مرجع تخصصی آب و فاضلاب

۱. نکات و خطرات روی (Zn) در آب آشامیدنی

• فرم‌های شیمیایی

  • Zn²⁺: فرم غالب محلول در آب

  • کمپلکس‌های هیدروکسیدی یا کربناتی در pH بالا

• نقش زیستی و سمیت

  • روی یک عنصر ضروری برای متابولیسم است؛ دوزهای کم تا حدود ۲–۳ میلی‌گرم در لیتر (< mg/L) معمولاً بی‌ضرر یا حتی مفیدند.

  • مواجهه حاد با Zn²⁺ در دوزهای بالا (> ۵ mg/L) می‌تواند باعث تهوع، استفراغ، درد شکمی و اسهال شود.

  • مواجهه مزمن بسیار بالا (ده‌ها mg/L) ممکن است به اختلال در جذب مس و آهن و علائم کم‌خونی و اختلالات گوارشی منجر شود.

• استانداردها و حد مجاز

  • WHO (خط راهنمای طعم/بو): ۳ mg/L

  • EPA آمریکا (Secondary MCL برای طعم/کدورت): ۵ mg/L

۲. شیوه‌های تصفیه و حذف Zn

1. رسوب‌دهی شیمیایی (Precipitation)

   • بالا بردن pH با افزودن آهک هیدراته یا NaOH → تشکیل رسوب Zn(OH)₂ → حذف با ته‌نشینی یا فیلتراسیون

   • افزودن کربنات سدیم → رسوب ZnCO₃

2. اسمز معکوس (RO)

   • حذف > ۹۰٪ Zn²⁺ با ممبران‌های نیمه‌تراوا؛ نیاز به پیش‌تصفیه برای جلوگیری از گرفتگی ممبران

3. تبادل یونی (Ion Exchange)

   • رزین‌های کاتیونی قوی (گروه –SO₃H) → تبادل Zn²⁺ با Na⁺ یا H⁺

   • رزین‌های اختصاصی با لیگاندهای آمید یا اتر برای جذب گزینشی

4. جذب سطحی (Adsorption)

   • کربن فعال: سطح ویژه بالا و گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار

   • بیوچار: ارزان، قابلیت شارژ مجدد

   • زئولیت اصلاح‌شده یا مواد نانو (اکسید آهن/سیلیکا نانو): ظرفیت و گزینش‌پذیری بالاتر

5. الکتروشیمی (Electrocoagulation / Electrodeposition)

   • الکترودهای آهن/آلومینیوم → تولید یون‌های فلزی و هیدروکسیدها → انعقاد و ته‌نشینی Zn

   • در ولتاژ مناسب امکان رسوب Zn فلزی روی کاتد (بازیابی و بازیافت)

6. فرآیندهای زیستی (Bioremediation/Phytoremediation)

   • باکتری‌ها یا جلبک‌های خاص (مثل Chlorella spp.) جذب‌کننده Zn

   • گیاهان ابرجاذب مانند Brassica juncea در سیستم‌های خاک-آب

۳. روش‌های اندازه‌گیری آزمایشگاهی Zn

1. Flame AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)

   • حد تشخیص ≈ ۱۰–۲۰ µg/L؛ کاربرد گسترده برای نمونه‌های آب آشامیدنی

2. Graphite Furnace AAS (GF‑AAS)

   • حد تشخیص < ۱ µg/L؛ مناسب نمونه‌های بسیار کم‌غلظت

3. ICP–OES (Optical Emission Spectroscopy)

   • حد تشخیص ≈ ۵–۱۰ µg/L؛ اندازه‌گیری چند عنصر همزمان

4. ICP–MS (Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry)

   • حد تشخیص نانوگرم بر لیتر؛ تفکیک ایزوتوپی Zn (۶⁴Zn, ۶⁶Zn, ۶⁸Zn)

5. Colorimetric (Zincon or 4‑(2‑pyridylazo)resorcinol – PAR Method)

   • تشکیل کمپلکس رنگی زرد/نارنجی با PAR → اندازه‌گیری اسپکتروفتومتریک (λ≈500–550 nm)

   • Kits میدانی بر پایه Zincon: تغییر رنگ آبی در حضور Zn²⁺

6. Anodic Stripping Voltammetry (ASV)

   • الکترود طلا/کربن اصلاح‌شده → حد تشخیص ~۰.۱ µg/L

۴. روش‌های سنتی حسی و چشمی

• طعم و بو

  • Zn²⁺ محلول طعم قابل تشخیصی ندارد؛ در غلظت‌های خیلی بالا ممکن است تلخی یا طعم فلزی خفیف حس شود، اما غیرقابل‌اتکا

• تغییر رنگ یا کدورت

  • آب طبیعی حاوی Zn شفاف و بی‌رنگ است

  • پس از افزودن NaOH یا کربنات سدیم در نمونه آزمایشی، رسوب سفید Zn(OH)₂ یا ZnCO₃ قابل مشاهده است

• کیت‌های میدانی

  • نوارهای تست بر پایه Zincon یا PAR: تغییر رنگ قابل مشاهده چشم به آبی/نارنجی

۵. سایر روش‌های ساده و پیشرفته

1. سنسورهای نانوفناوری

   • نانوذرات طلا/نقره با لیگاند تیو (thiol) → تغییر جذب سطح پلاسمون در حضور Zn²⁺

2. Microfluidic Paper‑Based Devices (µPADs)

   • کانال‌های کاغذی با مناطق واکنش PAR → تشخیص سریع و ارزان

3. DGT (Diffusive Gradients in Thin Films)

   • جذب تدریجی Zn روی رزین در ژل → پایش Bioavailable Zn در بلندمدت

4. LIBS (Laser‑Induced Breakdown Spectroscopy)

   • تحلیل طیفی فوری روی نمونه خشک‌شده

5. حسگرهای بیولوژیکی (Biosensors)

   • آنزیم‌ها یا میکروارگانیسم‌های اصلاح‌شده با قابلیت تشخیص Zn → تغییر پتانسیل یا فلورسانس

۶. علائم و نشانه‌های محیطی وجود Zn

• منابع آلاینده

  • فاضلاب صنایع فلزکاری، باتری‌سازی، رویه‌سازی (galvanizing)

  • فرسایش لوله‌های روی‌گالوانیزه در شبکه توزیع آب

• تجمع در رسوبات

  • تشکیل لایه‌های Sn-rich/Zn‑rich در بستر رودخانه‌ها و مخازن

• اثر بر آبزیان

  • مقادیر بالا (> ۵۰ µg/L) → کاهش رشد و زادآوری Daphnia magna و ماهیان جوان

  • تغییرات در آنزیم‌های پمپ مس (ATPase) در صدف­‌ها و ماهیان

• گیاهان نشانگر (Bioindicator)

  • گونه‌هایی مانند Thlaspi caerulescens یا سرخس‌ها تجمع Zn بالا در برگ‌ها دارند

• هیدروژئوشیمی

  • pH خنثی تا قلیایی و شوری زیاد (TDS بالا) می‌تواند میزان حل‌شدن Zn را افزایش دهد

جمع‌بندی مهندسی:
با توجه به بی‌بو و بی‌رنگ بودن Zn²⁺ در آب، تنها پایش آزمایشگاهی دوره‌ای (AAS/ICP–MS یا روش‌های رنگ‌سنجی میدانی با کیت‌ها) و به‌کارگیری سامانه‌های تصفیه چندمرحله‌ای (رسوب‌دهی شیمیایی + Adsorption + تبادل یونی + RO) تضمین‌کننده حذف مؤثر و ایمن روی از آب آشامیدنی است. در مناطق روستایی می‌توان از کیت‌های میدانی برای غربالگری اولیه بهره برد و نمونه‌های مشکوک را برای تأیید به آزمایشگاه ارسال نمود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف روی (Zn²⁺) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت آن در غلظت‌های بالا و اثرات نامطلوب بر سلامت انسان (مانند اختلالات گوارشی و آسیب به سیستم عصبی) و محیط زیست، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. روی معمولاً در فاضلاب صنایعی مانند آبکاری فلزات، تولید باتری، معادن و صنایع رنگ‌سازی یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف روی، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف روی:

۱. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

• استفاده از هیدروکسید سدیم (NaOH) یا سولفید سدیم (Na₂S) برای تشکیل ترکیبات نامحلول روی.

• فرمول واکنش:

  ↓Zn2++2OH−→Zn(OH)2
• ↓Zn2++S2−→ZnS

• مزایا: ساده و کم‌هزینه.

• معایب: تولید لجن سمی و نیاز به دفع ایمن.

۲. تبادل یونی (Ion Exchange):

• استفاده از رزین‌های تبادل کاتیونی (مانند رزین سولفونیک اسید) برای جایگزینی یون روی با یون‌های بی‌خطر (مانند Na⁺).

• فرمول کلی:

  +2R-Na+Zn2+→R2​-Zn+2Na

• مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

• معایب: هزینه بالای رزین و نیاز به احیای دوره‌ای با اسید یا نمک.

۳. جذب سطحی (Adsorption):

• استفاده از جاذب‌هایی مانند کربن فعال، اکسید آهن یا زئولیت‌ها.

• فرمول جذب:

  Zn2++Adsorbent→Zn-Adsorbent

• مزایا: ساده و مؤثر.

• معایب: محدودیت در ظرفیت جذب و نیاز به احیای جاذب.

روش‌های نوین حذف روی:

۱. نانو جاذب‌های انتخابی (Selective Nanoadsorbents):

• استفاده از نانوذرات مغناطیسی (Fe₃O₄)، گرافن اکسید یا نانولوله‌های کربنی برای جذب انتخابی روی.

• مکانیسم: گروه‌های عاملی (-OH، -COOH) روی سطح نانوذرات، یون‌های Zn²⁺ را جذب می‌کنند.

• مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۱۵۰ mg/g) و قابلیت بازیابی جاذب با میدان مغناطیسی.

۲. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

• استفاده از الکترودهای آهن (Fe) یا آلومینیوم (Al) و جریان الکتریکی برای تولید هیدروکسیدهای فلزی که روی را رسوب می‌دهند.

• فرمول واکنش:

  −Fe→Fe2++2e
• ↓Fe2++Zn2++4OH−→Fe(OH)2​⋅Zn(OH)2

• مزایا: حذف همزمان چند فلز سنگین و کاهش لجن.

۳. فناوری غشایی (Membrane Technology):

• اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF):

  • مکانیسم: جداسازی یون‌های روی بر اساس اندازه و بار الکتریکی.

  • بازده: ۹۵–۹۹٪ حذف روی.

• مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی بزرگ.

• معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

۴. زیست‌جذب (Biosorption):

• استفاده از زیست‌توده‌های ارزان مانند جلبک‌ها، پوست گردو یا ضایعات کشاورزی.

• فرمول کلی:

  Zn2++Biomass→Zn-Biomass

• مزایا: سازگار با محیط زیست و هزینه عملیاتی پایین.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • ته‌نشینی شیمیایی: pH ~۹–۱۱ برای تشکیل Zn(OH)₂.

  • جذب سطحی: pH ~۶–۸ برای حداکثر جذب.

• زمان تماس: ۳۰–۱۲۰ دقیقه برای جذب سطحی و الکتروکواگولاسیون.

• غلظت جاذب: ۱–۵ گرم بر لیتر برای نانو جاذب‌ها.

• ولتاژ در الکتروکواگولاسیون: ۱۰–۲۰ ولت.

فرمول‌های کلیدی:

• محصول انحلال (Ksp) برای Zn(OH)₂:

  Ksp​=[Zn2+][OH−]2=4.5×10−17

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

ساخت و اجرا:

۱. طراحی سیستم:

• برای غلظت‌های بالا: ترکیب ته‌نشینی شیمیایی با فیلتراسیون.

• برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانو جاذب‌ها یا سیستم‌های غشایی.
  ۲. مواد و تجهیزات:

• مواد شیمیایی (NaOH، Na₂S)، رزین‌های تبادل یونی، نانوذرات Fe₃O₄، الکترودهای آهن/آلومینیوم، غشاهای نانوفیلتراسیون.
  ۳. نصب و راه‌اندازی:

• ساخت راکتورهای ته‌نشینی، ستون‌های جذب یا سلول‌های الکتروشیمیایی.

• نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.
  ۴. نگهداری:

• تعویض رزین‌ها، تمیزکاری غشاها و دفع ایمن لجن‌های حاوی روی.

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان در صنعت استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و زیست‌جذب به دلیل بازده بالا، سازگاری با محیط زیست و امکان بازیابی روی، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت روی، هزینه پروژه و الزامات زیست‌محیطی انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، زمان تماس و دوز جاذب، نقش کلیدی در افزایش بازده و کاهش هزینه‌ها دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب