معرفی آرسنیک و خطرات آن بر سلامت

آرسنیک (As) یک شبه‌فلز طبیعی است که در پوسته زمین فراوانی قابل توجهی دارد. این عنصر به‌شدت سمی است و توسط سازمان جهانی بهداشت (WHO) در گروه سرطان‌زای انسانی طبقه‌بندی شده است. مصرف مزمن آب آلوده به آرسنیک (به‌ویژه گونه‌های سمی آن) می‌تواند باعث ضایعات پوستی (مانند هایپرپیگمنتاسیون و هایپرکراتوزیس) و انواع سرطان (پوست، ریه، کلیه، مثانه و غیره) شود. از نظر شیمیایی، گونه سه‌ظرفیتی آرسنیک (As(III)، آرسنیت) به‌دلیل تحرک بالاتر و سمیت بیشتر، خطرناک‌تر از گونه پنج‌ظرفیتی (As(V)، آرسنات) است. عمده‌ترین مسیر ورود آرسنیک به بدن انسان، مصرف آب آشامیدنی آلوده است. این آلاینده در مقیاس جهان به‌طور گسترده برای سلامت تهدید تلقی می‌شود و WHO غلظت آن در آب آشامیدنی را حداکثر ۱۰ میکروگرم در لیتر توصیه کرده است.

منابع آرسنیک در آب‌های طبیعی

آرسنیک می‌تواند از منابع طبیعی و انسانی وارد آب‌های زیرزمینی شود. در منابع طبیعی، فرایندهایی مانند هوازدگی و اکسیداسیون مواد معدنی حاوی آرسنیک (مثلاً پیریت)، فعالیت‌های آتشفشانی و حتی آتش‌سوزی جنگل‌ها، سبب آزاد شدن آرسنیک به آب می‌شوند. به علاوه، نفوذ طبیعی سنگ‌های معدنی غنی از آرسنیک به آب‌های زیرزمینی باعث بالا رفتن غلظت آرسنیک می‌شود. از سویی دیگر، فعالیت‌های انسانی نیز منبع مهمی برای ورود آرسنیک به محیط زیست‌اند. استفاده از آرسنیک در صنایع کشاورزی (مانند حشره‌کش‌ها و علف‌کش‌ها)، صنایع چوب (مواد نگهدارنده چوب)، متالورژی و الکترونیک، همگی به آلوده کردن آب‌ها به آرسنیک منجر می‌شوند.

استانداردهای جهانی آرسنیک در آب آشامیدنی

سازمان جهانی بهداشت غلظت آرسنیک در آب آشامیدنی را تا ۱۰ میکروگرم در لیتر مجاز دانسته است. این معیار توسط دستورالعمل‌های بین‌المللی از جمله دستورالعمل آب آشامیدنی اتحادیه اروپا نیز به‌طور قانونی به ۱۰ μg/L تعیین شده است. برخی کشورها استانداردهای سختگیرانه‌تری دارند؛ برای مثال دانمارک و ایرلند غلظت حداکثری را به‌ترتیب ۵ و ۷.۵ μg/L تعیین کرده‌اند. در ایالات متحده، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) از سال ۲۰۰۱ حد مجاز آرسنیک در آب آشامیدنی را ۱۰ واحد در بیلیون (معادل ۱۰ μg/L) تصویب کرده است.

روش‌های تصفیه آرسنیک از آب

از دید کلی، روش‌های حذف آرسنیک از آب شامل سه دسته فیزیکی، شیمیایی و زیستی هستند که هر یک چند زیرمجموعه مهم دارند. در ادامه این روش‌ها تشریح می‌شوند:

• روش‌های فیزیکی: عمده‌ترین فرایندهای فیزیکی شامل استفاده از غشاهای تبادل یونی و فرآیندهای غشایی مانند نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس است. غشاهایی با منافذ بسیار ریز (مانند غشاهای NF/RO) به‌طور معمول بیش از ۹۰٪ آرسنیک موجود را حذف می‌کنند. این روش‌ها به‌دلیل راندمان بالای حذف آرسنیک و نیاز به افزودن مواد شیمیایی کم، در مقیاس صنعتی کاربرد فراوانی دارند. با این حال، هزینه اولیه بالا، نیاز به فشار کاری زیاد برای عبور آب از غشا و تولید پساب غلیظی که حاوی آرسنیک باقی‌مانده است از معایب مهم این روش‌ها به‌شمار می‌روند. فیلتراسیون ساده (مانند فیلتر شنی) به‌تنهایی معمولاً اثربخشی زیادی در حذف آرسنیک ندارد و اغلب برای حذف ذرات معلق به‌کار می‌رود.

• روش‌های شیمیایی: شامل جذب سطحی، اکسیداسیون شیمیایی و انعقاد–لخته‌سازی است.

  • جذب سطحی (Adsorption): یکی از رایج‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای حذف آرسنیک است. در این روش، آرسنیک توسط جاذب‌هایی مانند اکسیدهای آهن و آلومینیوم، کربن فعال یا انواعی از زئولیت‌ها جذب می‌شود. جذب سطحی به‌دلیل کارایی بالای حذف آرسنیک، هزینه نسبتاً پایین و سهولت عملیات، به‌عنوان یک روش اقتصادی و عملی شناخته می‌شود. جاذب‌های صنعتی متداول شامل هیدروکسید آهن گرانولی و آهن صفر ظرفیتی هستند که در مقیاس تجاری تولید شده‌اند.

  • اکسیداسیون شیمیایی: معمولاً جهت تسهیل حذف آرسنیک انجام می‌شود، به‌خصوص برای تبدیل آرسنیک سه‌ظرفیتی (بسیار محلول و سمی) به آرسنیک پنج‌ظرفیتی که حذف آن آسان‌تر است. اکسیدکننده‌هایی مانند ازن، پرمنگنات پتاسیم یا کلر می‌توانند As(III) را به As(V) تبدیل کنند، در نتیجه کارایی فرایندهای بعدی مانند انعقاد و جذب افزایش می‌یابد.

  • انعقاد–لخته‌سازی: در این روش شیمیایی رایج، ترکیباتی مانند کلرید فریک (FeCl3) یا سولفات آلومینیوم به آب اضافه می‌شوند تا بار ذرات معلق خنثی شده و ذرات بزرگ‌تری (لخته) تشکیل شود. آرسنیک محلول به‌صورت جذب‌شده یا رسوب‌داده‌شده در این لخته‌ها به فاز جامد منتقل شده و سپس با ته‌نشینی یا فیلتراسیون از آب جدا می‌شود. روش انعقاد-لخته‌سازی در تصفیه آب شهری کاربرد گسترده‌ای دارد و می‌تواند غلظت آرسنیک را تا زیر حد استاندارد (مثلاً زیر ۱۰ μg/L) کاهش دهد.

• روش‌های زیستی: در این روش‌ها از فرآیندهای بیولوژیکی طبیعی برای حذف آرسنیک استفاده می‌شود.

  • باکتری‌های سولفات‌کاهنده (SRB): این گروه میکروارگانیسم‌ها با مصرف سولفات، سولفید تولید می‌کنند که می‌تواند آرسنیک را به شکل رسوب فلزی (آرسنی‌سولفید) تثبیت کند. مطالعات نشان داده است که سیستم‌های بیوراکتور مبتنی بر SRB قادرند مقادیر قابل توجهی از As(III) و As(V) را با تشکیل رسوب فلزی از آب حذف کنند.

  • تالاب‌های مصنوعی: سیستم‌های خاکی-آبی‌ای که برای تصفیه طبیعی آب طراحی شده‌اند، امکان حذف آرسنیک از طریق طیف متنوعی از مکانیزم‌ها را فراهم می‌کنند. در این تالاب‌ها، فعالیت گیاهان و باکتری‌ها موجب اکسیداسیون و ته‌نشینی آرسنیک (مثلاً به شکل آرسنات‌های رسوبی یا کانی‌های آرسنیکی) و جذب آن به سطح ذرات خاک و گیاهان می‌شود. تالاب‌های ساخته‌شده مزیت کم‌هزینه و کارکرد پایدار دارند و در مطالعات مختلف به حذف موفقیت‌آمیز آرسنیک گزارش شده است.

