حذف آرسنیک از آب

آرسنیک عنصری است که در ترکیبات پوسته زمین وجود دارد و غلظت‌های زیاد آن در آب آشامیدنی می‌تواند سبب سرطان پوست، ریه و دیگر بیماری‌ها شود. متأسفانه بعضی از مناطق روستایی و شهری استان کردستان ازجمله شهر دلبران دارای آرسنیک بالاتر از ppb 70 می‌باشد که بالاتر از حد استاندارد جهانی است، از این روی برآن شدیم تا عملکرد سیستم اسمزمعکوس در رابطه با حذف آرسنیک از آب را در این مقاله بگنجانیم.

ارزیابی عملکرد فرآیند اسمز معکوس در حذف آرسنیک از آب

1. کریم مظفریان: کارشناس ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان
2. سید سیاوش مداینی: عضو هیئت علمی گروه مهندسی شیمی، دانشگاه رازی کرمانشاه
3. محمد خشنودی: عضو هیئت علمی گروه مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان زاهدان

هدف از این تحقیق ارزیابی اثر استفاده از غشاءها جهت حذف آرسنیک از آب بوده است. بنابراین برای بررسی عملی تأثیر غشاءها در حذف آرسنیک، از پنج نوع غشاء به نام‌های TFC – ULP ، FT30 ، TFC – SR , PVD و BW30 استفاده شد که غشای TFC – SR با توجه به دو پارامتر شار خروجی و درصد حذف آرسنیک آن که بالای ۹۵ درصد بود، به عنوان  بهترین غشاء انتخاب شد. پارامترهای فشار ، دما و pH بر روی این غشاء آزمایش شد و شرایط بهینه فشار برابر ۱۰ بار و pH برابر 7.57 به دست آمد. در ضمن مشخص شد با بالا رفتن دما، شار خروجی غشاء و پس دهی آرسنیک افزایش می‌یابد.

افزایش جمعیت و تقاضای روزافزون بشر برای غذا و دیگر امکانات زندگی باعث شده است که انسان محیط ‌زیست را جهت تأمین نیازهای خود دستخوش تغییراتی نماید. کارخانه‌ها، راه‌ها، استفاده بیشتر از منابع آب‌های سطحی و زیرزمینی، استخراج معادن و توسعه، باعث شده محیط ‌زیست به انواع فلزات سمی و سایر سموم آلوده شود.

حذف آرسنیک از آب

امروزه برخی از این آلاینده‌ها ضمن آلوده سازی محیط ‌زیست وارد چرخه غذایی شده‌اند و برخی از آن‌ها آب‌ها را آلوده نموده‌اند که به‌طور مستقیم سلامت انسان‌ها را مورد تهدید قرار داده‌اند و ضمن شیوع بیماری‌های مختلف، موجب سرطان و حتی منجر به مرگ می‌شوند [۱، ۲، ۳ و ۴] ازجمله این آلاینده‌ها آرسنیک است که آب‌های برخی از مناطق براثر فعالیت‌های بشری و یا طبیعی به آن آلوده‌شده است.

فاضلاب صنایع فلزی، شیشه‌سازی و سرامیک، ساخت رنگ و آفت‌کش‌ها، پالایشگاه‌های نفت، صنایع شیمیایی و صنایع آلی منبع اصلی آرسنیک در محیط است هم‌اکنون مشکل اصلی آلودگی آب زیرزمینی به آرسنیک در بنگلادش، بنگال غربی، هند، تایوان و برخی از کشورهای آمریکای جنوبی مثل آرژانتین و مکزیک و همچنین برخی از مناطق شهری و روستایی ایران ازجمله استان کردستان وجود دارد.

اثرات زیان‌آور آرسنیک بر سلامتی انسان، آژانس حفاظت محیط ‌زیست آمریکا را وادار به اعلام استاندارد جدیدی کرد و در ژانویه ۲۰۰۱ بیشترین سطح مقدار آرسنیک در آب را از ppb 50 به ppb ۱۰ کاهش داد. این در حالی است که روش‌های معمول تصفیه آب قادر به کاهش میزان آرسنیک تا این حد نمی‌باشند و این شرایط، انجام تحقیقات در این زمینه را ضروری کرده است.

به‌طورکلی روش‌های حذف آرسنیک از آب به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند : انعقاد و لخته سازی – ترسیب، جذب سطحی، و جداسازی غشایی [۷]. در این تحقیق با توجه به اینکه قسمتی از مناطق استان کردستان بالأخص مناطق روستایی دارای آرسنیک بالاتر از حد استاندارد است، جداسازی آرسنیک با استفاده از غشاءهای اسمز معکوس ، به عنوان یکی از روش‌های حذف موردمطالعه قرارگرفته است.

