hc8meifmdc|2010A6132836|ecommercewebsitedesign|tblnews|Text_News|0xfdff1127000000007707000001000200
مطالعه عوامل مؤثر در حذف جیوه از محلول‌های مائی با استفاده از
گرانول کربن فعال
دکتر جمشید
درایت*؛ دکتر عباس رضائی*؛
دکتر سید باقر مرتضوی*؛ دکتر یداله یمینی**؛دکتر
علی خوانین*؛ مهندس اردلان سلیمانی*
چکیده :
سابقه و هدف: فاضلاب صنایع
شیمیایی،پتروشیمی،الکتریکی،کاغذ و داروسازی از منابع عمده حاوی جیوه و ترکیبات آن
می باشد. با توجه به‌اینکه جیوه یکی از عناصر بسیار خطرناک است، حذف آن از آب‌ها و فاضلاب‌های صنعتی حایز
اهمیت است. هدف از انجام این تحقیق مطالعه عوامل مؤثر از جمله pH محلول،زمان تماس، وزن جاذب، سرعت اختلاط و غلظت اولیه در حذف جیوه
از محلول‌های مائی با
استفاده از جاذب گرانول کربن فعال می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه
گرانول کربن فعال به‌عنوان جاذب جیوه که
با استفاده از کلرور جیوه و آب فاقد یون تهیه شده بود، مورد استفاده قرار گرفت.تعداد نمونه‌های مورد مطالعه 136
مورد بوده است. مخلوط نمونه‌ها و کربن فعال در
ارلن‌های 100 سی سی
در دستگاه شیکر قرار داده شد. سپس با استفاده از کاغذ صافی واتمن نمونه‌ها صاف‌شدند
وبخش صاف‌شده برای تعیین غلظت باقی‌مانده جیوه
به روش اسپکترومتری جذب اتمی بخار سرد در
طول موج 7/253 نانومتر مورد آزمایش قرار گرفتند.
یافته‌ها: حذف جیوه با افزایش
pH از 2 به 4 افزایش قابل‌توجهی می
یابد و pH بهینه برای جذب
در محدوده 4 تا 8 به دست آمد. افزایش زمان تماس بیش از 10 دقیقه اثر قابل‌توجهی بر
میزان جذب جیوه نداشته است. با افزایش وزن گرانول کربن فعال درصد حذف جیوه افزایش
یافت، اما مقدار یون جیوه جذب‌شده بر واحد وزن جاذب از 216/2 میلی‌گرم به0806/0 میلی‌گرم کاهش‌داشته‌است. باافزایش غلظت محلول،
مقدار جیوه جذب‌شده بر وزن ثابت جاذب افزایش‌نشان‌داد.
بحث: افزایش در میزان جذب جیوه در pH
بالاتر از 4 ، به‌دلیل نگه‌داشته شدن ترکیبHg(OH)2 در فضاهای ذرات کربن فعال
می‌باشد. جذب جیوه توسط گرانول کربن فعال به‌طور قابل توجهی سریع است و میزان تغییرات جذب پس از زمان 10 دقیقه تا رسیدن به تعادل کامل چندان
قابل‌توجه نبوده است. نتایج حاکی از آن بودکه درصد حذف جیوه با افزایش وزن کربن
فعال افزایش یافته است که این پدیده به‌دلیل افزایش سطح جاذب ناشی از افزایش وزن آن بوده است. نتایج این تحقیق نشان
داد که در غلظت‌های پایین مقدار یون جذب‌شده به‌طور مستقیم به غلظت
یون جیوه در محلول بستگی دارد.
کلید واژهها: جیوه، جذب سطحی، کربن فعال، ایزوترم «دریافت:23/3/1383 پذیرش: بهار 1384 »
*گروه بهداشت
محیط و حرفه‌ای دانشکده علوم پزشکی دانشگاه تربیت مدرس.
**
گروه شیمی دانشکده علوم پایه دانشگاه تربیت مدرس .
* عهده‌دار مکاتبات: تهران ، نارمک ، میدان 95 ، کوچه صاحب الزمان ، پلاک
106، فاکس : 8103030-021.
Email: Abbasrezaee@yahoo.com | rezaee@modares.ac.ir
مقدمه:
جیوه یکی از انواع فلزات است که در درجه حرارت و
فشار معمولی مایع می‌باشد و در محیط به سه شکل مختلف عنصر فلزی (Hgo
)، نمک‌های معدنی جیوه و ترکیبات آلی جیوه (متیل مرکوری، اتیل مرکوری و فنیل مرکوری) یافت می‌شود (1و2). جیوه یکی از
عناصر بسیار خطرناک است که با اتصال به گروه سولفیدریل موجود در پروتئین‌ها و
آنزیم‌ها، آن‌ها را از فعالیت حیاتی خود بازمی‌دارد و موجب بیماری شدید مزمن یا
مرگ می‌شود (3و4).
جیوه و ترکیبات
آن در صنایع شیمیایی، پتروشیمی، الکتریکی، نظامی، کاغذ و داروسازی مورد استفاده
قرارمی‌گیرد(5و6). غلظت مجاز آن در خروجی پساب‌های صنعتی ناچیز و در آب‌های
آشامیدنی 1 میکروگرم در لیتر تعیین شده است(7و8)؛ بنابراین حذف آن از آب‌ها و
فاضلاب‌های صنعتی حایز اهمیت است،در غیراین‌صورت پس از تخلیه به محیط وارد رسوبات
شده، توسط موجودات آبزی به‌صورت سمی‌ترین نوع آن یعنی متیل‌مرکوری جذب می‌شود و از
طریق زنجیره غذایی تزاید بیولوژیکی می‌یابد و در نهایت حیات و سلامت مصرف‌کنندگان
نهایی یعنی پرندگان، ماهی‌ها و انسان را به‌خطر می‌اندازد(3، 4 و 9). خلیج
میناماتا در ژاپن که برای مدتی طولانی توسط فاضلاب‌های صنعتی حاوی غلظت‌های بالای
جیوه شدیداً آلوده شده بود، موجب اپیدمی بیماری میناماتا به‌دلیل مسمومیت با متیل
مرکوری ناشی از مصرف ماهی و صدف در خلیج مذکور گردید، به‌طوری‌که در خلال سال‌های
1950 تا 1970 بیش از 17000 نفر دچار مسمومیت شدند و در حدود 1000 نفر جان خود را به‌دلیل
بیماری از دست دادند (10و11).
تکنولوژی‌های
متفاوتی برای حذف جیوه در دسترس می‌باشند که شامل ترسیب شیمیایی، انعقاد، استفاده
از آهک، اسمز معکوس، تعویض یون و جذب سطحی می‌باشد(5و12). جذب سطحی فرایندی است که
توسط آن ترکیبات موجود در یک محلول در روی یک سطح تجمع می‌یابد. به‌عبارت دیگر،
جذب عمل انتقال جرم است که در آن یک جزء در فاز مایع به فاز جامد منتقل می‌شود(13).
فرایندهای جذب پتانسیل دستیابی به راندمان بالایی از حذف جیوه و نهایتاً غلظت‌هایی
پایین از آن را در فاضلاب‌های تصفیه‌شده
دارا می‌باشند. جاذب‌های متعددی از جمله آلومینا، سیلیکاژل و کربن فعال مورد
استفاده قرار می‌گیرند، اما کربن فعال بیشترین مصرف را در فرایند جذب دارا می‌باشد(14و15).
کربن‌فعال با استفاده از مواد آلی از قبیل پوست بادام، نارگیل، گردو و دیگر مواد
شامل چوب، استخوان و زغال سنگ از طریق حرارت‌دادن در سه مرحله شامل آب‌گیری، زغالی‌کردن
و فعال‌نمودن به دو صورت پودر و گرانول تهیه می‌شود (15و16).گرانول کربن فعال در
ستون‌های با جریان متقابل رو به بالا یا در واحدهای با بستر ثابت با جریان رو به
بالا و پایین به‌صورت چندین ستون سری مورد استفاده قرار
می‌گیرد(13 ،14 و 16 ).
کربن
فعال به‌طور عمده برای حذف ترکیبات آلی مقاوم و همچنین مقادیر باقی‌مانده ترکیبات
معدنی از قبیل نیتروژن، سولفیدها و فلزات سنگین و همچنین طعم و بو مورد استفاده قرار می‌گیرد(13). عوامل
متعددی از جمله pH محلول، زمان تماس، وزن جاذب، سرعت اختلاط و
غلظت اولیه ماده جذب‌شدنی در میزان جذب مؤثرند و تعیین آن‌ها برای جاذب مورد استفاده
و آلاینده قابل‌جذب در هنگام بهره‌برداری از
ستون‌های جذب حایز اهمیت می‌باشند. هدف از انجام این
تحقیق بررسی اثر عوامل مذکور بر جذب جیوه توسط جاذب گرانول کربن فعال می‌باشد.
علاوه بر مطالعه اثر عوامل مذکور با استفاده از ایزوترم‌های جذب لانگمیر و فرندلیچ
ویژگی‌های جذب جیوه توسط گرانول
کربن فعال مورد بررسی قرار
گرفته است.
مواد و روش‌ها:
در این مطالعه گرانول کربن فعال ساخت کارخانه مرک(Merck)
آلمان با اندازه مؤثر حدود 5/2 میلی‌متر به‌عنوان جــاذب برای حذف جیوه از محلول‌های مائی
مورد استفاده قرارگرفت. ابتدا کربن فعال با استفاده از آب مقطر فاقد یون آب‌کشی شد
و سپس به‌مدت 2 ساعت در دمای oc
1± 104 خشک گردید و در دسیکاتور نگه‌داری شد. با استفاده
از ترازوی حساس با دقت 00001/0 گرم مقادیر مختلف کربن فعال توزین شد. برای مطالعه
اثر pH، زمان تماس و سرعت اختلاط مقدار
2/0 گرم کربن فعال و 50 سی‌سی محلول 500 میکروگرم در لیتر جیوه و برای بررسی اثر
وزن جاذب،مقادیر مختلف کربن فعال از 10 تا 300 میلی‌گرم و 50 سی‌سی محلول 500 میکروگرم در لیتر جیوه و برای
بررسی اثر غلظت و تعیین ایزوترم‌های جذب 2/0
گرم کربن فعال و 50 سی‌سی محلول جیوه با غلظت‌های از 500 تا 4000 میکروگرم در لیتر در ارلن‌های 100 سی‌سی
استفاده گردید.
محلول
جیوه با استفاده از کلرور جیوه (HgCl2
) ساخت کارخانه مرک(Merck) آلمان با
همان ترازوی حساس توزین و با استفاده از آب مقطر فاقد یون تهیه شد.بررسی اثر pH بین 2 تا 12 انجام شد و pH نمونه‌ها برای
مطالعه سایر عوامل در محدوده pH
بهینه و حدود 5 تنظیم گردید. به‌منظور تنظیم pH
محلول جیوه از سود سوزآور و اسید نیتریک 1/0 مولار و دستگاه pHمتر
مدل ORION – 420A استفاده گردید. مخلوط نمونه‌ها و کربن فعال
به‌مدت 2 ساعت با سرعت 100 دور در دقیقه
در دستگاه شیکر قرارداده‌شد. سپس با استفاده از کاغذ صافی واتمن شماره 42 نمونه‌ها
صاف گردید و بخش صاف‌شده محلول برای تعیین غلظت باقی‌مانده جیوه مورد آزمایش قرار گرفت.
اندازه‌گیری
غلظت جیوه به روش اسپکترومتری جذب اتمی بخار سرد مندرج در کتاب روش‌های استاندارد
برای آزمایش‌های آب و فاضلاب (17) و توسط دستگاه مدل UNICAM–929
ساخت انگلستان در طول موج 7/253 نانومتر انجام شد. منحنی‌های استاندارد با استفاده
از 5 نمونه با غلظت‌های معین و برای هر بار اندازه‌گیری رسم گردید. در این تحقیق برای مطالعه اثر هر عامل 3 نمونه و هر نمونه
2 بار قرائت گردید و جمعاً 136 نمونه
مورد بررسی قرار گرفت. میانگین و انحراف معیار مراحل مختلف
آزمایش‌ها تعیین گردید و در نهایت اطلاعات نهایی به‌صورت نمودار ارائه شد و معادله و ضریب خط
(رگرسیـون) برای معـادلات مربوط به ایزوترم‌هـای
جذب لانگمیر و فرندلیچ تعیین و محاسبه شد.
یافته‌ها:
یافته‌های حاصل
از این مطالعه نشان‌داد با افزایش pH از 2 به 4 جذب
جیوه توسط گرانول کربن فعال افزایش یافته و پس از آن تغییر قابل‌توجهی در میزان
جذب مشاهده نشده است. ضمناً محدوده pH بهینه برای
جذب جیوه در محلول‌های مائی توسط گرانول کربن فعال بین4 تا 8 بوده است(نمودار 1).
در
بررسی اثر زمان تماس بر میزان جذب جیوه نشان داده شد که افزایش زمان بیش از 10
دقیقه اثر قابل‌توجهی بر میزان جذب جیوه نداشته و زمان تعادل جذب 120 دقیقه بوده
است(نمودار 2).
میزان
حذف جیوه با وزن‌های متغیر گرانول کربن فعال از 10 تا 300 میلی‌گرم به‌ترتیب 64/88
تا 74/96 درصد بوده است، اما مقدار یون جیوه
نمودار 1- اثر PH محلول بر جذب جیوه توسط گرانول کربن
فعال
نمودار2-اثر
زمان بر جذب جیوه توسط گرانول کربن فعال
جذب‌شده بر واحد وزن جاذب از 216/2 میلی‌گرم به 0806/0 میلی‌گرم کاهش داشته است(نمودار3).
اثر
سرعت اختلاط بر جذب جیوه توسط گرانول کربن فعال برای یک نمونه بدون انجام اختلاط و
چهار نمونه در سرعت‌های 50 ، 100، 150 و 200 دور در دقیقه قابل توجه نبوده است.
داده‌ها
نشان داد که مقدار جیوه جذب شده بر وزن ثابت جاذب با افزایش غلظت جیوه از 500 تا 4000 میکروگرم در لیتر از 78/23 تا 39/186
میکروگرم در لیتر افزایش داشته است(نمودار 4).
در
این تحقیق ایزوترم‌های جذب لانگمیر و فرندلیچ برای جذب جیوه توسط گرانول کربن فعال
مورد استفاده قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده نشان‌داد که ویژگی‌های جذب جیوه به‌وسیله
گرانول کربن فعال با مقادیر ضرایب خط (رگرسیون) بیش از 99/0 منطبق بر ایزوترم‌های مذکور بود(نمودارهای
5و6).
بحث:
نتایج حاصل از
این پژوهش نشان داد کربن فعال در pH اسیدی تمایل
کمتری برای جذب جیوه دارد. با توجه به ویژگی‌های جیوه در حضور یون کلرور(Cl-)
نوع ترکیب غالب جیوه در pH بیش از 4 به‌صورت
Hg(OH)2 می‌باشد، اگرچه انواع ترکیبات جیوه از قبیل HgCl2
یا (HgCl2)2،
Hg(OH) و HgOHCl
نیز در غلظت‌های بسیار پایین وجود دارند(9). افزایش در میزان جذب جیوه در pH
بالاتر از 4 توسط گرانول کربن فعال به‌دلیل نگه‌داشته‌شدن ترکیبHg
(OH)2 در فضاهای ذرات کربن فعال می‌باشد که به
دلیل جذب شیمیایی با گروه‌های عامل در سطح
کربن از قبیل COOH- و تشکیل کمپلکس‌های
سطحی است(9 و 18). نتایج
بررسی نشان داد که جذب جیوه توسط گرانول کربن فعال به‌طور قابل‌توجهی سریع است،
اگرچه زمان تعادل جذب 120 دقیقه بوده، اما میزان افزایش جذب پس از زمان 10 دقیقه
چندان قابل‌توجه نبوده است. Kadirvelu وNamasivayam
زمان تعادل جذب را برای 3
نوع کربن فعال و برای غلظت‌های مختلف جیوه از 10 تا 180 دقیقه به‌دست آوردند(9). نتایج
نشان داد درصد حذف جیوه با افزایش وزن گرانول کربن فعال افزایش یافته است. این
پدیده به دلیل افزایش سطح جاذب و ناشی از افزایش وزن آن بوده است. با افزایش وزن
جاذب از 10 به 300 میلی‌گرم، جذب یون جیوه بر واحد وزن جاذب از 216/2 میلی‌گرم به
0806/0 کاهش داشته است که به‌دلیل غلظت ثابت جیوه و افزایش وزن جاذب و در نتیجه
عدم اشباع کامل سطوح جاذب بوده است. نتایج این بخش از تحقیق با مطالعات Manoharکه
از خاک رس آغشته به 2-مرکاپتوبنزمیدازول و
Mitsuyo که از نوعی خزه به‌عنوان
جاذب برای حذف جیوه استفاده نمودند،
مطابقت دارد (19 و20). یافته‌های حاصل از این تحقیق نشان داد که مقدار جیوه جذب‌شده
بر واحد وزن گرانول کربن فعال با افزایش غلظت اولیه افزایش‌داشته‌است. مطالعات
انجام‌شده توسط Saglam و همکاران
نشان می‌دهد که در غلظت‌های پایین مقدار یون جذب‌شده به‌طور مستقیم به غلظت یون
فلزی در محلول بستگی دارد(21و22). داده‌های جذب در این تحقیق نشان می‌دهد که ویژگی‌های
جذب جیوه توسط گرانول کربن فعال با مقادیر ضرایب
خط(رگرسیون) بیش از 99/0
با ایزوترم‌های جذب لانگمیر و فرندلیچ
مطابقت دارد؛ یعنی جذب مولکول‌ها به‌صورت یک لایه بوده و تمام نقاط جاذب تمایل یکسانی نسبت به مولکول‌های جذب شده
دارند و مولکول جذب‌شده تأثیری
در ملکول‌های مجاور ندارد. به‌علاوه جذب قابل برگشت است و به شرایط تعادل می‌رسد (15و16).
