیر نقره، سرب، جیوه، نیکل، روی و کروم (فلزات سنگین) وجود دارد که این فلزات سنگین در خاک تجمع پیدا می­کنند و می­توانند وارد زنجیره غذایی انسان شوند. راهبرد کلی در استفاده از تابش در تصفیه فلزات، احیاء کردن و کاهش انحلال­پذیری آن­ها است که در این صورت یون­های احیاء شده را می­توان با رسوب دادن جدا نمود(10).

به طور مثال الکترون­های آبی به آسانی یون­های نقره را به اتم­های نقره احیاء می­کنند و در نهایت اتم­ها تجمع و در نهایت رسوب پیدا می­کنند (واکنش شماره­های 4-2).

eˉ_aq+Ag⁺®Ag⁰                                               (2) H+Ag⁺+H₂O®Ag⁰+H₃O⁺                              (3)

Ag⁰+Ag⁰®Ag₂                                               (4)

بیش­ترین تمرکز فرآیند تابش بر روی تبدیل آلاینده­های غیرقابل تجزیه بیولوژیکی به ترکیبات قابل تجزیه بیولوژیکی است(5). همان­طور که گفته شد اولین کاربرد تابش در مقیاس بزرگ برای تبدیل امولسیون نکال در یک واحد صنعتی تولید لاستیک­های مصنوعی اتفاق افتاد. نکال مخلوطی از ایزومرهای سولفانات ایزوبوتیل- نفتالین[19] بوده، یک ماده سمی و در مقابل تجزیه بیولژیکی مقاوم است. در این واحد از دو شتاب دهنده الکترونی 50 کیلوواتی ساخت BINP استفاده می­شود که اولی در سال 1984 میلادی و دومی در سال 1988 میلادی نصب گردید. این واحد در روز 2000 مترمکعب فاضلاب مورد تصفیه قرار می­دهد عملکرد دراز مدت آن نشان داد که این فرایند از کارایی بالا و پایداری خوبی برخوردار است(23).

به خاطر ساختار پیچیده مولکولی رنگ و پایداری آن در مقابل تجزیه هوازی و سایر اکسیدکنندها متداول، حذف رنگ از فاضلاب­ها مشکل می باشد. فاضلاب­های خروجی از صنایع نساجی و یا واحدهای عملیات­های تکمیلی[20] حاوی مقدار قابل ملاحظه­ای رنگ، جامدات معلق، مواد آلی کلرینه، سورفاکتانت[21] و مقداری فلزات سمی بوده و دما، pH و COD در آن­ها متغیر است. ماده رنگ­زای آزو[22] به عنوان یکی از مهم­ترین گروه­های رنگ­های مصنوعی و محصولات حاصل از تجزیه آن­ها (آمین­های آروماتیک) باعث بروز سرطان در انسان و آبزیان می­شود. مواد رنگ­زای آزو به ترکیبات شیمیایی گفته می­شود که دارای یک یا چند پیوند گرو آزو (N=N) می­باشند و گروه­های مذکور باعث پیوند ساختارهای حلقوی رنگ به یکدیگر می­شوند. رنگ علاوه بر آثار سرطان­زایی، به علت ایجاد ظاهری نامناسب و همچنین برای حفظ سلامت انسان و محیط زیست باید قبل از تخلیه به محیط از فاضلاب صنایع حذف گردد.

روشهای تصفیه متداول به خصوص تصفیه بیولوژیکی قادر نیستند به تنهایی با کارایی بالای رنگ­زای آزو را از فاضلاب حذف نمایند. بنابراین علاوه بر روش­های متداول باید از روش­های شیمیایی و فیزیکی موثری با برای تصفیه آن استفاده نمود. فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (ازن، فتوفنتون، تجزیه نوری تیتانیوم، فرآیند تابش) با ایجاد رادیکال­های فعال می­توانند ترکیبات آلاینده را با کارایی بالایی تجزیه نمایند. در زمینه حذف رنگ توسط فرآیند تابش تحقیقات متعددی صورت گرفته است نحوه واکنش و چگونگی تجزیه رنگ آزو توسط فرآیندهای یاد شده به خوبی تشریح شده است(24).

