نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران.
2 استادیار پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران *(مسئول مکاتبات).
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 31، زمستان 93
کاربرد و کارایی پسماندهای کشاورزی در حذف فلزات سنگین و رنگ از آب و پساب : مطالعات جذب بهینه
محمدصادق نیکنام [1]
افسانه شهبازی[2] *
جواد فرجلو 3
فرایند جذب سطحی به عنوان یکی از کاراترین و پرکاربردترین فناوریهای تصفیه آب و پساب در جهان به شمار میرود. تاکنون تلاشهای ارزندهای به منظور توسعه جاذبهای ارزان قیمت با استفاده از پسماندهای کشاورزی، صنعتی و شهری انجام شده است. استفاده از پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذبهای کم هزینه، باتوجه به سهم خود در کاهش هزینهها برای دفع پسماند و کمک به حفاظت از محیطزیست، مناسب میباشند. در این تحقیق کارایی و ظرفیت جذب انواع پسماندهای کشاورزی در حذف آلایندههای خطرناک مانند فلزات سنگین و رنگهای آلی از محیطهای آبی گردآوری و مورد مقایسه قرار گرفته است. بررسی منابع نشان داد که پسماندهای کشاورزی پتانسیل خوبی برای حذف آلایندههای مورد نظر دارند. از میان منابع مورد بررسی، در مورد فلزات سنگین، بیشترین کارایی جذب مربوط به سبوس برنج، پوست سبز پسته و پوست پرتقال با کارایی بیش از 99 درصد جذب و کمترین آن مربوط به پوست انار با 55 درصد حذف می باشد. در مورد رنگها، بیشترین کارایی حذف رنگ مربوط به پوست فندق، ساقه ذرت و پوست پسته با بازدهی بیش از 99 درصد و کمترین کارایی حذف رنگ مربوط به پسماند پوست سیب زمینی با 44 درصد حذف رنگ انتخابی میباشد.
کلمات کلیدی: تصفیه پساب،پسماند کشاورزی، فلز سنگین، رنگ، جذب سطحی، راندمان جذب.
محدودیت منابع آبی، خطر بحران آب در کشور و اهمیت بازیابی مجدد آب به همراه افزایش آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی به وسیله فلزات سنگین و سایر آلایندههای حاصل از فاضلابها، یافتن راه حلهای مؤثر و اقتصادی محیطزیستی را در جهت حذف این مواد از منابع آبی ضروری میسازد. در این راستا استفاده از پسماندهای ارزان قیمت میتواند بسیار راهگشا باشد. (1) پسماندهای کشاورزی در میان بیوجاذبها بیشترین کاربرد را دارند. مزیتهای این ترکیبات شامل هزینه کم، بازده مناسب، حداقل ضایعات و مواد باقیمانده و قابل بازیافت کردن میباشد (2). پسماندهای میوه و گیاهی تولید شده در مقادیر نجومی در فرآیند صنایع کشاورزی و غذایی اغلب باعث مزاحمت در لندفیلها به علت زیست تخریب پذیری بالا میشوند . جذب زیستی توسط این پسماندها میتواند به عنوان تکنیک موثری برای حذف فلزات سنگین و رنگ از پساب باشد(3). حذف رنگ از پساب یک موضوع نگران کنندهای است که از نقطه نظر حس زیبایی شناختی و بهداشت اهمیت دارد و به همین دلیل حذف رنگ از فاظلاب نساجی در مقیاس صنعتی در سالهای اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است (4). امروزه با گسترش کاربرد رنگها در صنایعی نظیر نساجی، صنایع غذایی، کاغذ، فرش بافی، پلاستیک، لاستیک، لوازم بهداشتی- آرایشی و با در نظر گرفتن این مطلب که حدود ۱۵ درصد از این رنگها که غالبا به دلیل پایداری زیاد زیست تخریب ناپذیر بوده و آلودهکنندههای محیطزیست به شمار میآیند، در مراحل مختلف تولید، در قالب پسابهای رنگی، وارد محیط زیست میگردند. رنگینههای مصرفی در صنایع شامل دو گروه محلول در آب و نامحلول در آب هستند. که این رنگینهها موجب تغییر رنگ پساب در آب شده که حتی در غلظتهای بسیار پایین هم توسط هر شخصی قابل شناسایی هستند. بسیاری از رنگها به دلیل داشتن ساختمان آروماتیکی، در برابر تجزیه بیولوژیکی مقاوم هستند. برخی از این رنگینهها علاوه بر سمی بودن بر حیات ماهیها، سیستم بیولوژیک آنها را نیز تهدید میکنند. همچنین رنگینهها بر روی محیط زیست (اکوسیستم) رودخانه تاثیر غیرمستقیم داشته و خطر جدی محسوب میشوند. رنگینهها حتی در غلظت بسیار پایین هم موجب کاهش زلالی و شفافیت آب میشوند و با کاهش نفوذ نور بر روی فعالیتهای فتوسنتزی و فتوشیمیایی اثر میگذارند. وجود رنگینهها در رودخانهها و آبهای سطحی به دلیل قابل رویت بودنشان حتی در غلظتهای بسیار پایین (میلی گرم در لیتر) از نظر زیباییشناسی غیر قابل قبول هستند. بنابراین کارخانههای استفاده کننده از این رنگ ها همیشه ملزم به استفاده از تکنیکهای موثر و مناسب از نظر اقتصادی برای حذف این رنگینهها میباشند (5).
حضور فلزات سنگین در فاضلابهای صنعتی، مشکلی عمده در تخلیه آنها به آبهای سطحی به حساب میآید. برخی از فلزات سنگین مانند جیوه، سرب، کادمیوم، مس، کروم و نیکل حتی در مقادیر بسیار جزیی نیز سمی می باشند. (6،7). فلزات سنگین عناصری هستند که به علت پایداری و خاصیت تجمع بیولوژیکی، اثرات مضری بر سلامتی انسان داشته و به عنوان آلایندههای مقدم توسط سازمان حفاظت محیط زیست ایالت- متحده لیست شدهاند. تجمع فلزات سنگین در زنجیره غذایی و پایداری آنها در طبیعت، و همچنین تخلیه آنها توسط بسیاری از فعالیتهای صنعتی، پدیده ای شناخته شده میباشد. افزایش فعالیت صنعتی همواره دلیل اصلی اغلب مشکلات الودگی محیطزیستی و تخریب اکوسیستم بوده و موجب تجمع آلایندههایی نظیر فلزات سمی ( کروم، مس، سرب، کادمیوم، روی، نیکل و غیره) میگردد. آلودگی خاک، آبهای زیرزمینی، رسوبات، آبهای سطحی و هوا با مواد شیمیایی خطرناک و سمی، مشکلات اساسی را هم برای سلامت انسان و هم برای محیطزیست ایجاد مینماید که مخصوصا فلزات سنگین به عنوان آلاینده های خطرناک مورد توجه میباشند. حضور آنها در فاضلاب برخی فرآیندهای صنعتی نظیر آبکاری، پرداخت فلزات، عمیات استخراج و ذوب فلزات، دباغی، کارخانجات تولید مواد شیمیایی، معدنکاری و ساخت باتری، سبب ایجاد نگرانیهای محیطزیستی بیشتری بواسطه سمیت آنها حتی در غلظتهای کم شده است. (8) انواع روشهای حذف فلزات سنگین شامل رسوب دهی شیمیایی، تبادل یونی، استخراج با حلال، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون و روش جذب سطحی میباشد که خود روش جذب سطحی با مواد گوناگونی صورت می گیرد که مهمترین آنها شامل کربن فعال، اکسید فلزات، نانو لوله های کربنی و بیو جاذبها میباشد (9).
در حال حاضر علاقه رو به رشدی در استفاده از مواد تجاری در دسترس و کم هزینه برای حذف فلزات سنگین وجود دارد. مزایای عمده تکنولوژیهای جذب تاثیر آنها در کاهش یونهای فلزات سنگین به سطح خیلی پایین با استفاده از مواد جاذب ارزان قیمت میباشد (10 ). در صورتی که استفاده از کربن فعال که متداول است نسبت به روش ایمن و اقتصادی استفاده از پسماندهای کشاورزی بسیار پر هزینه میباشد (11). علاوه بر این مجموعه وسیعی از مواد بیولوژیکی، بویژه باکتریها، جلبکها ، مخمرها و قارچها توجه زیادی را برای حذف و بازیابی فلزات سنگین با توجه به عملکرد خوب خود، هزینه کم و مقادیر در دسترسشان دریافت کرده اند (12).
مطالعات متعددی در این زمینه در سطح جهان انجام شده است که در ادامه به چند مورد از این مطالعات اشاره میشود. در مطالعهای که توسطPatel در سال 2012 انجام گرفت، پتانسیل پسماندهای میوه و گیاهی به عنوان بیوجاذبهای جدید مورد بررسی قرار گرفت (3). مطالعه دیگری که توسط Wang و Chen در سال 2009 انجام گرفت، بررسی جاذبهای زیستی برای حذف فلزات سنگین مورد توجه قرار گرفت و ظرفیت بیوجاذب های مختلف برای حذف فلزات سنگین مورد بررسی قرار گرفت (12). مطالعات دیگری نیز در این رابطه انجام پذیرفته است که میتوان به قابلیت پسماندها و محصولات فرعی کشاورزی یرای حذف فلزات سنگین از پساب توسط Nguyen و همکاران در سال 2013(11) حذف فلزات سنگین از پساب با استفاده از پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذب توسط Ahmad Khan و همکاران در سال 2004 (2) و در نهایت حذف رنگ با استفاده از پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذبهای کم هزینه توسط Bharathi و Ramesh در سال 2013 (4) اشاره کرد. و لذا هدف از انجام این مطالعه، بررسی کاربرد و کارایی پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذبهای کمهزینه در حذف آلایندههای فلزی و آلی از پساب و شرایطی که حداکثر جذب آلاینده را به دنبال دارد و نیز مقایسه بین جاذبهای مختلف در حذف فلزات سنگین و رنگ میباشد تا بتوان در انتخاب جاذب برای حذف آلاینده مورد نظر مناسبترین تصمیم را اتخاذ کرد. همچنین میتوان کارایی جاذبهای کمهزینه از قبیل پسماندهای کشاورزی در حذف آلایندهها و استفاده از آنها به عنوان جایگزین مناسب جاذبهای هزینه بر را اثبات کرد.
2- حذف رنگ و فلز از آب و پساب
2-1 روشهای حذف
با استفاده روز افزون از آب برای مصارف شهری و صنعتی ارزیابی مداوم کیفیت آب اهمیت زیادی دارد. انتخاب فرایند تصفیه آب کار پیچیده ای است که باید عواملی از قبیل فضای در دسترس برای ساخت و ساز تاسیسات تصفیه خانه، قابلیت تجهیزات تکنولوژیکی، محدودیتهای دفع زباله، کیفیت آب تصفیه شده، سرمایه و هزینههای عملیاتی در نظر گرفته شود. در تصفیه پساب فرایندهایی از جمله فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مورد نیاز است. برای کنترل آلودگی آب تکنیکهای مختلف با درجه موفقیتهای مختلف وجود دارد که میتوان به انعقاد، فوم شناور، فیلتراسیون ، تبادل یونی، فرایندهای پیشرفته اکسیداسیون ، استخراج با حلال، جذب سطحی، الکترولیز، کاهش میکروبی و لجن فعال نام برد. با این حال بسیاری از آنها هزینههای زیادی را میطلبد و استفاده از آنها فارغ از بازدهی بالا در کنترل آلودگی، محدود شده است. در میان تکنولوژیهای موجود تصفیه آب، فرایند جذب سطحی بهدلیل راحتی، سهولت عمل و سادگی طراحی مناسبتر است. واژه جذب سطحی به تجمع ماده در رابط بین دو فاز از قبیل جامد و مایع یا جامد و گاز اشاره دارد. مادهای که در رابط تجمع مییابد جذب شونده و جامدی که در آن جذب سطحی اتفاق میافتد جاذب نام دارد. به طور کلی فرایند جذب عمدتا برای حذف حل شونده از محلول و گازها از هوا استفاده میشود. در سطح مواد جامد نیروهای جاذبه نامتعادلی وجود دارد که مسئول جذب سطحی میباشد. در مواردی نیز جذب سطحی بهدلیل نیروهای ضعیف واندروالسی جذب فیزیکی نامیده میشود. از سوی دیگر ممکن است یک پیوند شیمیایی بین مولکولهای جاذب و جذب شونده بر قرار شود که به این نوع جذب، جذب شیمیایی میگویند (13).
2-2 جاذبهای تجاری
تعدادی از مواد به طور گسترده به عنوان جذب کننده در کنترل آلودگی آب مورد مطالعه قرار گرفتند که برخی از مهمترین آنها شامل سیلیکا ژل ، آلومینای فعال، زئولیت، کربن فعال و غیره میباشند که در زیر مختصری از خصوصیات آنها آمده است.
2-2-1 سیلیکا ژل
سیلیکا ژل به سه نوع طبقه بندی می شود: ژلهای با تراکم منظم، متوسط و کم. سیلیکا ژل با تراکم منظم در اسید آماده میشود و سطح متوسط و بالایی دارد(به عنوان مثال m2/g750). سیلیکا ژل با تراکم متوسط و کم سطح پایینی دارند(به ترتیب 300 -350 و 100-200m2/g). این نوع ژل در بسیاری از صنایع به عنوان جاذب خوب مطرح است. همچنین فرم اصلاح شده سیلیکا ژل برای حذف آلاینده های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است (14).
2-2-2 آلومینای فعال
آلومینای فعال شامل یکسری از اشکال غیر تعادلی از اکسید آلومینیم نیمه هیدروکسیله میباشد. این ماده برای حذف آب از مایعات آلی از جمله بنزین، نفت سفید، روغن، هیدروکربنهای آروماتیک و بسیاری از هیدروکربنهای کلره استفاده میشود و سطح آن 200-300 m2/g می باشد (15).
2-2-3 زئولیتها
زئولیتها آلومینوسیلیکاتهایی با نسبت آلومینیوم به سیلیکات (Si/Al) 1 و بینهایت هستند. 40 نوع زئولیت طبیعی و بیش از 100 نوع زئولیت مصنوعی وجود دارد که به عنوان زئولیتهای انتخابی در نظر گرفته میشوند. مواد زئولیت پایه بسیار متنوع هستند و استفاده عمده آنها شامل تولید شوینده، رزینهای تبادل یونی، استفادههای کاتالیتیکی در صنعت نفت، فرایند جداسازی(به عنوان مثال غربال مولکولی) و به عنوان یک جاذب برای آب، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن است. زئولیتهای گوناگون برای حذف آلایندهها نیز به کار برده میشوند (16).
2-2-4 کربن فعال
بیشک کربن فعال به عنوان محبوبترین جاذب شناخته میشود و به طور گستردهای در تصفیه خانههای فاضلاب سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرد. پیش از استفاده از کربن فعال امروزی از زغال چوب به عنوان جذب کننده در تصفیه پساب استفاده میشد. کربن فعال با فرایند دهیدریداسیون و کربنه شدن مواد اولیه و سپس فعالسازی آن تولید میشود. محصول بدست آمده به عنوان کربن فعال شناخته میشود و به طور کلی دارای ساختار بسیار متخلخل با سطح بزرگ در محدوده 600 تا 2000m2/g میباشد. کربن فعال به عنوان یک جذب کننده چند منظوره تلقی میشود که میتواند انواع مختلف آلایندهها را از قبیل یونهای فلزی، آنیونها، رنگها، فنلها، پاک کنندهها، افتکشها، هیدروکربنهای کلره و بسباری از مواد شیمیایی دیگر را حذف کند. با وجود استفاده فراوان از کربن فعال، کاربردهای آن با توجه به هزینه بالای آن محدود شده است. بنابراین محققان به دنبال جذب کنندههای سطحی کم هزینه برای کنترل آلودگی آب هستند که فاکتور هزینه نقش برجستهای را ایفا کند که برای این منظور تلاشهایی نیز برای جایگزین کردن جاذبهای کم هزینه نیز صورت گرفته است. جاذبهای کم هزینه جایگزین میتواند توسط طیف گسترده ای از مواد خام ارزان و فراوان، حاوی مواد آلی بالا و مواد معدنی کم تهیه شود که اینها به آسانی می تواند فعال شوند (17).
3- استفاده از پسماندهای کشاورزی در حذف فلز و رنگ از آب و پساب
محصولات کشاورزی بویژه آنهایی که حاوی سلولز هستند، ظرفیت بالقوهای برای جذب آلایندههای مختلف از خود نشان میدهند. اجزای اصلی پسماندهای کشاورزی شامل همی سلولز، لیگنین، لیپیدها، پروتئینها، قندهای ساده، آب، هیدروکربنها، و نشاسته میباشد. از خصوصیات بارز پسماندهای کشاورزی میتوان به اقتصادی بودن، سازگاری با محیط زیست با توجه به ترکیب شیمیایی منحصر به فرد، در دسترس بودن به مقدار زیاد، تجدید پذیر بودن، و هزینه کم میباشد که این موارد باعث شده است که این مواد به عنوان گزینهای برای پالایش آب و پساب مطرح شوند. پسماندهای کشاورزی یک منبع غنی برای تولید کربن فعال به دلیل میزان کم خاکستر و سختی مناسب میباشد (18). در نتیجه تبدیل پسماندهای کشاورزی به جاذبهای کم هزینه، جایگزینی مطمئن برای حل مشکلات زیست محیطی و کاهش هزینهها میباشد.
از میزان ضایعات محصولات کشاورزی در کشور ما برآوردهای متفاوتی ارایه میشود و در آخرین برآورد وزارت جهاد- کشاورزی، حجم ضایعات محصولات کشاورزی 85/18درصد اعلام شده است که از کل 85 میلیون تن تولید محصولات کشاورزی، 3/15میلیون تن آن را ضایعات تشکیل میدهد. روند افزایشی ضایعات مواد غذایی، یکی از چالشهای جدی اکثر کشورها به ویژه، کشورهای درحال توسعه میباشد و به همین سبب سیاستمداران و اندیشمندان مجامع علمی در جهان سوم درصدد برآمدهاند تا برای کاهش ضایعات محصولات کشاورزی در مراحل کاشت، داشت وبرداشت و مراحل توزیع و مصرف چاره اندیشی کنند. در کشور ما در حدود ۲۵ درصد درآمد نفتی، هر سال در قالب ضایعات محصولات کشاورزی از دست می رود به طوری که بی توجهی به صنایع تبدیلی و تکمیلی موجب شده است که هر سال معادل غذای ۱۵ میلیون نفر بر اثر ضایعات کشاورزی از بین برود. یکی از راهکارها برای کاهش هدررفت منابع استفادههای مجدد ممکن از این ضایعات است (19،20). در اینجا ضایعات مورد استفاده به عنوان جاذب در فرایند تصفیه آب و پساب اکثرا ضایعات مراحل برداشت و فراوری میباشد که دراینجا با نام پسماندهای کشاورزی مطرح است.
3-1 حذف فلزات سنگین با استفاده از پسماندهای کشاورزی
گونههایی مختلفی از پسماندهای کشاورزی وجود دارد که میتوان با استفاده از آنها فلزات سنگین را از آب و پساب حذف کرد. ازجمله پسماندهایی که در این رابطه کاربرد بسزایی دارند میتوان به برگ، ساقه، هسته، پوست، میوه و غیره اشاره کرد که میتوان از هر یک از این پسماندها در حذف فلزات سنگین بهره برد. در جدول (1) به چند از این پسماندها و کارایی آنها در حذف فلزات سنگین اشاره شده است. از میان فلزات سنگین اشاره شده در این جدول بیشترین حذف کروم، مس، نیکل، سرب،روی، کادمیوم، جیوه و کبالت به ترتیب توسط سبوس برنج، پوست پرتقال، زغال الیاف نارگیل، پوست پرتقال، زغال پوست پسته، پوست موز، زغال پوست بادام و کمپوست چای اتفاق افتاد. در نهایت از بین پسماندهای کشاورزی زیر بیشترین کارایی جذب مربوط به سبوس برنج، پوست سبز پسته و پوست پرتقال با کارایی بیش از 99 درصد جذب فلزات سنگین و کمترین آن در مورد پوست انار با 55 درصد حذف اتفاق افتاد.
جدول 1- ظرفیت و یا کارایی پسماندهای کشاورزی مختلف در حذف فلزات سنگین از آب و پساب
شماره |
جاذب |
جذب شونده |
غلظت فلز(mg/L) |
دز جاذب(g) |
pH بهینه |
کارایی جذب(درصد) |
ظرفیت جذب |
منبع |
1 |
پوست موز |
Cd |
10 |
1/0 |
8 |
97 |
- |
21 |
2 |
پوست پرتقال |
Cd |
001/0 M |
025/0 |
6 |
72/93 |
- |
22 |
3 |
ساقه افتابگردان |
Cd |
120 |
5/0 |
6 |
- |
17 |
23 |
4 |
میانبر پوست پرتقال |
Cd |
20 |
5 |
5 |
46/76 |
- |
8 |
5 |
میانبر پوست نارنج |
Cd |
20 |
5 |
5 |
12/91 |
- |
|
6 |
پوست گلابی |
Cd |
250 |
2/0 |
5 |
- |
27/0 |
24 |
7 |
زغال پوست پسته |
Cd |
12 |
5/0 |
8 |
1/74 |
- |
25 |
8 |
ساقه افتابگردان + HCL |
Cd |
10 |
1 |
5/5 |
4/96 |
- |
26 |
9 |
سبوس گندم+NAHCO3 |
Cd |
40 |
- |
7 |
88 |
- |
27 |
10 |
پوست پرتقال |
Zn |
001/0 M |
025/0 |
6 |
23/87 |
- |
22 |
11 |
پوست پرتقال |
Zn |
50 |
1/0 |
5/5 |
6/86 |
- |
28 |
12 |
پوسته شلتوک |
Zn |
10 |
1 |
5 |
- |
3/32 |
1 |
13 |
خاک اره سپیدار |
Zn |
10 |
1 |
5 |
- |
22 |
|
14 |
زغال پوست پسته |
Zn |
6 |
5/0 |
6 |
6/98 |
- |
29 |
15 |
پوست پرتقال |
Co |
001/0 M |
025/0 |
6 |
06/81 |
- |
22 |
16 |
کمپوست چای |
Co |
50 |
8 |
6 |
5/97 |
- |
30 |
17 |
پوست پرتقال |
Ni |
001/0 M |
025/0 |
6 |
11/80 |
- |
22 |
18 |
پوست انار |
Ni |
50 |
10 |
6 |
- |
52 |
31 |
19 |
پوست موز |
Ni |
300 |
5/1 |
5/5 |
91 |
- |
32 |
20 |
ساقه افتابگردان |
Ni |
230 |
5/0 |
6 |
- |
32 |
23 |
21 |
کمپوست چای |
Ni |
50 |
8 |
6 |
97 |
- |
30 |
22 |
خاک اره |
Ni |
5 |
1 |
6 |
- |
47/5 |
33 |
23 |
پوسته فندق |
Ni |
5 |
1 |
6 |
- |
68/7 |
|
24 |
پوسته بادام |
Ni |
5 |
1 |
7 |
- |
34/5 |
|
25 |
زغال الیاف نارگیل |
Ni |
6 |
3/0 |
4 |
98 |
- |
34 |
26 |
زغال پوست نارنج +H3PO4 |
Ni |
50 |
1 |
3 |
95 |
- |
35 |
27 |
زغال پوست کدو |
Cr |
125 |
6 |
1 |
91 |
- |
36 |
28 |
پوست پرتقال |
Cr |
10 |
1 |
3 |
- |
43/9 |
37 |
29 |
سبوس برنج |
Cr |
5 |
2 |
2 |
8/99 |
- |
6 |
30 |
ساقه افتابگردان |
Cr |
35 |
5/0 |
6 |
- |
42 |
23 |
31 |
باگاس نیشکر |
Cr |
20 |
8 |
3/1 |
68 |
- |
38 |
32 |
میانبر پوست پرتقال |
Cr |
20 |
5 |
5 |
85/79 |
- |
8 |
33 |
میانبر پوست نارنج |
Cr |
20 |
5 |
5 |
1/95 |
- |
|
34 |
مخلوط خاک اره بنه و گردو |
Cr |
10 |
48/0 |
7 |
46/57 |
- |
39 |
35 |
خاک اره |
Cr |
50 |
05/0 |
7 |
5/83 |
- |
40 |
36 |
پوست سبز بادام |
Cr |
20 |
2/0 |
2 |
84/99 |
- |
41 |
37 |
شلتوک کاساوا |
Cu |
023/0 |
02/0 |
5/5 |
14/0 mmol/g |
- |
42 |
38 |
پوست پرتقال |
Cu |
50 |
1/0 |
5/5 |
7/93 |
- |
28 |
39 |
پسماند چای |
Cu |
100 |
5/1 |
5/5 |
64 |
- |
43 |
40 |
زغال پوست انار |
Cu |
20 |
25/0 |
8/5 |
90 |
- |
44 |
41 |
پوست موز |
Cu |
300 |
5/1 |
5/5 |
87 |
- |
32 |
42 |
کمپوست چای |
Cu |
50 |
8 |
6 |
98 |
- |
30 |
43 |
پوست انار |
Cu |
20 |
25/0 |
8/5 |
55 |
- |
44 |
44 |
سبوس گندم+NAHCO3 |
Cu |
40 |
- |
7 |
80 |
- |
27 |
45 |
پوست پرتقال |
fe |
30 |
1 |
3 |
- |
19/18 |
37 |
46 |
پوست پرتقال |
Th |
250 |
2 |
4/3 |
- |
33/83 |
45 |
47 |
پوست پرتقال |
Pb |
200 |
1/0 |
5/5 |
4/99 |
- |
28 |
48 |
پسماند چای |
Pb |
200 |
5/1 |
5/5 |
92 |
- |
43 |
49 |
پوست انار |
Pb |
50 |
25/0 |
6/5 |
64 |
- |
44 |
50 |
زغال پوست انار |
Pb |
50 |
25/0 |
6/5 |
85 |
- |
|
51 |
پوست موز |
Pb |
300 |
5/1 |
5/5 |
93 |
- |
32 |
52 |
پوست نارنج |
Pb |
5 |
5 |
5 |
8/95 |
- |
46 |
53 |
پوست گلابی |
Pb |
250 |
2/0 |
5 |
- |
28/0 |
24 |
54 |
کمپوست چای |
Pb |
50 |
8 |
6 |
98 |
- |
30 |
55 |
پوست پرتقال |
Pb |
60 |
3 |
7 |
- |
228 |
47 |
56 |
مخلوط خاک اره بنه و گردو |
Pb |
10 |
48/0 |
7 |
17/70 |
- |
39 |
57 |
زغال پوست کیوی+H3PO4 |
Pb |
37/0 |
4/0 |
5 |
73 |
- |
48 |
58 |
سبوس گندم |
Hg |
100 |
4 |
6 |
- |
5/10 |
7 |
59 |
پوست گلابی |
Hg |
250 |
2/0 |
5 |
- |
25/0 |
49 |
60 |
زغال پوست گردو+H3PO4 |
Hg |
5 |
2/0 |
6 |
28/63 |
- |
50 |
61 |
زغال پوسته بادام |
Hg |
5 |
2/0 |
8 |
34/66 |
- |
51 |
62 |
زغال پوسته گردو |
Hg |
5 |
2/0 |
6 |
28/63 |
- |
3-2 حذف رنگ با استفاده از پسماندهای کشاورزی
یکی دیگر از آلودگیهایی که میتواند بالقوه توسط پسماندهای کشاورزی توسط فرایند جذب سطحی حذف شود رنگها میباشد که در جدول (2) به اختصار به چند نمونه از پسماندهای کشاورزی و کارایی آنها در حذف رنگ از آب و پساب اشاره شده است. از بین رنگهای اشاره شده در جدول زیر بیشترین کارایی حذف رنگ مربوط به پوست فندق، ساقه ذرت و پوست پسته با بازدهی بیش از 99 درصد و کمترین کارایی حذف رنگ در مورد پسماند پوست سیب زمینی با 44 درصد حذف رنگ انتخابی اتفاق افتاد.
جدول 2- ظرفیت و یا کارایی پسماندهای کشاورزی مختلف در حذف رنگها از آب و پساب
شماره |
جاذب |
جذب شونده |
غلظت رنگ(mg/L) |
دز جاذب(g) |
pH بهینه |
کارایی جذب(درصد) |
منبع |
1 |
پوست پسته |
متیلن بلو |
100 |
15/0 |
8 |
7/99 |
52 |
2 |
ساقه ذرت |
متیلن بلو |
50 |
2 |
5 |
9/99 |
53 |
3 |
خاکستر شلتوک برنج |
متیلن بلو |
50 |
3 |
8/6 |
95 |
54 |
4 |
پوست گردو |
متیلن بلو |
5/0 |
5 |
7 |
45/63 |
55 |
5 |
سبوس برنج+ H2SO4 |
بازی فوشین |
250 |
1 |
6 |
9/49 |
56 |
6 |
سبوس برنج + HNO3 |
بازی فوشین |
250 |
1 |
6 |
73/54 |
|
7 |
سبوس برنج + HCL |
بازی فوشین |
250 |
1 |
6 |
8/47 |
|
8 |
پودر قهوه |
رودامین بی |
15 M |
05/0 |
2 |
8/7 µm/g |
57 |
9 |
پوست بادام |
رودامین بی |
100 |
1 |
4 |
7/81 |
58 |
10 |
پودر قهوه |
رودامین 6 جی |
15 M |
05/0 |
2 |
1/25 µm/g |
57 |
11 |
پوست پرتقال |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
4 |
10 |
95 |
59 |
12 |
پوسته بلغور سویا |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
3/0 |
12 |
92 |
|
13 |
غشا داخلی پوسته تخم مرغ |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
8/0 |
12 |
81 |
|
14 |
پوست پرتقال |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
4 |
2 |
6/90 |
60 |
15 |
پوسته بلغور سویا |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
3/0 |
2 |
12/95 |
61 |
16 |
پوست سیر |
مستقیم قرمز 12بی |
50 |
3/0 |
2 |
99 |
62 |
17 |
پوست فندق |
مستقیم قرمز 12بی |
50 |
3/0 |
5/2 |
5/99 |
63 |
18 |
پوست پرتقال |
مستقیم قرمز 23 |
50 |
8 |
2 |
47/92 |
60 |
19 |
پوسته بلغور سویا |
مستقیم قرمز 81 |
50 |
6/0 |
2 |
54/96 |
61 |
20 |
پوست موز |
اسید اورانژ7 |
10 |
1 |
3 |
78 |
5 |
21 |
پسماند کانولا |
اسید اورانژ 7 |
200 |
2 |
3 |
95 |
64 |
22 |
ساقه ذرت |
اریوکروم بلک |
50 |
2 |
5 |
8/66 |
53 |
23 |
خاکستر شلتوک برنج |
ایندیگو کارمین |
50 |
10 |
5/6 |
96 |
65 |
24 |
زغال پوست انار |
مستقیم آبی 106 |
20 |
5/2 |
2 |
72 |
66 |
25 |
زغال پوست انار |
کنگو قرمز |
30 |
20 |
7 |
98 |
67 |
26 |
پوست پومیلو |
راکتیو آبی 114 |
100 |
20 |
2 |
85 |
68 |
27 |
پوسته تمر هندی |
بازی آبی 41 |
50 |
8/0 |
8 |
32/73 |
69 |
28 |
زغال پوست بادام |
اسید قرمز 206 |
50 |
5/0 |
4 |
5/75 |
70 |
29 |
پوسته تخم مرغ |
راکتیو قرمز 123 |
25 |
5 |
7 |
7/80 |
71 |
30 |
پوسته تخم مرغ |
راکتیو قرمز 98 |
25 |
3 |
10 |
1/92 |
72 |
31 |
پوست سیب زمینی |
اسید بلو 113 |
50 |
1 |
2 |
16/44 |
73 |
32 |
پوست پسته |
DF-3G نارنجی |
500 |
5/0 |
5/5 |
66 |
74 |
33 |
پوست پسته |
DF-4BL قرمز |
500 |
5/0 |
5/5 |
60 |
|
34 |
پوسته بلغور سویا |
اسیدی آبی 92 |
50 |
5/0 |
2 |
03/98 |
75 |
35 |
پوسته بلغور سویا |
اسیدی قرمز 14 |
50 |
7/0 |
2 |
79/91 |
|
36 |
پوست بادام |
اسید بلو 129 |
10 |
4/0 |
2 |
97 |
76 |
37 |
یونجه+HCL |
اسید بلو 113 |
50 |
2/0 |
3 |
89/55 |
77 |
38 |
یونجه+HCL |
اسید بلک 1 |
50 |
2/0 |
3 |
49 |
نتیجه گیری
استفاده از جاذبهای کم هزینه برای حذف رنگ و فلزات سنگین از آب و پساب یک راه معقول و منطقی به نظر میرسد، چراکه آنها نسبتا ارزان یا بدونهزینه هستند، به راحتی در دسترس قرار دارند یا به عبارتی سهلالوصول هستند، تجدید پذیرند و همچنین میل زیادی برای جذب رنگ و فلزات سنگین دارند. حال اگر بخواهیم دلیلی برای تفاوت میزان جذب در جاذبهای مختلف پیدا کنیم، میتوان به موارد از قیبل خصوصیات سطح جاذب و شرایطی که جذب در آن اتفاق افتاده است اشاره کرد. از مهمترین خصوصیات سطح جاذب مواردی همچون تخلخل و اندازه سطح جاذب میباشد. این دو مشخصه را میتوان از روی تصاویر SEM[3] و TEM[4] تعیین کرد. هر چه میزان تخلخل و اندازه سطح جاذب بیشتر باشد، بالطبع راندمان جذب سطحی نیز افزایش مییابد. در مورد شرایط جذب نیز میتوان به شرایطی همچون pH ، دز جاذب، دما و غلظت رنگ یا فلز سنگین توجه داشت که هر کدام از این موارد میتوانند باعث تغییر کارایی جاذب طی پروسه جذب شوند. از اینرو میتوان با تغییر شرایط فوق راندمان جذب پسماندهای کشاورزی را بهینه کرد. از میان پسماندهای کشاورزی، پسماندی کارایی بهتری از خود نشان میدهد که علاوه بر خصوصیات سطحی مناسب، شرایط جذب نیز در حالت بهینه قرار داشته باشد و این دلیلی بر تفاوت راندمان جذب در پسماندهای کشاورزی مختلف میباشد. در نهایت میتوان گفت که حذف فلزات سنگین توسط پسماندهای کشاورزی بواسطه فرایند جذب سطحی، در رنج بین 55 درصد برای کمینه تا 99 درصد برای بیشینه اتفاق افتاد در صورتی که در مورد رنگها،کمینه جذب رنگ 44 درصد و بیشینه جذب 99 درصد است که اعداد فوق می تواند چراغ سبزی برای استفاده از پسماندهای کشاورزی برای حذف رنگ و فلزات سنگین از آب و پساب در مقیاس صنعتی باشد. و لذا از این بین میتوان با توجه به در دسترس بودن پسماند کشاورزی و میزان تولید آن، برای فلزات سنگین پوست پرتقال و پوست سبز پسته و برای رنگ ساقه ذرت و پوست پسته را پیشنهاد نمود.
منابع
[1]- دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران.
[2]- استادیار پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران *(مسئول مکاتبات).
3- دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران.
[3]- Scanning electron microscope
فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 31، زمستان 93
کاربرد و کارایی پسماندهای کشاورزی در حذف فلزات سنگین و رنگ از آب و پساب : مطالعات جذب بهینه
محمدصادق نیکنام [1]
افسانه شهبازی[2] *
جواد فرجلو 3
فرایند جذب سطحی به عنوان یکی از کاراترین و پرکاربردترین فناوریهای تصفیه آب و پساب در جهان به شمار میرود. تاکنون تلاشهای ارزندهای به منظور توسعه جاذبهای ارزان قیمت با استفاده از پسماندهای کشاورزی، صنعتی و شهری انجام شده است. استفاده از پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذبهای کم هزینه، باتوجه به سهم خود در کاهش هزینهها برای دفع پسماند و کمک به حفاظت از محیطزیست، مناسب میباشند. در این تحقیق کارایی و ظرفیت جذب انواع پسماندهای کشاورزی در حذف آلایندههای خطرناک مانند فلزات سنگین و رنگهای آلی از محیطهای آبی گردآوری و مورد مقایسه قرار گرفته است. بررسی منابع نشان داد که پسماندهای کشاورزی پتانسیل خوبی برای حذف آلایندههای مورد نظر دارند. از میان منابع مورد بررسی، در مورد فلزات سنگین، بیشترین کارایی جذب مربوط به سبوس برنج، پوست سبز پسته و پوست پرتقال با کارایی بیش از 99 درصد جذب و کمترین آن مربوط به پوست انار با 55 درصد حذف می باشد. در مورد رنگها، بیشترین کارایی حذف رنگ مربوط به پوست فندق، ساقه ذرت و پوست پسته با بازدهی بیش از 99 درصد و کمترین کارایی حذف رنگ مربوط به پسماند پوست سیب زمینی با 44 درصد حذف رنگ انتخابی میباشد.
کلمات کلیدی: تصفیه پساب،پسماند کشاورزی، فلز سنگین، رنگ، جذب سطحی، راندمان جذب.
محدودیت منابع آبی، خطر بحران آب در کشور و اهمیت بازیابی مجدد آب به همراه افزایش آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی به وسیله فلزات سنگین و سایر آلایندههای حاصل از فاضلابها، یافتن راه حلهای مؤثر و اقتصادی محیطزیستی را در جهت حذف این مواد از منابع آبی ضروری میسازد. در این راستا استفاده از پسماندهای ارزان قیمت میتواند بسیار راهگشا باشد. (1) پسماندهای کشاورزی در میان بیوجاذبها بیشترین کاربرد را دارند. مزیتهای این ترکیبات شامل هزینه کم، بازده مناسب، حداقل ضایعات و مواد باقیمانده و قابل بازیافت کردن میباشد (2). پسماندهای میوه و گیاهی تولید شده در مقادیر نجومی در فرآیند صنایع کشاورزی و غذایی اغلب باعث مزاحمت در لندفیلها به علت زیست تخریب پذیری بالا میشوند . جذب زیستی توسط این پسماندها میتواند به عنوان تکنیک موثری برای حذف فلزات سنگین و رنگ از پساب باشد(3). حذف رنگ از پساب یک موضوع نگران کنندهای است که از نقطه نظر حس زیبایی شناختی و بهداشت اهمیت دارد و به همین دلیل حذف رنگ از فاظلاب نساجی در مقیاس صنعتی در سالهای اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است (4). امروزه با گسترش کاربرد رنگها در صنایعی نظیر نساجی، صنایع غذایی، کاغذ، فرش بافی، پلاستیک، لاستیک، لوازم بهداشتی- آرایشی و با در نظر گرفتن این مطلب که حدود ۱۵ درصد از این رنگها که غالبا به دلیل پایداری زیاد زیست تخریب ناپذیر بوده و آلودهکنندههای محیطزیست به شمار میآیند، در مراحل مختلف تولید، در قالب پسابهای رنگی، وارد محیط زیست میگردند. رنگینههای مصرفی در صنایع شامل دو گروه محلول در آب و نامحلول در آب هستند. که این رنگینهها موجب تغییر رنگ پساب در آب شده که حتی در غلظتهای بسیار پایین هم توسط هر شخصی قابل شناسایی هستند. بسیاری از رنگها به دلیل داشتن ساختمان آروماتیکی، در برابر تجزیه بیولوژیکی مقاوم هستند. برخی از این رنگینهها علاوه بر سمی بودن بر حیات ماهیها، سیستم بیولوژیک آنها را نیز تهدید میکنند. همچنین رنگینهها بر روی محیط زیست (اکوسیستم) رودخانه تاثیر غیرمستقیم داشته و خطر جدی محسوب میشوند. رنگینهها حتی در غلظت بسیار پایین هم موجب کاهش زلالی و شفافیت آب میشوند و با کاهش نفوذ نور بر روی فعالیتهای فتوسنتزی و فتوشیمیایی اثر میگذارند. وجود رنگینهها در رودخانهها و آبهای سطحی به دلیل قابل رویت بودنشان حتی در غلظتهای بسیار پایین (میلی گرم در لیتر) از نظر زیباییشناسی غیر قابل قبول هستند. بنابراین کارخانههای استفاده کننده از این رنگ ها همیشه ملزم به استفاده از تکنیکهای موثر و مناسب از نظر اقتصادی برای حذف این رنگینهها میباشند (5).
حضور فلزات سنگین در فاضلابهای صنعتی، مشکلی عمده در تخلیه آنها به آبهای سطحی به حساب میآید. برخی از فلزات سنگین مانند جیوه، سرب، کادمیوم، مس، کروم و نیکل حتی در مقادیر بسیار جزیی نیز سمی می باشند. (6،7). فلزات سنگین عناصری هستند که به علت پایداری و خاصیت تجمع بیولوژیکی، اثرات مضری بر سلامتی انسان داشته و به عنوان آلایندههای مقدم توسط سازمان حفاظت محیط زیست ایالت- متحده لیست شدهاند. تجمع فلزات سنگین در زنجیره غذایی و پایداری آنها در طبیعت، و همچنین تخلیه آنها توسط بسیاری از فعالیتهای صنعتی، پدیده ای شناخته شده میباشد. افزایش فعالیت صنعتی همواره دلیل اصلی اغلب مشکلات الودگی محیطزیستی و تخریب اکوسیستم بوده و موجب تجمع آلایندههایی نظیر فلزات سمی ( کروم، مس، سرب، کادمیوم، روی، نیکل و غیره) میگردد. آلودگی خاک، آبهای زیرزمینی، رسوبات، آبهای سطحی و هوا با مواد شیمیایی خطرناک و سمی، مشکلات اساسی را هم برای سلامت انسان و هم برای محیطزیست ایجاد مینماید که مخصوصا فلزات سنگین به عنوان آلاینده های خطرناک مورد توجه میباشند. حضور آنها در فاضلاب برخی فرآیندهای صنعتی نظیر آبکاری، پرداخت فلزات، عمیات استخراج و ذوب فلزات، دباغی، کارخانجات تولید مواد شیمیایی، معدنکاری و ساخت باتری، سبب ایجاد نگرانیهای محیطزیستی بیشتری بواسطه سمیت آنها حتی در غلظتهای کم شده است. (8) انواع روشهای حذف فلزات سنگین شامل رسوب دهی شیمیایی، تبادل یونی، استخراج با حلال، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون و روش جذب سطحی میباشد که خود روش جذب سطحی با مواد گوناگونی صورت می گیرد که مهمترین آنها شامل کربن فعال، اکسید فلزات، نانو لوله های کربنی و بیو جاذبها میباشد (9).
در حال حاضر علاقه رو به رشدی در استفاده از مواد تجاری در دسترس و کم هزینه برای حذف فلزات سنگین وجود دارد. مزایای عمده تکنولوژیهای جذب تاثیر آنها در کاهش یونهای فلزات سنگین به سطح خیلی پایین با استفاده از مواد جاذب ارزان قیمت میباشد (10 ). در صورتی که استفاده از کربن فعال که متداول است نسبت به روش ایمن و اقتصادی استفاده از پسماندهای کشاورزی بسیار پر هزینه میباشد (11). علاوه بر این مجموعه وسیعی از مواد بیولوژیکی، بویژه باکتریها، جلبکها ، مخمرها و قارچها توجه زیادی را برای حذف و بازیابی فلزات سنگین با توجه به عملکرد خوب خود، هزینه کم و مقادیر در دسترسشان دریافت کرده اند (12).
مطالعات متعددی در این زمینه در سطح جهان انجام شده است که در ادامه به چند مورد از این مطالعات اشاره میشود. در مطالعهای که توسطPatel در سال 2012 انجام گرفت، پتانسیل پسماندهای میوه و گیاهی به عنوان بیوجاذبهای جدید مورد بررسی قرار گرفت (3). مطالعه دیگری که توسط Wang و Chen در سال 2009 انجام گرفت، بررسی جاذبهای زیستی برای حذف فلزات سنگین مورد توجه قرار گرفت و ظرفیت بیوجاذب های مختلف برای حذف فلزات سنگین مورد بررسی قرار گرفت (12). مطالعات دیگری نیز در این رابطه انجام پذیرفته است که میتوان به قابلیت پسماندها و محصولات فرعی کشاورزی یرای حذف فلزات سنگین از پساب توسط Nguyen و همکاران در سال 2013(11) حذف فلزات سنگین از پساب با استفاده از پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذب توسط Ahmad Khan و همکاران در سال 2004 (2) و در نهایت حذف رنگ با استفاده از پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذبهای کم هزینه توسط Bharathi و Ramesh در سال 2013 (4) اشاره کرد. و لذا هدف از انجام این مطالعه، بررسی کاربرد و کارایی پسماندهای کشاورزی به عنوان جاذبهای کمهزینه در حذف آلایندههای فلزی و آلی از پساب و شرایطی که حداکثر جذب آلاینده را به دنبال دارد و نیز مقایسه بین جاذبهای مختلف در حذف فلزات سنگین و رنگ میباشد تا بتوان در انتخاب جاذب برای حذف آلاینده مورد نظر مناسبترین تصمیم را اتخاذ کرد. همچنین میتوان کارایی جاذبهای کمهزینه از قبیل پسماندهای کشاورزی در حذف آلایندهها و استفاده از آنها به عنوان جایگزین مناسب جاذبهای هزینه بر را اثبات کرد.
2- حذف رنگ و فلز از آب و پساب
2-1 روشهای حذف
با استفاده روز افزون از آب برای مصارف شهری و صنعتی ارزیابی مداوم کیفیت آب اهمیت زیادی دارد. انتخاب فرایند تصفیه آب کار پیچیده ای است که باید عواملی از قبیل فضای در دسترس برای ساخت و ساز تاسیسات تصفیه خانه، قابلیت تجهیزات تکنولوژیکی، محدودیتهای دفع زباله، کیفیت آب تصفیه شده، سرمایه و هزینههای عملیاتی در نظر گرفته شود. در تصفیه پساب فرایندهایی از جمله فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مورد نیاز است. برای کنترل آلودگی آب تکنیکهای مختلف با درجه موفقیتهای مختلف وجود دارد که میتوان به انعقاد، فوم شناور، فیلتراسیون ، تبادل یونی، فرایندهای پیشرفته اکسیداسیون ، استخراج با حلال، جذب سطحی، الکترولیز، کاهش میکروبی و لجن فعال نام برد. با این حال بسیاری از آنها هزینههای زیادی را میطلبد و استفاده از آنها فارغ از بازدهی بالا در کنترل آلودگی، محدود شده است. در میان تکنولوژیهای موجود تصفیه آب، فرایند جذب سطحی بهدلیل راحتی، سهولت عمل و سادگی طراحی مناسبتر است. واژه جذب سطحی به تجمع ماده در رابط بین دو فاز از قبیل جامد و مایع یا جامد و گاز اشاره دارد. مادهای که در رابط تجمع مییابد جذب شونده و جامدی که در آن جذب سطحی اتفاق میافتد جاذب نام دارد. به طور کلی فرایند جذب عمدتا برای حذف حل شونده از محلول و گازها از هوا استفاده میشود. در سطح مواد جامد نیروهای جاذبه نامتعادلی وجود دارد که مسئول جذب سطحی میباشد. در مواردی نیز جذب سطحی بهدلیل نیروهای ضعیف واندروالسی جذب فیزیکی نامیده میشود. از سوی دیگر ممکن است یک پیوند شیمیایی بین مولکولهای جاذب و جذب شونده بر قرار شود که به این نوع جذب، جذب شیمیایی میگویند (13).
2-2 جاذبهای تجاری
تعدادی از مواد به طور گسترده به عنوان جذب کننده در کنترل آلودگی آب مورد مطالعه قرار گرفتند که برخی از مهمترین آنها شامل سیلیکا ژل ، آلومینای فعال، زئولیت، کربن فعال و غیره میباشند که در زیر مختصری از خصوصیات آنها آمده است.
2-2-1 سیلیکا ژل
سیلیکا ژل به سه نوع طبقه بندی می شود: ژلهای با تراکم منظم، متوسط و کم. سیلیکا ژل با تراکم منظم در اسید آماده میشود و سطح متوسط و بالایی دارد(به عنوان مثال m2/g750). سیلیکا ژل با تراکم متوسط و کم سطح پایینی دارند(به ترتیب 300 -350 و 100-200m2/g). این نوع ژل در بسیاری از صنایع به عنوان جاذب خوب مطرح است. همچنین فرم اصلاح شده سیلیکا ژل برای حذف آلاینده های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است (14).
2-2-2 آلومینای فعال
آلومینای فعال شامل یکسری از اشکال غیر تعادلی از اکسید آلومینیم نیمه هیدروکسیله میباشد. این ماده برای حذف آب از مایعات آلی از جمله بنزین، نفت سفید، روغن، هیدروکربنهای آروماتیک و بسیاری از هیدروکربنهای کلره استفاده میشود و سطح آن 200-300 m2/g می باشد (15).
2-2-3 زئولیتها
زئولیتها آلومینوسیلیکاتهایی با نسبت آلومینیوم به سیلیکات (Si/Al) 1 و بینهایت هستند. 40 نوع زئولیت طبیعی و بیش از 100 نوع زئولیت مصنوعی وجود دارد که به عنوان زئولیتهای انتخابی در نظر گرفته میشوند. مواد زئولیت پایه بسیار متنوع هستند و استفاده عمده آنها شامل تولید شوینده، رزینهای تبادل یونی، استفادههای کاتالیتیکی در صنعت نفت، فرایند جداسازی(به عنوان مثال غربال مولکولی) و به عنوان یک جاذب برای آب، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن است. زئولیتهای گوناگون برای حذف آلایندهها نیز به کار برده میشوند (16).
2-2-4 کربن فعال
بیشک کربن فعال به عنوان محبوبترین جاذب شناخته میشود و به طور گستردهای در تصفیه خانههای فاضلاب سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرد. پیش از استفاده از کربن فعال امروزی از زغال چوب به عنوان جذب کننده در تصفیه پساب استفاده میشد. کربن فعال با فرایند دهیدریداسیون و کربنه شدن مواد اولیه و سپس فعالسازی آن تولید میشود. محصول بدست آمده به عنوان کربن فعال شناخته میشود و به طور کلی دارای ساختار بسیار متخلخل با سطح بزرگ در محدوده 600 تا 2000m2/g میباشد. کربن فعال به عنوان یک جذب کننده چند منظوره تلقی میشود که میتواند انواع مختلف آلایندهها را از قبیل یونهای فلزی، آنیونها، رنگها، فنلها، پاک کنندهها، افتکشها، هیدروکربنهای کلره و بسباری از مواد شیمیایی دیگر را حذف کند. با وجود استفاده فراوان از کربن فعال، کاربردهای آن با توجه به هزینه بالای آن محدود شده است. بنابراین محققان به دنبال جذب کنندههای سطحی کم هزینه برای کنترل آلودگی آب هستند که فاکتور هزینه نقش برجستهای را ایفا کند که برای این منظور تلاشهایی نیز برای جایگزین کردن جاذبهای کم هزینه نیز صورت گرفته است. جاذبهای کم هزینه جایگزین میتواند توسط طیف گسترده ای از مواد خام ارزان و فراوان، حاوی مواد آلی بالا و مواد معدنی کم تهیه شود که اینها به آسانی می تواند فعال شوند (17).
3- استفاده از پسماندهای کشاورزی در حذف فلز و رنگ از آب و پساب
محصولات کشاورزی بویژه آنهایی که حاوی سلولز هستند، ظرفیت بالقوهای برای جذب آلایندههای مختلف از خود نشان میدهند. اجزای اصلی پسماندهای کشاورزی شامل همی سلولز، لیگنین، لیپیدها، پروتئینها، قندهای ساده، آب، هیدروکربنها، و نشاسته میباشد. از خصوصیات بارز پسماندهای کشاورزی میتوان به اقتصادی بودن، سازگاری با محیط زیست با توجه به ترکیب شیمیایی منحصر به فرد، در دسترس بودن به مقدار زیاد، تجدید پذیر بودن، و هزینه کم میباشد که این موارد باعث شده است که این مواد به عنوان گزینهای برای پالایش آب و پساب مطرح شوند. پسماندهای کشاورزی یک منبع غنی برای تولید کربن فعال به دلیل میزان کم خاکستر و سختی مناسب میباشد (18). در نتیجه تبدیل پسماندهای کشاورزی به جاذبهای کم هزینه، جایگزینی مطمئن برای حل مشکلات زیست محیطی و کاهش هزینهها میباشد.
از میزان ضایعات محصولات کشاورزی در کشور ما برآوردهای متفاوتی ارایه میشود و در آخرین برآورد وزارت جهاد- کشاورزی، حجم ضایعات محصولات کشاورزی 85/18درصد اعلام شده است که از کل 85 میلیون تن تولید محصولات کشاورزی، 3/15میلیون تن آن را ضایعات تشکیل میدهد. روند افزایشی ضایعات مواد غذایی، یکی از چالشهای جدی اکثر کشورها به ویژه، کشورهای درحال توسعه میباشد و به همین سبب سیاستمداران و اندیشمندان مجامع علمی در جهان سوم درصدد برآمدهاند تا برای کاهش ضایعات محصولات کشاورزی در مراحل کاشت، داشت وبرداشت و مراحل توزیع و مصرف چاره اندیشی کنند. در کشور ما در حدود ۲۵ درصد درآمد نفتی، هر سال در قالب ضایعات محصولات کشاورزی از دست می رود به طوری که بی توجهی به صنایع تبدیلی و تکمیلی موجب شده است که هر سال معادل غذای ۱۵ میلیون نفر بر اثر ضایعات کشاورزی از بین برود. یکی از راهکارها برای کاهش هدررفت منابع استفادههای مجدد ممکن از این ضایعات است (19،20). در اینجا ضایعات مورد استفاده به عنوان جاذب در فرایند تصفیه آب و پساب اکثرا ضایعات مراحل برداشت و فراوری میباشد که دراینجا با نام پسماندهای کشاورزی مطرح است.
3-1 حذف فلزات سنگین با استفاده از پسماندهای کشاورزی
گونههایی مختلفی از پسماندهای کشاورزی وجود دارد که میتوان با استفاده از آنها فلزات سنگین را از آب و پساب حذف کرد. ازجمله پسماندهایی که در این رابطه کاربرد بسزایی دارند میتوان به برگ، ساقه، هسته، پوست، میوه و غیره اشاره کرد که میتوان از هر یک از این پسماندها در حذف فلزات سنگین بهره برد. در جدول (1) به چند از این پسماندها و کارایی آنها در حذف فلزات سنگین اشاره شده است. از میان فلزات سنگین اشاره شده در این جدول بیشترین حذف کروم، مس، نیکل، سرب،روی، کادمیوم، جیوه و کبالت به ترتیب توسط سبوس برنج، پوست پرتقال، زغال الیاف نارگیل، پوست پرتقال، زغال پوست پسته، پوست موز، زغال پوست بادام و کمپوست چای اتفاق افتاد. در نهایت از بین پسماندهای کشاورزی زیر بیشترین کارایی جذب مربوط به سبوس برنج، پوست سبز پسته و پوست پرتقال با کارایی بیش از 99 درصد جذب فلزات سنگین و کمترین آن در مورد پوست انار با 55 درصد حذف اتفاق افتاد.
جدول 1- ظرفیت و یا کارایی پسماندهای کشاورزی مختلف در حذف فلزات سنگین از آب و پساب
شماره |
جاذب |
جذب شونده |
غلظت فلز(mg/L) |
دز جاذب(g) |
pH بهینه |
کارایی جذب(درصد) |
ظرفیت جذب |
منبع |
1 |
پوست موز |
Cd |
10 |
1/0 |
8 |
97 |
- |
21 |
2 |
پوست پرتقال |
Cd |
001/0 M |
025/0 |
6 |
72/93 |
- |
22 |
3 |
ساقه افتابگردان |
Cd |
120 |
5/0 |
6 |
- |
17 |
23 |
4 |
میانبر پوست پرتقال |
Cd |
20 |
5 |
5 |
46/76 |
- |
8 |
5 |
میانبر پوست نارنج |
Cd |
20 |
5 |
5 |
12/91 |
- |
|
6 |
پوست گلابی |
Cd |
250 |
2/0 |
5 |
- |
27/0 |
24 |
7 |
زغال پوست پسته |
Cd |
12 |
5/0 |
8 |
1/74 |
- |
25 |
8 |
ساقه افتابگردان + HCL |
Cd |
10 |
1 |
5/5 |
4/96 |
- |
26 |
9 |
سبوس گندم+NAHCO3 |
Cd |
40 |
- |
7 |
88 |
- |
27 |
10 |
پوست پرتقال |
Zn |
001/0 M |
025/0 |
6 |
23/87 |
- |
22 |
11 |
پوست پرتقال |
Zn |
50 |
1/0 |
5/5 |
6/86 |
- |
28 |
12 |
پوسته شلتوک |
Zn |
10 |
1 |
5 |
- |
3/32 |
1 |
13 |
خاک اره سپیدار |
Zn |
10 |
1 |
5 |
- |
22 |
|
14 |
زغال پوست پسته |
Zn |
6 |
5/0 |
6 |
6/98 |
- |
29 |
15 |
پوست پرتقال |
Co |
001/0 M |
025/0 |
6 |
06/81 |
- |
22 |
16 |
کمپوست چای |
Co |
50 |
8 |
6 |
5/97 |
- |
30 |
17 |
پوست پرتقال |
Ni |
001/0 M |
025/0 |
6 |
11/80 |
- |
22 |
18 |
پوست انار |
Ni |
50 |
10 |
6 |
- |
52 |
31 |
19 |
پوست موز |
Ni |
300 |
5/1 |
5/5 |
91 |
- |
32 |
20 |
ساقه افتابگردان |
Ni |
230 |
5/0 |
6 |
- |
32 |
23 |
21 |
کمپوست چای |
Ni |
50 |
8 |
6 |
97 |
- |
30 |
22 |
خاک اره |
Ni |
5 |
1 |
6 |
- |
47/5 |
33 |
23 |
پوسته فندق |
Ni |
5 |
1 |
6 |
- |
68/7 |
|
24 |
پوسته بادام |
Ni |
5 |
1 |
7 |
- |
34/5 |
|
25 |
زغال الیاف نارگیل |
Ni |
6 |
3/0 |
4 |
98 |
- |
34 |
26 |
زغال پوست نارنج +H3PO4 |
Ni |
50 |
1 |
3 |
95 |
- |
35 |
27 |
زغال پوست کدو |
Cr |
125 |
6 |
1 |
91 |
- |
36 |
28 |
پوست پرتقال |
Cr |
10 |
1 |
3 |
- |
43/9 |
37 |
29 |
سبوس برنج |
Cr |
5 |
2 |
2 |
8/99 |
- |
6 |
30 |
ساقه افتابگردان |
Cr |
35 |
5/0 |
6 |
- |
42 |
23 |
31 |
باگاس نیشکر |
Cr |
20 |
8 |
3/1 |
68 |
- |
38 |
32 |
میانبر پوست پرتقال |
Cr |
20 |
5 |
5 |
85/79 |
- |
8 |
33 |
میانبر پوست نارنج |
Cr |
20 |
5 |
5 |
1/95 |
- |
|
34 |
مخلوط خاک اره بنه و گردو |
Cr |
10 |
48/0 |
7 |
46/57 |
- |
39 |
35 |
خاک اره |
Cr |
50 |
05/0 |
7 |
5/83 |
- |
40 |
36 |
پوست سبز بادام |
Cr |
20 |
2/0 |
2 |
84/99 |
- |
41 |
37 |
شلتوک کاساوا |
Cu |
023/0 |
02/0 |
5/5 |
14/0 mmol/g |
- |
42 |
38 |
پوست پرتقال |
Cu |
50 |
1/0 |
5/5 |
7/93 |
- |
28 |
39 |
پسماند چای |
Cu |
100 |
5/1 |
5/5 |
64 |
- |
43 |
40 |
زغال پوست انار |
Cu |
20 |
25/0 |
8/5 |
90 |
- |
44 |
41 |
پوست موز |
Cu |
300 |
5/1 |
5/5 |
87 |
- |
32 |
42 |
کمپوست چای |
Cu |
50 |
8 |
6 |
98 |
- |
30 |
43 |
پوست انار |
Cu |
20 |
25/0 |
8/5 |
55 |
- |
44 |
44 |
سبوس گندم+NAHCO3 |
Cu |
40 |
- |
7 |
80 |
- |
27 |
45 |
پوست پرتقال |
fe |
30 |
1 |
3 |
- |
19/18 |
37 |
46 |
پوست پرتقال |
Th |
250 |
2 |
4/3 |
- |
33/83 |
45 |
47 |
پوست پرتقال |
Pb |
200 |
1/0 |
5/5 |
4/99 |
- |
28 |
48 |
پسماند چای |
Pb |
200 |
5/1 |
5/5 |
92 |
- |
43 |
49 |
پوست انار |
Pb |
50 |
25/0 |
6/5 |
64 |
- |
44 |
50 |
زغال پوست انار |
Pb |
50 |
25/0 |
6/5 |
85 |
- |
|
51 |
پوست موز |
Pb |
300 |
5/1 |
5/5 |
93 |
- |
32 |
52 |
پوست نارنج |
Pb |
5 |
5 |
5 |
8/95 |
- |
46 |
53 |
پوست گلابی |
Pb |
250 |
2/0 |
5 |
- |
28/0 |
24 |
54 |
کمپوست چای |
Pb |
50 |
8 |
6 |
98 |
- |
30 |
55 |
پوست پرتقال |
Pb |
60 |
3 |
7 |
- |
228 |
47 |
56 |
مخلوط خاک اره بنه و گردو |
Pb |
10 |
48/0 |
7 |
17/70 |
- |
39 |
57 |
زغال پوست کیوی+H3PO4 |
Pb |
37/0 |
4/0 |
5 |
73 |
- |
48 |
58 |
سبوس گندم |
Hg |
100 |
4 |
6 |
- |
5/10 |
7 |
59 |
پوست گلابی |
Hg |
250 |
2/0 |
5 |
- |
25/0 |
49 |
60 |
زغال پوست گردو+H3PO4 |
Hg |
5 |
2/0 |
6 |
28/63 |
- |
50 |
61 |
زغال پوسته بادام |
Hg |
5 |
2/0 |
8 |
34/66 |
- |
51 |
62 |
زغال پوسته گردو |
Hg |
5 |
2/0 |
6 |
28/63 |
- |
3-2 حذف رنگ با استفاده از پسماندهای کشاورزی
یکی دیگر از آلودگیهایی که میتواند بالقوه توسط پسماندهای کشاورزی توسط فرایند جذب سطحی حذف شود رنگها میباشد که در جدول (2) به اختصار به چند نمونه از پسماندهای کشاورزی و کارایی آنها در حذف رنگ از آب و پساب اشاره شده است. از بین رنگهای اشاره شده در جدول زیر بیشترین کارایی حذف رنگ مربوط به پوست فندق، ساقه ذرت و پوست پسته با بازدهی بیش از 99 درصد و کمترین کارایی حذف رنگ در مورد پسماند پوست سیب زمینی با 44 درصد حذف رنگ انتخابی اتفاق افتاد.
جدول 2- ظرفیت و یا کارایی پسماندهای کشاورزی مختلف در حذف رنگها از آب و پساب
شماره |
جاذب |
جذب شونده |
غلظت رنگ(mg/L) |
دز جاذب(g) |
pH بهینه |
کارایی جذب(درصد) |
منبع |
1 |
پوست پسته |
متیلن بلو |
100 |
15/0 |
8 |
7/99 |
52 |
2 |
ساقه ذرت |
متیلن بلو |
50 |
2 |
5 |
9/99 |
53 |
3 |
خاکستر شلتوک برنج |
متیلن بلو |
50 |
3 |
8/6 |
95 |
54 |
4 |
پوست گردو |
متیلن بلو |
5/0 |
5 |
7 |
45/63 |
55 |
5 |
سبوس برنج+ H2SO4 |
بازی فوشین |
250 |
1 |
6 |
9/49 |
56 |
6 |
سبوس برنج + HNO3 |
بازی فوشین |
250 |
1 |
6 |
73/54 |
|
7 |
سبوس برنج + HCL |
بازی فوشین |
250 |
1 |
6 |
8/47 |
|
8 |
پودر قهوه |
رودامین بی |
15 M |
05/0 |
2 |
8/7 µm/g |
57 |
9 |
پوست بادام |
رودامین بی |
100 |
1 |
4 |
7/81 |
58 |
10 |
پودر قهوه |
رودامین 6 جی |
15 M |
05/0 |
2 |
1/25 µm/g |
57 |
11 |
پوست پرتقال |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
4 |
10 |
95 |
59 |
12 |
پوسته بلغور سویا |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
3/0 |
12 |
92 |
|
13 |
غشا داخلی پوسته تخم مرغ |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
8/0 |
12 |
81 |
|
14 |
پوست پرتقال |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
4 |
2 |
6/90 |
60 |
15 |
پوسته بلغور سویا |
مستقیم قرمز 80 |
50 |
3/0 |
2 |
12/95 |
61 |
16 |
پوست سیر |
مستقیم قرمز 12بی |
50 |
3/0 |
2 |
99 |
62 |
17 |
پوست فندق |
مستقیم قرمز 12بی |
50 |
3/0 |
5/2 |
5/99 |
63 |
18 |
پوست پرتقال |
مستقیم قرمز 23 |
50 |
8 |
2 |
47/92 |
60 |
19 |
پوسته بلغور سویا |
مستقیم قرمز 81 |
50 |
6/0 |
2 |
54/96 |
61 |
20 |
پوست موز |
اسید اورانژ7 |
10 |
1 |
3 |
78 |
5 |
21 |
پسماند کانولا |
اسید اورانژ 7 |
200 |
2 |
3 |
95 |
64 |
22 |
ساقه ذرت |
اریوکروم بلک |
50 |
2 |
5 |
8/66 |
53 |
23 |
خاکستر شلتوک برنج |
ایندیگو کارمین |
50 |
10 |
5/6 |
96 |
65 |
24 |
زغال پوست انار |
مستقیم آبی 106 |
20 |
5/2 |
2 |
72 |
66 |
25 |
زغال پوست انار |
کنگو قرمز |
30 |
20 |
7 |
98 |
67 |
26 |
پوست پومیلو |
راکتیو آبی 114 |
100 |
20 |
2 |
85 |
68 |
27 |
پوسته تمر هندی |
بازی آبی 41 |
50 |
8/0 |
8 |
32/73 |
69 |
28 |
زغال پوست بادام |
اسید قرمز 206 |
50 |
5/0 |
4 |
5/75 |
70 |
29 |
پوسته تخم مرغ |
راکتیو قرمز 123 |
25 |
5 |
7 |
7/80 |
71 |
30 |
پوسته تخم مرغ |
راکتیو قرمز 98 |
25 |
3 |
10 |
1/92 |
72 |
31 |
پوست سیب زمینی |
اسید بلو 113 |
50 |
1 |
2 |
16/44 |
73 |
32 |
پوست پسته |
DF-3G نارنجی |
500 |
5/0 |
5/5 |
66 |
74 |
33 |
پوست پسته |
DF-4BL قرمز |
500 |
5/0 |
5/5 |
60 |
|
34 |
پوسته بلغور سویا |
اسیدی آبی 92 |
50 |
5/0 |
2 |
03/98 |
75 |
35 |
پوسته بلغور سویا |
اسیدی قرمز 14 |
50 |
7/0 |
2 |
79/91 |
|
36 |
پوست بادام |
اسید بلو 129 |
10 |
4/0 |
2 |
97 |
76 |
37 |
یونجه+HCL |
اسید بلو 113 |
50 |
2/0 |
3 |
89/55 |
77 |
38 |
یونجه+HCL |
اسید بلک 1 |
50 |
2/0 |
3 |
49 |
نتیجه گیری
استفاده از جاذبهای کم هزینه برای حذف رنگ و فلزات سنگین از آب و پساب یک راه معقول و منطقی به نظر میرسد، چراکه آنها نسبتا ارزان یا بدونهزینه هستند، به راحتی در دسترس قرار دارند یا به عبارتی سهلالوصول هستند، تجدید پذیرند و همچنین میل زیادی برای جذب رنگ و فلزات سنگین دارند. حال اگر بخواهیم دلیلی برای تفاوت میزان جذب در جاذبهای مختلف پیدا کنیم، میتوان به موارد از قیبل خصوصیات سطح جاذب و شرایطی که جذب در آن اتفاق افتاده است اشاره کرد. از مهمترین خصوصیات سطح جاذب مواردی همچون تخلخل و اندازه سطح جاذب میباشد. این دو مشخصه را میتوان از روی تصاویر SEM[3] و TEM[4] تعیین کرد. هر چه میزان تخلخل و اندازه سطح جاذب بیشتر باشد، بالطبع راندمان جذب سطحی نیز افزایش مییابد. در مورد شرایط جذب نیز میتوان به شرایطی همچون pH ، دز جاذب، دما و غلظت رنگ یا فلز سنگین توجه داشت که هر کدام از این موارد میتوانند باعث تغییر کارایی جاذب طی پروسه جذب شوند. از اینرو میتوان با تغییر شرایط فوق راندمان جذب پسماندهای کشاورزی را بهینه کرد. از میان پسماندهای کشاورزی، پسماندی کارایی بهتری از خود نشان میدهد که علاوه بر خصوصیات سطحی مناسب، شرایط جذب نیز در حالت بهینه قرار داشته باشد و این دلیلی بر تفاوت راندمان جذب در پسماندهای کشاورزی مختلف میباشد. در نهایت میتوان گفت که حذف فلزات سنگین توسط پسماندهای کشاورزی بواسطه فرایند جذب سطحی، در رنج بین 55 درصد برای کمینه تا 99 درصد برای بیشینه اتفاق افتاد در صورتی که در مورد رنگها،کمینه جذب رنگ 44 درصد و بیشینه جذب 99 درصد است که اعداد فوق می تواند چراغ سبزی برای استفاده از پسماندهای کشاورزی برای حذف رنگ و فلزات سنگین از آب و پساب در مقیاس صنعتی باشد. و لذا از این بین میتوان با توجه به در دسترس بودن پسماند کشاورزی و میزان تولید آن، برای فلزات سنگین پوست پرتقال و پوست سبز پسته و برای رنگ ساقه ذرت و پوست پسته را پیشنهاد نمود.
منابع
[1]- دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران.
[2]- استادیار پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران *(مسئول مکاتبات).
3- دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران.
[3]- Scanning electron microscope
[4]- Transmission electron microscopy
[4]- Transmission electron microscopy