مزایا و معایب هر روش

• روش‌های فیزیکی: مزایا این گروه شامل راندمان بالای حذف (به‌ویژه در سیستم‌های غشایی) و عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی به آب است. معایب آن‌ها هزینه سرمایه‌ای و عملیاتی بالا، نیاز به فشار کاری زیاد و تولید پساب غلیظ حاوی آرسنیک است.

• روش‌های شیمیایی: مزایای اصلی شامل کارایی بالا در حذف آرسنیک، امکان طراحی در مقیاس بزرگ و نسبتاً هزینه پایین (خصوصاً در جذب سطحی) است. مثلاً جذب سطحی می‌تواند به‌طور چشمگیری آرسنیک را حذف کند، اما نیاز به تعویض یا احیای جاذب پس از اشباع دارد و حضور یون‌های رقابتی (مانند فسفات) می‌تواند ظرفیت جذب را کاهش دهد. روش انعقاد-لخته‌سازی نیز در مقیاس صنعتی معمول و اثربخش است، اما تولید مقادیر قابل توجهی لجن و نیاز به کنترل دقیق pH از معایب آن است.

• روش‌های زیستی: این روش‌ها مزیت اصلی‌شان هزینه پایین و قابلیت اجرا به‌صورت غیرفعال (مانند تالاب‌های مصنوعی) است. آن‌ها می‌توانند در بسیاری از شرایط محیطی کار کنند و بعضاً بازیابی و نگهداری ساده‌تری دارند. معایب روش‌های زیستی شامل زمان واکنش طولانی‌تر، نیاز به شرایط خاص محیطی (pH، منبع کربن، دما و غیره) و کنترل دشوارتر فرآیند است، به‌طوری که تضمین حذف کامل آرسنیک در همه شرایط همواره ممکن نیست.

فناوری‌های نوین و پژوهش‌های جدید در تصفیه آرسنیک

در سال‌های اخیر، تحقیقات بسیاری روی استفاده از فناوری‌های پیشرفته برای حذف آرسنیک انجام شده است. از جمله، جاذب‌های نانوساختار توجه زیادی یافته‌اند؛ برای مثال نانوذرات آهن-اکسید و جاذب‌های گرافنی، مساحت سطح ویژه بسیار بالایی دارند و ظرفیت بالایی در جذب آرسنیک نشان داده‌اند. همچنین چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFها) و مواد دو‌لایه (LDHهای آهن–منگنز) به‌عنوان جاذب‌های نوظهور مطرح شده‌اند که بر اساس نتایج آزمایشگاهی، حذف بسیار بالایی (بیش از ۹۵٪) در سطح خنثی داشته‌اند. در حوزه فرایندهای شیمیایی جدید، استفاده از روش‌های فتوکاتالیستی و اکسیداسیون پیشرفته به چشم می‌خورد. نیمه‌رساناهای فوتوکاتالیست (مانند TiO۲ تحت نور UV یا خورشید) می‌توانند As(III) را به As(V) اکسید کنند که باعث کاهش سمیت و تسهیل حذف آن در مراحل بعدی می‌شود. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که اکسیداسیون فوتوکاتالیستی به‌خصوص در مناطقی با دسترسی به نور خورشید قوی، یک روش پایدار و امیدوارکننده برای کاهش آلودگی آرسنیک است. علاوه بر این، روش‌های ترکیبی نظیر غشاهای پوشیده با نانوذرات و یا فرایندهای الکتریکی/الکترواستیکاسیون نیز در حال توسعه هستند. این فناوری‌های نوین هنوز در مقیاس صنعتی به‌طور کامل به‌کارگیری نشده‌اند، اما مطالعات آزمایشگاهی و پایلوتی پتانسیل بالای آن‌ها را در بهبود تصفیه آب نشان داده است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

به طور سنتی، فرایندهای انعقاد و فیلتراسیون جهت حذف آرسنیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. مواد منعقدکننده همچون آلوم، کلرید فریک، سولفات فریک و آب‌آهک جهت حذف آرسنیک با درجه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای حذف آرسنیک با فرایند انعقاد آرسنیک معمولا باید به شکل As(V) باشد، اگر As(III) موجود باشد، نخست باید با استفاده از کلر، ازون یا پرمنگنات به شکل آرسنات اکسید شود. ساز و کارهای حذف As(V) بوسیله‌ی فرایند انعقاد می‌تواند ترکیبی از ترسیب، ترسیب همزمان[1] و جذب سطحی باشد.

