بررسی امکان استفاده از فرایند های غشایی جهت حذف فلزات سنگین از فاضلاب های صنعتی

محسن عباسی، محمد فارسی، عبدالحسین جهانمیری



چکیده
با توجه به توسعه ی فناوری به دلیل نیاز به تولید انرژی، مشکلات زیست محیطی، گسترش فاضلاب های فلزات سنگین و بیماری های خطرناک ناشی از این فاضلاب ها روز به روز بیشتر احساس می شود. با گسترش فرایند های غشایی در تصفیه ی فاضلاب های مختلف، بحث امکان استفاده از فرایند های غشایی و یا ترکیب فرایند های غشایی با دیگر فرایند های تصفیه ی فاضلاب، جهت تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین مطرح شده است.در این مقاله تحقیقات صورت گرفته در زمینه تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین توسط فرایند های غشایی و ترکیب فرایند های غشایی با دیگر فرایند های تصفیه ی این فاضلاب ها ارائه شده است.نتایج تحقیقات صورت گرفته در این زمینه نشان می دهد که فرایند های غشایی به خوبی می توانند در فرایند های ترکیبی تصفیه ی فاضلاب های فلزات سنگین به کار روند.فرایند های غشایی باعث کاهش شدید غلظت فلزات در فاضلاب و افزایش کیفیت آب تولید شده در فرایند تصفیه می شود.کیفیت فاضلاب های تصفیه شده با فرایند های غشایی جهت تخلیه به محیط زیست به خوبی با استاندارد های زیست محیطی مطابقت می کند.

کلمات کلیدی: تصفیه ی فاضلاب های صنعتی، فلزات سنگین، فرایند های غشایی

مقدمه
فلزات سنگین در حالت های فیزیکی و شیمیایی مختلف و در غلظت های متفاوت به عنوان آلاینده ی محیط زیست مطرح بوده و از طریق تخلیه ی فاضلاب های صنعتی، مصرف سوخت، تخلیه ی فاضلاب های شهری و مصرف لجن حاصل از تصفیه فاضلاب به عنوان بارور کننده ی زمین، به محیط زیست وارد می شود و برای انسان ها و دیگر موجودات زنده محیط زیست اثرات زیان آوری را به دنبال دارد.فلزاتی مانند آرسنیک، کادمیم، سرب و جیوه به دلیل تجمع در بدن انسان ها و موجودات زنده مشخصا خطرناکند.میزان سمیت فلزات در شرایط مختلف فرق می کند و تابع عواملی مانند غلظت، شرایط محیطی، مدت تماس، سایر عوامل فیزیکی، شیمیایی و زیست شناختی است.فلزات سنگین نه تنها آب های قابل مصرف انسان و موجودات را به شدت آلوده می سازد بلکه موجب آلوده شدن شدید خاک نیز می شود که در مواردی در اثر آلودگی فلزی زمین های حاصل خیز ارزش خود را برای کشاورزی از دست می دهند.همچنین فلزات سنگین در صورت تخلیه در محیط زیست ، قادرند مسافتی را به طور عمودی در خاک طی کنند و آب های زیر زمینی را نیز آلوده سازند.از مهم ترین آلودگی های خطرناک محیط زیست، آلودگی ناشی از پرتوزایی این فلزات است.مواد پرتوزا خصوصیات منحصر به فردی نظیر تجزیه ی خود به خودی، تولید خود به خودی گرما، تابش مستقل از حالت فیزیکی و قابلیت نفوذ در مواد و ایجاد اثرات تدریجی مخرب روی سلامتی انسان و محیط زیست دارند.این نوع آلودگی محیط زیست ممکن است ناشی از عواملی مثل تابش های اتم(پرتوهای یون زا)، فاضلاب کارخانه هایی که از انرژی هسته ای استفاده می کنند، به کار گیری سلاح های اتمی در جنگ ها و یا ناشی از انجام آزمایش های اتمی و هسته ای باشد.بر خلاف مواد شیمیایی که تاثیر آنی روی اندام های حسی دارند، مواد پرتوزا اثرات تدریجی مخرب روی بدن می گذارند.

فرایند های متداول تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین
فرایند های ترسیب شیمیایی، ته نشینی، جذب سطحی، شناور سازی، تبخیر حرارتی، تبادل یون و روش های زیست شناختی از مهم ترین فرایند های متداول در تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین می باشد.این فرایند ها دارای مزایا و معایبی هستند که سبب می شود اکثرا به صورت ترکیبی در تصفیه فاضلاب به کار روند.چهار فرایند اصلی تبخیر حرارتی، ترسیب شیمیایی، تبادل یون و جذب سطحی که کاربرد اساسی در تصفیه فاضلاب پرتوزا دارند و با ضریب آلودگی زدایی مقایسه می شوند، در ادامه، شرح داده می شوند.

تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین به روش تبخیر حرارتی
برای رفع آلودگی پرتوزا از فاضلاب های حاوی فلزات سنگین، شاید ساده ترین روش، تبخیر باشد ولی این فرایند تنها در مورد فاضلاب های حاوی فلزات غیر فرار عملی است.در عمل، فرایند تبخیر با موفقیت برای تصفیه ی فاضلاب های فلزات پرتوزا به کار رفته است.
با وجود مصرف انرژی زیاد به دلیل عمل تغییر فاز، از تبخیر برای تصفیه فاضلاب های HLW استفاده می شود.در طراحی سیستم های تبخیر، عواملی مثل ضریب آلودگی زایی، مشخصات فاضلاب، کف کردن و فشار سیستم تبخیر تاثیر گذار هستند.فرایند تبخیر دارای ضریب آلودگی زدایی بالایی است ولی در مقایسه با دیگر فرایند های تصفیه فاضلاب های پرتوزا، به دلیل هزینه ی عملیاتی زیاد، اقتصادی نیست.

تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین به روش ترسیب شیمیایی
هدف اصلی در تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین به روش ترسیب شیمیایی، تبدیل فلزات به توده های لجن نامحلول قابل جداسازی از جریان مایع است که باعث کاهش مقدار فعالیت جریان فاضلاب قابل تخلیه به محیط زیست می شود.اساس این روش، نامحلول بودن برخی از نمک های فلزات سنگین پرتوزا در آب است.ضریب آلودگی زدایی ۱۰-۱۰۰ در این فرایند، قابل دسترسی است.فرایند های ترسیب متعددی جهت جداسازی فلزات سنگین به کار می روند که رایج ترین آن ها فرایند مخلوط سود و اکسید کلسیم، ترسیب فلزات و ترسیب هیدروکسید است.ترسیب شیمیایی ۲۰ تا ۵۰ مرتبه، در مقایسه با تبخیر حرارتی، ارزان تر تمام می شود.

حذف فلزات سنگین از فاضلاب های صنعتی به روش تبادل یون
فرایند تبادل یون یک روش شیمیایی مناسب برای حذف فلزات سمی و پرتوزا در فاضلاب هاست.این روش، زمانی که غلظت فلزات پرتوزا کم است، بسیار متداول می باشد و چندان پر هزینه هم نیست.به طور کلی ضریب آلودگی زدایی ۱۰ تا ۱۰۰۰ در این فرایند قابل دسترسی است.به کمک رزین های مخصوص و با توجه به نوع عنصر آلوده کننده ی فاضلاب، تصفیه انجام می گیرد.در رزین های تبادل یونی، مشکل انسداد بستر رزین ها روی می دهد و هزینه ی احیا و تعویض رزین ها زیاد است.

تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین به روش جذب سطحی
جذب سطحی در صورتی اقتصادی و موثر است که جریان فاضلاب حاوی فلزات سنگین مورد تصفیه دارای محتوای ناخالصی یکنواخت باشد و غلظت ناخالصی مورد نظر زیاد نباشد.فاضلاب های بسیار ناهمگن را به ندرت می توان به صورت رضایت بخش مورد تصفیه قرار داد زیرا آلاینده های پرتوزا موجود در فاضلاب، دارای قابلیت های جذب متفاوت می باشند.زئولیت ها و کربن فعال از مهم ترین جاذب ها هستند که در فرایند تصفیه فاضلاب های پرتوزا مورد استفاده قرار گرفته اند.ضریب آلودگی زدایی بالا در این فرایند، قابل دسترسی است ولی فرایند تمیز کردن جاذب ها سبب تولید فاضلاب ثانوی پرتوزا می شود.

حذف فلزات سنگین از فاضلاب های صنعتی توسط فرایند غشایی
فرایند های غشایی به دلیل داشتن مزایایی نظیر کم هزینه و ساده بودن، نیاز به فضای اندک، نیاز به مصرف انرژی و امکان دستیابی به ضریب آلودگی زدایی بالا، در فرایند های تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین مطرح می شوند.فرایند های ریز صاف کردن، فرا صاف کردن، اسمز معکوس، تقطیر غشایی، الکترودیالیز و غشای مایع برای تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزای LLW و ILW مورد بررسی قرار گرفته اند.نتایج تحقیقات گوناگون در مورد کاربرد این فرایند ها جهت تصفیه ی این فاضلاب در ادامه شرح داده می شوند.

تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا توسط فرایند های ریز صاف کردن و فرا صاف کردن
فرایند های ریز صاف کردن فرا صاف کردن بیشتر به عنوان پیش تصفیه فرایند اسمز معکوس در تصفیه فاضلاب های سمی و پرتوزا به کار می روند.برای تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین توسط فرایند های ریز صاف کردن و فرا صاف کردن، پایداری غشا در برابر اشعه ی پرتوزا و تولید حداقل فاضلاب ثانوی جهت رفع گرفتگی آن، نقش اساسی دارند.
نخستین تحقیق در این رابطه در سال ۱۹۸۸ با استفاده از غشاهای زیرکونیم بر پایه ی کربن، و آلومین بر پایه آلومینیم برای تصفیه فاضلاب پرتوزای LLW ساطع کننده ی پرتوهای آلفا، بتا و گاما انجام گرفته است.بهترین نتایج برای حذف پرتوهای آلفا در PH مساوی ۴٫۵ بوده است.ضریب آلودگی زدایی، ۵ برابر بیشتر از تصفیه توسط فرایند ترسیب بوده است.مشاهده شده است که غشاهای سرامیکی نمی توانند در معرض پرتوهای شدید گاما قرار گیرند زیرا تخریب می شوند.غشاهای سرامیکی فرا صاف کردن برای جداسازی نمک های پرتوزای سدیم از فاضلاب های هسته ای مخزن دپارتمان انرژی ایالات متحده به خوبی به کار رفته اند و نتایج تحقیق، رضایت بخش اعلام شده است.غشاهای ریز صاف کردن سرامیکی تحت فشار و دور بالا با موفقیت برای جداسازی کلویید ها و سوسپانسیون ها به کار رفته اند.این فرایند جهت حذف فلزات سنگین با غلظت های گوناگون توصیه شده است.
نتایج تحقیق کاربرد فرایند ریز صاف کردن در جداسازی اجزای جامد نامحلول فاضلاب پرتوزای مرکز مهندسی و فناوری هسته ای ایداهوی آمریکا موفقیت آمیز گزارش شده است.درصد جداسازی اجزای جامد در فاضلاب حاوی ۲٫۴۴ درصد وزنی جامد، ۹۹٫۱۴ درصد بوده است.در این تحقیق، گزارش شده است که فشار و سرعت جریان عرضی به شدت روی شار تراوشی تاثیر می گذارند.
به منظور جدا کردن ایزوتوپ پرتوزای ید در مقیاس نیمه صنعتی از فرایند صاف کردن به عنوان پیش تصفیه اسمز معکوس استفاده و شده و عملکرد هر دو فرایند به تنهایی نیز در تصفیه فاضلاب مورد مقایسه قرار گرفته است.استفاده از فرایند صاف کردن به تنهایی ۷۰ درصد جداسازی ید پرتوزا را به دنبال داشته است.استفاده از فرایند صاف کردن به عنوان پیش تصفیه اسمز، سبب افزایش درصدی ید به ۹۷ درصد، کاهش گرفتگی غشای اسمز معکوس و افزایش عمر مفید آن شده است.ترزنادل با استفاده از فرایند ترکیبی فرا صاف کردن با غشاهای سرامیکی تجاری و فرایند ترسیب، موفق به تصفیه ی یک فاضلاب حاوی فلزات سنگین پرتوزا شده است.
از مواد کمپلکس کننده ی پلی آکریلیک اسید و نمک های آن جهت فرایند ترسیب استفاده شده است.بسته به غلظت عامل کمپلکس کننده و اندازه حفرات غشا ضریب آلودگی زدایی ۱ تا ۱۰۰ مشاهده شده است.
در تحقیق دیگری در مقیاس نیمه صنعتی جهت تصفیه فاضلاب پرتوزا توسط فرایند ترکیبی فراصاف کردن و ترسیب مشاهده شده است که جرم مولکولی و غلظت عامل رسوب دهنده بر روی حذف فلزات سنگین پرتوزای فاضلاب، تاثیر زیادی دارند.در مورد تاثیر PH بر روی تصفیه همین فاضلاب توسط فرایند ترکیبی فرا صاف کردن و ترسیب مشاهده شده است که با افزایش PH از ۳ تا ۵ ضریب آلودگی زدایی افزایش می یابد ولی با افزایش PH از ۵ تا ۱۰ ضریب آلودگی زدایی کمتر می شود.

تصفیه فاضلاب های پرتوزا حاوی فلزات سنگین توسط فرایند اسمز معکوس
فرایند اسمز معکوس جهت تصفیه ی فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا، هنگامی که ضرایب کاهش حجم و آلودگی زدایی بالایی مورد نیاز باشد ایده آل است.از مهمترین مسائل در انتشار غشا مقاومت در برابر تابش پرتو زا است که در میان غشاهای پلیمری استات سلولوز بیشترین مقاومت را دارد.غشاهای سرامیکی نیز همگی مقاومت تابشی بالایی دارند. برای جلوگیری از گرفتگی غشا احتیاج به عملیات تمیز کاری است که منجر به تولید ۱ درصد فاضلاب ثانوی می شود.
در سال ۱۹۷۰ در کانادا به منظور تصفیه ۲۸۰۰۰ متر مکعب فاضلاب پرتوزا در سال، از فرایند اسمز معکوس دو مرحله ای استفاده شده است.با استفاده از فرایند اسمز معکوس در مقیاس نیمه صنعتی به منظور جداسازی ید پرتوزا، ۹۷ درصد جداسازی ید پرتوزا از فاضلاب حاصل شده است.
جهت جذف فلزات سنگین پرتوزا از فاضلاب در مقیاس نیمه صنعتی در لهستان، از فرایند اسمز معکوس سه مرجله ای توسط غشای پلی آمید استفاده شده است.نتایج تحقیق بسیار رضایت بخش بود به گونه ای که در پایان تصفیه، ضریب آلودگی زدایی در حدود ۲۱۰۰۰ به دست آمد.

تصفیه فاضلاب حاوی فلزات سنگین توسط فرایند تقطیر غشایی
فرایند تقطیر غشایی نیاز به فشار بالا ندارد و در دما و فشار پایین می تواند کار کند.هزینه های سرمایه گذاری فرایند تقطیر غشایی کمتر ازاسمز معکوس است ولی مصرف انرژی و قیمت غشا در آن بیشتر است.استفاده از گرمای قابل بازیابی در سیستم خنک کننده ی راکتور هسته ای، نقش قابل توجهی در مصرف انرژی برای تامین گرمای مورد نیاز فرایند تقطیر غشایی دارد و فرایند تقطیر غشایی را به عنوان یک روش اقتصادی معرفی می کند.ضریب آلودگی زدایی در این فرایند به سمت بینهایت مل می کند.
بالاترین مزیت تقطیر غشایی، دستیابی به ضریب آلودگی زدایی بالا در یک مرحله و عدم نیاز به روش های خالص سازی تکمیلی است.
ترزنادل و همکارانش جهت تصفیه یک فاضلاب حاوی فلزات سنگین پرتوزای LLW در مقیاس نیمه صنعتی از فرایند تقطیر غشایی توسط غشای پلیمری PTFE با حفرات ۰٫۲ میکرومتر و تخلخل ۸۰ درصد استفاده کرده اند.بیشترین شدت جریان تراوشی در بالاترین دما و سرعت جریان عرضی خوراک حاصل شده است.
با ترکیب فرایند تقطیر غشایی با تبخیر یا اسمز معکوس جهت تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین می توان به ضریب آلودگی زدایی بالا و حد اقل مصرف انرژی دست یافت.این گونه فرایند های ترکیبی در دست بررسی هستند.

تصفیه فاضلاب های پرتوزا توسط فرایند الکترودیالیز
فرایند الکترودیالیز جهت تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا هنوز در مرحله آزمایش قرار دارد و تحقیقات زیادی در مورد آن صورت نگرفته است.اساس فرایند الکترودیالیز، هدایت یون ها تحت تاثیر گرادیان پتانسیل الکتریکی از میان یک غشای عبور دهنده ی یونی می باشد که مانع عبور یون ها با بار همنام می شود.در موسسه تحقیقات انری هسته ای ژاپن، فرایند الکترودیالیز برای جداساز ییون های پرتوزای فاضلاب LLW و ILW با استفاده از نمک های غیر فعال به عنوان حامل یون های پرتوزا مورد آزمایش قرار گرفته که نتایج رضایت بخشی مشاهده شده است.

تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا توسط غشای مایع
تحقیقات اخیر امکان استفاده از سیستم غشای مایع نگه داشته شده SLM را برای جداسازی Cs و Sr و لانتانید ها و اکتنید ها از جزیان فاضلاب حاوی فلزات سنگین نشان داده است.برتری بازیابی اورانیم از اسید فسفریک با استفاده از غشای مایع امولسیونی ELM به عنوان یک فرایند اقتصادی و موثر در مقایسه با فرایند استخراج با حلال نشان داده شده است.
در یک تحقیق دیگر، با استفاده از غشای مایع نگه داشته شده، عنصر پرتوزای Cs از یک فاضلاب پرتوزای شبیه سازی شده با موفقیت حذف شده است.در این سیستم نوع حامل، نگه دارنده و حلال، تغییرات دما و غلظت اولیه یون پرتوزا، نقش اساسی در فرایند تصفیه داشته اند. ماده CMPO به عنوان حامل، نتیجه قابل قبولی ارائه داده و پلی پروپیلن و تفلون به عنوان غشا نتایج رضایت بخشی را نشان داده اند.

نتیجه گیری
آلودگی پرتوزا از آلودگی های خطرناک محیط زیست است که ناشی از وجود فلزات سنگین پرتوزا در فاضلاب های مختلف می باشد.چهار فرایند اصلی متداول تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا، تبخیر حرارتی، ترسیب شیمیایی، تبادل یون و جذب سطحی می باشند.
اخیرا فرایند های غشایی به دلیل داشتن مزایایی نظیر کم هزینه و ساده بودن، عدم نیاز به فضای زیاد، دارای بازدهی بالا از نظر مصرف انرژی و امکان دست یابی به ضریب آلودگی زدایی بالا، در فرایند تصفیه فاضلاب های پرتوزا مطرح شده اند.جهت تصفیه این فاضلاب ها توسط فرایند های ریز صاف کردن و فرا صاف کردن، پایداری غشا در برابر اشعه پرتوزا و تولید حداقل فاضلاب ثانوی نقش اساسی دارند.بالاترین مزیت تقطیر غشایی دستیابی به ضریب آلودگی زدایی بالا در یک مرحله وعدم نیاز به روش های خالص سازی تکمیلی است.ضریب آلودگی زدایی در این فرایند، به سمت بینهایت میل می کند.
فرایند الکترودیالیز جهت تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا هنوز در مرحله ی آزمایش قرار دارد و تحقیقات زیادی در مورد آن صورت نگرفته است.تحقیقات جدید، امکان استفاده از غشای مایع در تصفیه فاضلاب های فلزات سنگین را نیز نشان داده است.در پایان باید اشاره شود که با توجه به نتایج تحقیقات ارائه شده در این مقاله، فرایند های غشایی باعث کاهش شدید پرتوزایی فاضلاب و افزایش ضریب آلودگی زدایی فرایند تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات سنگین پرتوزا می شوند.کیفیت فاضلاب های تصفیه شده توسط فرایند های غشایی و ترکیبی جهت تخلیه در محیط زیست به خوبی با استاندارد های زیست محیطی مطابقت می کند.

برخی از منابع استفاده شده در این مقاله

۱٫ Muller, Karl Robert, Chemical waste Handing and Treatment 2nd Edition Wiley, p. 21-32, (1985).
۲٫ H. W. Fischer, S. Ulbrich, D. Pittauerova, B. Hettwig, Medical radioisotopes in the environment – following the pathway from patient to river sediment , Journal of Environmental Radioactivity 100, 1079–۱۰۸۵, (۲۰۰۹).
۳٫ International Atomic Energy Agency, “Treatment of Low and Intermediate Level Liquid Radioactive Waste”, Technical Report Series No. 236, IAEA, Vienna, 62, (1983).
۴٫ International Atomic Energy Agency, “Conditioning of Low and Intermediate Level Radioactive Waste”, Technical Report Series No.222, IAEA, Vienna, 14, (1983).
۵٫ IAEA (International Atomic Energy Agency). “Nonelectric applications of nuclear energy”, In: Proceedings of an Advisory Group meeting held in Jakarta, Indonesia, ۲۱–۲۳ November 1995. IAEA-TECDOC-923,IAEA, Vienna, p. 332, (1997).
۶٫ IAEA (International Atomic Energy Agency). Nuclear heat applications: design aspects and operating experience. In: Proceedings of Four Technical Meetings Held Between December 1995 and April 1998, IAEATECDOC- ۱۰۵۶٫ IAEA,Vienna, p. 364, (1998).
۷٫ IAEA, “IAEA Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material”, TS-R-1; Edition. International Atomic Energy Agency, Vienna, (2005).
۸٫ B. McAuley, J. Kunkel, S.E. Manahan, “A new process for drying and gasification of sewage sludge”. Water Engineering and Management, 18.23, (2001).

منبع:ماهنامه مهندسی شیمی