مقاله بررسی روش های حذف فلزات سنگین ( کروم و کادمیوم ) توسط نانو ذرات آهن

بخشی از مقاله

بررسی روش های حذف فلزات سنگین ( کروم و کادمیوم )توسط نانو ذرات آهن

چکیده:

فعالیت هایی که انسانها جهت بهبود زندگی خود بکار می گیرند ، سبب تغییراتی در جوامع و صنایع نیز خواهد شد . باید این موضوع را نیز مد نظر داشت این تغییرات همانطور که سبب پیشرفت جامعه می شوند ، تاثیرات منفی نیز دارند. به عنوان مثال توسعهء کارخانجات سبب تولید میزان زیادی پساب که اغلب حاوی ترکیبات سمی و پیچیده مانند فلزات سنگین همچون کروم که خطرناک ترین آن کروم 6 ظرفیتی است و کادمیوم است که در صورت ورود آنها به محیط سبب بروز خطرات جبران ناپذیری برای انسانها و محیط خواهد شد ، همچنین روش های قدیمی تصفیه نیز دیگر جوابگوی خوبی برای این پساب ها نخواهند بود ، به همین دلیل به روش های تصفیهء جدیدی نیازمند هستیم که علاوه بر راندمان بالا در تصفیهء این مواد ؛ خطراتی نیز در پی نداشته باشد . نانو فناوری هم به دلیل گسترش و پیشرفت های چشم گیر آن و هم به دلیل عدم خطرات زیست محیطی و سابقهء بسیا خوبی که در حوزهء حذف فلزات سنگین دارد محصول توانایی خارق العاده ای که در اثر تبدیل مقیاس مواد به مقیاس نانو از خود نشان داده است ، یکی از علومی به حساب می آید که در حوزهء فناوری سبز جای می گیرد. آلودگی های زیست محیطی ، خصوصا آلودگی های آبهای سطحی و زیر زمینی همواره دارای یک منشاء خاص و معینی نیست ، مثلا تمامی رودخانه ها توسط فقط یک نوع آلایندهء خاص آلوده نمی شوند ، در نتیجه برای شناسایی و پاکسازی آلاینده ها به روش های متفاوتی نیاز داریم و فناوری نانو به دلیل آنکه مختص یک رشته و یا حتی یک نوع مادهء خاص نیست و گسترهء وسیعی دارد ، تاثیرات شایانی نیز بر شناسایی ، پاکسازی و جدا سازی موادی که به عنوان آلاینده در محیط وجود دارند ، خواهد داشت . این مقاله مروری است بر چگونگی عملکرد فناوری نانو در حوزهء حذف فلزات سنگین از جمله کروم و کادمیم ، با هدف معرفی هرچه بهتر این فناوری و شناسایی نقاط ضعف و قوت آن ، تا بتوان عوارض و صدمات جبران ناپذیری را که به واسطهء فلزات سنگین برای انسان و محیط زیست به وجود می آید توسط این فناوری به حداقل ممکن رساند .
کلمات کلیدی : ترکیبات سمی ، فلزات سنگین ، کروم 6 ظرفیتی ، کادمیم ، نانو فناوری

1. مقدمه :

رشد روز افزون جمعیت و توسعهء شهر نشینی که از پیامدهای صنعتی شدن جوامع می باشد نتایجی را با خود به دنبال دارد که از جملهء آن می توان به افزایش میزان پساب تولیدی صنایع اشاره داشت . به دلیل آنکه پساب تولیدی صنایع حاوی ترکیبات پیچیده و سمی از جمله فلزات سنگین می باشد ، عدم مدیریت صحیح ، نبود سیستم های تصفیهء مناسب ، و دفع غیر اصولی آن سبب ورود فلزات سنگین به محیط شده است . ( ( 1 فناوری هایی که در کلیهء روش های تصفیه بکار می روند یا به صورت آنی و در محل و یا خارج از محل استفاده می شوند .

1

روش تصفیه در خارج از محل که توسط فرآیندهایی از جمله اکسید کردن ( توسط اکسید کننده و اشعهء ماوراء بنفش ) ، تخلیه هوا ( وارد ساختن حجم بالایی از هوا به درون محیط آلوده جهت جدا سازی مواد فرار ) ، واکنش های بیولوژیکی ( کاهش آلودگی توسط میکرو ارگانیزم ها ) تبادل یونی ( تغییر یونهای آلوده کننده به مواد بی خطر و خنثی توسط عبور آب از رزین ) ، جذب ( عبور آب آلوده پمپاژ شده بر روی مواد جاذب ) انجام می شود ، روشی است که طی آن آب آلوده را توسط یک حمل کننده از محیط آلوده جدا کرده و برای تصفیه به محیط دیگری می برند . روش تصفیه در محل نیز که توسط فرآیندهایی از جمله هوا دهی ( تغییر حالت آلودگی به حالت گازی توسط وارد کردن هوا به محیط آلوده در محل آلودگی ) جذب بیولوژیکی ( با 2 روش فعال سازی میکرو ارگانیزم ها و یا تزریق میکرو ارگانیزم های از قبل رشد داده ، سبب نابودی آلودگی می شود ) ، تصفیهء شیمیایی ، پایش آلودگی از طریق حفر چاه جهت مشاهده و بررسی مسیر آلودگی و.... نیز روشی است که جهت تصفیهء آب آلوده در خود محل انجام می گیرد ( . ( 23

1 - 1 سازمان جهانی بهداشت 2 منبع اصلی زیر زا به عنوان منابع آلوده کنندهء محیط زیست معرفی می کند :

1 - 1 - 1 منابع طبیعی : شامل موارد مختلفی ، از جمله آتش فشان ها و خروج گازهای پوستهء زمین که حاوی کادمیم هستند .

1 - 1 منابع انسانی : سهم بسزایی در آلودگی محیط زیست دارد ، از جمله کادمیم موجود در صنایع شیمیایی و رنگ سازی و صنایع نفتی ( ( 10 ، همچنین مواردی از قبیل زائدات معادن ، شیرابه های ناشی از نشت در امکن دفن بهداشتی ، فاضلاب های صنعتی ( به خصوص آبکاری و صنایع فلزی ) که حاوی مقادیر بالایی از فلزات سنگین هستند و بیشتر این صنایع فاقد سیستم های تصفیه و یا حتی سیستم های تصفیهء مناسب بوده و در نتیجه مقادیر بالایی از این فلزات را وارد محیط کرده که سبب ورود فلزات سنگین به محیط و درنتیجه ورود آن به منابع آبی سبب آلوده ساختن آن می گردد . در صورت استفاده از روش های قدیمی و متداول تصفیهء فاضلاب صنعتی نیز به دلیل آنکه حاوی مقادیر بالای فلزات سنگین است بنابراین حذف فلزات سنگین از لجن تولید شده در تصفیه خانه های فاضلاب نیز امری ضروری است . از جمله فلزات سنگین می توان به کادمیم ، کروم ، سرب ، آرسنیک ، مس و جیوه اشاره نمود .

2 - 1 تعریف فلزات سنگین :

فلزات سنگین به گروهی از فلزات گفته می شود که از سازنده های طبیعی پوستهء زمین به شمار می رود و دانسیتهء بالاتر از 5 دارند ، این فلزات حدود 40 عنصر هستند . فلز سنگین در علم شیمی اصطلاحی است که به فلزات یا شبه فلزاتی دارای اثرات زیست محیطی اند اشاره دارد و این کلمه نیز از خطرناکی و آسیب زایی فلزات سنگین در محیط زیست برگرفته شده است . این عناصر که در قسمت مرکزی جدول تناوبی و نیز در فلزات انتقالی وجود دارند ، به صورت آزاد در حالت های اکسید و سولفید وجود دارند . فلزات سنگین تخریب پذیر نبوده و ترکیبات پایداری در محیط ایجاد می کنند ( . ( 7 تفاوت فلزات سنگین با ترکیبات آلی سمی در این است که فلزات تخریب ناپذیر بوده ، درحالیکه ترکیبات آلی سمی تخریب پذیر اند ( ( 8 .این فلزات قابلیت تجمع زیستی دارند ، یعنی پس از ورود به بدن در بافت های بدن ( بافت های چربی ) ذخیره شده و مانع جذب املاح و مواد معدنی مورد نیاز بدن می شوند . این مواد قابلین سرطان زایی دارند ، ورود این عناصر به بدن سبب اختلالات قلبی عروقی ، سقط جنین ، آسیب به کبد و کلیه و مغز و .... می شود . ( ( 6

2

3 - 1 کادمیوم :

کادمیوم عمدتا از طریق فاضلاب به منابع آبی راه پیدا می کند و به واسطهء تجمع زیستی و تجزیه ناپذیر بودن آن سبب مشکلات زیادی در محیط زیست گشته است و همچنین اثرات زیانباری نیز از قبیل تهوع ، گرفتگی عضلات ، کاهش گلبول های قرمز خون ، نقص کلیوی و ... می گردد ( . ( 1 کادمیوم علاوه بر فاضلاب صنایع ، از طریق کودهای فسفاته نیز در محیط انتشار می یابد ( . ( 11 کادمیوم به دلیل عدم وجود کنترل هموستاتیک در بدن انسان از سمیت بالایی برخوردار است ، همچنین به عنوان مهار کنندهء آنزیم های سولف هیدریل ( ( 1 در سیستم های زنده عمل می کند . کادمیوم از طریق فیتو پلانکتون ها و ماهی ها و یا از طریق زنجیرهء غذایی وارد بدن می شود ( . ( 27 غلظت کادمیوم که عمدتا به صورت ترکیبات آنیونی در محیط های آبی وجود دارند ، در اعماق و pHمختلف آب متفاوت است ، در لایه های سطحی 10 - 3 نانو گرم بر لیتر و در اعماق دریا تا 3500 نانو گرم در لیتر نیز می رسد که غلظت بالای کادمیوم نشان دهندهء ورود فاضلاب حاوی کادمیوم منابع آبی است . مسمومیت ناشی از کادمیوم بیشتر از طریق گوارشی صورت می گیرد و سته به نوع تغذیهء جانوران بیشتر در کبد و کلیه تجمع می یابد . کادمیوم در صورت ورود به منابع آب شیرین به سرعت توسط رسوبات جذب می شوند و مقدار کمی از آن محلول باقی می مانند که هر دو آنها سبب ورود کادمیوم به زنجیرهء غذایی می شوند . از جمله عواملی که می تواند سبب کاهش سمیت کادمیوم شود ، کلسیم موجود در آب است . کادمیوم سیستم دفاعی بدن را هدف قرار دمی دهد ( ( 12 ، از جله بیماری های شایع ناشی از کادمیم بیماری ایتای - ایتای می باشد که به علت جایگزینی کادمیوم به جای کلسیم در مغز استخوان رخ می دهد و موجب ضعیف شدن استخوان و شکشته شدن آن می گردد . در میان فلزات سنگین به دلیل آنکه جذب کادمیوم توسط گیاهان بیشتر از سایر فلزات سنگین می باشد ، در نتیجه از سمیت بیشتری نیز برخوردار است . ورود کادمیوم به درون بافت های گیاهی سبب اختلال در رشد گیاه ، تغییر رنگ در برگ های گیاه ، کاهش میزان جذب عناصر ضروری مانند آهن ، فسفر ، منگنز ، اختلال در نحوهء جذب آب در گیاه می شود ( . ( 13 سازمان بهداشت جهانی ، استاندارد بیشترین غلظت مجاز یون کادمیوم را در آب آشامیدنی 0,003 میلی گرم بر لیتر بیان کرده است که استاندارد آن در ایران نیز همین میزان می باشد ( . ( 2

4 - 1 عوامل موثر در میزان انتشار فلزات سنگین در خاک عبارتند از :

5 - 1 فرم های کروم در طبیعت :

کروم در تمامی حالات فیزیکی در طبیعت وجود دارد ، کروم 2 ظرفیتی ، کروم 3 ظرفیتی و کروم 6 ظرفیتی شایع ترین حالت اکسیداسیون کروم می باشند . کروم 2 ظرفیتی به دلیل آنکه در هوا به راحتی به کروم 3 ظرفیتی تبدیل می شود ، در ترکیبات بسیار ناپایدار می باشد . به همین دلیل تنها 2 فرم کروم 3 ظرفیتی و 6 ظرفیتی در طبیعت یافت می شود که رابطهء بین این 2 حالت کروم نیز در فرمول زیر مشاهده می شود :

2Cr3+ + 7H2O + 1.33v Cr2O72- + 14H + + 16e-

3

اختلاف پتانسیل الکتریکی ، نشان دهندهء مقدار قابل توجه انرژی مورد نیاز برای اکسید کروم 3 ظرفیتی از کروم 6 ظرفیتی است ، بجز مواردیکه در حالات نامحلول باشند . کروم 3 ظرفیتی و کروم فلزی در شرایط عادی در جو نسبتا غیر فعال هستند و واکنشی نشان نمی دهند ، اما کروم 6 ظرفیتی در واکنش با ذرات و گازهای آلاینده یا ذرات به کروم 3 ظرفیتی تبدیل می شود . یکی از ویژگی های مهم کروم ، تغییر بین حالت های کروم 3 ظرفیتی و 6 ظرفیتی است . کروم 3 ظرفیتی قابلیت انتشار و سمیت کمتری دارد و عمدتا به صورت کم در مواد آلی خاک و محیط های آبی وجود دارد . کروم 6 ظرفیتی ، بر خلاف کروم 3 ظرفیتی ، قابلیت انتشار بالا تری نسبت به کروم 3 ظرفیتی در محیط دارد و سمیت آن از کروم 3 ظرفیتی بیشتر است . کروم به عنوان یک ریز مغذی ضروری برای متابولیسم کربوهیدرات و چربی در بدن انسان عمل می کند ، کروم 3 ظرفیتی عنصری ضروری برای بدن انسان به حساب می آید که نقش مهمی در متابولیسم گلوکز ، چربی و پروتئین ایفا می کند . فرم بیولوژیکی کروم 3 ظرفیتی تعامل گروه های انسولین با گیرنده های سلولی آن را تسهیل می کند . با در نظر گرفتن اثرات سودمند این عنصر ، همواره باید به این نکته توجه داشت که میزان دوز بالاتر از حد مجاز نیز می تواند خطر آفرین باشد . کروم 3 ظرفیتی جذب شده ؛ بسته به مقدار آن ، با پروتئین های پلاسما موجود در بافت ترکیب می شود . جذب کروم 6 ظرفیتی نیز به میزان اسیدیته اسید معده بستگی دارد . کروم 6 ظرفیتی هنگامی که به درون سلول راه پیدا می کند ، بخشی از آن توسط عواملی چون هموگلوبین و شبکهء آندوپلاسمی به سرعت به کروم 3 ظرفیتی تنزل پیدا می کند . کمبود کروم در انسان سبب ناتوانی( ( 1 گلوکز می شود که کاهش تعامل بین انسولین و گیرنده های آن را در پی دارد . هر چند کروم 3 ظرفیتی یک مادهء ضروری و مغذی و تقریبا غیر سمی برای انسان و پستانداران در نظر گرفته می شود اما همواره توجه به این نکته که نتیجهء اکسیداسیون کروم 6 ظرفیتی در طبیعت است ضروری است . کروم در فرم اکسیداسیون کروم عنصری یا 3 ظرفیتی ، در مهمترین ذخایر سیارهء زمین وجود دارد . کروم در سنگ های گرافیتی با غلظتی در حدود 2 تا 90 ppm ، در سنگ های الترامافیک در حدود 1000 تا 3400 ppm ، در شیل و خاک رس در حدود 30 تا 590 ppm وجود دارد . میزان کروم موجود در خاک بین 2 تا 60 mg/kg است که تنها کسری از آن در دسترس گیاهان قرر دارد ، در گیاهانی که در خاک های آلوده به مقادیر بالای کروم رشد می کنند ، در ریشهء آنها تجمع می یابد و بخش کوچکی از آن به قسمت های فوقانی گیاه انتقال می یابد ( . ( 26 کروم موجود در آب سطحی به صورت ذرات معلق و یا دخیره در رسوبات دیده می شود ، و در صد کمی از آن به شکل های نامحلول و محلول وجود دارند . کروم 6 ظرفیتی تحت شرایط بی هوازی توسط یون های سولفید و یون آهن 3 ظرفیتی ، تا حد نیمه عمر ، به سرعت و در مدت زمان کمی رخ می دهد و کروم 3 ظرفیتی حاصل نیز در رسوبات ذخیره می شود .

نوع گونه و میزان فعالیت آن نقش بسزایی در میزان تجمع کروم در بدن آنها دارد ، بیشترین میزان تجمع کروم در آبزیان ، در آبشش ها ، روده آنها می باشد که این میزان 10 - 30 برابر بیشتر از سایر اندام ها است . تشکیل گونه های کروم در آبهای عمیق به توانایی اکسیداسیون و pH آبخوان بستگی دارد ، کروم 6 ظرفیتی در شرایط اکسیداسیون بالا به کروم 3 ظرفیتی تبدیل نمی شوند ، میزان کروم موجود در این آبها طیف و سیعی بین 1 و10 mg/ kg را شامل می شود. . (26 ) کروم در ساخت آلیاژهای فلزی کاربرد دارد و در فرآیند آبکاری کاربرد بسیاری دارد ( . ( 8 کروم در طبیعت به صورت Cr6+ و Cr3+ ، و در محلول های آبی به صورت آنیون های کرومات و دی کرومات وجود دارد . در پساب اغلب معادن به وفور یافت می شود . حداکثر مجاز کروم 3 ظرفیتی 5 میلی گرم در لیتر و حداکثر مجاز کروم 6 ظرفیتی نیز 0,5 میلی گرم در لیتر است ( . ( 3 غلظت کروم در آب دریا (2) طیف وسیعی بین 1 و 10 mg/kg را شامل می شود . میزان غلظت کروم در خاک به عوامل ویژه ای از جمله نوع فرآیندهای صنعتی موجود در منطقه و دفع نامناسب پسماندهای حاوی فلزات سنگین در محل دارد که شایع ترین راه آلودگی خاک به کروم می باشد ( . (

4

کروم 3 ظرفیتی به علت اینکه در استفاده از قند و چربی در بدن کاربرد دارد ، جزء عناصر غذایی مهم بدن به شمار می آید . اکسید کروم 3 ظرفیتی حالت بسیار پایدار کروم 3 ظرفیتی است ولی کروم 3 ظرفیتی ناپایدار بوده و جنبش ( (1 بسیار کندی در نتیجهء واکنش کمپلکس ها نشان می دهد ، قابلیت اکسیداسیون بسیار کمی نیز دارد . اما کروم 6 ظرفیتی که گونهء بسیار مضر کروم می باشد ، سرطان زا بوده و می تواند سبب تحریک بینی مانند آبریزش ، نابودی تیغهء بینی و بسیاری موارد دیگر شود . کروم 6 ظرفیتی بسیار مضر و خطرناک است و عامل بسیاری از آلرژی ها و بیماری های مضر است ( . ( 24 قرار گرفتن در میزان دوز بالای کروم 6 ظرفیتی اثرات حادی مانند آسیب به کبد و کلیه ، خونریزی داخلی و مشکلات تنفسی ایجاد می کند ، در حالیکه قرار گیری در میزان دوز بالای کروم 3 ظرفیتی به ندرت سمیتی از خود نشان می دهد ( . ( 26 مضرات و خطرات ایجاد شده بستگی به حالت اکسیداسیون کروم دارد و به دلیل اینکه مضرات و خطرات کروم 6 ظرفیتی بیشتر از کروم 3 ظرفیتی است در نتیجه منظور از حذف کروم ، در واقع کروم 6 ظرفیتی است ( . ( 24

1 - 5 -1 راههای ورود کروم به بدن :

مصرف آب و غدای حاوی کروم اصلی ترین راه ورود کروم به بدن می باشد ، اما مواجههء شغلی از طریق استنشاق و تماس های پوستی نیز سبب ورود کروم به بدن و ایجاد مسمومیت می شوند. به دلیل آنکه فلزات سنگین در طبیعت قابلیت تجمع پذیری دارند و غیر قابل تجزیهء زیستی می باشند و روش های متداول نیز قادر به حذف و جداسازی این فلزات نیستند ، برای جلوگیری از تجمع پذیری آنها در طبیعت و کاهش عوارض ناشی از آن نیازمند تکنولوژی های جدیدی هستیم که ضمن سازگاری با محیط زیست توانایی جدا سازی و حذف آنها از پساب را داشته باشد . سازمان بهداشت جهانیه( ( WHO هبا فرض اینکه کروم 6 ظرفیتی ، غالب ترین نوع کروم می باشد ، میزان آن را mg/lit 0,05تعیین می کند. آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا ( ( EPA پارامترهای زیر را برای کروم موجود در آب آشامیدنی تعیین کرده است : حد اکثر میزان غلظت ( در بدترین شرایط ) در کلیهء آبها 0,1 mg/lit

حد اکثر میزان غلظت در آب زیر زمینی 0,05 mg/lit حد اکثر میزان غلظت در آب آشامیدنی ( 26 ) 0,1 ppm

روش های حذف فلزات سنگین :

روش های بسیار زیادی مانند روش اسمز معکوس ، روش های بیولوژیکی و جذب سطحی بر روی مواد جاذب و.... جهت حذف یون فلزات سنگین از فاضلاب وجود دارد ، اما هر یک از این روش ها دارای معایب قابل توجهی مانند هزینهء بالا ، راندمان اندک ، تولید مقادیر زیاد لجن حاوی مقادیر بالای فلزات سنگین با غلظت بالا که خطر مهمی برای محیط زیست به شمار می آید را در پی دارد . بنابر این لازم اسن روشهای جدیدی جایگزین این روش ها شوند که علاوه بر هزینهء کم و راندمان بالا برای محیط زیست خطر آفرین نباشد ( . ( 1

1 - 2 فناوری نانو :

فناوری نانو از جمله فناوری های جدیدی است که ضمن داشتن هزینهء بسیار کم در مقابل هزینهء مربوط به سایر روش ها و تولید لجن بسیار کم ، توانایی بسیاری نیز در خذف فلزات سنگین دارند ( . ( 1 به گونه ای که حتی گاهی در آزمایشاتی که تا به حال انجام گرفته نیز %100 فلزات سنگین توسط نانو ذرات آهن جذب شده اند ( . ( 25 با توجه به اینکه نانو ساختارها در ابعاد 1 تا 100 نانومتر تولید می شوند می توان این را برآورد نمود که بازهء 1 میلیونیم ثایه نیز نسبت به بازهء زمانی عملکرد ابعاد واقعی آن ساختار دارند و از طرفی چون انرژی و امکانات لازم