مرجع تخصصی آب و فاضلاب

۱. خطرات کروم شش‌ظرفیتی (Cr⁶⁺) در آب آشامیدنی

• شیمی و فرم‌های کروم

  • Cr³⁺ (تری‌والان) نسبتاً غیرسمی و پایدار در آب‌های خنثی تا قلیایی

  • Cr⁶⁺ (هگزاکروم) به‌صورت کرومات (CrO₄²⁻) یا دی‌کرومات (Cr₂O₇²⁻)، بسیار سمی و حل‌شونده

• اثرات زیان‌بار

  • سرطان‌زایی: Cr⁶⁺ در تماس مزمن با مخاط ریه و دستگاه گوارش می‌تواند کارسینوژن باشد.

  • اختلالات گوارشی: درد شکم، اسهال، استفراغ در مواجهات حاد.

  • کلیوی و کبدی: آسیب سلولی، افزایش آنزیم‌های کبدی، نارسایی کلیه.

  • پوستی و چشمی: در تماس پوست یا چشم (مثلاً پرتاب قطرات آلوده)، التهاب، اگزما، تحریک شیمیایی.

• استانداردها و حد مجاز

  • WHO: ۵/۵ µg/L برای Cr⁶⁺ در آب آشامیدنی

  • EPA آمریکا: ۱ µg/L (فرعی برای کل کروم اما توصیه‌شده برای Cr⁶⁺)

  • اتحادیه اروپا: ۵۰ µg/L برای کل کروم (معمولاً Cr⁶⁺ کمتر از ۱۰ µg/L توصیه می‌شود)

۲. شیوه‌های تصفیه و حذف Cr⁶⁺

1. احیا شیمیایی (Chemical Reduction)

   • افزودن سولفیت سدیم یا سولفات آهن(II) → تبدیل Cr⁶⁺ به Cr³⁺ → رسوب‌دهی با هیدروکسید

   • کنترل pH (~6–8) برای بهینه‌سازی سرعت احیا

2. رسوب‌دهی (Co‑precipitation & Precipitation)

   • پس از احیا: افزودن سود کاستیک یا آهک هیدراته → رسوب Cr(OH)₃ → جداسازی با ته‌نشینی/فیلتراسیون

   • Co‑precipitation با Fe(OH)₃ یا Al(OH)₃ جهت جذب Cr

3. جذب سطحی (Adsorption)

   • کربن فعال و کربن سولفوره: سطح بالا برای کرومات

   • رزین‌های تبادل یونی آنیونی: جذب CrO₄²⁻

   • بیوچار و زئولیت‌ اصلاح‌شده: ارزان و پرظرفیت

4. اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون

   • حذف بالای >۹۰٪ Cr⁶⁺؛ نیاز به پیش‌تصفیه برای حذف ذرات معلق و کلر

5. الکتروشیمی (Electrocoagulation / Electrochemical Reduction)

   • الکترودهای آهن یا آلومینیوم → تولید یون‌هایی که Cr⁶⁺ را احیا و ته‌نشین می‌کنند

   • الکترودپلیشینگ (Electrodeposition) برای بازیابی Cr

6. بیورمدیشن (Bioremediation)

   • باکتری‌های احیاکننده Cr⁶⁺ (مثلاً Pseudomonas spp.) برای تبدیل بیولوژیک به Cr³⁺

7. فرآیندهای غشایی پیشرفته

   • پلیمرهای اصلاح‌شده با لیگاندهایی که کرومات را به‌صورت انتخابی جذب می‌کنند

۳. روش‌های اندازه‌گیری آزمایشگاهی Cr⁶⁺

1. Colorimetric (Diphenylcarbazide Method)

   • واکنش Cr⁶⁺ با 1,5‑diphenylcarbazide → کمپلکس ارغوانی → اندازه‌گیری اسپکتروفتومتریک (λ ≈ 540 nm)

   • حد تشخیص ~۱ µg/L

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

   • حد تشخیص نانوگرم بر لیتر؛ تفکیک ایزوتوپی Cr (⁵²Cr, ⁵⁴Cr)

3. ICP–OES (Optical Emission Spectroscopy)

   • حد تشخیص ~۵–۱۰ µg/L، برای نمونه‌های با غلظت بالاتر مناسب

4. Ion Chromatography (IC) Coupled with ICP–MS

   • جداسازی کرومات از سایر گونه‌ها و اندازه‌گیری با حساسیت بالا

5. Anodic Stripping Voltammetry (ASV)

   • الکترود طلا/کربن اصلاح‌شده برای اندازه‌گیری Cr⁶⁺ پس از الکترولیت احیا

۴. روش‌های سنتی حسی و چشمی

• طعم و بو

  • کرومات محلول: بی‌بو و بی‌طعم؛ حتی در غلظت‌های نسبتاً بالا نیز شناسایی حسی ممکن نیست.

• تغییر رنگ

  • افزودن 1,5‑diphenylcarbazide در میدان عملی: تشکیل رنگ بنفش قابل مشاهده

• کیت‌های میدانی (Test Strips)

  • نوارهای آغشته به diphenylcarbazide یا رزین‌های آنیونی: تغییر رنگ از زرد به ارغوانی

۵. سایر روش‌های ساده و پیشرفته

1. حسگرهای نانو

   • نانوذرات طلا/نقره با لیگاندهای آمینه یا تیول: تغییر جذب سطح پلاسمون در حضور Cr⁶⁺

2. Biosensor

   • آنزیم‌ها یا میکروارگانیسم‌های اصلاح‌شده با قابلیت تشخیص کرومات: تغییر سیگنال الکتریکی یا فلورسانس

3. DGT (Diffusive Gradients in Thin Films)

   • جذب تدریجی Cr⁶⁺ روی رزین در ژل → مناسب پایش بلندمدت

4. LIBS (Laser‑Induced Breakdown Spectroscopy)

   • تحلیل طیفی فوری روی نمونه خشک‌شده آب

5. Microfluidic Paper-Based Analytical Devices (µPADs)

   • طراحی ارزان و پرتابل برای واکنش رنگ‌سنجی Cr⁶⁺ در میکروکانال‌های کاغذی

۶. علائم و نشانه‌های محیطی

• تجمع در رسوبات

  • ورودی فاضلاب صنایع فولاد، رنگ‌سازی و دباغی → رسوب کرومات در بستر رودخانه

• اثر بر آبزیان

  • سمیت بالا برای بی‌مهرگان (Daphnia magna) و ماهیان حساس → کاهش جمعیت و تنوع زیستی

• گیاهان نشانگر (Bioindicator)

  • گونه‌هایی چون Spartina alterniflora در تالاب‌های آلوده به کروم دیده می‌شوند

• نشانه‌های هیدروژئوشیمیایی

  • آب‌های اسیدی (pH زیر 6) و اکسیژن‌دار (O₂ زیاد) باعث تثبیت Cr⁶⁺ می‌شوند

نتیجه‌گیری مهندسی:
برای اطمینان از حذف کامل Cr⁶⁺ از آب آشامیدنی، استفاده از سامانه‌های ترکیبی «احیا شیمیایی + رسوب‌دهی + Adsorption + RO» همراه با پایش دوره‌ای با روش‌های اسپکتروفتومتری رنگ‌سنجی و ICP–MS توصیه می‌شود. در شرایط میدانی، کیت‌های رنگ‌سنجی و نوارهای تست می‌توانند برای غربالگری اولیه به کار روند و نمونه‌های مشکوک جهت تأیید دقیق به آزمایشگاه ارسال شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف کروم (Cr) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بالا، به ویژه در حالت شش‌ظرفیتی (Cr(VI)) که سرطان‌زاست، از اهمیت حیاتی برخوردار است. کروم معمولاً در فاضلاب صنایعی مانند آبکاری فلزات، تولید رنگ، دباغی چرم و صنایع شیمیایی یافت می‌شود. در ادامه به روش‌های سنتی و نوین حذف کروم، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی اشاره می‌شود:

روش‌های سنتی حذف کروم:

1. کاهش شیمیایی و ته‌نشینی (Chemical Reduction & Precipitation):

   • کاهش Cr(VI) به Cr(III): استفاده از عوامل کاهنده مانند سولفات آهن (FeSO₄) یا دی‌اکسید گوگرد (SO₂).

     • فرمول واکنش:

       Cr2​O72−​+6Fe2++14H+→2Cr3++6Fe3++7H2​O

   • ته‌نشینی Cr(III): افزودن هیدروکسید سدیم (NaOH) برای تشکیل رسوب Cr(OH)₃.

     • فرمول واکنش:

       ↓Cr3++3OH−→Cr(OH)3​

   • مزایا: ساده و کم‌هزینه.

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

2. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل یونی (مانند رزین‌های سولفونیک اسید) برای جذب انتخابی یون‌های کروم.

   • فرمول کلی:

     +R-Na+Cr3+→R-Cr+3Na

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

   • معایب: هزینه بالای رزین و نیاز به احیای دوره‌ای.

3. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از جاذب‌هایی مانند کربن فعال، اکسید آهن (Fe₂O₃) یا زئولیت‌ها.

   • فرمول جذب:

     Cr3++Adsorbent→Cr-Adsorbent

   • مزایا: ساده و مؤثر.

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

روش‌های نوین حذف کروم:

1. نانو جاذب‌ها (Nanoadsorbents):

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

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

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۲۰۰ mg/g) و قابلیت بازیابی با میدان مغناطیسی.

2. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

   • استفاده از الکترودهای آهن یا آلومینیوم و جریان الکتریکی برای تولید یون‌های فلزی که کروم را به صورت فلوک رسوب می‌دهند.

   • فرمول واکنش:

     -Fe→Fe2++2e−
   • +Cr6++3Fe2+→Cr3++3Fe3+

   • مزایا: کاهش همزمان Cr(VI) و حذف فلزات دیگر.

3. فناوری غشایی (Membrane Technology):

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

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

     • بازده: تا ۹۹٪ حذف کروم.

   • مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی بزرگ.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

4. زیست‌پالایی (Bioremediation):

   • استفاده از باکتری‌های کاهنده (مانند Shewanella یا Pseudomonas) برای تبدیل Cr(VI) به Cr(III).

   • فرمول واکنش:

     ​2Cr3++7H2​O →​میکروب‌ها Cr2​O72−​+8H++3H2

   • مزایا: سازگار با محیط زیست و کم‌هزینه.

   • معایب: نیاز به کنترل دقیق دما و pH.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • کاهش شیمیایی: pH اسیدی (~۲–۳) برای تبدیل Cr(VI) به Cr(III).

  • ته‌نشینی: pH ~۸–۹ برای تشکیل Cr(OH)₃.

• زمان تماس: ۳۰–۹۰ دقیقه برای جذب سطحی و الکتروکواگولاسیون.

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

• پتانسیل الکتریکی: ۱۰–۲۰ ولت در الکتروکواگولاسیون.

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

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای غلظت‌های بالا: ترکیب کاهش شیمیایی با ته‌نشینی.

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

2. مواد و تجهیزات:

   • مواد شیمیایی (FeSO₄، NaOH)، رزین‌های تبادل یونی، نانوذرات Fe₃O₄، الکترودهای آهن، غشاهای نانوفیلتراسیون.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای کاهش شیمیایی، ستون‌های جذب یا سیستم‌های الکتروشیمیایی.

   • نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

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

فرمول‌های کلیدی:

• ایزوترم جذب فروندلیش:

  ln⁡qe=ln⁡KF+(1/n)ln⁡Ce​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L)، KF​ و n: ثابت‌های فروندلیش.

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان در صنایع استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و زیست‌پالایی به دلیل کارایی بالا، سازگاری با محیط زیست و امکان حذف انتخابی، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس نوع کروم (Cr(III) یا Cr(VI))، غلظت، هزینه و مقررات 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

مقاله کاربرد راکتور ایرلیفت و قارچ Aspergillus oryzae در حذف کروم از پساب صنایع چرمسازی
محمد نوری سپهر - استادیار دانشگاه علوم پزشکی سمنان- دانشکده پزشکی
سیمین ناصری (شناسه پژوهشگر - Researcher ID: ۳۳۹)
استاد دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشکده بهداشت
مهناز مظاهری - استادیار سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، پژوهشکده بیوتکنولوژی
چکیده مقاله:
در صنایع چرمسازی از کروم (3+) به منظور دباغی پوست استفاده می شود. کروم (3+) در شرایط ویژه و مناسب به کروم (6+) تبدیل می گردد که مخاطرات بهداشتی برای انسان و محیط زیت دارد. به همین دلیل WHO و EPA استاندارد کل کروم دفعی جهت آبیاری و یا دفع به محیط زیست را کمتر از 1mg/1 توصیه کرده اند. امروزه در مطالعات بیوتکنولوژی محیط زیست از قارچها و جلبکها در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می شود. قارچ آسپرژیلوس اوریزا از خانواده آسکومیستها بوده و قادر است فلزات سنگین را جذب نماید. تاکنوت تحقیقاتی در سطح جهان مبنی بر کاربرد این قارچ در حذف کروم پساب صنایع چرمسازی در مقیاس آزمایشگاهی و پایلوت است. روش تحقیق: ابتدا نمونه برداری از پساب واحد کروم زنی از یک کارخانه چرمسازی منتخب به منظور تعیین Cr+3, TKN, TOC, PH و( (PO4)(-3 بر اساس آخرین دستورالعمل آزمایشات آب و فاضلاب انجام شد. سپس نسبت کربن به ازت در محدوده 10 تا 12 تنظیم گردید. سوش قارچ A.oryzae تهیه و در مقادیر 0/24%- 0/04% (وزن خشک) به پساب کروم دار و استریل شده در غلظت 120-1080 mg/l تلقیح شد. نمونه ها در انکوباتوز شیکردار در دمای 30C و دور 150rpm به مدت 24 تا 48 ساعت قرار داده شدند. میزان رشد قارچ و حذف کروم تعیین و نمونه ای که بیشترین میزان حذف کروم را داشتند جهت بررسی فاکتورهای محیطی انتخاب گردید. در مرحله نهایی میزان حذف کروم در داکتور ایرلیفت با ثابت نمودن شرایط محیطی بهینه تعیین شد. نتایج تحقیق: در مطالعات آزمایشگاهی حداکثر میزان حذف کروم از پساب در نمونه ای که غلظت کروم در آن 240mg/l و میزان تلقیح 0/12% (وزن خشک) بود 98/2% تعیین گردید. میزان رشد توده سلولی و درصد حذف کروم در شرایط بهینه (150 rpm, T=30 C, PH=5 و ماده مغذی دی هیدروژن فسفات آمونیوم به میزان 0/3%) به ترتیب 0/45% (وزن خشک) و 99/8% بدست آمد. همچنین میزان توده سلولی و حذف کروم در رامتور ایرلیفت با میزان هوادهی 1/5vvm پس از 26 ساعت زمان ماند، 0/55% و 99/7% تعیین شد. بحث و نتیجه گیری: قارچ آسپرژیلوس اوریزاتوان رشد در پساب صنایع چرمسازی با غلظت 240mg/l کروم را داراست. میزان حذف کروم در این غلظت در شرایط آزامیشگاهی و پایلوت ایرلیفت به ترتیب 98/2% و 99/7% بود. ادامه مطالعات در مقیاس کامل و صنعتی توصیه می گردد.
کلیدواژه‌ها:
فاضلاب صنایع چرمسازی، آسپرژیلوس اوریزا، حذف کروم (3+)، راکتور ایرلیفت

مرجع تخصصی آب و فاضلاب