۲- حذف آرسنیک توسط غشاء با استفاده از روش اسمز معکوس

اسمز معکوس را با علامت اختصاری RO نشان می‌دهند که یک روش پیشرفته تصفیه آب است. اساس و قاعده کلی RO، پدیده Reverse Osmosis (RO) اسمز است. در اسمز، اگر یک غشای نیمه‌تراوا در محلول شامل مقادیر مختلف مواد شیمیایی را از هم مجزا کند، غشاء می‌تواند اجزای سیال را به‌طور انتخابی از آن جدا کند.

اختلاف فشار باعث عبور آب خالص در میان غشاء از قسمت رقيق به قسمت محلول با غلظت بیشتر می‌شود. این فشار را فشار اسمزی و این فرآیند را اسمز می‌نامند. این پدیده تا زمانی که پتانسیل شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت، در حالت تعادل، اختلاف فشار بین دو طرف غشاء برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد، جریان آب قطع خواهد شد.

درصورتی‌که فشار اعمال‌شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب معکوس خواهد شد. در اسمز معکوس، فشار به‌طرف غلیظ شده اعمال می‌شود، بنابراین فشار اسمزی را معکوس می‌کند. با فشار کافی اعمال‌شده، آب خالص از طرف غلیظ به‌طرف رقیق رانده می‌شود و غشاء اجازه عبور یون‌ها را نمی‌دهد که آرسنیک نیز به عنوان یک يون آلاینده در آب را می‌توان با این روش از آن جدا نمود در اینجا به نتایج برخی از مطالعات و تحقیق دیگران اشاره خواهد شد.

در آژانس حفاظت محیط ‌زیست آمریکا غشای TFC – ULP آزمایش شد که حذف آرسنیک V را 5/97 درصد و آرسنیک III را 5/92 درصد نشان داد. همچنین در سال ۱۹۹۷ تحقیقی در رابطه با استفاده از غشاءهای RO و NF برای حذف آرسنیک از آب انجام‌شده بود که نتایج قابل قبولی را به دست آوردند. تحقیقی نیز با همکاری آژانس حفاظت محیط ‌زیست آمریکا در دانشگاه ایالت مونتانا جهت ارزیابی فرآیند اسمز معکوس برای حذف آرسنیک از آب انجام شد که تمرکز اصلی در این تحقیق بر حذف آرسنیک III بود. پس از آزمایش ۲۱ پایلوت در این تحقیق، مشخص شد که در تمامی آن‌ها حذف آرسنیک III بالاتر از ۹۰ درصد بوده است.

همچنین تحقیقی در ساندیاگو با استفاده از غشاءهای RO در چند پایلوت مختلف انجام شد که حذف آرسنیک ۹۹ ، ۷ درصد و حذف آرسنیک III ،۸۴ درصد بود و به‌طورکلی حذف آرسنیک پایلوت های مختلف از ۹۶-۴۰ درصد بوده است. در ایران نیز دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی تهران تحقیقی در رابطه با عوارض ناشی از آرسنیک در آب استان کردستان و روش‌های حذف آن از آب آشامیدنی انجام داده است که در آن به روش اسمز معکوس به عنوان یکی از مناسب ترین روش‌های حذف آرسنیک از آب برای سیستم های کوچک اشاره شده است.

در تحقیق مذکور از روش آلومینای فعال شده جهت حذف آرسنیک از آب استفاده شده است که در صد حذف آن از ۶۱ تا ۹۴ درصد بوده است [۱۵]. در این تحقیق نیز ۵ نوع غشاء RO برای حذف آرسنیک آب شهر دلبران در استان کردستان که از نوع آرسنیک III می‌باشد مورد مطالعه قرار گرفت و درصد حذف آرسنیک کلیه غشاءها بالاتر از ۸۰ درصد بوده است.

3- مواد و روشها

در این آزمایش از پنج نوع غشاء استفاده شده که عبارت بودند از : ١ – غشاء PVD با ضخامت ۱۵۰ میکرومتر از جنس پلی اتیلن ترفتالات ساخت شرکت Hydraunatics ؛ ۲- غشاء TFC- SR با ضخامت ۱۵۰ میکرومتر از جنس پلی وینیل الکل ساخت شرکت Fluid Systems :3 – غشاء TF30 با ضخامت ۱۶۰ میکرومتر از جنس پلی آمید ساخت شرکت BW30 – ۴۰ Filmtec با ضخامت ۱۵۰ میکرومتر از جنس پلی آمید ترفتالات ساخت شرکت Filmtec : ۵- غشاء TFC – ULP با ضخامت ۲۰۰ میکرومتر از جنس پلی وینیل الکل ساخت شرکت Fluid Systems .

بعد از انجام آزمایش اولیه، میزان شار خروجی و پس دهی آرسنیک آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. آب مورد آزمایش آب یکی از قناتهای شهر دلبران بود که در شرق استان کردستان قرار دارد و آرسنیک آن از نوع آرسنیک III می‌باشد. در نتایج آرسنیک در مرحله اول آزمایش ppb /35/68 بوده است. برای تثبیت نمونه ها، از  اسیدکلریدریک غلیظ خالص و برای تغییرات pH آب مورد آزمایش از  اسیدکلریدریک و سود استفاده شد و برای آماده سازی غشاءها از محلول ۵۰ درصد آب و اتانل استفاده شد که هر کدام از غشاءها قبل از شروع آزمایش به مدت ۱۰ دقیقه در آن قرار گرفتند.

پایلوت مورد آزمایش دستگاه اسمز معکوسی بود که توسط دانشگاه رازی کرمانشاه طراحی و ساخته شده بود که دستگاه شامل یک مخزن ذخیره آب، یک دستگاه الکتروموتور چینی PEM تک فاز با توان KW 2 / ۲ و یک دستگاه پمپ مدل ۷۰۴ bar ، WEL ۱۱۰ و همچنین یک مدول RO جهت جایگذاری غشاءها به ابعاد مفید (۱۱×۲) سانتی متر بود. شکل 1، فلودیاگرام دستگاه را نشان می دهد. برای آنالیز نمونه ها جهت تشخیص میزان آرسنیک از دستگاه جذب اتمی مدل Varian نوع spectra AA220FS استفاده شد و از دماسنج الکلی ۱۱۰ درجه سلسیوس برای تعیین دما و برای تعیین pH نیز از دستگاه pH متر مدل ۶۳۲ Mtrom سوئیس استفاده شده است. آزمایشها هر جا که به حذف آرسنیک اشاره شده است، منظور آرسنیک III می‌باشد. غلظت

4- نتایج

در این تحقیق در ابتدا پنج نوع غشاء از نظر دو پارامتر اساسی جهت حذف آرسنیک مورد آزمایش قرار گرفتند. این دو پارامتر اساسی عبارت بودند از :

الف – میزان پس دهی آرسنیک غشاءها که از رابطه ۱ محاسبه می‌شود.

ب – شار خروجی غشاءها که از رابطه ۲ محاسبه می‌شود.

در ابتدا روی تک تک غشاءها در زمانهای مختلف و فشار ۱۰ بار آزمایش به عمل آمد که نتایج به دست آمده از آزمایش غشاءها نشان داده شده است. با توجه به میزان پس دهی آرسنیک و میزان شار خروجی، غشاء TFC – SR به عنوان بهترین غشاء انتخاب شد و ادامه آزمایشها بر روی این غشاء انجام گرفت. بنابر این تأثیر پارامترهای فشار، pH و دما به ترتیب بر روی پس دهی آرسنیک و شار خروجی غشاء مذکور بررسی گردید، زیرا هدف اساسی از این تحقیق میزان حذف آرسنیک و شار خروجی غشاء بود. آرسنیک آب خام در این قسمت از آزمایش برابر ppb 3/69 بود.

۱ – ۴ – تأثیر فشار

در این قسمت با توجه به اینکه غشاء در فشارهای بالاتر از ۱۵ بار، پاره میشد، آزمایش در چهار فشار مختلف زیر ۱۵ بار انجام شد که فشارها عبارت بودند از : ۵، ۱۰، ۱۲ و ۱۴ بار که نتایج پس دهی آرسنیک غشاء و شار خروجی با توجه به شرایط آزمایش در فشارهای مذکور نتایج مختلفی را نشان داد.

۲ – ۴- تأثیر دما

در این قسمت از آزمایش، تأثیر دماهای مختلف آب که عبارت بودند از : ۱۳ ، ۸ ، ۱۷، ۱۹ و ۲۱ درجه سلسیوس بررسی شد و نتایج پس دهی آرسنیک و شار غشاء در دماهای اشاره شده با توجه به شرایط آزمایش مقادیر مختلفی را ثبت کرد.

۳ – ۴ – تأثیر pH

در این قسمت از آزمایش، تأثیر pHهای مختلف آب که عبارت بودند از : ۵، ۶، ۸ و ۹ بررسی شد.

۵- بحث و نتیجه گیری

در این آزمایشها پنج نوع غشاء مورد آزمایش قرار گرفت که در بخش اول آزمایش میزان پس دهی و شار خروجی غشاءها مورد بررسی قرار گرفت وغشاء PVD بالاترین پس دهی آرسنیک را داشت؛ ولی چون میزان شار خروجی آن تقریبا نصف غشاء TFC – SR بود، غشاء TFC – SR به عنوان بهترین غشاء جهت بررسی تأثیر پارامترهای فشار، دما و pH انتخاب گردید. این غشاء، از نظر پس دهی، بعد از غشاء PVD با مقداری برابر 71/96 درصد بالاترین پس دهی آرسنیک را داشت و از نظر شار خروجی 5/2 تا ۷ برابر غشاءهای دیگر وحدود ? 21/239L / hr.m² بود.

در آزمایش فشار چون غشاء موردنظر در فشارهای بالاتر از ۱۵ بار، پاره می شد، آزمایش در فشارهای ۵، ۱۰، ۱۲ و ۱۴ بار انجام گردید که با توجه به شکل ۳ افزایش فشار میزان پس دهی آرسنیک را کاهش و شار خروجی را افزایش داده است. با توجه به نظریه مدل انحلال و نفوذ، هر دو جزء حلال و حل شونده در پوسته غیر متخلخل و همگن غشاء حل می‌شوند و سپس هر دو نفوذ می نمایند. نفوذ هر یک به واسطه وجود گرادیان پتانسیل شیمیایی مربوط به آن جزء می‌باشد که در اینجا افزایش فشار، میزان تراوش حلال و حل شونده را افزایش می دهد. اما با توجه به عکس پارامترهای شار خروجی و پس دهی آرسنیک، فشار ۱۰ بار به عنوان فشار بهینه و مناسب انتخاب گردید، زیرا در فشارهای پایین تر از آن شار خروجی کم و در فشارهای بالاتر هزینه مصرف انرژی بالا میرود.

در آزمایش دما در فشار ۱۰ بار، غشاء را در پنج دمای مختلف ۸ ،۱۳، ۱۷، ۱۹ و ۲۱ درجه سلسیوس بررسی کردیم که با توجه به شکل 4  هر دو پارامتر پس دهی آرسنیک و شار خروجی با بالا رفتن دما افزایش یافت. در اینجا افزایش دما باعث تغییر ویسکوزیته حلال و بالا رفتن فشار اسمزی و نفوذپذیری حلال و حل شونده می شد که این افزایش دما، تحرک مولکول های حلال و یون های آرسنیک را افزایش می داد.

اما با توجه به اندازه و بار یونهای آرسنیک در مقایسه با مولکول های حلال، تحرک آن‌ها به مراتب بیشتر از مولکولهای حل شونده بود و در واحد زمان میزان تراوش مولکول های حلال بیشتر از یونهای آرسنیک بود.

بنابراین شار خروجی آب و میزان پس دهی آرسنیک را تحت تأثیر قرار داده و هر دو دچار افزایش شدند. در رابطه با تأثير pH در فشار ۱۰ بار، چهار pH مختلف ۸ ، ۶ ، ۵ و ۹ را بررسی کردیم که میزان پس دهی آرسنیک افزایش یافته است. در مرحله اولیه آزمایش، pH آب برابر ۷/۵۷ بود و بیشترین شار خروجی را داشتیم؛ بنابراین pH برابر 5/7 را به عنوان pH بهینه در نظر می‌گیریم.

در حذف آرسنیک سه ظرفیتی دو روش برای افزایش حذف آن وجود دارد، اول اکسیدکربن As)III) به As)V) و دوم بالا بردن pH آب می‌باشد. زیرا (As (III در pHهای پایین بی بار بوده ولی در pHهای بالا باردار شده و به همین خاطر در pHهای بالا حذف آن افزایش می‌یابد. در رابطه با (As (V باید گفت، حذف آن با افزایش pH افزایش یافته که این نتیجه را به اختلاف بزرگ بین ثوابت تجزیه H , AsO4 نسبت داده‌اند. در pH برابر ۱، همه ذرات As (V) خنثی هستند؛ اما وقتی که pH از 2/2 بالاتر میرود، این ذرات از حالت خنثی به فرم منو آنیونی و در pHهای بالاتر از 9/6 به فرم دی آنیونی تجزیه می‌شوند. بنابراین هرچه pH افزایش یابد، درصد حذف آرسنیک افزایش می‌یابد.

در این تحقیق درصد حذف آرسنیک برای کلیه غشاءها بالاتر از ۸۰ درصد بوده و در غشاء مورد استفاده که پارامترهای فشار، دما و pH بر روی آن آزمایش گردید، در تمام نمونه ها بالاتر از ۹۰ درصد بوده است که در مقایسه با کار دیگران تقریبا مشابه بوده و نتایج تحقیق دیگران را تأیید می کند.

با توجه به اینکه بعضی از مناطق شهری و روستایی استان کردستان دارای آرسنیک بالاتر از حد استاندارد است.