الكربون المنشط: إزالة المعادن الثقيلة

في الجزء الثاني من سلسلة من خمسة أجزاء حول تطبيقات الكربون المنشط ، يتم فحص استخدام الكربون المنشط لعزل المعادن الثقيلة. من المعروف أن المعادن الثقيلة ، مثل الكادميوم والرصاص ، يصعب إزالتها من المحلول وهناك عواقب وخيمة إذا شقت طريقها إلى مجاري المياه أو مياه الشرب أو البحر. الكربون المنشط هو جزء من الحل.

مقدمة

المعادن الثقيلة في كثير من الحالات سامة للنبات والحياة المائية. يمكن أن يؤدي الجريان السطحي من ممارسات التعدين ومواقع النفايات سيئة الإدارة والنشاط الصناعي غير المنظم إلى ترك مجاري المياه والتربة الناتجة غير قابلة للاستخدام. لا بد من إزالة المعادن الثقيلة في أقرب وقت ممكن - لمنع المرض والأضرار البيئية. يعد استخدام مرشح الكربون المنشط أحد أكثر الطرق فعالية وموثوقية ومرونة لشل حركة المعادن الثقيلة. تشمل المصادر الأخرى للمعادن الثقيلة في المياه التجوية من المباني (خاصة النحاس والحديد) وانبعاثات المركبات ومن منشآت السباكة. الطريقة الأساسية للترشيح هي استبعاد الحجم عن طريق الامتزاز. العديد من المعادن الثقيلة مناسبة تماما لترشيح GAC نظرا لخصائصها الإلكترونية التكميلية (مثل الكهربية) وحجمها الذري.

ميزة الموافقة المسبقة عن علم

إضافة فلتر كربون

يمكن استخدام مرشحات الكربون المنشط

بعدة طرق. الترشيح في الخط كجزء من استراتيجية المعالجة الصناعية أو كطريقة ما بعد المعالجة حيث يتم تمرير المياه الراكدة أو مياه الصرف الصحي من خلال مرشح الكربون المنشط قبل المعالجة الأخرى. من المهم ملاحظة أن المعالجة الأخرى مطلوبة عادة لضمان ملاءمة المياه للعودة إلى الأنهار أو البحر. يتم ذلك بالطريقة التقليدية تماما مثل كيفية معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية.

النفايات الصناعية هي المصادر الرئيسية للتلوث بالمعادن الثقيلة. أيونات الكروم (III) هي سمة شائعة في مياه الصرف الصحي الناشئة عن المدابغ. بسبب انتشار مواقعها في العالم النامي ، قد تكون بعض معالجة المياه سيئة تاريخيا. تم عرض نوعين من الكربون المنشط الحبيبي التجاري في الأبحاث لإزالة 98.6 و 93٪ من الكروم الموجود في مياه الصرف الصحي (1). يعزى معدل النجاح المرتفع هذا مباشرة إلى مساحة السطح.

يمثل وجود الحديد والمنغنيز في المياه الجوفية مشاكل مماثلة للكروم. غالبا ما تكون هذه المياه الجوفية حمراء المظهر بسبب الأكسدة. عندما تمت معالجة المياه الجوفية بالكربون المنشط الحبيبي، أصبحت المياه صافية تماما تقريبا في أقل من ست ساعات في درجة حرارة الغرفة، حيث أفادت التقارير أن GAC تزيل ما يصل إلى 3.60 و 2.55 ملغ من الحديد والمنغنيز على التوالي لكل غرام من الكربون (2). Fe و Mn مناسبان بشكل خاص للإزالة عبر GAC بسبب سالبيتها الكهربية وأنصاف أقطار الذرة.

وتشمل المواد الأكثر خطورة الكادميوم والرصاص. وقد أشارت دراسات المحاكاة في إزالتها إلى أن استخدام GAC يكون فعالا عند نشره في عمود سرير ثابت (يهدف إلى التكرار في الترشيح الثابت للخط)، مع إزالة شبه كاملة (3). وبتطبيق هذه الأفكار في العالم الحقيقي، تمكن الباحثون من إظهار أن GAC يمكنها شل حركة - وبالتالي إزالة - الكادميوم والرصاص، بالإضافة إلى النحاس والكروم، من رواسب الأنهار. لاحظ الباحثون أن حجم المسام المثالي لهذا المثال في العالم الحقيقي كان في منطقة 0.075 - 0.18 ملم. مثل الأبحاث الأخرى ، افترض المؤلفون أن مزيجا من درجة عالية من المسامية والخصائص الإلكترونية المتوافقة كان له دور فعال في الإزالة الفعالة (4).

عند ترسيبها على أنواع الكربون الأخرى مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجسيمات النانوية المغناطيسية المغلفة بالكربون، يمكن أن يكون GAC فعالا أيضا في إزالة أيونات الكوبالت من المحلول. ومع ذلك ، يلاحظ المؤلفون أن التطعيم على أنواع الكربون الأخرى مفيد ل GAC ، لكن إضافة GAC إلى الأنابيب النانوية ، على سبيل المثال ، لن تزيد من سلوك الامتزاز لتلك الأنابيب النانوية (5). على الرغم من ذلك ، يذكر المؤلفون بوضوح أن حجم جسيمات الملوث هو الحكم الرئيسي في ما إذا كان يمكن إزالته عن طريق الترشيح أم لا.

عملية تنقية المياه
قطرات الماء ضرب الماء

مرشحات الكربون المنشط المحبب في البيئات البيولوجية

تميل المعادن الثقيلة إلى عدم اللعب بشكل جيد مع الأنظمة البيولوجية (باستثناء تلك المعنية مباشرة ، بالطبع) وبالتالي فإن إزالتها أمر أساسي.

تم عرض استخدام الأنظمة البيولوجية لتعزيز الإزالة باستخدام GAC عند استخدام الخميرة. وقد ثبت أن هذا المزيج من المواد الماصة الحيوية GAC فعال في إزالة الكادميوم والنحاس والزنك من المحلول. عند استخدام المرشح غير المتجانس المشترك GAC-yeast-alginate ، تتم إزالة حوالي 90٪ من أيونات المعادن من المحلول (6). وقد تبين أن المزيد من عمليات الإضافة الحيوية مع الكربون المنشط الحبيبي مناسبة لإزالة المعادن الثقيلة المختلفة من مياه الصرف الصحي المعالجة الأولية. كانت جرعة GAC البالغة 5 جم L-1 مسؤولة عن 54٪ و 96٪ من إزالة الملوثات عن طريق الامتزاز والامتزاز الحيوي على التوالي (7).

يمكن إزالة أيونات الرصاص والنيكل من المحلول المائي والجريان السطحي عن طريق استخدام مفاعل دفعة التسلسل باستخدام الحمأة الحيوية والكربون المنشط الحبيبي. يشبه هذا النظام المركب من نواح كثيرة مفاعل السرير الثابت ، وإن كان يختلف في عدم تجانسه ودرجة حرارة التشغيل. ومن المثير للاهتمام ، أن امتصاص الملوثات قد زاد مع زيادة وقت الاحتفاظ الهيدروليكي. أي كلما طالت المدة التي تقضيها في الفلتر ، كانت الإزالة أفضل. هذا أمر متوقع ، حتى السعة الإجمالية للمرشح. ما يزيد عن 800 و 750 ملغ من النيكل والرصاص على التوالي تتم إزالتها بسهولة لكل غرام من الكربون المنشط - مركب الحمأة الحيوية. تم استرداد أيونات المعادن لاحقا من المرشح المركب عن طريق المعالجة بحمض النيتريك المخفف. (8).

يمكن الحصول على الكربون المنشط الحبيبي من وسائل غير تجارية ، ومثل هذا الكربون المنشط الذي تم تحضيره من حجر المشمش فعال عبر مجموعة من المعادن الثقيلة. أظهرت الأبحاث على الرغم من ذلك أن GAC من مصادر غير تجارية تعاني من نقص التجانس والميل إلى طلب نطاق أس هيدروجيني أكثر تحديدا للعمل فيه بفعالية(9).

تعديلات على إعداد فلتر الكربون المنشط التقليدي

كما نوقش على نطاق واسع أعلاه ، فإن حقيقة أن الكربون المنشط يمتلك مساحة سطح ضخمة بالنسبة لحجمه هو المفتاح في قدرته على امتصاص المعادن الثقيلة من المحلول. تمثل قدرة الكيميائي أو المهندس على إجراء تعديل السطح على الكربون المنشط الحبيبي - أي تغيير خصائص السطح عن طريق تفاعل كيميائي أو معالجة فيزيائية - لزيادة تعزيز الخصائص المحددة بالفعل تطورا مثيرا. عوامل مثل مساحة السطح الأكبر ، ومستويات أكبر من الخمول الكيميائي وقوة ميكانيكية أقوى كلها خصائص مشتركة مطلوبة (10) لمعالجة مياه الصرف الصحي.

ومن الأمثلة على ذلك المكان الذي سعى فيه الباحثون إلى تعزيز الحموضة على سطح الكربون المنشط. باستخدام عملية تحمض حمض النيتريك ، مسبوقة بإزالة الرماد وتليها معالجة عند 1,273 كلفن ، لاحظوا أن امتزاز المعادن الثقيلة بما في ذلك الكادميوم كان أقوى بكثير بينما كان امتزاز العطريات أكثر فقرا (11). وقد لوحظت تحسينات أخرى في الأداء مع الكربون المنشط الحبيبي الذي تم تعديله عن طريق المعالجة بالموجات الدقيقة وتنشيط البخار والعلاج بالموجات فوق الصوتية. وقد ثبت أن كل من هذه العوامل فعالة في بيئة المختبر في تعزيز ملف إزالة بعض المعادن الثقيلة ومركباتها (12).

وخير مثال على الطرف الأبسط لتعديل السطح هو معالجة مادة الكربون المنشط الحبيبية بحمض الستريك. وجد الباحثون أن المنشطات المتواضعة زادت من مساحة سطح الكربون النشط بنسبة 34٪ وزادت من قدرتها على امتصاص النحاس إلى ما يقرب من 15 مجم من النحاس لكل غرام (13) ، أي أفضل بنسبة 140٪ من الكربون غير المعدل. وبالمثل، تم تسريع إزالة أيونات المعادن الثقيلة من المحلول المائي عند استخدام الكربون المنشط الحبيبي المعالج بكبريتيد الصوديوم كمادة ماصة لإزالة الزئبق والرصاص والنيكل(14). ومن المثير للاهتمام أيضا أن هذه الدراسة أظهرت أن الامتزاز في هذه الحالة لم يكن يعتمد على درجة الحرارة على الإطلاق. تعد المعالجة الحمضية والقاعدية خيارا شائعا، حيث تظهر المعالجة المسبقة ل GAC بحمض النيتريك 1.0 M وهيدروكسيد البوتاسيوم امتزازا معززا عبر مجموعة واسعة من المعادن الثقيلة، وخاصة الكادميوم والنحاس (15).

في حين أن التعديل السطحي للكربون المنشط الحبيبي أصبح شائعا ، تجدر الإشارة إلى أنه يضيف تكلفة وتعقيدا إضافيين. علاوة على ذلك ، فإنه يثير مشكلة كيفية التخلص من المواد الكيميائية المستخدمة في المعالجة نفسها. وينبغي النظر في إجراء دراسة أكبر للتكاليف مقابل الفوائد(16).

محطة معالجة المياه
المياه النظيفة المصفاة التي يتم سكبها

موجز

  • الكربون المنشط الحبيبي هو مادة ممتازة لترشيح مجموعة واسعة من المواد والملوثات من الماء
  • بعض الملوثات الأكثر ضررا التي تحدث من أنشطة مثل التعدين تشمل المعادن الثقيلة. تتم إزالة بقايا الحديد والمنغنيز بسهولة عن طريق ترشيح GAC
  • تشكل المعادن الثقيلة الأكثر سمية (وبالتالي إشكالية) خطرا أكبر ويتم إزالتها أيضا من المياه الراكدة أو الجارية عن طريق ترشيح GAC
  • يمكن أن يوفر الجمع بين ترشيح GAC والأنظمة البيولوجية مثل الخميرة مسار ترشيح أكثر فعالية لبعض الملوثات الأكثر صعوبة في عزلها
  • يتم تعديل GAC بسهولة على السطح، على سبيل المثال عن طريق التحمض، مما قد يساعد في تعديل خصائص سطح GAC للحصول على حالات استخدام أوسع.
وعاء مملوء بالأنثراسيت مطحون

مراجع

1 ن. ف. فهيم وآخرون ، ج. هازارد. الام., 2006, 136, 303

2 أ.bin جروح وآخرون، تحلية المياه، 2005، 182، 347

3 L. S. Shiung et al., تحلية المياه, 2007, 206, 9

4 دبليو إف. تشن وآخرون ، الحياه الفطريه. الخيال العلمي. قرار التلوث., 2016, 23, 1460

5 م ، بسترزيجوفسكي وآخرون ، الغرويات وركوب الأمواج. الخيال العلمي. علي, 2010, 162, 102

6 إي ويلكنز وكيو يانغ ، (ج. إنف) الخيال العلمي. والصحة أ, 1996, 31, 2111

7 H. H. Ngo et al., Bioresource Tech., 2008, 99, 8674

8 S. Sirinantapiboon et al., Bioresource Tech., 2007, 98, 2749

9 E. Demirbas et al., Bioresource Tech., 2005, 96, 13

10 دبليو إس تشاي وآخرون ، جيه كلينر برود ، 2021 ، 296 ، 126589

(11) م. ماتشيدا وآخرون، (آبل) تصفح. الخيال العلمي., 2007, 8554

12 أ. خليل وآخرون، ياء - مراقبة المياه. المهندس., 2021, 102221

13 ج. ب. تشين وآخرون، كربون، 2003، 41، 1979

14 ج. ك. ميشرا وآخرون ، JSIR ، 2010 ، 69 ، 449

15 س. ه. كوون وآخرون، ج. إند. المهندس. الكيمياء., 2008, 14, 131

16 س.-ج. بارك وآخرون ، الطلاء ، 2019 ، 103