References:
1.
Boening DW. Ecological effects| transport and fate of mercury: a general
review. J Chemosphere 2000; 40:1335-51.
2.
Goldman LR| Shannon MW. Mercury in the environment: Implications for
pediatricians. J Pediatrics 2001; 108(1):174-78.
3.
Dobler IW| Canstein HV| Li Y| Timmis KN| Deckwer WD. Removal of mercury from
chemical wastewater by microorganisms in technical scale. J Environ Sci Technol
2000; 34:4628-34.
4. Bae
W| Mehra RK| Mulchandani A| Chen W. Genetic engineering of Escherichia coli for
enhanced uptake and bioaccumulation of mercury. J Applied and Environmental
Microbiology 2001; 67(II): 5335-38.
5.
Patterson JW. Industrial wastewater treatment technology. 2nd ed.
Boston: Butterworth; 1985| P.203-214.
6.
Eckenfelder WW. Industrial water pollution control. 3rd ed. Boston:
McGraw-Hill; 2000| P. 138-157.
7. امور بررسی و برنامه‌ریزی حفاظت محیط زیست وزارت نفت. آیین‌نامه‌ها
و استانداردهای حفاظت محیط زیست در ارتباط با صنعت نفت. سال 1376 ، ص 14-22.
8. WHO. Guidelines for drinking water
quality. 2nd ed. Geneva; 1993| P. 174.
9.
Namasivayam C| Kadirvelu K. Uptake of mercury (II) from wastewater by activated
carbon from an unwanted agricultural solid by-product: coirpith. J Carbon 1999;
37:74-84.
10.
Nakamura K| Aoki J| Morishita K| Yamamoto M. Mercury volatilization by the most
mercury- resistant bacteria from the seawater of Minamata bay in various
physiological conditions. J Clean Product
Process 2000; 2:174-78.
11.
Taylor TK. Mercury reduction efforts in Michigan. J Fuel Process Technol 2000;
65(66):69-77.
12.
Saglam N| Say R| Denizil A| Pattr S| Arca MY. Biosorption of inorganic mercury
and alkyl mercury species on to Phanerochaete chrysosporium mycelium. J Process
Biochem 1999; 34:725-30.
13.
MetcalF & Eddy. Wastewater engineering. 4th ed. Boston; McGraw-Hill;
2003| P.1140-62.
14.
EPA. Capsule report: Aqueous mercury treatment. 1997; P.3|1-3|5.
15.
Benfield J. Process chemistry for water and wastewater treatment. 2nd
ed. Boston: McGraw-Hill; 1991| P.198-204.
16.
Reynolds TD| Richards PA. Unit operations and processes in environmental
engineering. 2nd ed. Boston: PWS; 1996| P.350-73.
17.
APHA| AWWA| WPCF. Standard methods for examination of water and wastewater. 19th
ed. 1995| P. 3|78-3|80.
18.
Krishnan K A| Anirudhan TS. Removal of mercury (II) from aqueous solutions and
chlor-alkali industry effluent by steam activated and sulphurised activated
carbons prepared from bagasse pith: Kinetics and equilibrium studies. J
Hazardous Materials 2002; B92: 161-83.
19.
Manohar DM| Krishnan KA| Anirudhan TS. Removal of mercury (II) from aqueous
solutions and chlor-alkali industry wastewater using 2-mercaptobenzimidazole-clay.
J Water Research 2002; 36:1609-19.
20.
Mitsuyo K| Masanori F| Masayuki A| Hiroshi O|
Jyoji K. Removal of mercury ion by Moss Pohlia flexuosa. J Fermentation
Bioengineering 1998; 86(2):197-201.
21.
Saglam A| Yalcinkaya Y| Denizli A| Arica MY| Genc O| Bektas S. Biosorption of
mercury by carboxymethylcellulose and immobilized Phanerochaete chrysosporium.
J. Microchemical J 2002; 71:73-810.
22.
Saglam N| Say R| Denizli A|Pattr S| Arca MY. Biosorption of inorganic mercury
and alkyl mercury species on to Phanerocheate chrysosporium mycelium. J Process
Biochem 1999; 34:725-30.