نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دکتری شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران. *(مسوول مکاتبات)
2 استادیار، دانشکده شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران ، ایران.
3 دکتری شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 47، زمستان 97
اثرات بور بر محیط زیست و روشهای حذف آن از محلولهای آبی
شهره عسگری [1] *
اعظم منفرد [2]
مهرداد فلاح[3]
تاریخ دریافت: 25/12/1395 |
تاریخ پذیرش:16/02/1396 |
چکیده
بور (بورون) میکرو مغذی بسیار مهمی برای گیاهان و حیوانات میباشد، بدین معنی که مقادیر بسیار کم بور برای رشد آنها لازم و ضروری است. این عنصر بسیار مورد توجه است، زیرا هم کمبود آن و هم مازاد آن برای بسیاری از گیاهان مضر است و فاصله بین این دو مقدار بسیار محدود است. در انسانها نیز مقادیر بسیار کمی از بورون در تمام بافتها وجود دارد، اما مقدار اضافی بور ممکن است منجر به آسیب سیستم عصبی شود، از این جهت در بسیاری از کشورها غلظت بور در آب آشامیدنی و فاضلاب کنترل میشود. مقدار مجاز بور در آب آشامیدنی طبق توصیه سازمان بهداشت جهانی(WHO)[4]مقدار 5/0 است و بر این اساس، حذف بور از محلولهای مایی و آبها یکی از دغدغههای بزرگ بهداشت عمومی و محیط زیستی میباشد. اخیرا روشهای مختلفی برای جداسازی بور از آب در حال توسعه هستند که از بین این روشها، فرآیندهای جذبی، فرآیندهای غشایی، فرآیندهای هیبریدی کارامدتر هستند. ما دراین مقاله، اطلاعاتی در مورد بور-خواص آن – منابع آن، تاثیر آن بر محیط زیست، گیاهان و حیوانات و روشهای جدیدی برای حذف آن ارایه میکنیم.
کلمات کلیدی: بور، محیط زیست، حذف بور.
|
Boron effects on the environment and methods to remove it from aqueous solutions
Shohreh Asgari [5]*(Corresponding Author)
shohreh.asgari@yahoo.com
Azam Monfared [6]
Mehrdad Fallah[7]
Abstract
Boron is very important micronutrient for plants and animals, which menas essential for growth of them in very small quantities. This is the element of special attention as its deficiency and excess are harmful for many plants and the gap between both these level is very narrow. In humans, small amount of boron occur in all tissues but an excess of boron may lead to damage of nervous system. Therefore, boron concentration in drinking water and wastewater is regulated in many countries. The recommended boron content in drinking water according to world health organization (WHO) guideline is 0.5 and according to this limit, the removal of boron from aqueous solution and water is of great environmental and health public health concern. Recently different methods to separate boron from water have been developed. Among them the more effective methods are adsorption processes, membrane processes and hybrid processes. In this manuscript, we presenting knowledge on boron, its properties, sources, effects on environment, plants, animals and new methods for its removal.
Key Words: Boron, Environment, Boron Removal.
مقدمه
بور عنصری شبه فلزی است که در گروه 13 جدول تناوبی قرار دارد. این عنصر دارای دو ایزوتوپB10 و B11 با درصد فراوانی 80:20 است(1). بور دمای ذوب بالا و سختی نسبتا خوبی دارد، هادی ضعیف الکتریسته است و حالات اکسایش مختلفی داردکه از بین آنها (3+) مهمترین و رایجترین حالت اکسایش این عنصر میباشد. بور در مقادیر مختلف در طبیعت، آب، خاک و صخرهها وجود دارد. در جدول زیر گستره غلظت بور در محیطهای مختلف آورده شده است(2).
جدول1-گستره غلظت بور در محیطهای مختلف
نوع لیتوسفر |
غلظت متوسط بور |
نوع هیدروسفر |
غلظت متوسط بور |
پوسته زمین |
10 |
آب دریا |
5/ 0- 6/9 |
خاک |
10- 20 |
آب زیرزمینی |
3/ 0- 100 |
صخره |
5 |
آب تازه |
1/0- 5/1 |
بازالت |
0- 1 |
|
|
بور در طبیعت به صورت ترکیبهای معدنی مختلف با درصدهای متفاوتی از کلسیم، سدیم و منیزیم یافت میشودکه از بین آنها میتوان بوراکس، تینکال، کولمانیت، یوکلسیت و کرنیت را نام برد. بور همچنین به صورت اورتو بوریک اسید، آنیونهای بورات، پلی بورات، کمپلکسهای فلورو بورات و کمپلکسهای فلزات واسطه وجود دارد(3،4). در بین ترکیبات ذکر شده در بالا اسید بوریک و بوراکس از ترکیبات مهم بور هستند که در بافت پارچه و منسوجات و همچنین به عنوان گندزدا کاربرد دارند. ترکیبات دیگر بور در صنایع ساخت شیشههای بور و سیلیسکات استفاده فراوان دارند(1،2).
بور در محلولهای آبی
بوریک اسید یکی از ترکیبات مهم و غالب بور درمحلولهای آبی است که طبق واکنش زیر در تعادل با یون بورات میباشد.
B(OH)3+H2OB(OH)4- +H+
قابلیت انحلال بوریک اسید در آب در دمای 25 درجه سانتیگراد در حدود 55 است، این ترکیب دارای کمبود الکترون است و جزو اسیدهای ضعیف محسوب میشود. ثابت تعادل واکنش بالا در حضورغلظتهای پایین گونههایB(OH)3 و B(OH)4-طبق معادله زیرمحاسبه میشود
K=
ثابت تعادل (K) این واکنش، به pH، دما وقدرت یونی که خود تابع شوری آب است، وابسته میباشد.مقدار عددی pK که به صورت-log(K) تعریف میشود، در حدود4/8 -5/9 است . وقتی pH را به سمت مقادیر بالاتر از pK افزایش دهیم، تعادل به سمت تشکیل آنیونهای بورات پیش میرود(6).
در شکل 1 درصد غلظت بوریک اسید و بورات به صورت تابعی ازpH نشان داده شده است(7).
شکل1- درصد غلظت اسید بوریک و آنیون بورات به صورت تابعی از pH در آب(7)
|
در شکل2، رابطه بین مقادیر pK ، شوری آب و دما نشان داده شده است. استفاده از این روابط کمک موثری به حذف بور خواهد کرد. برای مثال در فرایندهای غشایی که یکی از روشهای بورزدایی از آب است، استفاده از10<pH در بهبود روند حدف بور نقش بسزایی دارد. در چنین شرایطی، اسید بوریک به آنیون بورات تبدیل میشود و بازده حذف بور تا 99% افزایش مییابد(2). درادامه فرایندهای غشایی به طور کامل مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
شکل2- مقایر pK واکنش تعادل اسید بوریک و آنیونبورات بر اساس تابعی از دما و شوری آب(7) |
منابع افزایش دهنده غلظت بور
در سالهای اخیر غلظت بور در سطح آب افزایش چشمگیری داشته است. از عوامل طبیعی این افزایش غلظت میتوان به فرسایش سنگها، رسوبات ونمکها اشاره کرد.رسوبات طبیعی بور بیشتر در نواحی ساحلی به چشم میخورد، در این نواحی به دلیل تبخیر سریع این عنصر غلظت آن در آب باران بالاست. فعالیتهای صنعتی از دیگر عوامل مهم در افزایش غلظت بور میباشد. نمکهای بور و بوریک اسید به صورت گسترده در شاخههای مختلف صنعت مورد استفاده قرار میگیرند. به همین علت غلظت بور در آبهای مناطق صنعتی و شهری به شدت رو به افزایش است، از اینرو حذف بور از آب مسأله حیاتی برای همه کشورهای توسعه یافته است(8،9).
اثرات بور بر گیاهان
همانطور اشاره شد، بور نقش مهمی در رشد و عملکرد گیاهان دارد. کمبود آن باعث اختلال در رشد بافتهای مریستمی، اختلال در تشکیل سلولهای طبیعی و همچنین تاخیر در واکنشهای آنزیمی میشود. از دیگر نشانههای کمبود بور در گیاهان که به وضوح قابل مشاهده است میتوان به توقف رشد ریشه و برگ، ضخیم شدن برگ، ترک خوردن پوست، جوانهزنی ضعیف و کاهش جوانه زنی اشاره کرد(10،11). اگر میزان غلظت بور در گیاهان از مقدار مجاز خود تجاوز کند تبدیل به یک ماده سمی میشود که زرد شدن برگها، لکههای روی میوهها و افتادن میوههای نرسیده میتواند از علایم آن باشد. در بعضی موارد غلظت بالای بور منجر به خشک شدن کامل گیاه میشود(12). بنابراین غلظت بور در آب مورد استفاده در آبیاری گیاهان باید کنترل شود. میزان مجاز بور در گیاهان بسته به نوع گیاه و نوع خاک بین 4-3/0 میباشد. گیاهان متفاوت توانایی تحمل غلظتهای مختلفی از بور را دارا هستند به طورکلی گیاهان و محصولات کشاورزی به سه دسته تقسیم میشوند(5).
1- حساس، با قدرت تحمل بور با غلظت کمتر از ppm1.
2- نیمه حساس، با قدرت تحمل بور با غلظت ppm2-1.
3- مقاوم، با قدرت تحمل بالاتر از ppm2.
اثرات بور بر انسانها و حیوانات
مطالعات صورت گرفته بر روی حیوانات و انسانها، نشان دهنده تاثیر بور بر عملکرد اندامهای مختلف این جانداران میباشد. به طور مثال بور بر روی متابولیسم مواد مغذی دیگر مانند کلسیم، مس و نیتروژن موثر است(13). کمبود بور باعث کاهش جذب عناصری مانند کلسیم، منیزیم و فسفر در بدن میشود، اما اگر جاندار در مدت زمان طولانی مقدار زیادی بور را از طریق غذا و آب آشامیدنی جذب کند عوارضی مانند عفونت معده، کبد، کلیه و مغز در بدن ایجاد میشود. افزایش غلظت بور در بدن، اندامهای تولید مثلی جانور نر را تحت تاثیر قرار داده و در جانور ماده، بارداری را با مشکل مواجه میکند و ممکن است موجب تولد موجود ناقصگردد(14).
تاریخچه استانداردهای بور در آب آشامیدنی
تا سال 1971 هیچ اشارهای به بور و سمیت آن توسط سازمان استاندارد جهانی در آب آشامیدنی نشده بود. سال 1984 در اسنادی که برای کیفیت آب منتشر شد، برای اولین بار به بور اشاره شد ولی هیچ محدودیتی برای آن در نظر گرفته نشد. در سال 1993 با مطالعاتی که در آزمایشگاه بر روی حیوانات انجام گرفت، آثار زیانباری مشاهده شد که محققین را بر آن داشت تا غلظت 3/0 را در آب آشامیدنی توصیه کنند. از آنجایی که دستیابی به این مقدار بور برای تاسیسات تصفیه آب بسیار مشکل بور سازمان بهداشت جهانی(WHO) در سال 1998تصمیم گرفت این مقدار را به 5/0 افزایش دهد. این غلظت استاندارد تا سال 2010 نیز برقرار بود. علاوه بر این طبق استاندارد US EPA[8]، مقدار جذب روزانه بور در بدن یک انسان بالغ باید چیزی در حدود 5/1باشد و همچنین برای کودکی با وزن 10 کیلوگرم، میزان مجاز بور در آب آشامیدنی طی ده روز، 9/0 است.
به کمک این استانداردها، غلظت مجاز بور در آب آشامیدنی، آبیاری و همچنین در فاضلاب تقریبا در سراسر جهان تنظیم شده است. با این حال، غلظت توصیه شده برای بور در کشورها و مناطق مختلف متفاوت است. غلظت حداکثر بور در آب آشامیدنی برای مناطق مختلف جهان در جدول زیر گزارش شده است (15).
جدول2- غلظت های مجاز بور در کشورهای مختلف
منطقه جغرافیایی |
استرالیا |
بریتانیا |
کره جنوبی |
ژاپن |
ایالت مینهسوتا(امریکا) |
ایالت فلوریدا(امریکا) |
ایالت کالیفرنیا(امریکا) |
نیوزلند |
اسراییل |
کانادا |
عربستان |
غلظت مجاز بور |
4 |
1 |
1 |
1 |
6/0 |
63/0 |
1 |
4/1 |
5/1 |
5 |
5/0 |
روشهای موثر بورزدایی وچالشهای پیش رو
مقادیر بالای بور در طبیعت و آب فاضلاب اهمیت تحقیق بر روی روشهای بور زدایی از محلولهای مایی را روشن میسازد. متاسفانه هیچ روش ساده و مقرون به صرفهای برای این هدف وجود ندارد و از آنجا که بور به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف و در غلظتهای گوناگون در طبیعت وجود دارد سختی این کار چندین برابر میگردد. روشهای متداول رسوب، انعقاد و جذب در خاک رس که در تصفیه آب کاربرد دارند، در جذب و حذف بور موثر نیستند. استفاده از ترکیبات شیمیایی و بیولوژیکی نیز به دلیل حذف مقادیر بسیار کم بور، کارایی چندانی ندارد. در ادامه این مقاله در مورد روشهای موثر برای حدف بور ومقایسه آنها بحث خواهد شد.
روشجذبی
یکی از روشهای کارامد برای حذف بور از محلولهای مایی،
استفاده از رزینهای کیلیت کننده است. رزینهای کیلیت کننده، شامل لیگاندهایی با گروههای هیدروکسیل، آمین و کربوکسیل هستند که قدرت جذب انتخابی بسیارخوبی برای عنصر بور دارند. مولکولهای ترکیبات پلیاکسید تمایل به برقراری پیوند با بور از طریق تشکیل استرهای بوریک اسید یا کمپلکسهای آنیونی بورات دارند. در اینگونه 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 شدهاند (شکل3) (16).
شکل3- رزینهای مورد استفاده برای حذف بور از محلولهای مایی با گروههایNMDG(15) |
گروههای عاملی این نوع رزینها از طریق پیوند کووالانسی و
تشکیل کمپلکس کوردیناسیونی بور را جذب میکنند (شکل4) (17).
شکل4- مکانیزم پیوند بور با رزین کیلیت کننده NMDG(18)
در دو دهه اخیر مطالعاتی بر روی رزینهایی که گروههای عاملی متفاوتی از NMDGداشته باشند، آغاز شده است. برای مثال رزینی از پلی استایرن و گروههای گلایسیدیل و سوربیتول ساخته شده، که قدرت جذب نسبتا بالایی دارد(19). استفاده از پلیمرهای طبیعی در ساختار رزینهای کیلیت کننده برای اولین بار توسط اورلاندو انجام شد(20). اکثر پلیمرهای طبیعی در ساختار خود دارای گروه آمین هستند،که برای کمپلکس کردن بوریک اسید مورد نیاز است. ترکیبات جدیدی از اصلاح مشتقات پلیمرهای طبیعی سلولز و کیتوسان با NMDG سنتز شدهاند که قابلیت بسیار بالایی را برای جذب و حذف بور دارا هستند(21).
روشغشایی
دومین گروه از تکنولوژیهای مورد استفاده برای بورزدایی از آب، فرایندهای غشایی است. این روش بیشتر برای نمک زدایی از آب دریا کاربرد دارد. به دلیل اینکه در فرایندهای 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 ملاحظهای از بوریک اسید،لازم است pH تا حدود 10-11 بالا رود. در این شرایط بوریک اسید به بورات تبدیل میشود. با بالا بردن pH، بازده حذف بور تا98% افرایش مییابد(22). 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. برای رفع این مشکل، آب حاوی بور را دو یا چند بار از غشا عبور داده، در مرحله اول pH تغییر نمییابد، بلکه pH آب خروجی از مرحله اول را تنظیم و افزایش میدهند. برای عملکرد بهتر میتوان در مرحله دوم از رزینهای تبادل یونی و یا از روش الکترودیالیز استفاده کرد(23).
روش هیبریدی
این دسته از روشها، امکان جداسازی مواد سمی در مقادیر بسیارجزیی از آب را فراهم میسازند. در این تکنیک ابتدا ماده مورد نظر بر روی سطوح و ذرات جاذب قرار گرفته و جذب میشوند، سپس سطوح و ذرات جاذب به کار رفته توسط فیلتراسیون غشایی جداسازی میگردند. تکنیکهای رایج این روش MEUF[9]، [10]PEUF، AMF[11] میباشند(24). در سیستمPEUF ابتدا یون بورات بر روی پلیمرهای قابل انحلال در آب کمپلکس میگردد و سپس توسط غشاهای UFجداسازی میشود. PEUF هم چنین برای حذف دیگریونهای آلوده کننده محلولهای آبی مورد استفاده قرار میگیرد. پلیمرهایی که برای حذف بور در این روش مورد استفاده قرار میگیرند، با اتصال لیگاندهای مشابه قند به زنجیرهای 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 تکنیکPEUF و البته هزینههای بالای آن از معایب آن میباشد(25،26، 27).
در تکنیک AFM از ذرات جاذب میکروکروی و غشاهای میکروفیلتراسیون استفاده میشودکه به دلیل بازده بالا و قیمت پایین بهترین تکنیک روش هیبریدی است. در این روش نیز پارامترهایی مانند سایز ذرات و غلظت آنها مورد بررسی قرار میگیرد(28).
6-4-دیگرروشهای نوین برای حذف بور
تکنولوژیElectrocoagulation براساس تولید الکتروشیمیایی واسطههایی است که آلودگیها را به روش خنثیسازی بار حذف میکنند. این تکنیک شامل سلی است با آند فلزی که از جریان مستقیم الکتریکی برای حذف بور تغذیه میکند. این روش پیچیده نیست، زیرا به تجهیزات سادهای نیاز دارد. برای حذف بور به این روش مطالعاتی بر روی الکترودهای آهن، آلومینییوم و روی صورت گرفته است)29).
تکنولوژی Donnan Dialysis با استفاده از غشاهای تبادل یون انجام میگیرد. این روش بر اساس اختلاف پتانسیل دو قسمت جدا شده بوسیله غشاهای تبدیل یون، میتواند یون بورات را از محلولهایآبی جدا کند (30).
در روش Capacitive deionization method، حذف نمکها بعد از اعمال اختلاف پتانسیل بین دو الکترود سل، با جذب الکترواستاتیکی یونها بر روی اکترودها صورت میگیرد. در حذف بور به این روش ابتدا بوریک اسید در اکترود منفی تفکیک میشود، سپس یونهای بورات در الکترود مثبت جذب الکتریکی میشوند(31).
تقطیر غشایی، استخراج به کمک مایعات یونی و استفاده از امواج مایکرویو از روشهای نوین دیگری هستند که برای حدف بور کاربرد دارند (32، 33، 34).
نتیجه گیری
در این مقاله مشکلات مربوط به آلودگی عنصر بور در محیط زیست و مباحث مرتبط به حذف آن از محلولهای مایی مطرح شد. همانطور که اشاره شد، سازمان بهداشت جهانی استانداردهایی را برای غلظت بور در آب اعلام کرده است، برای دستیابی به این استانداردها مطالعات گستردهای بر روی مواد و روشهای نوین در جهت حذف بور از آب صورت گرفته است . یکی از روشهای موثر برای بور زدایی استفاده از لیگاندهای کیلیت کننده دارای گروه OH است، که قادرند با یون بورات کمپلکس تشکیل دهند. پلیمرهای زنجیرهای که در ساختار خود دارای گروههای عاملی هستند که میتوانند با فلزات کمپلکس دهند نیز، به عنوان جاذب برای بور استفاده میشوند. از روشهای ارزان جداسازی بور به سیستمهای هیبرید اشاره شد که ابتدا بور توسط مواد جاذب، جذب شده و سپس به کمک غشاهای فیلتراسیون حذف میشود. برای استفاده از این سیستم در مقیاسهای بزرگتر به جاذبهای مونودیسپرس نیاز داریم. مطالعه بر روی روشهای جدید دیگری برای بورزدایی مانند استفاده از دندیریمرها که پلیمرهای سه بعدی و در ابعاد نانو هستند، نیز در حال انجام است، که در آیندهای نزدیک تجاری میگردند.
منابع
1- دکتری شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران. *(مسوول مکاتبات)
2- استادیار، دانشکده شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران ، ایران.
3- دکتری شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.
[4]-World Health Organization
[5]- PhD in chemistry, Faculty of chemistry, Payam noor university, Tehran, Iran.
[6]- Professor Assistant, Faculty of chemistry, Payam noor university, Tehran, Iran.
[7]- PhD in chemistry, Faculty of chemistry, Payam noor university, Tehran, Iran.
[8]-United States Environmental Protection Agency
[9]-Micelle Enhanced Ultra Filtration
[10]-Polymer Enhanced Ultra FSiltration
[11]-Adsorption Membrane Filtration