 

درصد حذف با اسفاده از کلرید فریک از 81 تا 100 درصد برای دوزهای منعقدکننده‌ی 5 تا 304 میلیگرم بر لیتر تغییر می‌کند. دوز معمول برای نمکهای فریک 5 تا 30 میلیگرم بر لیتر و pH معمولا زیر 8 می‌باشد.

انعقاد آلوم میزان حذف 23 تا 100 درصد را با دوز 6 تا 50 میلیگرم بر لیتر نشان می‌دهد. دوز معمول برای آلوم 10 تا 50 میلیگرم بر لیتر و pH معمولا بین 6 و 7 می‌باشد. برای فرایندهای تصفیه‌ی آهن-منگنز، که غلظت Fe²⁺ بیش از 5/1 میلیگرم بر لیتر است، حدود 80 تا 90 درصد آرسنیک حذف می‌شود.

تصفیه‌خانه‌هایی که تنها منگنز را حذف می‌کنند، مقادیر قابل توجهی از آرسنیک را حذف نمی‌کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تبادل یون می‌تواند یک فرایند مناسب رشد و ترقی برای حذف آرسنیک از آبهای طبیعی باشد. ملاحظات طراحی برای حذف آرسنیک بوسیله‌ی تبادل یون شامل موارد زیر می‌شود:

1)     مرحله‌ی اکسیداسیون آرسنیک

2)     نوع رزین

3)     غلظت یون زمینه و نوع یون

4)     زمان تماس بستر خالی

5)     میزان و قدرت بازیاب

6)      تصفیه و استفاده‌ی مجدد پساب. 

As(V) در محدوده‌ی pH آبهای طبیعی، 6 تا 9، به صورت   تک ظرفیتی و  دو ظرفیتی وجود دارد. در صورتی که As(III) در آب وجود داشته باشد، معمولا به صورت یک گونه‌ی خنثی وجود دارد، نمی‌توان آن را به وسیله‌ی روش تبادل یونی حذف کرد، بلکه باید نخست آن را به As(V) اکسید کرد و سپس با روش تبادل یونی آن را حذف نمود. برای آبهای با غلظت TDS کمتر از حدود 500 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت سولفات کمتر از 120 میلی‌گرم بر لیتر، تبادل یون آنیونی می‌تواند از نظر اقتصادی روش جذابی برای حذف آرسنیک باشد. در غلظتهای TDS و سولفات پایین، رقابت برای محلهای تبادل رزین با آرسنیک کم است و می‌توان به ظرفیت تبادل مورد نیاز برای حذف آرسنیک رسید. با این حال برای آبهای با غلظتهای TDS و سولفات بالا، تبادل یون ممکن است یک فرایند قابل رشد و ترقی نباشد. برای آبهای با pH و قلیاییت بالا و سولفات پایین، As(V) را می‌توان به طور موثری توسط یک رزین تبادل یون آنیونی در شکل کلرید تصفیه نمود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

كشف برهم‌كنش‌هاي مغناطيسي غيرمنتظره بين نقاط بسيار كوچك زنگ (rust)، دانشمندان مركز فناوري نانو (CBEN) در دانشگاه رايس را به سمت توسعه يك فناوري كم هزينه و جالب براي پاكسازي آرسنيك از آب آشاميدني هدايت كرده است. اين فناوري ميليون‌ها نفر در هند، بنگلادش و ديگر كشورهاي در حال توسعه كه در آنها هزاران مورد آلاينده‌هاي آرسنيكي به چاه‌هاي آب وارد مي‌شود، را اميدوار كرده است.
Vicki Colvin مدير اين پروژه معتقد است كه آلودگي آرسنيك در آب آشاميدني يك معضل جهاني است، راه‌هاي مختلفي براي زدودن آن وجود دارد ولي براي اين كار دستگاه‌هاي وسيع و پمپ‌هاي فشار بالا كه با انرژي برق كار مي‌كنند، مورد نياز است. راه‌حل پيشنهادي اين گروه ساده و بي‌نياز از الكتريسيته است. هرچند نانوذرات استفاده شده در اين روش گران‌ قيمت هستند، اما آنها در حال كار بر روي روشي براي توليد آنها هستند كه در آن از زنگ (rust) و روغن زيتون استفاده مي‌شود و هيچ امكانات بيشتري جز يك اجاق گاز نياز ندارد.
فناوري CBEN مبتني بر يك برهم‌كنش مغناطيسي جديد كشف شده‌اي است كه بين ذرات بسيار ريز زنگ كه از ويروس كوچكتر هستند، اتفاق مي‌افتد. Colvin مي‌گويد: در ابتدا تصور مي‌شد اين ذرات مغناطيسي كوچك با يك ميدان مغناطيسي قوي برهم‌كنش نشان دهند. به دليل اين كه قبلا چگونگي ساخت اين ذرات در اندازه‌هاي مختلف را يافته بوديم، ما تصميم گرفتيم بر روي بزرگي ميدان مغناطيسي مورد نياز جهت بيرون كشيدن اين ذرات از سوسپانسيون تحقيق كنيم. نتيجه كار شگفت‌انگيز بود زيرا نيروي الكترومغناطيسي بزرگي براي به حركت درآوردن نانوذرات لازم نبود و در بسياري از موارد يك آهن‌رباي دستي هم مشكل را حل مي‌كرد.
آزمايشات با استفاده از نمونه‌هاي خالص از ذرات اكسيد آهن هم اندازه در آب به شكل سوسپانسيون انجام شد. يك ميدان مغناطيسي جهت وارد كردن فشار به ذرات براي خارج شدن از محلول مورد استفاده قرار گرفت كه در نهايت آب خالص باقي ماند. تيم Colvin ذرات ريز را بعد از زدودن از آب مورد اندازه‌گيري قرار دادند و توضيح شفافي را ارائه دادند: ذرات بعد از اعمال ميدان مغناطيسي به هم ديگر نچسبيده بودند. Colvin، معتقد است شواهد آزمايشگاهي بيانگر برهم‌كنش مغناطيسي بين خود نانوذرات است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

دانشمندان به تازگی روشی را برای حذف آرسنیک از آب پیدا کردند .در این روش از اکسید روی استفاده  میشود که اثرات جانبی نداشته ونسبت به روشهای دیگر ارزان میباشد.تحقیقات در این مورد ادامه دارد.

محققان دانشگاه اوكلاهاما موفق به حذف آرسنيك آب با استفاده از نانوذرات اكسيد روى شدند. از آنجا كه اكسيد روى توده اى نمى تواند آرسنيك را جذب كند، آنها اكسيد روى را به شكل يك توده متخلخل كه براى تصفيه آب مناسب بود، توليد كردند. ساتيش كورياوار، مجرى اين طرح گفت: نانوذرات خواص كاتاليستى و جذبى مفيدى را از خود نشان داده اند اما راهى براى استفاده از محاسن آنها در دنياى واقعى وجود نداشت. براى مثال، آنها در ستون تصفيه آب يا به سادگى معلق مى شوند و با جريان آب خارج مى شوند و يا هر فيلترى را كه در مسير حركت آنها قرار گرفته باشد، مسدود مى كنند. به گفته كورياوار و همكارانش، آنها روشى را براى ساخت توده هاى نانوذره اى هم اندازه و هم شكل رشته هاى رزينى كه هم اكنون مورد استفاده قرار مى گيرند، پيدا كرده اند. از اين رشته ها در تصفيه آب استفاده مى شود. وى گفت: در واقع اين توده ها از رزين هاى تبادل يونى ساخته شده اند. محققان براى ايجاد اين توده ها، رزين هاى تبادل كاتيون را با يون هاى روى پر كردند سپس آنها را سوزاندند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب