بخشی از مقاله
چکیده
حضور آمونیا در آبهای سطحی و پساب خروجی از تصفیهخانهها یکی از مشکلات جدی در محیطزیست به شمار میرود. هدف از نگارش مقاله بررسی راندمان حذف آمونیوم از فاضلاب با استفاده از روش تبادل یونی به کمک جاذب طبیعی زئولیت میباشد. همهی آزمایشها در سیستم منقطع صورت گرفته است. در این مقاله به بررسی تأثیر اصلاح زئولیت بر راندمان حذف، pH بهینهی فاضلاب، غلظت نمک در محلول احیاگر، pH بهینهی محلول احیاگر و بحث انتخابپذیری و رقابت بین یونها پرداخته شده است. برای تحلیل آماری نتایج آزمایشها از نرم افزار SPSS استفاده شده است. در پایان نیز مدل جذب لانگمویر و فروندلیچ با هم مقایسه شدهاند. pH بهینه برای فاضلاب برابر 5 و برای فرایند احیا برابر 10 میباشد. مدل فروندلیچ نیز بیشترین تطابق را با نتایج آزمایش دارد.
کلمات کلیدی: حذف آمونیوم، فاضلاب، تبادل یونی، زئولیت، احیا.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر، حذف ترکیبات آلی نیتروژندار موجود در فاضلاب اهمیت بالایی دارد؛ زیرا این مواد می توانند به آمونیوم تبدیل شده که یک ماده مغذی خیلی مهم برای رشد جلبک بوده که باعث ایجاد پدیدهی تغذیهگرایی1 در رودخانهها، مصبها، دریاچهها و دیگر ذخایر آب سطحی میشود[1]،.[2] آمونیوم فرم هیدروژن گرفته آمونیاک در محلول های آبی بوده و هر دو این ترکیبات از آلایندههای مهم در منابع آبی به حساب میآیند.آمونیوم و آمونیاک همواره در محلول های آبی مطابق معادلهی - 1 - در تعادل هستند:
که این تعادل شیمیایی بستگی به PH و دما دارد.[3] روشهای مختلفی برای حذف آمونیوم، شامل: گیر انداختن با هوا2، روش های بیولوژیکی و جذب با کربن فعال می باشد[4]،[5]؛ اما از آنجایی که روش های بیولوژیکی نسبت به شوک ورود آمونیوم حساس می باشند، پساب خروجی ممکن است شامل مقادیر غیر مجاز آمونیوم باشد؛ همچنین هزینههای بالا، احیای ضعیف، خروجی نامعین، وابستگی به دما و شرایط آب و هوایی از محدودیتهای روش بیولوژیکی به شمار میرود[6]،.[7]
آمونیوم موجود در فاضلاب می تواند با فرایند تبادل یونی نیز حذف گردد و برای این کار به طور معمول از زئولیت طبیعی استفاده می شود.[8] ظرفیت تبادل آمونیوم زئولیتها بستگی به ساختار زئولیت، اصلاح زئولیت و شرایط عملکردی مانند PH، دما و یون های رقابتی دارد[9]،[10]،.[11] زئولیتها دارای ظرفیت تبادل کاتیونی3 بالا، حجم فضاهای خالی زیاد و دارای میل ترکیبی بالا برای جذب یون آمونیوم میباشند. با توجه به قیمت بالای رزینهای آلی و در ضمن گستردگی زئولیت طبیعی، برای حذف آمونیوم بهتر است از زئولیت طبیعی استفاده شود.[12] استفاده از زئولیت برای حذف آمونیوم از فاضلاب زمانی که با روش های بیولوژیکی و تصفیه شیمیایی مقایسه می شود، بیشتر مورد توجه قرار میگیرد.[13]
برای بالا بردن ظرفیت تبادل کاتیونی زئولیتها آنها را اصلاح می کنند که برای این کار چندین روش وجود دارد؛ پیش تصفیه میکروویو [14]،اصلاح با محلول سدیمکلرید، کلسیم سازی پیشرفته .[15] در عمل از زئولیت باید چندین بار استفاده نمود؛ یعنی باید پس از اشباع، پاکسازی شده و دوباره مورد استفاده قرار گیرد که به این عمل احیای زئولیت گویند. برای احیای زئولیت دو روش استفاده شده است:-1 استفاده از محلول های نمکی با ترکیبات نمکی مختلف-2 [16]فرایند بیولوژیکی که در آن آمونیوم جذب شده روی زئولیت طی فرایند های نیتریفیکاسیون-دنیتریفیکاسیون تبدیل به گاز نیتروژن می شوند.[17] که در این مقاله از روش اول استفاده شده است.
حضور کاتیون های رقیب مانند Na+، K+،Ca+2 و Mg+2 اثر معکوسی در ظرفیت جذب آمونیوم زئولیتها داردLeyva Ramos .[18] به منظور تعیین pH بهینه فاضلاب و تأثیر دما آزمایشهایی انجام داد. با افزایش pH فاضلاب از 3 تا 7، درصد حذف افزایش مییابد و pH=6 حالت بهینه است. دما نیز تأثیر کمی بر درصد حذف داردRahele Malekian .[19] پیرامون بستگی احیاء زئولیت به غلظت نمک و مقدار آمونیوم اولیهی فاضلاب آزمایشهایی انجام داد. در غلظتهای پایین آمونیوم هر چه غلظت Na+ کمتر باشد، راندمان آزادسازی آمونیوم افزایش مییابد و در غلظتهای بالای آمونیوم حضور Na+ اثر ناچیزی روی راندمان حذف داردXuejun Guo .[20] نیز بر روی غلظت نمک و قلیائیت محلول احیاگر آزمایشهایی انجام دادند. افزایش قلیائیت بر روی آزادسازی آمونیا مؤثر بوده و افزایش غلظت نمک نیز در قلیائیت پایین مؤثر میباشدL.Lin .[21] بر روی تأثیر دور همزن و انتخابپذیری یونها بر روی راندمان حذف آمونیوم آزمایشهایی انجام داد. دور همزن تأثیر زیادی بر راندمان حذف ندارد. انتخابپذیری یونها نیز به صورت استA.Alshameri .[22] بر روی غلظت نمک برای اصلاح و pH فاضلاب آزمایشهایی انجام داد. غلظت نمک بهینه 1 مولار و pH=7 نیز به عنوان pH بهینه فاضلاب تعیین شد.[23]
.2 مواد و روشها
زئولیت طبیعی در این آزمایش از معادن موجود در استان سمنان استخراج شده است. زئولیتها از نوع سدیک پتاسیک بوده و دارای فرمول [Na4K4 ] - Al8Si4 o - O96 .24H2o است. زئولیتها دانهبندی شده و قطر مؤثر آنها 0.425-2 میلیمتر میباشد.وزن مخصوص ظاهری زئولیت 1.09 cmgr3 میباشد. ترکیبات شیمیایی زئولیت در جدول 1 آمده است: مواد استفاده شده در آزمایش عبارتند از محلولهای سدیمکلرید - NaCl - ، آمونیومکلرید - NH4Cl - ، سدیم هیدروکسید - NaOH - ، هیدروکلریکاسید - HCl - ، منیزیمکلرید - MgCl2 - ، کلسیم کلرید - CaCl2 - و پتاسیمکلرید - KCl - مرک آلمان . - Merck,Germany - محلول فاضلاب شبیه سازی شده از ترکیب آمونیوم کلرید با آب مقطر تهیه شده است. در آزمایشهای انجام شده پارامترهای دما، PH، مقدار آمونیوم و نیترات اندازه گیری شدند. برای اندازهگیری دما وPH از PHمتر - Hach,USA - استفاده شد. برای اندازه گیری آمونیوم از روش نسلریزاسیون و برای اندازهگیری نیترات از روش کاهش کادمیوم استفاده شد.
این روشها مطابق با روش استاندارد بوده و هر یک از نمونهها سه بار با استفاده از دستگاه نورسنجی - Hach,DR 2800 Spectrophotometer,USA - اندازهگیری شدند. زئولیتها سه بار با آب مقطر شسته شده و به مدت 6 ساعت در دمای 105 درجه سانتیگراد در اتوکلاو خشک گردید. برای اصلاح نیز، هر گرم زئولیت با 20 میلیلیتر سدیمکلرید در غلظتهای مختلف احیاء شد. در این آزمایشها غلظت اولیهی آمونیوم بوده و به ازای هر 500 میلیلیتر از محلول فاضلاب، 10 گرم زئولیت استفاده شده است. دور همزن در تمامی آزمایشها بوده است. حذف آمونیوم از فاضلاب در PHهای مختلف اندازهگیری شد. تغییر PH فاضلاب با استفاده از محلولهای 0/1 مولار سدیمهیدروکسید و هیدروکلریکاسید انجام شد.
برای تعیین غلظت و PH محلول احیاگر نیز آزمایشهایی انجام شد که در آن ابتدا زئولیتها به مدت 90 دقیقه در دما و pH معین در فاضلاب اشباع شدند سپس محلول فاضلاب و زئولیت های اشباع شده را جدا کرده و عملیات احیاء با غلظتها و PHهای مختلف محلول احیاگر به مدت 120 دقیقه با سرعت rpm 200 آزمایش شدند. برای تعیین ایزوترمهای جذب، نمونهها با غلظت فاضلاب یکسان و مقدار جاذبهای متغییر 2 - ،4،6 و 8 گرم - با سرعت 20 دور در دقیقه به مدت 3 روز در دمای ثابت مورد آزمایش قرار گرفت. برای تعیین انتخابپذیری نیز ازمحلولهایی با غلظتهای 100، 200، 500 و 1000 میلیگرم بر لیتر منیزیمکلرید،کلسیمکلرید،سدیمکلرید و پتاسیم کلرید به همراه غلظت ثابت آمونیومکلرید به مدت 60 دقیقه با سرعت 100 دور در دقیقه استفاده شد.
