دستگاه تصفيه آب

دكتر ميترا غلامي دستگاه تصفيه آب حامد محمدي، سيد احمد مختاري 1- دكتراي تخصصي مهندسي بهداشت محيط، استاديار دانشگاه علوم پزشكي ايران 2- كارشناسي ارشد مهندسي بهداشت محيط، مربي دانشگاه علوم پزشكي زنجان 3- كارشناس ارشد مهندسي بهداشت محيط، معاونت بهداشتي دانشگاه علوم پزشكي تبريز چكيده زمينه و هدف: آلودگي آرسنيك در آب آشاميدني باعث اثرات زيان آور در سلامت انسان مي گردد. هدف از اين پژوهش، ارزيابي كارآيي فرآيند اسمز معكوس براي حذف آرسنيك در آب آشاميدني مي باشد. روش بررسي: روش انجام اين پژوهش بر اساس داده هاي آزمايشگاهي و از نوع مطالعات تجربي بوده است. پژوهش در يك پايلوت غشايي اسمز معكوس از جنس پلي آميد با مدول مارپيچي مدل TE 2521 ساخت شركت CSM كره انجام گرفت. پس از آماده سازي محلول ارسنات سديم در آزمايشگاه، عملكرد سيستم اسمز معكوس در حذف آرسنيك، بررسي شد. تاثير تغييرات فشار، pH و دماهاي مختلف با غلظت ورودي 2/0 ميلي گرم در ليتر، و سپس در غلظت هاي مختلف بر روي كارآيي حذف آرسنيك مورد ارزيابي قرار گرفت. در هر حالت ميزان فلاكس عبوري (جريان عبوري در واحد سطح) از غشا اندازه گرفته شد. اندازه گيري مقدار آرسنيك به روش نقره دي اتيل دي تيو كاربامات انجام شد و درصد حذف آن تعيين گرديد. يافته ها: نتايج حاصل نمايانگر شرايط بهينه ي عملكرد سيستم در فشار حدود 190 پوند بر اينچ مربع، غلظت در محدوده ي 2/0 تا 5/0 ميلي گرم در ليتر، دما در محدوده 25 تا 35 درجه ي سانتيگراد و pH در محدوده ي 6 تا 8 مي باشد. غلظت آرسنيك در آب ورودي به غشا، تاثير چنداني در عملكرد سيستم و راندمان آن نداشت. افزايش دما موجب بهبود عملكرد سيستم و افزايش نسبي در راندمان آن شد. pH محلول ورودي تاثير چنداني در فلاكس و عملكرد هيدرليكي سيستم نداشت، ليكن راندمان حذف در pH هاي پايين به علت شكل يونهاي آرسنات موجود، نسبتاً كم بود. نتيجه گيري: راندمان حذف آرسنيك در شرايط بهينه ي عملكرد سيستم، تا بيش از 99 درصد مي باشد. واژگان كليدي: حذف آرسنيك، تصفيه آب آشاميدني، غشاي صاف سازي اسمز معكوس (RO)
مقدمه آرسنيك سومين عنصر گروه پنجم جدول تناوبي است. عدد اتمي آن 33 و جرم اتمي آن 92/74 مي باشد. اين عنصر با ظرفيت هاي مختلف و نيز به صورت معدني و آلي در طبيعت يافت مي شود. ميزان آرسنيك در پوسته ي زمين 8/1 ميلي گرم در كيلوگرم بوده، معمولاً به صورت تركيب با گوگرد و يا فلزاتي نظير مس، كبالت، سرب، روي و غيره يافت مي شود. از اين عنصر در كشاورزي، دامداري، پزشكي، الكترونيك، صنعت و متالوژي استفاده مي گردد (1). آرسنيك از طريق حل شدن كاني ها و مواد معدني، تخليه ي پساب هاي صنعتي وارد منابع آب مي گردد. آرسنيك يك ماده ي سمي، تجمعي و بازدارنده ي آنزيم هاي گروه SH است. نوع آلي آن از شكل معدني آن بسيار سمي تر است. همچنين آرسنيك سه ظرفيتي ] (آرسنيت)Arsenite [ در اكثر اوقات سمي تر از نوع پنج ظرفيتي ](آرسنات)Arsenate [ آن مي باشد (2و19). آلودگي آرسنيك در آب، به خصوص آب هاي زير زميني، به دليل سميت و مخاطره آميز بودن آن، به عنوان يك مشكل اساسي در جوامع مختلف مطرح است. در آب هاي طبيعي مقدار آن در حد 1 تا 2 ميلي گرم در ليتر گزارش شده است (3). مصرف طولاني مدت اين عنصر سبب ايجاد سرطان مي شود (4). بر اساس تقسيم بندي سازمان بين المللي تحقيقات سرطان ](IARC)[ International Association on Research Cancer تركيبات غير آلي آرسنيك در گروه 1 (سرطان زا براي انسان) قرار دارند (5). اين عنصر به عنوان آلاينده ي مهم آب آشاميدني به ويژه در نواحي آسياي جنوبي شناخته شده است. در اين نواحي ميليون ها نفر در خطر ابتلا به بيماريهاي مرتبط با آرسنيك مي باشند (6). USEPA حد مجاز آرسنيك را حدود 5 تا 10 ميكرو گرم در ليتر ذكر كرده است (7 و 5). رهنمود WHO براي آرسنيك 01/0 ميلي گرم در ليتر مي باشد (8 و 1). در حالي كه حداكثر مجاز تعيين شده در استاندارد ايران 5 ميكروگرم در ليتر است (9). به دليل اينكه در آبهاي طبيعي حذف آرسنيت از آرسنات سخت تر است، بنابراين براي دستيابي به ميزان بالاي حذف از آب آشاميدني، طي يك مرحله ي پيش تصفيه قبل از فرآيند اصلي حذف، آرسنيت به آرسنات اكسيد شده و سپس نسبت به حذف آرسنات اقدام مي شود (10). روش هاي مختلفي براي حذف آرسنيك و دستيابي به حدود تعيين شده در آب آشاميدني وجود دارد كه از بين آنها مي توان به انعقاد، صاف سازي، سبك سازي با آهك، آلوميناي فعال، تبادل يون، فرآيندهاي غشايي اشاره نمود كه هر كدام مزايا و معايب خود را دارند (11). هدف از اين پژوهش، استفاده از فرآيند غشايي اسمز معكوس براي حذف آرسنيك از آب آشاميدني مي باشد. به اين منظور تاثير پارامتر هاي مختلف، نظير غلظت آرسنيك، فشار، pH و دماي آب ورودي بررسي شده است. روش بررسي روش انجام اين پژوهش با توجه به ماهيت آن بر اساس داده هاي آزمايشگاهي و يك سيستم عملي و اجرايي از نوع مطالعات تجربي بوده است. روش آماري مورد استفاده به منظور تعيين تعداد نمونه ها، روش irregular fraction design از طريق نرم افزار Design Expert Ver 7.0.1 بوده است. بر اساس متغيرهاي وابسته و مستقل براي آناليز آماري چند متغيره (فشار، دما، pH و غلظت) برابر با 24 نمونه بوده است، آزمايشات در هر دوره (Run) به صورت سه تايي (Triple) انجام شده است. (در مجموع 72 نمونه بررسي شده است). تست هاي آماري انجام شده، رگرسيون و همبستگي مي باشد. در مرحله ي اول پايلوت غشايي طراحي و ساخته شد. غشاي مورد استفاده غشاي مارپيچي اسمز معكوس (RO) (مدل TE 2521)، ساخت شركت CSM كره مي باشد. اين غشا اصطلاحاً TFC ناميده مي شود و از جنس پلي آميد (PA) با شارژ منفي است. طول غشا 21 اينچ، قطر آن 5/2 اينچ، قطر لوله ي تغذيه 75/0 اينچ، و سطح فعال و موثر آن 1/1 متر مربع است. ميزان فلاكس عبوري اسمي غشا، معادل 1/1 متر مكعب در روز مي باشد. ديگر اجزاي اصلي پايلوت عبارت از غشاي اسمز معكوس، پمپ، الكترو موتور، بارومتر، مخزن آب ورودي و خروجي و فيلتر كارتريج مي باشد. در شكل شماره ي 1 دياگرام جريان در پايلوت نشان داده شده است.
پس از نصب و راه اندازي پايلوت، ابتدا فلاكس آب مقطر در فشارهاي مختلف تعيين گرديد. سپس با توجه به غلظت آرسنيك در آب آشاميدني مناطق آلوده ي كشور، غلظت 2/0 ميلي گرم در ليتر در نظر گرفته شد (12) و از آب شهر، تهيه گرديد. با ثابت نگه داشتن ساير پارامترها، ميزان فلاكس عبوري از غشا و درصد حذف آرسنيك در فشارهاي عملياتي مختلف 100، 130، 160، 190 و 210 پوند بر اينچ مربع (Psi) اندازه گيري شد. در مرحله سوم، با تعيين فشار بهينه (Psi 190)، تاثير غلظت، دما و pH در كارايي حذف غشاي بررسي شده و pH، غلظت و دماي بهينه تعيين گرديد. مقادير pH محلول هاي تهيه شده، با استفاده از سود و اسيد كلريدريك در pHهاي 4، 5/5 ،7، 5/8 و 10 تنظيم و تثبيت گرديد. ساير پارامترها ثابت نگهداشته شدند. تغييرات دما با استفاده از هيتر ترموكوپل دار و دماسنج در دماهاي 20، 25، 30، 35 و 40 درجه سانتيگراد تنظيم و تثبيت گرديد. همچنين با به دست آوردن دبي عبوري و با داشتن سطح فعال غشاي ارائه شده توسط كارخانه ي سازنده، ميزان فلاكس عبوري (Q/A) از غشا اندازه گيري شد. لازم به ذكر است كه براي تعيين دبي ورودي از فلومتر استفاده شد. جهت محاسبه ي دبي خروجي، حجم مشخصي از جريان عبوري از غشا، در يك زمان مشخص توسط كورنومتر و استوانه ي مدرج اندازه گيري شد. راندمان سيستم، پس از تعيين غلظت محلول ورودي به غشا و غلظت خروجي محاسبه شد (13). محلول ورودي با استفاده از آرسنات سديم (Na2HAsO4.7H2O) در مخزني از جنس پلي اتيلن به حجم 200 ليتر در غلظت 2/0، 5/0، 1، 5/1 و 2 ميلي گرم در ليتر آرسنيك تهيه شد. روش اندازه گيري آرسنيك در نمونه هاي برداشتي از ورودي و خروجي، روش نقره دي اتيل دي تيو كاربامات مي باشد (استاندارد متد AsB-3500). در تمام مراحل، ميزان جذب در طول موج 520 نانومتر توسط اسپكتروفتومترپركين- المر دبل بيم UV-VIS مدل S 550 ساخت آمريكا، خوانده شد و راندمان حذف آرسنيك در شرايط مختلف بدست آمد (14). در مرحله ي آخر، نمودارهاي مربوط به كارآيي و فلاكس جريان نسبت به هر يك از شرايط فوق رسم گرديد. يافته ها با توجه به آزمايشات انجام شده و نتايج بدست آمده، شرايط بهينه سيستم در محدوده ي فشار psi 190 (01/0=α)، غلظت 2/0 ميلي گرم در ليتر (05/0=α)، دما در محدوده ي 25 تا 30 درجه ي سانتيگراد، (05/0=α) و pH در محدوده 6 تا 8 بود. در نمودار 1، تاثير تغييرات فشار بر كارايي غشا در حذف آرسنيك و همچنين فلاكس عبوري از غشا، با توجه به شرايط عملياتي، آورده شده است. همانطوري كه از نمودار مشخص شده است، با افزايش فشار، فلاكس جريان نيز افزايش مي يابد. همچنين در فشار حدود 190 تا 210 پوند بر اينچ مربع، ماكزيمم راندمان حذف وجود دارد. نمودار 1: تغييرات فلاكس عبوري و راندمان حذف آرسنيك از محلول ورودي با تغيير فشار محلول ورودي توسط غشاي اسمز معكوس
TE 2521 (mg/L 2/0= CAS،C ̊ 25=T، 9/6= pH)
تاثير غلظت بر راندمان حذف و فلاكس جريان در فشار عملياتي psi 190، دماي 25 درجه ي سانتيگراد و pH معادل 9/6 بررسي شد. با توجه به نمودار 2، ملاحظه مي شود كه تغييرات غلظت آرسنيك در محلول ورودي تاثير قابل ملاحظه اي در ميزان فلاكس و راندمان حذف آرسنيك ندارد، در محدوده ي غلظت هاي 2/0 تا 5/0 ميلي گرم در ليتر بهترين عملكرد سيستم را با توجه به استانداردهاي موجود خواهيم داشت. همچنين در نمودار 3 عملكرد غشا با تغيير فشار و غلظت در حذف آرسنيك آورده شده است.
نمودار 2: تغييرات فلاكس عبوري و راندمان حذف آرسنيك از محلول ورودي با تغيير غلظت محلول ورودي توسط غشاي اسمز معكوس
TE 2521 (psi 190 = P،C ̊ 25=T، 9/6= pH)
نمودار 3: مقايسه راندمان حذف آرسنيك با تغيير فشار در غلظت هاي مختلف ورودي توسط غشاي اسمز معكوس
TE 2521 (C ̊ 25=T، 9/6= pH) نمودار 4 نشان دهنده ي تاثير pH بر كارايي غشا جهت حذف آرسنيك مي باشد. فشار عملكرد در هر حالت psi 200 به كار برده شد.با تغيير pH محلول ورودي تغيير چنداني در ميزان فلاكس عبوري ايجاد نمي گردد، ليكن در محدوده ي pH بين 4 تا 5/6 افزايش نسبي راندمان حذف را داريم و بعد از pH حدود 5/6 ميزان حذف ثابت مي ماند و در محدوده ي 6 تا 8 حداكثر راندمان را خواهد داشت. با توجه به اينكه تغييرات pH در محدوده ي بيان شده چندان قابل ملاحظه نيست، مي توان نتيجه گرفت كه pH تاثير چنداني در راندمان حذف ندارد.
نمودار 4: تغييرات راندمان حذف آرسنيك و فلاكس عبوري از غشاي اسمز معكوس
TE 2521، با تغيير pH (mg/L 2/0= CAS،psi 200= P، C ̊ 20=T)
نمودار 5: تغييرات راندمان حذف آرسنيك و فلاكس عبوري از غشاي اسمز معكوس
TE 2521، با تغيير دماي محلول عبوري (mg/L 2/0= CAS، psi 225= P، 7 = pH) راندمان حذف آرسنيك با تغييرات دما در نمودار 5 نشان داده شده است. با افزايش ميزان دماي محلول ورودي، ميزان فلاكس عبوري از غشا افزايش يافته و متعاقب آن راندمان حذف آرسنيك نيز افزايش خواهد يافت؛ به طوريكه در محدوده ي دمايي 25 تا 30 درجه ي سانتيگراد حداكثر راندمان حذف ملاحظه مي شود. بحث آرسنيك از سمومي است كه از دو راه طبيعي و صنعتي وارد محيط زيست مي گردد. در حال حاضر با توجه به استانداردها و رهنمودهاي WHO و EPA و پايين آمدن مقادير استاندارد توصيه شده به ميزان 10 ميكرو گرم در ليتر، سازمان هاي تامين كننده ي آب آشاميدني مجبور به پيروي از رهنمودها و استانداردهاي تعيين شده خواهند بود (8و 5، 7). لذا با تكنولوژي هاي موجود دستيابي به اين استانداردهاي جديد تا حد زيادي مشكل خواهد بود. يكي از روش هاي نوين تصفيه آب كه امروزه در اكثر نقاط دنيا رو به گسترش بوده و قادر است حدود استانداردهاي جديد تعيين شده را تامين نمايد، استفاده از فرآيندهاي غشائي مي باشد كه در اين پژوهش مورد آزمايش و بررسي قرا گرفته است. نتايج حاصل از اين تحقيق نشان دهنده ي آن است كه فرآيندهاي غشائي به خصوص اسمز معكوس، در حذف آرسنيك از آب آشاميدني به طور قابل ملاحظه اي موثر است و راندمان حذف آن، در حدود 95 تا 99 درصد مي باشد. مطالعات مختلفي روي اين نوع غشا و انواع ديگر غشاهاي صاف سازي انجام شده است. براي حذف آرسنيك از آب آشاميدني از غشاي اولترافيلتر نيز استفاده شده است، كه اين نوع غشا، تحت شرايط آزمايشگاهي، تنها قادر به حذف حدود 10 درصد آرسنيك بوده است كه براي افزايش كارايي آن، از كيتوسان و تركيبات اسيدهيوميك براي چيلاته شدن اين فلز و در نتيجه بالا رفتن وزن مولكولي آن استفاده شده است، به اين ترتيب، راندمان اولترافيلتر تا حدود 65 درصد افزايش يافته است (4). كارايي حذف آرسنات با استفاده از سيستم اولترافيلتراسيون كه به آن سورفكتانت هاي CPC (hexadeclypyridinium chloride)، CTAB (hexadecyltrimethylammonium bromide) و ODA (octadecylamine acetate) اضافه شده است، نيز بررسي شده است، كه نتايج نشان دهنده ي درصد حذفي به ترتيب برابر 96، 94 و 80 درصد بوده است (15). روش هاي الكترواولترافيلتراسيون نيز به كار برده شده است كه كارايي حذف براي آرسنات، بسيار بالا بوده و آرسنيت نيز بعد از تنظيم pH، حذف شده است (16). از ساير فرآيندهاي با پايه ي غشائي نيز براي اين منظور استفاده شده است (17). به عنوان مثال از سيستم نانوفيلتراسيون با فشار پايين استفاده شده است كه درصد حذف آرسنيك توسط آن 94 درصد به دست آمده است (18). براي آب آشاميدني شهرها و صنايع و همچنين آبهاي سطحي و زيرزميني هم از نانوفيلتراسيون استفاده شده، كه راندمان قابل قبولي جهت حذف آرسنيك داشته است (19). عملكرد فرآيند نانوفيلتراسيون با صافي هاي ماسه اي تند نيز براي حذف آرسنيك به كار رفته است كه نتايج نشان دهنده ي آن است كه در غلظت زير 50 ميكرو گرم آرسنيك، بدون توجه به كدورت، اين فرآيند قادر به كاهش آن تا حد رسيدن به رهنمود WHO است. از طرف ديگر، نانوفيلتر مي تواند تا 95 درصد آرسنات و 75 درصد آرسنيت را حذف كند، در حاليكه صافي ماسه اي تند قادر به حذف آرسنيت نمي باشد (8). از انواع ديگر نانوفيلتراسيون با قطر منافذ مختلف نيز استفاده شده است و در آن تغييرات pH، غلظت آرسنيك ورودي و حضور الكتروليت بررسي شده است. نتيجه بدست آمده نشان دهنده ي راندمان حذف بالاي 80 درصد است (20). به منظور حذف آرسنيك، از غشاهاي رسي (مونتموريلونيتو كائولينيت) استفاده شده، در آن توانايي اين نوع غشا، براي حذف آرسنيك در غلظت هاي مختلف و قدرت يوني كنترل شده با كلريد سديم مورد ارزيابي قرار گرفته، راندمان به دست آمده، بيش از 90 درصد بوده است (21). غشاي مورد استفاده ديگر جهت اين منظور، مدول غشائي ZW-1000 همراه با پيش تصفيه ي اكسيداسيون با پرمنگنات و انعقاد بوده است كه براي تصفيه آب چاه با ميزان آرسنيك 200 تا 300 ميكروگرم در ليتر استفاده شده است. با كمك اين روش، ميزان حذف به حد استانداردهاي موجود رسيده است. با كمك اين روش، ميزان حذف به حد استانداردهاي موجود رسيده است (22). از روش هاي ديگر حذف آرسنيك، استفاده از روش انعقاد اصلاح شده با يون هاي آهن و كلسيت درشت دانه، و متعاقب آن حذف لخته توسط غشاي ميكروفيلتراسيون بود. با اين روش سرعت ته نشيني افزايش يافته، و راندمان حذف تا بيش از 99 درصد افزايش مي يابد (24 و 23). با توجه به نتايج به دست آمده در نمودار 1، با افزايش فشار نمونه ي ورودي به غشا، ميزان فلاكس جريان عبوري از سطح غشا، و همچنين درصد حذف آرسنيك افزايش مي يابد (01/0 = α، 878/0 = r). دليل افزايش فلاكس با افزايش فشار، غلبه ي فشار اعمال شده بر فشار اسمزي محلول ورودي مي باشد. همچنين دليل افزايش ميزان حذف با افزايش فشار، كاهش قطر منافذ سطح غشا به واسطه ي تجمع آرسنيك نسبت به زمان است. لازم به ذكر است كه TDS آب ورودي هر چه بالاتر باشد، نيروي مولكولي بالايي را خواهد داشت و پيش از آنكه مولكولهاي آن شروع به جدا شدن از آب نموده و از مقطع غشا عبور كنند، اين نيروهاي مولكولي بايد توسط فشار محلول ورودي شكسته شوند. هر 100 ميلي گرم در ليتر از TDS نيازمند psi 1 فشار براي غلبه بر فشار اسمزي مي باشد (25). با توجه به نمودار2و3، افزايش غلظت تاثير چنداني در افزايش فلاكس جريان و درصد حذف ندارد (05/0= α،307/0 =r). از طرف ديگر، غلظت ورودي به طور معمول باعث كاهش فلاكس نفوذي در فرآيند صاف سازي غشا مي گردد و در برخي موارد رفتار تغييرات فلاكس با غلظت همانند پيش بيني هاي اغلب مدل هاي پلاريزاسيون غلظتي به صورت لگاريتمي مي باشد. به عبارت ديگر، بين فلاكس و لگاريتم غلظت ورودي رابطه ي خطي مشاهده مي شود. چنين رابطه اي عمدتاً در شرايطي حاصل مي گردد كه سرعت جريان ورودي از روي سطح غشا نسبتاً كم باشد. در سرعت هاي زياد افزايش غلظت، تاثير زيادي بر ميزان فلاكس نفوذي و راندمان حذف نداشته و ثابت باقي مي ماند (13). همانطوري كه در نمودار 4 مشاهده مي شود، pH تاثير چنداني در راندمان حذف ندارد. تغييرات مختصر ملاحظه شده، مربوط به تغيير شكل آنيون هاي آرسنيك موجود در محلول و بار آنهاست. در محدوده ي pH 4 تا 10، يون هاي 5 ظرفيتي آرسنات به اشكال H2AsO4- و HAsO42- مي باشند. به طوري كه تا pH 7/6 به شكل H2AsO4- و بعد از آن به صورت HAsO42- مي باشد (26). از طرفي با توجه به اينكه غشاي RO مورد استفاده داراي شارژ منفي مي باشد، لذا طبيعي است كه در محدوده ي pH پايين تر از 77/6، نسبت به pH هاي بالاتر به مقدار كمتري حذف گردد. در ضمن بايد به اين مسئله توجه داشت كه ميزان بار سطحي غشا، تابع جنس غشا و نيز pH و قدرت يوني محلول مجاور با غشا است. بيشترين ميزان فلاكس نفوذي و نيز بيشترين ميزان قدرت نگهدارندگي غشا را زماني مي توان انتظار داشت كه بار الكتريكي سطح غشا با بار الكتريكي مولكول هاي حل شده همنام باشد (13). در رابطه با تاثير دما، با توجه به نمودار 5، با افزايش دماي محلول ورودي به غشا در ابتدا ميزان فلاكس عبوري افزايش مي يابد. البته تغييرات فلاكس جريان تا محدوده اي ادامه مي يابد، سپس منحني به صورت خط افقي در مي آيد. به عبارتي جنس غشا، عامل محدود كننده ي تاثير دما روي افزايش فلاكس مي باشد. از طرف ديگر، افزايش دما به طور معمول باعث كاهش ويسكوزيته ي سيال و افزايش نفوذپذيري مي گردد و اين امر به افزايش فلاكس نفوذي كمك مي كند (25 و 13). نتيجه گيري با توجه به مطالعه ي حاضر مي توان نتيجه گيري نمود كه از بين غشاهاي مختلف، اسمز معكوس بهترين راندمان را براي حذف آرسنيك دارا مي باشد و راندمان حذف آرسنيك در شرايط بهينه ي عملكرد سيستم (فشار psi 190، دماي 25 درجه سانتيگراد و pH 9/6) تا بيش از 99 درصد مي باشد.

دكتر ميترا غلامي دستگاه تصفيه آب حامد محمدي، سيد احمد مختاري 1- دكتراي تخصصي مهندسي بهداشت محيط، استاديار دانشگاه علوم پزشكي ايران 2- كارشناسي ارشد مهندسي بهداشت محيط، مربي دانشگاه علوم پزشكي زنجان 3- كارشناس ارشد مهندسي بهداشت محيط، معاونت بهداشتي دانشگاه علوم پزشكي تبريز چكيده زمينه و هدف: آلودگي آرسنيك در آب آشاميدني باعث اثرات زيان آور در سلامت انسان مي گردد. هدف از اين پژوهش، ارزيابي كارآيي فرآيند اسمز معكوس براي حذف آرسنيك در آب آشاميدني مي باشد. روش بررسي: روش انجام اين پژوهش بر اساس داده هاي آزمايشگاهي و از نوع مطالعات تجربي بوده است. پژوهش در يك پايلوت غشايي اسمز معكوس از جنس پلي آميد با مدول مارپيچي مدل TE 2521 ساخت شركت CSM كره انجام گرفت. پس از آماده سازي محلول ارسنات سديم در آزمايشگاه، عملكرد سيستم اسمز معكوس در حذف آرسنيك، بررسي شد. تاثير تغييرات فشار، pH و دماهاي مختلف با غلظت ورودي 2/0 ميلي گرم در ليتر، و سپس در غلظت هاي مختلف بر روي كارآيي حذف آرسنيك مورد ارزيابي قرار گرفت. در هر حالت ميزان فلاكس عبوري (جريان عبوري در واحد سطح) از غشا اندازه گرفته شد. اندازه گيري مقدار آرسنيك به روش نقره دي اتيل دي تيو كاربامات انجام شد و درصد حذف آن تعيين گرديد. يافته ها: نتايج حاصل نمايانگر شرايط بهينه ي عملكرد سيستم در فشار حدود 190 پوند بر اينچ مربع، غلظت در محدوده ي 2/0 تا 5/0 ميلي گرم در ليتر، دما در محدوده 25 تا 35 درجه ي سانتيگراد و pH در محدوده ي 6 تا 8 مي باشد. غلظت آرسنيك در آب ورودي به غشا، تاثير چنداني در عملكرد سيستم و راندمان آن نداشت. افزايش دما موجب بهبود عملكرد سيستم و افزايش نسبي در راندمان آن شد. pH محلول ورودي تاثير چنداني در فلاكس و عملكرد هيدرليكي سيستم نداشت، ليكن راندمان حذف در pH هاي پايين به علت شكل يونهاي آرسنات موجود، نسبتاً كم بود. نتيجه گيري: راندمان حذف آرسنيك در شرايط بهينه ي عملكرد سيستم، تا بيش از 99 درصد مي باشد. واژگان كليدي: حذف آرسنيك، تصفيه آب آشاميدني، غشاي صاف سازي اسمز معكوس (RO)
مقدمه آرسنيك سومين عنصر گروه پنجم جدول تناوبي است. عدد اتمي آن 33 و جرم اتمي آن 92/74 مي باشد. اين عنصر با ظرفيت هاي مختلف و نيز به صورت معدني و آلي در طبيعت يافت مي شود. ميزان آرسنيك در پوسته ي زمين 8/1 ميلي گرم در كيلوگرم بوده، معمولاً به صورت تركيب با گوگرد و يا فلزاتي نظير مس، كبالت، سرب، روي و غيره يافت مي شود. از اين عنصر در كشاورزي، دامداري، پزشكي، الكترونيك، صنعت و متالوژي استفاده مي گردد (1). آرسنيك از طريق حل شدن كاني ها و مواد معدني، تخليه ي پساب هاي صنعتي وارد منابع آب مي گردد. آرسنيك يك ماده ي سمي، تجمعي و بازدارنده ي آنزيم هاي گروه SH است. نوع آلي آن از شكل معدني آن بسيار سمي تر است. همچنين آرسنيك سه ظرفيتي ] (آرسنيت)Arsenite [ در اكثر اوقات سمي تر از نوع پنج ظرفيتي ](آرسنات)Arsenate [ آن مي باشد (2و19). آلودگي آرسنيك در آب، به خصوص آب هاي زير زميني، به دليل سميت و مخاطره آميز بودن آن، به عنوان يك مشكل اساسي در جوامع مختلف مطرح است. در آب هاي طبيعي مقدار آن در حد 1 تا 2 ميلي گرم در ليتر گزارش شده است (3). مصرف طولاني مدت اين عنصر سبب ايجاد سرطان مي شود (4). بر اساس تقسيم بندي سازمان بين المللي تحقيقات سرطان ](IARC)[ International Association on Research Cancer تركيبات غير آلي آرسنيك در گروه 1 (سرطان زا براي انسان) قرار دارند (5). اين عنصر به عنوان آلاينده ي مهم آب آشاميدني به ويژه در نواحي آسياي جنوبي شناخته شده است. در اين نواحي ميليون ها نفر در خطر ابتلا به بيماريهاي مرتبط با آرسنيك مي باشند (6). USEPA حد مجاز آرسنيك را حدود 5 تا 10 ميكرو گرم در ليتر ذكر كرده است (7 و 5). رهنمود WHO براي آرسنيك 01/0 ميلي گرم در ليتر مي باشد (8 و 1). در حالي كه حداكثر مجاز تعيين شده در استاندارد ايران 5 ميكروگرم در ليتر است (9). به دليل اينكه در آبهاي طبيعي حذف آرسنيت از آرسنات سخت تر است، بنابراين براي دستيابي به ميزان بالاي حذف از آب آشاميدني، طي يك مرحله ي پيش تصفيه قبل از فرآيند اصلي حذف، آرسنيت به آرسنات اكسيد شده و سپس نسبت به حذف آرسنات اقدام مي شود (10). روش هاي مختلفي براي حذف آرسنيك و دستيابي به حدود تعيين شده در آب آشاميدني وجود دارد كه از بين آنها مي توان به انعقاد، صاف سازي، سبك سازي با آهك، آلوميناي فعال، تبادل يون، فرآيندهاي غشايي اشاره نمود كه هر كدام مزايا و معايب خود را دارند (11). هدف از اين پژوهش، استفاده از فرآيند غشايي اسمز معكوس براي حذف آرسنيك از آب آشاميدني مي باشد. به اين منظور تاثير پارامتر هاي مختلف، نظير غلظت آرسنيك، فشار، pH و دماي آب ورودي بررسي شده است. روش بررسي روش انجام اين پژوهش با توجه به ماهيت آن بر اساس داده هاي آزمايشگاهي و يك سيستم عملي و اجرايي از نوع مطالعات تجربي بوده است. روش آماري مورد استفاده به منظور تعيين تعداد نمونه ها، روش irregular fraction design از طريق نرم افزار Design Expert Ver 7.0.1 بوده است. بر اساس متغيرهاي وابسته و مستقل براي آناليز آماري چند متغيره (فشار، دما، pH و غلظت) برابر با 24 نمونه بوده است، آزمايشات در هر دوره (Run) به صورت سه تايي (Triple) انجام شده است. (در مجموع 72 نمونه بررسي شده است). تست هاي آماري انجام شده، رگرسيون و همبستگي مي باشد. در مرحله ي اول پايلوت غشايي طراحي و ساخته شد. غشاي مورد استفاده غشاي مارپيچي اسمز معكوس (RO) (مدل TE 2521)، ساخت شركت CSM كره مي باشد. اين غشا اصطلاحاً TFC ناميده مي شود و از جنس پلي آميد (PA) با شارژ منفي است. طول غشا 21 اينچ، قطر آن 5/2 اينچ، قطر لوله ي تغذيه 75/0 اينچ، و سطح فعال و موثر آن 1/1 متر مربع است. ميزان فلاكس عبوري اسمي غشا، معادل 1/1 متر مكعب در روز مي باشد. ديگر اجزاي اصلي پايلوت عبارت از غشاي اسمز معكوس، پمپ، الكترو موتور، بارومتر، مخزن آب ورودي و خروجي و فيلتر كارتريج مي باشد. در شكل شماره ي 1 دياگرام جريان در پايلوت نشان داده شده است.
پس از نصب و راه اندازي پايلوت، ابتدا فلاكس آب مقطر در فشارهاي مختلف تعيين گرديد. سپس با توجه به غلظت آرسنيك در آب آشاميدني مناطق آلوده ي كشور، غلظت 2/0 ميلي گرم در ليتر در نظر گرفته شد (12) و از آب شهر، تهيه گرديد. با ثابت نگه داشتن ساير پارامترها، ميزان فلاكس عبوري از غشا و درصد حذف آرسنيك در فشارهاي عملياتي مختلف 100، 130، 160، 190 و 210 پوند بر اينچ مربع (Psi) اندازه گيري شد. در مرحله سوم، با تعيين فشار بهينه (Psi 190)، تاثير غلظت، دما و pH در كارايي حذف غشاي بررسي شده و pH، غلظت و دماي بهينه تعيين گرديد. مقادير pH محلول هاي تهيه شده، با استفاده از سود و اسيد كلريدريك در pHهاي 4، 5/5 ،7، 5/8 و 10 تنظيم و تثبيت گرديد. ساير پارامترها ثابت نگهداشته شدند. تغييرات دما با استفاده از هيتر ترموكوپل دار و دماسنج در دماهاي 20، 25، 30، 35 و 40 درجه سانتيگراد تنظيم و تثبيت گرديد. همچنين با به دست آوردن دبي عبوري و با داشتن سطح فعال غشاي ارائه شده توسط كارخانه ي سازنده، ميزان فلاكس عبوري (Q/A) از غشا اندازه گيري شد. لازم به ذكر است كه براي تعيين دبي ورودي از فلومتر استفاده شد. جهت محاسبه ي دبي خروجي، حجم مشخصي از جريان عبوري از غشا، در يك زمان مشخص توسط كورنومتر و استوانه ي مدرج اندازه گيري شد. راندمان سيستم، پس از تعيين غلظت محلول ورودي به غشا و غلظت خروجي محاسبه شد (13). محلول ورودي با استفاده از آرسنات سديم (Na2HAsO4.7H2O) در مخزني از جنس پلي اتيلن به حجم 200 ليتر در غلظت 2/0، 5/0، 1، 5/1 و 2 ميلي گرم در ليتر آرسنيك تهيه شد. روش اندازه گيري آرسنيك در نمونه هاي برداشتي از ورودي و خروجي، روش نقره دي اتيل دي تيو كاربامات مي باشد (استاندارد متد AsB-3500). در تمام مراحل، ميزان جذب در طول موج 520 نانومتر توسط اسپكتروفتومترپركين- المر دبل بيم UV-VIS مدل S 550 ساخت آمريكا، خوانده شد و راندمان حذف آرسنيك در شرايط مختلف بدست آمد (14). در مرحله ي آخر، نمودارهاي مربوط به كارآيي و فلاكس جريان نسبت به هر يك از شرايط فوق رسم گرديد. يافته ها با توجه به آزمايشات انجام شده و نتايج بدست آمده، شرايط بهينه سيستم در محدوده ي فشار psi 190 (01/0=α)، غلظت 2/0 ميلي گرم در ليتر (05/0=α)، دما در محدوده ي 25 تا 30 درجه ي سانتيگراد، (05/0=α) و pH در محدوده 6 تا 8 بود. در نمودار 1، تاثير تغييرات فشار بر كارايي غشا در حذف آرسنيك و همچنين فلاكس عبوري از غشا، با توجه به شرايط عملياتي، آورده شده است. همانطوري كه از نمودار مشخص شده است، با افزايش فشار، فلاكس جريان نيز افزايش مي يابد. همچنين در فشار حدود 190 تا 210 پوند بر اينچ مربع، ماكزيمم راندمان حذف وجود دارد. نمودار 1: تغييرات فلاكس عبوري و راندمان حذف آرسنيك از محلول ورودي با تغيير فشار محلول ورودي توسط غشاي اسمز معكوس
TE 2521 (mg/L 2/0= CAS،C ̊ 25=T، 9/6= pH)
تاثير غلظت بر راندمان حذف و فلاكس جريان در فشار عملياتي psi 190، دماي 25 درجه ي سانتيگراد و pH معادل 9/6 بررسي شد. با توجه به نمودار 2، ملاحظه مي شود كه تغييرات غلظت آرسنيك در محلول ورودي تاثير قابل ملاحظه اي در ميزان فلاكس و راندمان حذف آرسنيك ندارد، در محدوده ي غلظت هاي 2/0 تا 5/0 ميلي گرم در ليتر بهترين عملكرد سيستم را با توجه به استانداردهاي موجود خواهيم داشت. همچنين در نمودار 3 عملكرد غشا با تغيير فشار و غلظت در حذف آرسنيك آورده شده است.
نمودار 2: تغييرات فلاكس عبوري و راندمان حذف آرسنيك از محلول ورودي با تغيير غلظت محلول ورودي توسط غشاي اسمز معكوس
TE 2521 (psi 190 = P،C ̊ 25=T، 9/6= pH)
نمودار 3: مقايسه راندمان حذف آرسنيك با تغيير فشار در غلظت هاي مختلف ورودي توسط غشاي اسمز معكوس
TE 2521 (C ̊ 25=T، 9/6= pH) نمودار 4 نشان دهنده ي تاثير pH بر كارايي غشا جهت حذف آرسنيك مي باشد. فشار عملكرد در هر حالت psi 200 به كار برده شد.با تغيير pH محلول ورودي تغيير چنداني در ميزان فلاكس عبوري ايجاد نمي گردد، ليكن در محدوده ي pH بين 4 تا 5/6 افزايش نسبي راندمان حذف را داريم و بعد از pH حدود 5/6 ميزان حذف ثابت مي ماند و در محدوده ي 6 تا 8 حداكثر راندمان را خواهد داشت. با توجه به اينكه تغييرات pH در محدوده ي بيان شده چندان قابل ملاحظه نيست، مي توان نتيجه گرفت كه pH تاثير چنداني در راندمان حذف ندارد.
نمودار 4: تغييرات راندمان حذف آرسنيك و فلاكس عبوري از غشاي اسمز معكوس
TE 2521، با تغيير pH (mg/L 2/0= CAS،psi 200= P، C ̊ 20=T)
نمودار 5: تغييرات راندمان حذف آرسنيك و فلاكس عبوري از غشاي اسمز معكوس
TE 2521، با تغيير دماي محلول عبوري (mg/L 2/0= CAS، psi 225= P، 7 = pH) راندمان حذف آرسنيك با تغييرات دما در نمودار 5 نشان داده شده است. با افزايش ميزان دماي محلول ورودي، ميزان فلاكس عبوري از غشا افزايش يافته و متعاقب آن راندمان حذف آرسنيك نيز افزايش خواهد يافت؛ به طوريكه در محدوده ي دمايي 25 تا 30 درجه ي سانتيگراد حداكثر راندمان حذف ملاحظه مي شود. بحث آرسنيك از سمومي است كه از دو راه طبيعي و صنعتي وارد محيط زيست مي گردد. در حال حاضر با توجه به استانداردها و رهنمودهاي WHO و EPA و پايين آمدن مقادير استاندارد توصيه شده به ميزان 10 ميكرو گرم در ليتر، سازمان هاي تامين كننده ي آب آشاميدني مجبور به پيروي از رهنمودها و استانداردهاي تعيين شده خواهند بود (8و 5، 7). لذا با تكنولوژي هاي موجود دستيابي به اين استانداردهاي جديد تا حد زيادي مشكل خواهد بود. يكي از روش هاي نوين تصفيه آب كه امروزه در اكثر نقاط دنيا رو به گسترش بوده و قادر است حدود استانداردهاي جديد تعيين شده را تامين نمايد، استفاده از فرآيندهاي غشائي مي باشد كه در اين پژوهش مورد آزمايش و بررسي قرا گرفته است. نتايج حاصل از اين تحقيق نشان دهنده ي آن است كه فرآيندهاي غشائي به خصوص اسمز معكوس، در حذف آرسنيك از آب آشاميدني به طور قابل ملاحظه اي موثر است و راندمان حذف آن، در حدود 95 تا 99 درصد مي باشد. مطالعات مختلفي روي اين نوع غشا و انواع ديگر غشاهاي صاف سازي انجام شده است. براي حذف آرسنيك از آب آشاميدني از غشاي اولترافيلتر نيز استفاده شده است، كه اين نوع غشا، تحت شرايط آزمايشگاهي، تنها قادر به حذف حدود 10 درصد آرسنيك بوده است كه براي افزايش كارايي آن، از كيتوسان و تركيبات اسيدهيوميك براي چيلاته شدن اين فلز و در نتيجه بالا رفتن وزن مولكولي آن استفاده شده است، به اين ترتيب، راندمان اولترافيلتر تا حدود 65 درصد افزايش يافته است (4). كارايي حذف آرسنات با استفاده از سيستم اولترافيلتراسيون كه به آن سورفكتانت هاي CPC (hexadeclypyridinium chloride)، CTAB (hexadecyltrimethylammonium bromide) و ODA (octadecylamine acetate) اضافه شده است، نيز بررسي شده است، كه نتايج نشان دهنده ي درصد حذفي به ترتيب برابر 96، 94 و 80 درصد بوده است (15). روش هاي الكترواولترافيلتراسيون نيز به كار برده شده است كه كارايي حذف براي آرسنات، بسيار بالا بوده و آرسنيت نيز بعد از تنظيم pH، حذف شده است (16). از ساير فرآيندهاي با پايه ي غشائي نيز براي اين منظور استفاده شده است (17). به عنوان مثال از سيستم نانوفيلتراسيون با فشار پايين استفاده شده است كه درصد حذف آرسنيك توسط آن 94 درصد به دست آمده است (18). براي آب آشاميدني شهرها و صنايع و همچنين آبهاي سطحي و زيرزميني هم از نانوفيلتراسيون استفاده شده، كه راندمان قابل قبولي جهت حذف آرسنيك داشته است (19). عملكرد فرآيند نانوفيلتراسيون با صافي هاي ماسه اي تند نيز براي حذف آرسنيك به كار رفته است كه نتايج نشان دهنده ي آن است كه در غلظت زير 50 ميكرو گرم آرسنيك، بدون توجه به كدورت، اين فرآيند قادر به كاهش آن تا حد رسيدن به رهنمود WHO است. از طرف ديگر، نانوفيلتر مي تواند تا 95 درصد آرسنات و 75 درصد آرسنيت را حذف كند، در حاليكه صافي ماسه اي تند قادر به حذف آرسنيت نمي باشد (8). از انواع ديگر نانوفيلتراسيون با قطر منافذ مختلف نيز استفاده شده است و در آن تغييرات pH، غلظت آرسنيك ورودي و حضور الكتروليت بررسي شده است. نتيجه بدست آمده نشان دهنده ي راندمان حذف بالاي 80 درصد است (20). به منظور حذف آرسنيك، از غشاهاي رسي (مونتموريلونيتو كائولينيت) استفاده شده، در آن توانايي اين نوع غشا، براي حذف آرسنيك در غلظت هاي مختلف و قدرت يوني كنترل شده با كلريد سديم مورد ارزيابي قرار گرفته، راندمان به دست آمده، بيش از 90 درصد بوده است (21). غشاي مورد استفاده ديگر جهت اين منظور، مدول غشائي ZW-1000 همراه با پيش تصفيه ي اكسيداسيون با پرمنگنات و انعقاد بوده است كه براي تصفيه آب چاه با ميزان آرسنيك 200 تا 300 ميكروگرم در ليتر استفاده شده است. با كمك اين روش، ميزان حذف به حد استانداردهاي موجود رسيده است. با كمك اين روش، ميزان حذف به حد استانداردهاي موجود رسيده است (22). از روش هاي ديگر حذف آرسنيك، استفاده از روش انعقاد اصلاح شده با يون هاي آهن و كلسيت درشت دانه، و متعاقب آن حذف لخته توسط غشاي ميكروفيلتراسيون بود. با اين روش سرعت ته نشيني افزايش يافته، و راندمان حذف تا بيش از 99 درصد افزايش مي يابد (24 و 23). با توجه به نتايج به دست آمده در نمودار 1، با افزايش فشار نمونه ي ورودي به غشا، ميزان فلاكس جريان عبوري از سطح غشا، و همچنين درصد حذف آرسنيك افزايش مي يابد (01/0 = α، 878/0 = r). دليل افزايش فلاكس با افزايش فشار، غلبه ي فشار اعمال شده بر فشار اسمزي محلول ورودي مي باشد. همچنين دليل افزايش ميزان حذف با افزايش فشار، كاهش قطر منافذ سطح غشا به واسطه ي تجمع آرسنيك نسبت به زمان است. لازم به ذكر است كه TDS آب ورودي هر چه بالاتر باشد، نيروي مولكولي بالايي را خواهد داشت و پيش از آنكه مولكولهاي آن شروع به جدا شدن از آب نموده و از مقطع غشا عبور كنند، اين نيروهاي مولكولي بايد توسط فشار محلول ورودي شكسته شوند. هر 100 ميلي گرم در ليتر از TDS نيازمند psi 1 فشار براي غلبه بر فشار اسمزي مي باشد (25). با توجه به نمودار2و3، افزايش غلظت تاثير چنداني در افزايش فلاكس جريان و درصد حذف ندارد (05/0= α،307/0 =r). از طرف ديگر، غلظت ورودي به طور معمول باعث كاهش فلاكس نفوذي در فرآيند صاف سازي غشا مي گردد و در برخي موارد رفتار تغييرات فلاكس با غلظت همانند پيش بيني هاي اغلب مدل هاي پلاريزاسيون غلظتي به صورت لگاريتمي مي باشد. به عبارت ديگر، بين فلاكس و لگاريتم غلظت ورودي رابطه ي خطي مشاهده مي شود. چنين رابطه اي عمدتاً در شرايطي حاصل مي گردد كه سرعت جريان ورودي از روي سطح غشا نسبتاً كم باشد. در سرعت هاي زياد افزايش غلظت، تاثير زيادي بر ميزان فلاكس نفوذي و راندمان حذف نداشته و ثابت باقي مي ماند (13). همانطوري كه در نمودار 4 مشاهده مي شود، pH تاثير چنداني در راندمان حذف ندارد. تغييرات مختصر ملاحظه شده، مربوط به تغيير شكل آنيون هاي آرسنيك موجود در محلول و بار آنهاست. در محدوده ي pH 4 تا 10، يون هاي 5 ظرفيتي آرسنات به اشكال H2AsO4- و HAsO42- مي باشند. به طوري كه تا pH 7/6 به شكل H2AsO4- و بعد از آن به صورت HAsO42- مي باشد (26). از طرفي با توجه به اينكه غشاي RO مورد استفاده داراي شارژ منفي مي باشد، لذا طبيعي است كه در محدوده ي pH پايين تر از 77/6، نسبت به pH هاي بالاتر به مقدار كمتري حذف گردد. در ضمن بايد به اين مسئله توجه داشت كه ميزان بار سطحي غشا، تابع جنس غشا و نيز pH و قدرت يوني محلول مجاور با غشا است. بيشترين ميزان فلاكس نفوذي و نيز بيشترين ميزان قدرت نگهدارندگي غشا را زماني مي توان انتظار داشت كه بار الكتريكي سطح غشا با بار الكتريكي مولكول هاي حل شده همنام باشد (13). در رابطه با تاثير دما، با توجه به نمودار 5، با افزايش دماي محلول ورودي به غشا در ابتدا ميزان فلاكس عبوري افزايش مي يابد. البته تغييرات فلاكس جريان تا محدوده اي ادامه مي يابد، سپس منحني به صورت خط افقي در مي آيد. به عبارتي جنس غشا، عامل محدود كننده ي تاثير دما روي افزايش فلاكس مي باشد. از طرف ديگر، افزايش دما به طور معمول باعث كاهش ويسكوزيته ي سيال و افزايش نفوذپذيري مي گردد و اين امر به افزايش فلاكس نفوذي كمك مي كند (25 و 13). نتيجه گيري با توجه به مطالعه ي حاضر مي توان نتيجه گيري نمود كه از بين غشاهاي مختلف، اسمز معكوس بهترين راندمان را براي حذف آرسنيك دارا مي باشد و راندمان حذف آرسنيك در شرايط بهينه ي عملكرد سيستم (فشار psi 190، دماي 25 درجه سانتيگراد و pH 9/6) تا بيش از 99 درصد مي باشد.