مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف آرسنیک در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از نمک‌های آهن (مانند FeCl₃ یا FeSO₄) برای تشکیل لخته‌های هیدروکسید آهن که آرسنیک را جذب می‌کنند:

  ↓Fe3++AsO43−​→FeAsO4

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۵–۷ (برای آرسنیک پنج‌ظرفیتی As(V)) یا ۷–۹ (برای آرسنیک سه‌ظرفیتی As(III)).

  • دوز منعقدکننده: ۲–۱۰ mg Fe/mg As.

ب. جذب سطحی (Adsorption)

• مواد جاذب:

  • اکسید آلومینیوم فعال (AA):

    Al2​O3​+H2​AsO4−​→Al2​O3​⋅H2​AsO4​

  • اکسید آهن (Fe₂O₃): جذب انتخابی آرسنیک از طریق پیوندهای سطحی.

• فرمول ایزوترم فروندلیچ:

  qe​=Kf​⋅Ce1/n​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

ج. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های آنیونی برای جذب آرسنات (AsO43−​):

  −R-Cl+(AsO4)3−​→R-AsO4​+3Cl

• احیای رزین: استفاده از NaCl غلیظ یا NaOH.

۲. روش‌های نوین

الف. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آهنی برای تولید یون‌های Fe2+Fe2+ که با آرسنیک واکنش می‌دهند:

  • واکنش آند:

    -Fe→Fe2++2e

  • تشکیل کمپلکس آرسنات آهن:

    ↓Fe2++AsO43−​→FeAsO4​

• فرمول فارادی:

  m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F)​

  • m: جرم آهن مصرفی (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه)، M: جرم مولی آهن (۵۶ g/mol)، n: ظرفیت (۲)، F: ثابت فارادی (۹۶۴۸۵ C/mol).

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • اسمز معکوس (RO): حذف ۹۵–۹۹٪ آرسنیک با فشار ۱۵–۳۰ بار.

  • نانوفیلتراسیون (NF): حذف ۸۰–۹۰٪ با شار ۱۰–۳۰ LMH.

• فرمول شار غشایی:

  (μ⋅Rm)/(J=(​ΔP−Δπ​

ج. نانوتکنولوژی (Nanotechnology)

• نانوجاذب‌ها:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۱۵۰ mg/g.

  • نانولوله‌های کربنی: جذب از طریق پیوندهای π-π و گروه‌های عاملی.

د. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• مکانیسم:
  تبدیل آرسنیک سه‌ظرفیتی (سمی‌تر) به پنج‌ظرفیتی با استفاده از اکسیدان‌ها (مثل ازون، پراکسید هیدروژن):

  As(III)+H2​O2​→As(V)+H2​O

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

انعقاد-لخته‌سازی۸۰–۹۰٪ کم تولید لجن صنایع کوچک

الکتروکوآگولاسیون ۹۰–۹۵٪ متوسط مصرف انرژی پساب‌های صنعتی

نانوفیلتراسیون ۸۵–۹۵٪ بالاگرفتگی غشا مناطق شهری

نانوجاذب‌ها ۹۵–۹۹٪ بسیار بالا بازیافت نانو ذرات سیستم‌های پیشرفته

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهن در انعقاد:

  دوز Fe (mg/L)=غلظت As (mg/L)×۱۰دوز

• ظرفیت جذب نانوذرات:

  (m)/(qe​=(C0​−Ce​)⋅V​

  • C0​: غلظت اولیه (mg/L)، V: حجم آب (L)، m: جرم جاذب (g).

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم انعقاد-لخته‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، میکسر مکانیکی، مخزن تهنشینی.

  • مواد: پلی‌اتیلن یا فولاد ضدزنگ.

• اجرا:
  ۱. تزریق FeCl₃ (دوز ۱۰ mg/L به ازای هر mg As).
  ۲. تنظیم pH به ۶–۷ با آهک یا اسید.
  ۳. جداسازی لجن FeAsO4​.

ب. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آهنی، منبع تغذیه DC (۲۰–۵۰ ولت)، مخزن واکنش.

• پارامترها:

  • جریان: ۰.۵–۲ A/m²، زمان تماس: ۳۰–۶۰ دقیقه.

ج. سیستم نانوفیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا، ماژول‌های غشایی مارپیچی، پیش‌تصفیه (فیلتر شنی).

• اجرا:

  • نصب غشاهای پلی آمیدی با اندازه منافذ ۱–۲ نانومتر.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: انعقاد-لخته‌سازی با آهن برای مناطق کم‌درآمد مناسب است.

• روش نوین: نانوجاذب‌ها و الکتروکوآگولاسیون برای حذف با راندمان بالا پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی: ترکیب اکسیداسیون As(III) به As(V) با جذب سطحی یا فیلتراسیون.

• مدیریت پسماند: تثبیت لجن آرسنیک با سیمان یا شیشه‌سازی برای جلوگیری از نشت.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۱۰ m³/day، غلظت آرسنیک ۰.۱ mg/L.

• روش انتخابی: نانوفیلتراسیون با شار ۲۰ LMH.

  • سطح غشا: (۲۰×۲۴)/۱۰≈۰.۰۲ m²

  • فشار عملیاتی: ۱۵ بار.

  • انرژی مصرفی: (۱۵×۱۰)/(۳۶۰۰×۰.۷)​≈۰.۰۶kWh/m³.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب