علوم و تكنولوژي محيط زيست ، دوره هفدهم، شماره سه، پاييز 94

بررسي بازدهي روش الكتروكينتيك در حذف جيوه از خاك رس آلوده

آرش كيايي1
محمد رضا توكلي محمدي2*
[email protected] 3احمد خدادادي

تاريخ دريافت: 18/4/90 تاريخ پذيرش:22/8/90

چكيده
زمينه و هدف: به روش احياي خاكهاي آلوده با استفاده از ميدان الكتريكي، الكتروكينتيك گفته ميشود كه بيشتر براي آلاينده زدايي فلزات سنگين، آنيون ها و تركيبات آلي قطبي از خاك استفاده ميشود. در اين مطالعه به بررسي بازدهي حذف جيوه از خاك رس (با نسبت وزني كائولن به ماسه 2 به 1) با اعمال اين روش و تعيين شرايط حذف بهينه پرداخته شده است. كائولن به علت جذب شديد آلاينده و شبيه سازي مناسب سايت آلوده، شرايط مناسبي براي ارزيابي بازدهي روش الكتروكينتيك فراهم ميكند.
روش بررسي: در اين تحقيق، غلظت جيوه كل خاك 800 mg/kg و مدت زمان آزمايش ها 32 روز در نظر گرفته شدند. آزمايش ها در دو گراديان ولتاژ 1 و 5/1 VDC/cm و به ازاي به كارگيري محلول هاي 1/0 مول Na-EDTA، 1/0 و 4/0 مول KI و آب مقطر به عنوان كاتوليت انجام شدند.
بحث و نتيجه گيري: نتايج نشان دادند كه بهترين بازدهي (03/99%) زماني به دست آمد كه محلول 4/0 مول KI با گراديان ولتاژ 1 VDC/cm به كار گرفته شد. در ادامه پروفيل هاي جريان الكتريكي، pH مخازن كاتد و آند و pH، رطوبت و هدايت الكتريكي خاك ترسيم شدند و مورد بحث قرار گرفتند.

واژههاي كليدي: پالايش الكتروكينتيك، خاك آلوده، جيوه، Na-EDTA ،KI

دانشآموخته كارشناسي ارشد مهندسي عمران، دانشگاه تربيت مدرس.
عضو هيات علمي جهاد دانشگاهي تربيت مدرس، پژوهشكده فرآوري مواد معدني، تهران، *(مسوول مكاتبات)
2- دانشيار مهندسي محيط زيست، دانشگاه تربيت مدرس.
مقدمه
فلزات سنگين از آلاينده هاي پايدار و بادوام محيط زيست به شمار مي آيند، چون از بين نرفته و تجزيه نمي شوند.
بنابراين اگرچه بسياري از اين فلزات براي حيات ضروري هستند، اما زماني كه مقدار آنها از حد مجاز فراتر رود باعث تجمع زيستيشان در زنجيره غذايي شده و خطرات زيادي را به ويژه براي سلامت انسانها به دنبال دارند (1).
از ميان چهار فلز سنگين جيوه، سرب، كادميوم و آرسنيك كه با توجه به حد مجاز پايين آنها در محيط زيست، خطرناك-ترين فلزات سنگين محسوب مي شوند، جيوه تنها فلزي است كه تجمع و تغليظ آن در امتداد يك زنجيره غذايي بهطور مسلم تاييد شده است (2). اين خصيصه همراه با ويژگي هايي از قبيل سميت بسيار بالا، قابليت اختلال در اكوسيستم خاك و آلايندگي بالاي سفره هاي آب زير زميني، جيوه را به خطرناك-ترين فلز سنگين تبديل كرده است (3). مقادير آمده در جداول (1) و (2) سميت بالاتر جيوه را نسبت به سه عنصر مذكور نشان مي دهد:

جدول 1- استاندارد آب آشاميدني براي فلزات سنگين بر حسب ppb (4)
سازمان بهداشت جهاني كانادا سازمان محيط زيست آمريكا فلز
1 1 2 جيوه
10 25 2 آرسنيك
5 5 5 كادميوم
10 10 20 سرب

جدول (2) استاندارد خروجي فاضلاب براي فلزات سنگين بر حسب ppb (4)
مصارف كشاورزي و آبياري تخليه به چاه تخليه به آب هاي سطحي فلز
ناچيز ناچيز ناچيز جيوه
100 100 100 آرسنيك
50 100 100 كادميوم
1000 1000 1000 سرب

از اين رو، اگرچه از ساليان بسيار دور از اشكال مختلف جيوه (به زيست محيطي، اين تركيبات در بسياري از اين كاربردها مطابق علت ويژگي هاي جالب و منحصر به فردشان) در موارد مختلف جدول (3) جايگزين شده اند.
استفاده شده است، ولي امروزه به علت وضع قوانين سختگيرانه

جدول (3) گزينه هاي موجود براي جايگزيني با جيوه (5)
قيمت نسبت به تكنولوژي حاضر جايگزين ها كاربردها
هزينه هاي سرمايه گذاري براي تبديل به فرآيندهاي ديگر قابل توجه است، اما برق و هزينه مواد اوليه براي فرآيند غشاء و فرآيندهاي غشايي و نيز هزينه هاي دفع و انهدام به مراتب كمتر از فرآيند سلول جيوه ميباشد. بهترين تكنولوژي در دسترس استفاده از سلولهاي غشايي ميباشد استفاده از سلول هاي جيوه براي توليد كلر، هيدروكسيد سديم، هيدروكسيد پتاسيم
برخي جايگزينها داراي هزينه توليد كمتر و برخي داراي هرينه توليد بالاتر از آمالگام جيوه هستند و نيز برخي داراي قابليت كاربرد ساده تر و برخي مشكل تر هستند، اما هيچ كدام از آنها نيازمند داشتن سيستم ويژه تصفيه فاضلاب در مراكز دندانپزشكي نميباشند. در نتيجه پيشرفتهاي فن آوري در سالهاي اخير، انواع جديدتر مواد شامل گاليوم، سراميك، پرسلن، پليمر، كامپوزيت و غيره جايگزين آمالگام جيوه به صورت تجاري شده است. آمالگام دندانپزشكي
هزينه توليد اين جايگزين ها از باتري هاي اكسيد جيوه و جيوه- روي بيشتر مي باشد، ولي در مقابل شهرداريها از پرداخت هزينه هاي بالا جهت جمعآوري و انهدام تحت شرايط خاص معاف ميگردند. باتري هاي روي بدون جيوه جايگزين هاي مناسب ميباشند اما هم چنان تا 10 ميلي گرم جيوه در آن ها استفاده ميشود. باتري هاي اكسيد جيوه و جيوه- روي
در كل هزينه توليد باتريهاي جديد بيشتر از باتريهاي حاوي جيوه و كادميم ميباشد، اما در دراز مدت و از نظر كاربرد بسيار بهتر و برتر از باتري هاي جيوه ميباشد. در حال حاضر اكثر باتريها فاقد عناصر جيوه و كادميم ميباشند. ديگر باتري ها

با وجود اين، به دليل فعاليت هاي گذشته و اخير، مقادير و روشهاي گوناگوني براي پالايش جيوه به كار گرفته شده و يا اشكال متفاوتي از جيوه در محيط زيست انتشار يافته اند كه در حال توسعه مي باشد كه برخي از آنها در جدول (4) آمده ميتوانند انسان و اكولوژي را در معرض خطر قرار دهند. لذا است.

جدول (4) انواع تكنولوژي هاي پالايش جيوه
مراجع قابل استفاده زير بخش ها انواع تكنولوژي هاي پالايش
(6و7) جداسازي فيزيكي حفاري و تصفيه خارج از محل
(7، 8، 9و10) تصفيه گرمايي (حرارتي) (11) تصفيه به روش هيدرومتالورژي (12و13) استخراج بخار از خاك به همراه حرارت دادن به خاك بازيافت در محل
(14و15) ديواره هاي واكنش پذير تراوا (8و14) شستشو در محل و استخراج (7، 16، 17 و 18 ) جداسازي به روش الكتروكينتيك (8) تكنولوژي هاي پالايشي الكتروشيميايي (8) سيستم هاي جداساز (8) پالايش توسط گياهان (19) پالايش غير فعال – نيزارها (8) پمپاژ و تصفيه محدود نگه داشتن
(14) ديواره هاي ناتراوا، آب بندي سطوح و زهكش ها (8و14) تثبيت و جامدسازي (20) اندود سازي رسوب
از ميان تكنولوژي هاي موجود، روشهايي مانند حفاري و تصفيه خارج از محل خاكهاي آلوده و اقدامات محصور نگه داشتن، كاربرد گستردهاي دارند و به درستي درك شده اند، هر چند اين روشها اغلب داراي صرفه اقتصادي نيستند يا اينكه از لحاظ فني آسان نميباشند. در مقابل، روش هاي در محل اضطراري مانند ديواره هاي واكنش دهنده تراوا و شستشو ممكن است براي بسياري از سايت هاي آلوده به جيوه مناسب تر باشند.

اصول روش الكتروكينتيك
به فرآيند احياي خاك هاي آلوده با استفاده از ميدان الكتريكي الكتروكينتيك گفته ميشود كه با عباراتي نظير فرآيند الكتروكينتيكي خاك، تجديد حيات الكتريكي، رفع آلودگي الكتروشيميايي و احياي الكتريكي نيز از آن ياد ميشود (21). اين روش به طور جزيي به وسيله Lageman توصيف شده است (18). در اين سيستم (شكل 1)، به منظور اعمال چندين ميلي آمپر بر هر سانتي متر مربع خاك بين الكترودها، از جريان مستقيم در حد كم استفاده مي شود. بدين ترتيب پتانسيل الكتريكي به مقدار چند ولت بر سانتي متر خاك بين دو الكترود اعمال مي شود. براي عملكرد موثر اين سيستم نياز است كه آب حفره اي خاك بتواند از پتانسيل الكتريكي بين الكترودها نگه داري كند (22).

با اعمال جريان در سيستم خاك – آب در شرايط اشباع يا غير اشباع نتايج زير حاصل مي شود:
گونههاي يوني موجود در آب حفرهاي خاك به سمت الكترود با بار مخالف حركت مي كنند (پديده مهاجرت الكتريكي).
ذرات باردار موجود در آب حفرهاي خاك به سمت الكترود با بار مخالف حركت مي كنند.
توده آب به سمت كاتد حركت ميكند (پديده الكترواسمز).
واكنش الكتروليز در الكترودها رخ مي دهد (24).
شكل (1) پالايش خاك به وسيله الكتروكينتيك (23)

تركيب اين پديدهها، جابهجايي آلايندههاي يوني به سمت الكترودها را نتيجه مي دهد. جهت و ميزان حركت، به بار يونها (هم بزرگي و هم نوع)، درجه جذب يون ها به ذرات خاك و مقدار سرعت جريان الكترواسمز بستگي دارد. آلاينده هايي كه به الكترودها مي رسند ميتوانند توسط استخراج آب موجود در خلل و فرج خاك در نزديك الكترودها، جذب آلاينده ها روي الكترودها، ترسيب يا هم رسوبي آلودگي در الكترودها يا تشكيل كمپلكس با رزين هاي تعويض يوني حذف شوند (25).
مطالعات صورت گرفته در زمينه پالايش خاك هاي آلوده به جيوه با اين روش اندك مي باشد. Cox در سال 1996 محلول شستشوي يداين(2(I / يدايد(-(I قرار گرفته در كاتد را به منظور پالايش خاك هاي آلوده به HgS توسط اين روش مورد بررسي قرار داد. هدف از اين مطالعه، استفاده از محلول شستشو براي اكسيد كردن تركيبات HgS در خاك بود. اين عمل باعث مي شد كه جيوه به شكل كمپلكس محلول -42HgI آزاد شود. سپس اين كمپلكس آنيوني به سمت مخزن آند كه در آن جا ميتوانست حذف شود، حركت مي كرد. نتايج بررسي هاي Cox نشان داد كه به سبب حلاليت كم تركيبات جيوه در بيشتر خاك هاي طبيعي، پالايش به روش الكتروكينتيك خاك هاي آلوده به جيوه مشكل است (26). تحقيق ديگر صورت گرفته در اين زمينه مرتبط با مطالعات انجام شده توسط Reddy و همكارانش در سال 2003 بود. آن ها نيز به بررسي حذف جيوه توسط محلول شستشوي KI روي دو نوع خاك كائولين و glacial till پرداختند (23). در اين مطالعه، در راستاي توسعه تحقيقات صورت گرفته در اين زمينه، به بررسي ميزان بازدهي حذف جيوه از خاك آلوده مصنوعي با اين روش در حضور كاتوليت هاي آب مقطر، 1/0 مولار Na-EDTA، 1/0 مولار KI و 4/0 مولار KI پرداخته شده است.

مواد و تجهيزات
خاك مورد استفاده
جدول (5) مشخصات خاك مخلوط كائولينيت و ماسه
7/92 pH 25 رطوبت بهينه (%) 65 حد رواني (%)
7680 هدايت الكتريكي (μS/cm) 1/62 دانسيته خشك خاك (3(g/cm 18 حد خميري (%)
در اين پژوهش از خاكي با نسبت وزني 2 به 1 كائولينيت به ماسه استفاده شده است. مشخصات فيزيكي و شيميايي اين خاك در جدول (5) آمده است. كائولينيت نوعي رس است كه علاوه بر ريز دانه بودن داراي خاصيت بافري كم نيز مي باشد و لذا شرايط مناسبي را از نظر سهولت فعاليت الكتروكينتيك فراهم مي سازد. ماسه مورد استفاده نيز هم به صورت عبوري از الك شماره 40 (420/0 ميلي متر) و هم مانده روي الك شماره 200 (075/0 ميلي متر) بود كه پس از قرار گرفتن در اسيد سولفوريك 2% به مدت 24 ساعت، با آب شستشو داده شد. اين خاك به طور مصنوعي به 800 ميلي گرم Hg (II) بر كيلوگرم خشك خاك آلوده شد.

مواد شيميايي
براي توليد خاك آلوده به جيوه از كلريد جيوه (2HgCl) استفاده شد. يكي از مواد استخراج كننده در مخزن، كاتد يديد پتاسيم (KI) بود كه در دو غلظت 1/0 و 4/0 مولار به كار رفت. ماده استخراج كننده ديگر دي سديم اتيلن دي آمين تترا استات (Na-EDTA) بود كه با غلظت 1/0 مولار استفاده گرديد. جهت شستشوي ماسه و سلول ها نيز اسيدهاي سولفوريك و نيتريك به كار گرفته شد.

2-4- مشخصات پايلوت آزمايشگاهي شكل (2) سيستم مورد استفاده در اين پژوهش را نشان مي دهد. مطابق اين شكل، چهار پايلوت از جنس پلكسي گلاس به شكل يك مكعب مستطيل با مقطع داخلي 4 در 4 سانتي متر و طول كل 4/26 سانتي متر ساخته شد. هر پايلوت از سه قسمت تشكيل شده است. قسمت مياني به طول 12 سانتي متر، محل قرارگيري نمونه خاك متراكم شده و دو قسمت انتهايي نيز محل نصب الكترودها (به طول 2 سانتي متر) و ذخيره الكتروليتها (محلولهاي آنوليت و كاتوليت به طول 4 سانتي متر) ميباشد. براي تخليه گازهاي اكسيژن و هيدروژن كه به ترتيب در آند و كاتد توليد مي شوند، در قسمت فوقاني محفظهها و روي در هر سلول دريچه هاي كوچكي تعبيه گرديد.
شكل (2) سيستم مورد استفاده در آزمايش الكتروكينتيك

براي هر سلول نيز دو مخزن استوانه اي شكل با حجم بيش از cc 700 در نظر گرفته شد كه از طريق دو لوله پلاستيكي به سلول متصل شدند. اين مخازن محل نگه داري محلول هاي آنوليت و كاتوليت مي باشند. در هر مخزن، لوله سر ريز در جايي قرار داده شد كه مقدار مايع درون مخزن استوانه اي داراي حجمي برابر 700 ميلي ليتر و ارتفاع 10 سانتي متر باشد. به منظور جلوگيري از ورود دانههاي خاك و يا ذرات جدا شده از الكترودها به ساير بخشها، در حد فاصل بين محل نصب الكترودها و قسمت مياني، از يك لايه فيلتر از جنس فايبرگلاس به ضخامت 4/1 ميلي متر و قطر منافذ 6 ميكرون استفاده شد. الكترودهاي مصرفي در اين پژوهش از جنس گرافيت با مقطع 23 در 15 و ارتفاع 40 ميلي متر بودند. هر الكترود در يك محفظه آب بندي شده قرار داشت كه يك سر آن به مخازن و طرف ديگر آن به خاك متصل بود. اين الكترودها به وسيله سيمي از جنس مس با قطر 3 ميلي متر به منبع تغذيه متصل شدند. دانسيته جريان به كار گرفته شده در اين تحقيق 5/0 2ma/cm بود كه بر اساس بهترين نتايج مطالعات قبلي انتخاب گرديد. گراديانهاي ولتاژ اعمالي به خاك مورد آزمايش نيز 1 و 5/1 VDC/cm بودند كه اولي به سبب مناسب ذكر شدن در مطالعات قبلي و دومي جهت مقايسه با گراديان ولتاژ نخستين انتخاب شد. براي تامين ميدان الكتريكي و سنجش ولتاژ و آمپراژ نيز به ترتيب از يك منبع تغذيه با جريان مستقيم و ولتاژ ثابت 12 و 18 ولت و يك مولتي متر بسيار دقيق ديجيتالي استفاده گرديد.

نتايج و بحث
حذف جيوه
هدف از انجام اين پژوهش، بررسي بازدهي حذف جيوه از خاك آلوده مصنوعي به روش الكتروكينتيك و تعيين شرايط حذف بهينه بود. از اين رو براي بررسي ميزان كارايي اين روش در حذف جيوه از كائولينيت استفاده شد. كائولينيت نوعي رس است كه داراي قابليت زيادي براي جذب كاتيونهاست. هم چنين دانه هاي آن بسيار ريز بوده و سطح ويژه نسبتاً بالايي دارد. بنابراين آلاينده مورد آزمايش (Hg(II)) پيوندهاي محكمي با سطح منفي آن تشكيل داده و به شدت جذب ذرات ريز آن شد. به عبارت ديگر آلاينده پس از جذب شدن به سطح ذرات آن به راحتي قابليت واجذبي نداشت و حذف آن از خاك به وسيله شستشو با آب ميسر نبود. بنابراين كاهش غلظت جيوه در خاك بيانگر كارايي بالاي فرايند الكتروكينتيك در حذف آلاينده بود.

4-1- 1- در گراديان ولتاژ 1 VDC/cm
اشكال (3) و (4) به ترتيب غلظت باقيمانده جيوه و درصد حذف آن را از خاك آلوده مصنوعي پس از عمليات پالايش به روش الكتروكينتيك با اعمال ولتاژ 12 ولت به دو سر سلول ها نشان مي دهند.

از بررسي اين نمودارها دريافت ميشود كه انجام اين روش با استفاده از آب مقطر به عنوان شاهد در مخزن كاتد بازده نسبتا كمي دارد. علت اين امر حلاليت كم تركيبات جيوه در بيشتر خاك ها مي باشد. نتايج هم چنين نشان مي دهند كه به علت مثبت بودن بار جيوه (+2Hg)، راندمان حذف آن در خاك مجاور كاتد بيشتر مي باشد.
شكل (3) غلظت جيوه موجود در خاك آلوده مصنوعي با گراديان ولتاژ 1 VDC/cm

0
100
200
300
400
500
600
700
1
0.75
0.5
0.25
0
كات د

از

نرم ال

فاصله

mg/kg
(

)
غلظت
D.W.
M KI
0.1
0.1
M Na-EDTA
0.4
M KI



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید