مرجع تخصصی آب و فاضلاب

۱. نکات و خطرات نیكل (Ni) در آب آشامیدني

• فرم‌های محیطی

  • Ni²⁺: فرم محلول و معمول در آب‌های زیرزمینی و سطحی

  • کمپلکس‌های Ni با هیدرات‌ها یا اسیدهای آلی (مثلاً EDTA)

• اثرات زیان‌بار بر سلامتی

  • پوستی: در تماس مزمن با آب حاوی Ni → درماتیت تماسی، اگزما

  • تنفسی: بخار یا مه نیکل (صنعتی) → التهاب ریه، فیبروز

  • گوارشی: مواجهه‌ی مزمن از راه بلع → تهوع، استفراغ، درد شکمی

  • سیستم ایمنی و کلیوی: سرکوب ایمنی، افزایش پروتئینوری

  • سرطان‌زایی: برخی گونه‌های پودری Ni و ترکیبات کربنیل نیکل کلاس I (IARC)

• استانداردها و حد مجاز

  • WHO: ۷۰ µg/L

  • EPA آمریکا: ۱۰۰ µg/L (Maximum Contaminant Level Objective)

۲. شیوه‌های تصفیه و حذف نیكل

1. رسوب‌دهی شیمیایی (Precipitation)

   • افزودن هیدروکسید قلیایی (Ca(OH)₂ یا NaOH) → رسوب Ni(OH)₂ سفید → فیلتراسیون

   • کنترل pH ~9 برای حداکثر بازیابی

2. اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

   • حذف بالای >۹۰٪ Ni²⁺؛ نیاز به پیش‌تصفیه (حذف ذرات معلق و کلر)

3. تبادل یونی (Ion Exchange)

   • رزین‌های کاتیونی قوی (–SO₃H): تبادل Ni²⁺ با Na⁺ یا H⁺

   • رزین‌های اختصاصی نیکل (شرکت‌های معتبر)

4. جذب سطحی (Adsorption)

   • کربن فعال: حذف Ni با تکیه بر سطح ویژه و گروه‌های عاملی

   • بیوچار و زئولیت‌ اصلاح‌شده: هزینه پایین و ظرفیت مناسب

   • نانومواد اکسید آهن یا گرافن اکسید: جذب انتخابی بالا

5. الکتروشیمی (Electrocoagulation & Electrodeposition)

   • الکترودهای آهن/آلومینیوم → تولید یون‌های فلزی برای انعقاد و ته‌نشینی Ni

   • الکترودپلیشینگ: بازیابی Ni به‌صورت فلزی روی کاتد

6. فرآیندهای زیستی (Bioremediation & Phytoremediation)

   • باکتری‌ها یا جلبک‌های جذب‌کننده Ni

   • گیاهان ابرجاذب مانند Brassica juncea یا سرخس‌های خاص

۳. روش‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری Ni

1. Flame AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)

   • حد تشخیص ~۲۰–۵۰ µg/L

2. Graphite Furnace AAS (GF‑AAS)

   • حد تشخیص <۰.۵ µg/L، مناسب نمونه‌های کم‌غلظت

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

   • حد تشخیص نانوگرم بر لیتر، تفکیک ایزوتوپی Ni (⁵⁸Ni, ⁶۰Ni)

4. ICP–OES (Optical Emission Spectroscopy)

   • حد تشخیص ~۱–۵ µg/L

5. Anodic Stripping Voltammetry (ASV)

   • الکترودهای طلا یا کربن اصلاح‌شده؛ حد تشخیص ~۰.۱ µg/L

6. Colorimetric Kits

   • معرف PAN (1‑فنیل‑2‑نافتولی‌ن) → کمپلکس نارنجی/قرمز قابل اندازه‌گیری اسپکتروفتومتریک

۴. روش‌های سنتی حسی و چشمی

• طعم و بو

  • Ni²⁺: در غلظت‌های بالای µg/L ممکن است طعم فلزی یا تلخ خفیف احساس شود؛ اما غیرقابل‌اتکا

• رنگ و کدورت

  • آب طبیعی حاوی Ni رنگ یا کدورت ندارد

  • پس از افزودن معرف PAN: تشکیل رنگ نارنجی مایل به قرمز

• کیت‌های میدانی (Test Strips)

  • نوارهای اندیکاتور آغشته به PAN یا دی‌تیزوون: تغییر رنگ قابل مشاهده

۵. سایر روش‌های ساده و پیشرفته

1. سنسورهای نانوفناوری

   • نانوذرات طلا/نقره با لیگاندهای تیول: تغییر جذب نوری یا سیگنال الکتروشیمیایی

2. Microfluidic Paper-Based Devices (µPADs)

   • واکنش رنگ‌سنجی PAN در ساختار کاغذی میکروفلوئیدیک

3. DGT (Diffusive Gradients in Thin Films)

   • جذب پیوسته Ni روی رزین در ژل → پایش بلندمدت غلظت Bioavailable

4. LIBS (Laser‑Induced Breakdown Spectroscopy)

   • تحلیل طیفی فوری روی نمونه‌ی خشک‌شده

5. Biosensors

   • آنزیم‌ها یا میکروارگانیسم‌های مهندسی‌شده به Ni → تغییر سیگنال الکتریکی/فلورسانس

۶. علائم و نشانه‌های محیطی

• تجمع در رسوبات

  • ورودی فاضلاب صنایع آبکاری و باتری‌سازی → لایه‌های Ni-rich در بستر رودخانه‌ها

• اثر بر آبزیان و بی‌مهرگان

  • کاهش زنده‌مانی Daphnia magna و ماهیان حساس

  • اختلال در آنزیم‌های کبدی ماهی (سیتوکروم P450)

• گیاهان ابرجاذب (Bioindicator)

  • گونه‌هایی مانند Brassica juncea یا سرخس‌های خاص افزایش رشد در خاک/آب آلوده

• نشانه‌های هیدروژئوشیمیایی

  • pH اسیدی تا خنثی (۵.۵–۷) و اکسیژن‌دار: انتشار Ni از کانی‌های معدنی

نتیجه‌گیری مهندسی:
با توجه به فقدان علائم حسی قابل اعتماد برای Ni²⁺، پایش کیفی و کمی آب با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی حساس (GF‑AAS یا ICP–MS) و به‌کارگیری سامانه‌های چندمرحله‌ای تصفیه (رسوب‌دهی شیمیایی + Adsorption + تبادل یونی + RO) برای حذف مؤثر نیکل از آب آشامیدنی ضروری است. در محیط‌های دورافتاده می‌توان از کیت‌ها و سنسورهای میدانی برای غربالگری اولیه بهره برد و نمونه‌های مشکوک را جهت تحلیل دقیق به آزمایشگاه ارسال نمود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف نیکل (Ni²⁺) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بالا و اثرات منفی بر سلامت انسان (مانند حساسیت پوستی، آسیب به کلیه و سرطانزایی) و محیط زیست، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نیکل معمولاً در فاضلاب صنایعی مانند آبکاری فلزات، تولید باتری، صنایع الکترونیک و فولادسازی یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف نیکل، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف نیکل:

1. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • فرمول واکنش با هیدروکسید سدیم (NaOH):

     ↓Ni2++2OH−→Ni(OH)2​

   • فرمول واکنش با سولفید سدیم (Na₂S):

     Ni2++S2−→NiS↓Ni2++S2−→NiS↓

   • مزایا: ساده و کم‌هزینه.

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

2. تبادل یونی (Ion Exchange):

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

   • فرمول کلی:

     +2R-Na+Ni2+→R2​-Ni+2Na

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

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

3. جذب سطحی (Adsorption):

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

   • فرمول جذب:

     Ni2++Adsorbent→Ni-Adsorbent

   • مزایا: ساده و مؤثر.

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

روش‌های نوین حذف نیکل:

1. نانو جاذب‌ها (Nanoadsorbents):

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

   • مکانیسم: گروه‌های عاملی (-OH، -COOH) روی سطح نانوذرات، یون‌های Ni²⁺ را جذب می‌کنند.

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

2. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

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

   • فرمول واکنش:

     -Fe→Fe2++2e
   • ​↓Fe2++Ni2++4OH−→Fe(OH)2​⋅Ni(OH)2

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

3. فناوری غشایی (Membrane Technology):

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

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

     • بازده: تا ۹۹٪ حذف نیکل.

   • مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی بزرگ.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

4. زیست‌جذب (Biosorption):

   • استفاده از زیست‌توده‌های ارزان مانند جلبک‌ها (Spirulina)، پوست موز یا ضایعات کشاورزی.

   • فرمول کلی:

     Ni2++Biomass→Ni-Biomass

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

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • ته‌نشینی: pH ~۹–۱۱ برای تشکیل Ni(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.

• دما: ۲۵–۳۵°C برای فعالیت بهینه زیست‌جاذب‌ها.

فرمول‌های کلیدی:

• ایزوترم جذب لانگمویر:

• Ce/qe=1/(KL*qm)+Ce/qm

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

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای غلظت‌های بالا: ترکیب ته‌نشینی شیمیایی با فیلتراسیون.

   • برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانو جاذب‌ها یا سیستم‌های غشایی.

2. مواد و تجهیزات:

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

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای ته‌نشینی، ستون‌های جذب یا سیستم‌های الکتروشیمیایی.

   • نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

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

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه پایین، هنوز در صنایع استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و زیست‌جذب به دلیل کارایی بالا، سازگاری با محیط زیست و امکان بازیابی نیکل، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت نیکل، 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