محیط زیست : بررسی کاربرد زئو لیت در تصفیه فاضلابهای صنعتی

با گسترش صنعت و پیشرفت صنایع، خطر آلودگی فلزات سنگین در طبیعت، روز به روز در حال افزایش است. از آن جهت که امروزه پاکسازی و تصفیه فاضلاب ها از فلزات سنگین سمی و استفاده مجدد از پسابها برای مصارف صنعتی و کشاورزی مورد توجه فراوان قرار گرفته است و به لحاظ آن که روشهای معمول حذف فلزات سنگین نظیر ته نشینی، الکترولیز، جذب سطحی توسط کربن فعال، فرآیند تبخیر و بستر سیال ماسه ای کارآیی لازم را نداشته و هزینه بالایی دارد، استفاده از مواد و روشهای ارزان قیمت و پربازده جزو اولویت های واحدهای صنعتی به شمار می آید. در این میان، زئولیت با ساختار ویژه فضایی، ظرفیت تبادل کاتیونی بالا، حفظ ساختار در دمای بالا، قیمت پایین و توزیع فراوان آن در جهان، به عنوان یک حذف کننده مورد توجه فراوان قرار گرفته است. قابلیت جذب بعضی از زئولیت ها تا30 درصد وزن آنهاست.
    در تبادل یونی، یک ماده جامد طبیعی یا سنتز شده که توانایی ویژه ای در تبادل کاتیون های خود با فلزات دیگر از جمله عناصر سنگین دارد مورد استفاده قرار می گیرد. زئولیت ها بطور طبیعی در دریاچه های قلیایی و نمکی، سیستم باز آبهای زیر زمینی، رسوبات عمیق دریاها و همچنین در خاکهای قلیایی تشکیل می شوند. زئولیت ها برای غیرمتحرک کردن فلزات در خاکهای آلوده استفاده می شوند. مکانیسم جذب بوسیله زئولیت، تبادل یونی است. در ساختمان سه بعدی زئولیت، کانال های بزرگی شامل سایت های با بار منفی، ناشی از جایگزینی Al+3 به جای Si+4 در ساختمان تترا هدرال، که با اتمهای اکسیژن در حلقه ها به اشتراک گذاشته شده است و حفره های آن با کاتیون هایی که پیوند ضعیفی در ساختمان کانی برای خثنی کردن بار دارند، اشغال شده است. زئولیت ها شامل انواع مختلفی سایت های کاتیونی هستند. در مجموع، بار منفی آنیون ها با کاتیون هایی که در ساختمان و در درون کانال ها قرار گرفته اند خنثی می شود و بنابراین می تواند با یون های عناصر سنگین جایگزین شود. مواد آلاینده مانند آمونیاک موجود در پسابها، آبهای کشاورزی، محیط های نگهداری دام و طیور و گاز دی اکسیدکربن تولید شده در کارخانه ها را می توان با این کانی کنترل و حذف کرد. برای تصفیه و پالایش ایزوتوپ های استرانسیوم و سزیوم نیز می توان تا حد زیادی از زئولیت ها بهره گرفت.
    
    کانی های گروه زئولیت
    این کانی ها ترکیبات نادر، زیبا و منحصر به فردی هستند که در نتیجه دگرگونی ضعیف شکل گرفته اند. تعدادی از اشکال زئولیت ها در دما و فشار پایین که به سختی می توان آن را دگرگونی نامید، تشکیل می شوند. در حالی که تعدادی دیگر از آنها در شرایط دگرگونی قابل مشاهده ای بوجود می آیند. کریستالهای زئولیت به دلیل ساختار و خصوصیات نادرشان مورد تحقیق و بررسی قرار می گیرند.
    زئولیت ها دارای ساختار کریستالی متشکل از تتراهدرون های به هم متصل شده AlO4، SiO4 هستند. یون آلومینیوم، به دلیل کوچک بودن در مرکز تتراهدرون با4 اتم اکسیژن قرار می گیرد و جایگزینی همشکلی یون Si+4 با Al+3 ، باعث ایجاد بار منفی در شبکه می شود. ساختار سیلیکاتهای آلومینیومی، دارای بار منفی است و کاتیون های با بار مثبت را بر روی سایتهای با بار منفی جذب می کند. بار خالص منفی با کاتیون های تبادلی مثل سدیم، پتاسیم و کلسیم خنثی می شود و این کاتیون ها نیز با کاتیون هایی مثل zn+2، cd+2، pb+2، Mn+2 قابل تبادل هستند.
    برخلاف تکتو سیلیکاتهای دیگر، زئولیت ها فضاهای خالی یا محفظه هایی در ساختار خود دارند که به کاتیون های بزرگ ماند سدیم، پتاسیم، باریم و کلسیم و هر مولکول بزرگی و همچنین یونهای هیدراته مانند آمونیوم، یونهای بیکربنات و یونهای نیترات اجازه عبور می دهند. گروه دیگری از زئولیت ها دارای فضاهای بهم مرتبط و کانال های عریض با اندازه های متفاوت هستند که کاربرد بیشتری در مصارف گوناگون دارند.
    ویژگی مهم زئولیت ها، توانایی در جذب و از دست دادن آب، بدون صدمه زدن به ساختار کریستالی است. کانال های بزرگ موجود در این کانی ها باعث می شوند که این کانی ها وزن مخصوص پایینی داشته باشند.
    زئولیت ها کاربردهای مفید زیادی دارند. این کانی ها به منظور فیلتر کردن مواد، حذف بو از محیط و تصفیه کننده های شیمیایی و حذف گاز از محیط استفاده می شوند.
    
    نحوه تشکیل زئولیتها به روش طبیعی
    زئولیت ها در طبیعت به صورت های زیر تشکیل می شوند:
    در دریاچه های قلیایی و نمکی، در سیستم باز آبهای زیر زمینی، رسوبات عمیق دریا، از آلتراسیون توفها و در خاکهای محیط قلیایی.
    
    بررسی تحقیقات انجام شده
    1- غلظت های بالا از عناصر سنگین در خاک ممکن است برسلامت اکوسیستم و انسانها تأثیر بگذارد. حلالیت عناصر سنگین تا حد زیادی به اسیدیته خاک بستگی دارد. در خاکهای دارای کلسیم و خاکهای رسی حلالیت عناصر سنگین پایین است. در حالی که در خاکهای اسیدی مقدار قابل ملاحظه ای از فلزات ممکن است حل شده و برای جذب بوسیله گیاهان قابل استفاده شوند. مخصوصاً اکسیداسیون خاکهای گلی پیریت دار که
    می تواند باعث حرکت دوباره عناصر سنگین و آلومینیوم در خاک شود. این حضور دوباره می تواند خطر بزرگی برای آبهای سطحی و زیر زمینی باشد و همچنین در نتیجه این حلالیت، آلومینیوم می تواند باعث سمیت گیاهان شود که نتیجه آن، کاهش فسفر در خاک است. در سالهای اخیر، بیشترین تحقیقات برروی آلودگی خاک توسط فلزات سنگین، از منابع انسانی مانند فاضلابهای صنعتی و یا فعالیت های مربوط به استخراج معدن، انجام گرفته است.
    2- فلزات ممکن است در خاکها و رسوبات در فراکشن های مختلف و به شکل های شیمیایی گوناگون، مانند جذب سطحی، به صورت تبادلی، چسبیده به کربناتها، چسبیده به اکسیدها، به مواد آلی و یا فلزات کریستالی در شبکه وجود داشته باشند. این شکل های ژئوشیمیایی فلزات سنگین در خاک که از حلالیت آنها ناشی می شود و اثر مستقیم بر تحرک آنها دارد، خطر آلودگی آبهای زیر زمینی و در دسترس قرار گرفتن این فلزات برای گیاهان را دارد. شکل های محلول به شدت بستگی به نسبت اجزای مختلف فاز جامد خاک مثل سیلیکاتها، کربناتها، اکسیدها و مواد آلی و برای نگهداری فلزات دارند، زیرا شکل و مقدار جذب فراکشن های خاک بسیار متفاوت است.
    3- به منظور کاهش خطرات زیست محیطی ناشی از آلودگی فلزات سنگین در خاکهای دره Guadiamar متدهای اصلاح آلودگی ارزان قیمت که ساختمان و حاصلخیزی خاک را خراب نکند و در خاکهای سطحی این دره قابل استفاده باشد، ارایه شده است. در تحقیق انجام شده، جذب عناصر سنگین بر روی چندین نوع رس، اکسیدهای آهن و هیدروکسیدهای آهن و خاکهای آلوده نشده محلی به عنوان موادی برای اصلاح خاکهای آلوده شده در دره مورد نظر استفاده شده است. این مواد جاذب براساس قابلیت دسترسی، پتانسیل کار آمدی و قیمت انتخاب شده اند. طی این آزمایش میزان جذب پایینی برای عنصر Zn+2 در همه موارد مورد مطالعه نشان داده شد.
    4- به طور معمول، آهکی کردن خاکها برای افزایش pH خاک راهی است که بوسیله آن تحرک فلزات کاهش می یابد. علاوه بر این زئولیت ها، سیلیکاتهای خطی، سیلیکاتهای فیبری و اکسیدها آهن و آلومینیوم برای حذف عناصر سنگین از فاضلابهای صنعتی و برای غیرمتحرک کردن فلزات در خاکهای آلوده استفاده می شوند.
    5- زئولیت ها آلومینوسیلیکاتهایی هستند که ظرفیت تبادل کاتیونی بالایی دارند. این کانی ها در دامنه گسترده ای برای کارهای صنعتی استفاده می شوند و اساساً به عنوان ماده جاذب برای حذف یونها و مولکولها از محلولهای مختلف و ترکیبات گازی هستند.
    6- در مطالعه انجام شده بر روی Septolite گرفته شده از منطقه orea بیشترین ظرفیت جذب در مورد عنصرCd+2 به میزان8/3 میلی گرم و پس از آن عنصرCu+2 به میزان6/9 میلی گرم و در آخر عنصرZn+2 به میزان5/7 میلی گرم در گرم اندازه گیری شد. جذب با افزایش pH از4 تا6 افزایش می یابد و با افزایش قدرت یونی به شدت کاهش می یابد.
    7- زئولیتها موادی هستند که می توانند برای حذف جیوه از خاک و محلول ها استفاده شوند. در آزمایش انجام گرفته برای حذف جیوه از فاضلابهای صنعتی، از کانی زئولیت به صورت طبیعی استفاده شده است و بر روی مکانیسم های جذب و تبادل یونی توسط کانی نیز تحقیق شده و حداکثر ظرفیت جذب 1/21 meq/g میلی اکی والان در گرم ماده جاذب اندازه گیری شده است. نتایج حاصل از این آزمایش نشان داد که زئولیت قادر به حذف جیوه از فاضلابهای صنعتی است و از آن می توان به عنوان یک جذب کننده ارزان قیمت و پربازده برای تصفیه فاضلابهای شهری و صنعتی استفاده کرد.
    
    نتیجه گیری
    1- با توجه به افزایش آلودگی محیط زیست توسط فلزات سنگین، استفاده از روشهای مناسب برای حذف این عناصر از محیط زیست امری ضروری است.
    2- در این راستا استفاده از مواد ارزان قیمت با کارآیی بالا و قابلیت دسترسی فراوان، راه مناسبی برای حذف این آلودگی ها از محیط به نظر می رسد.
    3- یکی از جاذب های مناسب و دارای خصوصیات ذکر شده، کانی زئولیت است که به صورت طبیعی یافت شده و در سالهای اخیر به صورت مصنوعی تولید می شود.
    4- با توجه به ارزش اقتصادی یون هایی مثل مس و اهمیت باز یافت و برگشت این عناصر به چرخه استفاده مجدد، استفاده از روشهای مناسب، مانند جذب توسط جاذب ها امری ضروری به نظر می رسد.
    این مقاله در همایش بین المللی زئولیت، اردیبهشت87 ، دانشگاه امیرکبیر ارایه شده است.