گونه­های فعال تشکیل شده در اثر پرتودهی آب (الکترون آبی، اتم هیدروژن و ردایکال­های هیدروکسیل) به مولکول­های رنگ واکنش داده و آنها را با سرعت بالا مورد تجزیه قرار می­دهند. اتم­های هیدروژن و الکترون­های آبی به پیوند گروه آزو حمله می­کند. سایر قسمت­های مولکول رنگ و محصولات تولید شده در طول تجزیه، تمایل کمتری برای واکنش با دو گونه فوق دارند. رادیکال­های هیدروکسیل بیشتر حلقه­های آروماتیکی را مورد هدف قرار داده و آن­ها را به ترکیبات رادیکالی فعال تجزیه می­نماید. بعد از وقوع واکنش­های متعدد و متوالی و تبدیل آنها به ترکیباتی با وزن مولکولی کم، رنگ­زدایی و معدنی­سازی اتفاق می­افتد. رنگ­زدایی موثر با واکنش­های دو گونه الکترون آبی و اتم­های هیدروژن بدون حضور اکسیژن اتفاق می­افتد اما برای معدنی­سازی، حضور رادیکال­های هیدروکسیل و اکسیژن مورد نیاز است(24). به منظور تصفیه فاضلاب صنایع حاوی رنگ توسط فرآیند تابش، در سال 1998 اولین واحد آزمایشی در مجموعه صنعتی شهر دایگو کره جنوبی برای تصفیه 1.000 مترمکعب در شبانه روز فاضلاب صنایع نساجی ساخته شد. در این واحد از یک شتاب دهنده الکترونی 40 کیلوواتی و با انرژی الکترونی 1 مگاالکترون ولت استفاده گردید. عملکرد موفق آن منجر به شروع ساخت واحد تصفیه در مقیاس کامل در سال 2004 و اتمام آن در سال 2005 برای تصفیه 10.000 مترمکعب در شبانه­روز فاضلاب توسط باریکه­های الکترونی و تصفیه بیولوژیکی در همان مجموعه صنعتی گردید(9). در شکل 4 شمای ساده­ای از فناوری تصفیه فاضلاب صنایع نساجی در مقیاس بزرگ در مجموعه صنعتی شهر دایگو را نشان می­دهد. بررسی­های صورت گرفته در واحد آزمایشی نشان داد میزان تصفیه انجام شده در واحد تصفیه بیولوژیکی طی 17 ساعت بدون استفاده از تابش برابر با 8 ساعت تصفیه بیولوژیکی به همراه تابش در دز 2-1 کیلوگری است. همچنین عملکرد این روش نیز نشان داد که نسبت به روش­های رایج تصفیه، مقرون به صرفه­تر می باشد.

شکل5- شمای از واحدهای فناوری تصفیه فاضلاب صنایع نساجی در مجموعه صنعتی شهر دایگو (19)

سیستم­های متحرک نیز برای کاربرد باریکه­های الکترونی نیز در زمینه تصفیه آب و فاضلاب ساخته  شده­اند که از جمله این سیستم­ها می­توان به سیستم ساخته شده توسط شرکت HVEA[23] اشاره نمود که مورد تایید سازمان محیط­زیست نیز
قرار گرفته است اشاره نمود(شکل 5)(25، 18). البته سیستم­های متحرک دیگری نیز  ساخته شده است که هر کدام ویژگی­های و مشخصات خاص خود را دارا می باشند (38، 35).

شکل6-نمای ظاهری و نمودار جریان در سیستم قابل حمل ساخته شده توسط شرکت HVEA(26)

احیا، کربن فعال استفاده شده برای تصفیه آب­های زیرزمینی یکی دیگر از کاربردهای باریکه­های الکترونی در زمینه آب و فاضلاب است. کربن فعالی که سدیم لوریل سولفانات را جذب کرده می­تواند با دز تابش 1 مگاگری احیاء شود. تجزیه و تحلیل اقتصادی این موضوع نشان داد احیاء کربن فعال توسط تابش حدود 10-8 برابر نسبت به روش احیا با بخار ارزان­تر در می­آید(21). در زمینه استفاده از باریکه­های الکترونی در احیاء و فعال سازی مجدد کربن فعال تحقیقات و مطالعات کمی صورت گرفته است اما در خصوص احیاء توسط اشعه گاما چندین پژوهش و بررسی انجام شده است که به عنوان نمونه می­توان به مطالعات کیس[24] و کچن[25] (27)، مینگهانگ[26] و همکارانش (28) اشاره نمود که همگی بر تاثیرات قابل ملاحظه تابش اتفاق نظر دارند.

استفاده از باریکه­الکترونی در آماده­سازی غشاها به ویژه غشاهای تعویض یونی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته و تاثیر مثبت آن در آماده­سازی غشاها ثایت شده است. غشاهایی­که با باریکه­های الکترونی آماده­سازی می­شوند برای حذف یون­های فلزات سنگین فاضلاب صنایع، گرفتن یون­های اورانیوم و کبالت 60 از پسماندهای رادیواکتیو مایع و برداشت اورانیوم از آب دریا مورد استفاده قرار می­گیرند(39).

یکی از مهم­ترین مشکلات زیست محیطی، استفاده مجدد از فاضلاب صنایع است. کاربرد باریکه­های الکترونی برای حل   این مشکل نیز در مقیاس تجاری در کارخانه کاغذ شهر چونگ­ون[27] کره­جنوبی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد استفاده از تابش باریکه­های الکترونی به همراه روش­های متداول (انعقاد+لخته­سازی و تصفیه بیولوژیکی) منجر به کاهش اکسیژن مورد نیاز شیمیایی(COD) و کل کربن آلی (TOC) به زیر ppm 25 و افزایش درصد استفاده مجدد از فاضلاب از 30-20 درصد به 80-70 درصد گردید. در این کارخانه برای تصفیه فاضلاب(15000 مترمکعب در روز) از 3 شتاب­دهنده الکترونی با مجموع قدرت باریکه 300 کیلوات استفاده گردید(40).

توانایی باریکه الکترونی پرانرژی در گندزدایی مواد بیولوژیکی فاضلاب و لجن به خوبی اثبات شده است و برتری خود را از لحاظ هزینه کم­تر و عملکرد بهتر نسبت سایر روش­ها نشان داده است(30، 29، 5). در سال 1976 به طور آزمایشی تابش­دهنده باریکه­های الکترونی در تصفیه خانه فاضلاب دیر آیلند[28] بوستون برای غیرفعالسازی و از بین بردن میگروارگانیسم­های بیماری­زا نصب گردید. در این واحد از شتاب­دهنده 50 کیلوواتی برای تولید باریکه­های الکترونی استفاده می­گردید و لجن مایع که به وسیله پخش کردن روی استوانه در حال چرخش به صورت لایه نازک در حدود 2 میلیمتری درآمده مورد تابش قرار می­گیرد(31). در شکل 6 فرآیند تابش لجن، بکار گرفته شده در تصفیه­خانه فاضلاب دیر آیلند نشان داده شده است. سیستم باریکه­های الکترونی دیگری نیز در مقیاس بزرگ در میامی[29] آمریکا برای گندزدایی لجن فاضلاب ساخته شده است(32) که در شکل 7 شمای کلی از تاسیسات فرآیند باریکه­های الکترونی استفاده شده در شهر یاد شده را نشان می­دهد. در این سیستم لایه­های نازک لجن مایع (حداکثر 74/0 سانتی­متر) تحت تابش دزهای 400-350 کیلوراد قرار می­گیرد و سپس لجن خروجی بعد از طی مراحل آماده­سازی، آبگیری و ذخیره­سازی برای کاربردهای کشاورزی به فروش می­رسید. سیستم اخیر برای گندزدایی در حدود 645000 لیتر در شبانه روز لجن هضم شده 8-2% طراحی شده و شتاب دهنده الکترونی 5/1 مگاالکترون ولتی در آن به کار رفته است. 

غیرفعال شدن کلی­فرم­ها و باکتری­ها در دز 3 کیلوگری و نابودی تخم کرم­ها در دز 4 کیلوگری اتفاق می­افتد. همچنین باریکه الکترونی قادر به کاهش ویروس­های روده­ای انسان در دز 4 کیلوگری می­باشد. اندازه یک ارگانیسم در میزان حذف یا غیرفعال­سازی موثر است. ارگانیسم­های بزرگ­تر نسبت به ارگانیسم­های کوچک­تر مستعدتر به غیرفعال شدن در اثر تابش می­باشند. مطالعات نشان می­دهد تخم کرم آسکاریس سئوم[30] و شیتوزما مانسونی[31] در دزهای خیلی پایین غیرفعال می شوند. کرم شیستوزما مانسونی در دز کم­تر از 700 گری کاملا حذف می­گردد. اما در لجن به منظور غیرفعال­سازی 90 درصدی دزهای بالایی برای به علت کند شدن سرعت فرآیند غیرفعال سازی، نیاز می­باشد. کیفیت آب در نحوه غیرفعال شدن باکتری­های کلی­فرم نقش دارند. برای مثال وقتی جریان خروجی دارای کلر باشد روند غیرفعال شدن سریع خواهد بود اما در دزهای بالای 5/1 کیلوگری مقاومت در مقابل غیرفعال شدن مشاهده می­گردد. در خروجی خام و بدون کلر، غیرفعال شدن کلیه باکتریها مشاهده گردید. در دزهای بین 6 و 7 کیلوگری باکتریها و باکتریهای کلیفرمی، تا 5 واحد لگاریتمی غیرفعال می­شوند. آزمایشاتی که جهت مطالعه روند غیرفعال شدن باکتری­های کلی­فرم مدفوعی در پساب تصفیه­خانه انجام گرفت نشان می­دهد برای غیرفعال کردن 4 واحد لگاریتمی کلیفرم­های مدفوعی موجود در پساب حاوی کلر، تابش 5/1 کیلوگری کافی است. در دزهای بالای 5/1 کیلوگری افزایشی در میزان حذف آن­ها مشاهده نگردید که علت آن را به مقاومت باکتری­ها نسبت دادند. همچنین این مطالعات نشان داد برای غیرفعال­سازی 5 واحد لگاریتمی کلی­فرم­های مدفوعی در خروجی بدون کلر دزهای بالای 5/6 کیلوگری لازم است. در پساب کلرزنی شده، حضور کلر، شرایط سخت و نامناسبی برای رشد و زندگی ارگانیسم­ها ایجاد نموده که این وضعیت اجازه می­دهد میکروارگانیسم به راحتی غیرفعال شده و در نهایت دزهای پایین­تری نیاز باشد(11).

باریکه­های الکترونی پرانرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم در غیرفعال­سازی میکروارگانیسم­ها نقش دارد. باریکه­های الکترونی به صورت مستقیم بر مولکول­های حیاتی سلول­ها نظیر DNA[32] و پروتئین­های موجود در داخل میکروارگانیسم تاثیر گذاشته و باعث مرگ سلولی می­شود. در روش غیرمستقیم،گونه­های فعال تشکیل شده در اثر واکنش باریکه­ها با آب، با اجزای مولکولی میکروارگانیسم­ها واکنش می­دهند و DNA باکتری­ها و DNA و RNA[33] ویروس­ها را مورد هدف قرار داده و به آن­ها آسیب زده و از این طریق موجب غیرفعال شدن میکروارگانیسم­ها می­شود(12). 

به طور کلی هزینه تصفیه با استفاده از فرآیند باریکه­های الکترونی پرانرژی به میزان دز تابش شده، غلظت آلاینده­ها، ابعاد تجهیزات مورد استفاده و طول مدت استفاده از این تجهیزات بستگی دارد. هزینه تصفیه توسط باریکه­های الکترونی در حدود 500-400 دلار به ازای هر مترمکعب فاضلاب با فرض تابش دز 800 کیلوراد، تخمین زده می­شود(13). هزینه حذف 99 درصدی 20 میلی­گرم در لیتر بنزن و 20 میلی­گرم در لیتر تتراکلرواتیلن از آب زیرزمینی با استفاده از عریان­سازی با هوا[34]/سیستم جذب کربن و سیستم UV/H₂O₂ و یک سیستم باریکه الکترونی(75 کیلووات)، 3:1.2:1 (3 عریان­سازی با هوا/1سیستم جذب کربن و 2 سیستم UV/H₂O₂/ 1 سیستم باریکه الکترونی) برآورده شده است(36).

شکل7- فرآیند تابش لجن، بکار گرفته شده در تصفیه خانه فاضلاب دیر آیلند (31)

شکل8- شمای کلی از تاسیسات مربوط به باریکه­های الکترونی استفاده شده در میامی آمریکا (32)

عوامل موثر بر فرآیند باریکه­های الکترونی

فرآیند باریکه­های الکترونی پرانرژی مستقل از pH در دامنه 11-3 می­باشد. بنابراین هرگونه تغییری در pH تاثیر منفی در کارایی تصفیه نخواهد داشت به جز مواردی که خود آلاینده به pH حساس باشد. در صورت نیاز می­توان pH را جهت حذف رباینده­های رادیکال­های هیدروکسیل نظیر کربنات و بی­کربنات پایین آورد. این فرآیند نیز مستقل از دما می­باشد. یعنی تغییرات دما در آب و فاضلاب تاثیری در میزان حذف نخواهد داشت. واکنش­های گونه­های فعال تولید شده با ترکیبات آلی سریع بوده و در فاصله زمانی بسیار کوتاهی (کم­تر از یک ثانیه) اتفاق می­افتد. لذا می­توان از سیستم جریان پیوسته با انعطاف پذیری بسیار بالا وقتی که تغییرات جریان نسبت به زمان بالا باشد استفاده نمود. رباینده­های رادیکالی یکی دیگر از عواملی است که بر روی فرآیند باریکه­های الکترونی تاثیر می­گذارند. ریاینده­های رادیکالی با رادیکال­های آزاد تولید شده در طول فرآیند، واکنش داده و آن­ها را از مسیر تجزیه ترکیبات آلی خارج می­کنند به هیمن دلیل کارایی رادیکال­ها در تجزیه آلاینده ها کاهش می­دهند. متانول یکی از رباینده­های رادیکالی می­باشد که به طور طبیعی در آب وجود دارد. متانول با رادیکال­های هیدروژن و به نسبت کمتر با الکترون­های آبی و رادیکال­های اتم هیدروژن واکنش می­دهند. متانول ابتدا رادیکال­های هیدروکسیل و سپس رادیکال­های اتم هیدروژن و الکترون­های آبی را می­رباید. کربنات و بی­کربنات از معمول­ترین رباینده­های رادیکال­های هیدروکسیل می باشند که در آب­های طبیعی وجود داشته و با رادیکالهای هیدروکسیل با ثابت سرعت M^-1S^-110⁶ × 5/8 وM^-1S^-1 10⁸ × 9/3 واکنش می­دهند. میزان تاثیر این یون­ها در ربایندگی رادیکال­های هیدروکسل در آبی با 9pH= و فاضلابی با 7pH= مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج آزمایشات نشان داد که با افزایش pH در آب میزان ربایندگی رادیکال­های هیدروکسیل به علت حضور ترکیبات قلیایی افزایش می­یابد. اگرچه میزان قلیاییت در فاضلاب آزمایش شده 5 برابر بیش­تر از میزان قلیاییت آب بوده است اما میزان ربایندگی یون­های کربنات و بی­کربنات در فاضلاب تقریباً 5/2 برابر میزان ربایندگی این یونها در آب بوده است. بنابراین میزان حذف بستگی به pH، غلظت یون­های کربنات و بی­کربنات داشته، به طوری که اگر pH پایین و غلظت یون­های کربنات و بی­کربنات کم باشد میزان حذف افزایش می­یابد. کربن آلی محلول یکی دیگر از ترکیباتی است که به طور طبیعی در آب و فاضلاب یافت می­شود و کارایی حذف فرآیند تاثیر منفی می­گذارد. در فاضلاب میزان کربن آلی محلول حدوداً 6 برابر میزان آن در آب آشامیدنی است.بنابراین فاضلاب نیاز به تابش با دز بیش­تر جهت دست­یابی به میزان حذف موردنظر دارد. در اکثر آزمایشات وجود مواد معلق تاثیر قابل ملاحظه­ای در میزان حذف این فرآیند نداشته است(13).

مزایا و معایب فرآیند باریکه الکترونی

مزایا و معایب فرایند باریکه الکترونی به شرح زیر می­باشد(3،13،33،34،37):

1- مزایا

-  تشکیل ترکیبات جانبی آلی در این فرآیند در مقایسه با سایر فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته کم­تر است اما انجام مطالعات بیش­تر جهت تایید این یافته­های اولیه نیاز می باشد.

-   سیستم باریکه­های الکترونی می­تواند به عنوان ممکل مرحله گندزدایی عمل نموده و از رشد میکروارگانیسم­های بیماری­زا جلوگیری نماید.

-   کدورت و رنگ در میزان عملکرد سیستم باریکه­های الکترونی بی تاثیر است.

-   نیاز به اضافه کردن مواد شیمیایی یا کاتالیزور نیست.

-   پسماند رادیواکتیو تولید نمی­شود.

-   نیاز به دماهای بالا نیست.

-   کنترل واکنش در سیستم­های باریکه الکترونی آسان است چون سیستم باریکه الکترونی یک سیستم الکتریکی است  که در آن واکنش­های شیمیایی به راحتی با روشن یا خاموش کردن یک کلید شروع یا متوقف می­شوند.

2-معایب

-   با وجود بی­خطر بودن این فرآیند، از نظر عموم مردم به دلیل عدم آگاهی کافی ازاین فرآیند، یک فناوری خطرناک محسوب می­شود. بنابراین به منظور استفاده از این فناوری جدید و موفقیت آن، در گام اول باید ذهنیت و دید جامعه را نسبت به این مساله عوض نمود و سپس اقدام به کاربرد آن صورت پذیرد.

-   نیاز به نیروهای آموزش دیده و متخصص جهت کار با سیستم­های تابش باریکه­های الکترونی یکی دیگر از معایب     این فرآیند است.

-   محدودیت­هایی از لحاظ تولید شتاب­دهنده­های تجاری وجود دارد.

نتیجه گیری

با توجه به نقاط قوت فرایند باریکه الکترونی نسبت به روش­های متداول تصفیه و کاربردهای مطالعاتی و صنعتی از باریکه­های الکترونی و همچنین عدم ایجاد آلودگی­های محیط زیستی، استفاده و توسعه روزافزون این روش تصفیه در نقاط مختلف دنیا و حتی ایران قابل تصور است و پیش بینی می­شود در آینده نزدیک یکی از فناوری­های مهم در حفظ محیط زیست گردد. نتایج آزمایشات مختلف نشان می­دهد این روش هزینه کم­تر و عملکرد بهتری به خصوص در زمینه گندزدایی فاضلاب و لجن و حذف رنگ از فاضلاب صنایع نسبت به سایر روش­های تصفیه دارد و همچنین فاضلاب تصفیه شده با این روش را می­توان در کشاورزی بکار برد.

 انتظار می­رود با مطالعات بیش­تر، تلفیق با سایر روش­های تصفیه و افزایش کارخانجات تولید انواع شتابدهنده­های الکترونی، هزینه استفاده از فناوری باریکه­های الکترونی نیز کاهش یافته و استفاده از آن به صورت تجاری افزایش یابد. در ایران نیز به تبع تحقیقات انجام شده در دنیا، مطالعات لازم در زمینه استفاده از فرایند تابش باریکه­های الکترونی در تصفیه آب و فاضلاب با سرعت بیش­تری انجام گیرد و در نهایت شاهد بکارگیری آن در مقیاس­های کوچک و بزرگ باشیم.

منابع

1-      Duartea, C.L., Ribeiro, M.A., Sato, I.M., Sampa, M.H.O., 2004. Efficiency of Organic Compounds Removal by Electron-Beam Irradiation in Presence of High Metal Concentration. Radiation Physics and Chemistry, Vol. 71, pp. 449–452.

2-      Kashiwagi, M., Hoshi, Y., 2012. Electron Beam Processing System and Its Application. NHV Corporation, Vol. 75, pp. 47-54.

3-      Duarte C.L., Sampa M.H.O., Rela P.R., Oikawa H., Silveira C.G., Azevedo A.L., 2002. Advanced Oxidation Process by Electron-Beam-Irradiation Induced Decomposition of Pollutants in Industrial Effluents. Radiation Physics and Chemistry. Vol. 63, pp. 647–651.

4-      Munter, R., 2001. Advanced Oxidation Process-Current Status and Prospect. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, Chemistry, Vol. 50, pp. 59-80.

5-      International Atomic Energy Agency, 2007. Radiation Processing: Environmental Application (IAEA-RPEA, Vienna, Austria)

6-      Duarte, C.L., Sampa, M.H.O., Rela, P.R., Oikawa, H., Silveira, C.G., Azevedo, A.L., 2002. Advanced Oxidation Process by Electron-beam Irradiation Induced Decomposition of Pollutants in Industrial Effluents. Radiation Physics and Chemistry, Vol. 63, pp. 647–651.

7-      Duarte, C.L., Sampa, M.H.O., Rela, P.R., Silveira, C.G., 2000. Application of Electron Beam Irradiation Combined with Conventional Treatment to Treat Industrial Effluents.  Radiation Physics and Chemistry, Vol. 57, pp. 513–518.

8-      Getoff, N., 1996. Radiation-induced Degradation of Water Pollutants: State of the Art. Radiation Physics and Chemistry, Vol. 47, pp. 581-593.

9-      International Atomic Energy Agency, 2008. Radiation Treatment of Polluted Water and Wastewater (IAEA-TECDOC-1598, Vienna, Austria)

10-  Vertes, A., Nagy, S., Klencsar, Z., Lovas, R., Rosch, F., 2010. Handbook of Nuclear Chemistry; Vol. 3, Chemical Applications of Nuclear Reactions and Radiations (Springer)

11-  Kurucz, C. N., Waite, T. D., Cooper, W. J., Nickelsen, M. G., 1991. High Energy Electron Beam Irradiation of Water, Wastewater and Sludge. Advances in Nuclear Science & Technology, Vol. 22, pp. 1-37.

12-  AVASN Maruthi, Y., Lakshmana Das, N., Kaizar Hossain, Rawat, K.P., Sarma, K.S.S., Sabharwal, S., 2013. Appliance of Electron Beam Technology for Disinfection of Sewage Water to Minimize Public Health Risks. European Journal of Sustainable Development, Vol. 2, pp. 1-18.

13-  Walter Z.T., 2004. Physicochemical Treatment of Hazardous Wastes (CRC Press)

14-  Han, B., Kim, J., Kim, Y. 2006. Application and Economics of Electron Beam Wastewater Treatment. (Online) Available from: hnp:// pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/P12510cd/ papers/6.pdf

15-  Siddiqui M. S, Amy G., Cooper W. J., Kurucz C. N., Waite T. D., Nickelsen M. G., 1996. Bromate Ion Removal by HEEB Irradiation. AWWA, vol. 88, pp. 90-101.

16-  Chao, A.W., Chou, W., 2011. Reviews of Accelerator Science and Technology: Vol. 4, Accelerator Applications in Industry and the Environment (World Scientific)

17-   Hanna, S., 2012. RF Linear Accelerators for Medical and Industrial Applications (Artech House)

18-  Tarr, M.A., 2003. Chemical Degradation Methods for Wastes and Pollutants, Environmental and Industrial Applications (Marcel Dekker Inc.)

19-  International Atomic Energy Agency, 2004. Emerging Applications of Radiation Processing (IAEA-TECDOC-1386 Vienna, Austria)

20-  Kuk, S.H., Kim, S.M., Kang, W.G., Han, B., 2011. High-power Accelerator for Environmental Applications. Korean Physical Society, Vol. 59, pp.3485-3488.

21-  Kavanaugh, M., Chowdhury, Z., 2003. Removal of MTBE with Advanced Oxidation Processes (IWA Publishing)

22-  International Atomic Energy Agency, 1997. Sewage Sludge and Wastewater for Use in Agriculture. (IAEA-TECDOC-971, Vienna, Austria)

23-  Cooper, W.J., Curry, R.D., O'Shea, K.E., 1998. Environmental Applications of Ionizing Radiation (A Wiley Interscience Publication)

24-  Adel, A. K.; Azni, I.; Katayon, S.; Chuah, T.G., 2004. Treatment of Textile Wastewater by Advanced Oxidation Processes – A Review. In: Global Nest: The International Journal – General Information Vol. 6, pp. 222-230.

25-  Takacs, E., Wojnarovits, L., Tamas, P., 2007. Azo Dye Degradation by High-energy Irradiation: Kinetics and Mechanism of Destruction. Nukleonika, Vol. 52, pp. 69−75.

26-  United States Environmental Protection Agency, 1997.  High Voltage Environmental Applications, Inc. Electron Beam Technology Innovative Technology Evaluation Report (EPA/540/R-96/504)

27-  Case, F.N., 1973. Ketchen, E.E., Study of Gamma Induced Low Temperature Oxidation of Textile Effluents (EPA- R2-73-260.)

28-  Minghong, W., Boronga, B., Ruiminb, Z., Jinliang, Z., Longxin, H., 1998. The Regeneration of Polluted Activated Carbon by Radiation Techniques. Radiation Physics and Chemistry, Vol. 53, pp. 431-435.

29-  Chmielewski, A.G., 2005. Application of Ionizing Radiation to Environment Protection. Nukleonika, Vol. 50, pp.17-24.

30-  Mckeown, J., 1996. Electron Sterilization of Sewage Sludge: A Real Case Comparison with Other Processes. Radiation Physics and Chemistry, Vol. 47, pp. 469-473.

31-  Bitton, G., 2005. Wastewater Microbiology (John Wiley & Sons, Inc.)

32-  Lewins, J., Becker, M., 1991. Advances in Nuclear science and Technology: Volume 22. (Springer)

33-  Crittenden, J.C., Trussell, R.R, Hand, D.W., Howe, K.J., Tchobanoglous, G., 2012. MWH's Water Treatment - Principles and Design, Third Edition (John Wiley & Sons, Inc.)

34-  Jung, H., Mah, Y.J., Lee, M.J., 2008. Destruction of PCBs in Transformer Oil by an E-Beam. Waste Management and the Environment IV, Vol. 109, pp. 341-348.

35-  International Atomic Energy Agency, 2015. Radiation Processing Applications in Industry: Prospects in Latin America and the Caribbean. Scientific Forum on “Atoms in Industry – Radiation Technology for Development. Vienna, Austria.

36-  Techcommentary, 1996. Advanced Oxidation Processes for Treatment of Industrial Wastewater. An EPRI Community Environmental Center Publ. No. 1.

37-  International Atomic Energy Agency, 2003.  Status of Industrial Scale Radiation Treatment of Wastewater and Its Future. Proceedings of a Consultants Meeting Held in Daejon, (IAEA-TECDOC-1407, Vienna, Austria)

38-  Han, B., Kim, J.K., Kim, Y.R., Zommer, N., 2011. Treatment of Wastewater for Reuse with Mobile Electron Beam Plant, Report of the 2nd RCM on Radiation Treatment of Wastewater for Reuse with Particular Focus on Wastewaters Containing Organic Pollutants. Working Material, IAEA, Vienna, Austria.

39-  Nasef, M.M., 2003. Application of Electron Beam for Preparation of Membranes. Proceedings of the FNCA 2003 Workshop on Application of Electron Accelerator -Radiation System for Thin Film, Kuala Lumpur, Malaysia.

40-  Shin, H.S., Kim, Y.R., Han, B., Makarov, I.E., Ponomarev, A.V., Pikaev, A.K., 2002. Application of Electron Beam to Treatment of Wastewater from Papermill. Radiation Physics and Chemistry, Vol. 65, pp. 539-547.