بخشی از مقاله
چکیده
پسابهای صنایع مختلف از جمله آبکاری فلزات، صنایع باتریسازی، استخراج معدن، صنایع نساجی و ... شامل فلزات سنگین و دیگر آلودگیها میباشد که برای انسان و محیط زیست نگرانکننده است. برای کاهش مشکل آلودگی آب، روشهای مختلف استفاده شده است که از جمله میتوان به جداسازی شیمیایی، فیلتراسیون، تصفیه الکتروشیمیایی، تبادل یونی، تبخیر، اسمز معکوس، تهنشینی، انعقاد و جذب سطحی اشاره کرد. اما در این میان دانشمندان به دنبال بهکارگیری روشهایی هستند که با وجود پایین بودن میزان هزینهها، نقش بیشتری در بهبود و پالایش آلودگیهای آبشتهدا باشند.
اخیراً پلیمرهای زیستی به دلیل عدم سمیّت در محیط، در دسترس بودن و هزینه پایین آنها؛ در تصفیه پساب مورد توجه اکثر محققان قرار گرفته است. کیتین و کیتوسان به عنوان فراوانترین آمینوپلیساکاریدها در طبیعت، دارای خصوصیاتی از جمله سازگاری زیستی بالا، سمیت پایین، زیستتخریبپذیری و خواص ضدمیکروبی قابل قبول بوده که این خصوصیات منحصربهفرد، موجب شد توجه زیادی را به طرف خود معطوف کنند.
پیشرفتهای گستردهای در بهبود خواص آنها به منظور استفاده در تصفیه فاضلاب و دیگر صنایع حاصل شده است. با کاهش اندازه ذرات کیتوسان تا ابعاد نانو ویژگیهای بهتری نظیر افزایش توانایی جذب، پوشش و قابلیت پیوند که نتیجهی افزایش سطح تماس ذرات میباشد حاصل میشود. این مقاله تلاش میکند یک چشمانداز کلی از کاربرد کیتوسان در تصفیه پساب که شامل روشهای جذب سطحی و انعقاد میباشد را نشان دهد.
-1 مقدمه
دفع مواد و پسابهای باقی مانده از محصولات مصرفی و مواد مضر و خطرناک خروجی از کارخانجات و صنایع تولیدی، یکی از مشکلات و معضلات مهم جهان امروز است. فاضلابها و پسابهای خروجی از صنایع ممکن است حاوی مواد سمی و مقادیر بالایی از فلزات سنگین باشند که با تخلیه این ضایعات به مجاری فاضلابها و روانآبهای سطحی و کشاورزی، مقادیر زیادی از این فلزات به محیط وارد میشوند.
آلودگی محیط با این آلایندههای خطرناک نهایتاً منجر به غیربهداشتی شدن منابع آب آشامیدنی شده و در طولانی مدت، خطراتی برای سلامتی انسان و سایر ارگانیسمهای زنده به همراه خواهد داشت. در برخی از قطبهای صنعتی کشور نیز، تخلیه مقادیر عظیمی پساب باعث تخریب اراضی کشاورزی شده و این در حالی است که کشور در حال تلاش برای افزودن اراضی زیرکشت، جهت رسیدن به خودکفایی میباشد. اغلب پسابهای صنعتی غلظت بالایی از فلزات سنگین دارند که وقتی این فلزات سمّی در مکانهای تخلیه رها شوند، خاک و آبهای زیرزمینی و در نهایت دریا را آلوده کرده و به طور کلی بر زندگی آبزیان و چرخه غذایی اثر میگذارند. از آنجایی که پسابهای صنعتینهایتاً به داخل آبهای سطحی و رودخانهها تخلیه میشوند،
شناسایی و ارزیابی غلظت انواع مختلف آلایندههای موجود در آنها ضروری بوده و این عمل باید قبل از تخلیه آنها به آبهای جاری انجام گیرد. امروزه با افزایش جمعیت و نیاز روزافزون به مواد غذایی و فراوردههای طبیعی، ذخایر دریایی به عنوان یک منبع عظیم مورد توجه قرار گرفته است. دریاها زیستگاه گیاهان و جانوران گوناگونی هستند که بخش عمدهای از نیاز غذایی انسان را تأمین میکنند. ماهی، میگو، خرچنگ، لابستر، گاماروس و سایر سختپوستان از مهمترین آبزیان دریایی بهشمار میروند و استفاده از این منابع غذایی با گذشت زمان و پیشرفت وسایل صیادی رو به افزایش است. هر سال صید این آبزیان انبوهی از ضایعات را برجای میگذارد و از این ضایعات برجای مانده صنعت جدیدی در علم و تکنولوژی رشد کرده که اساس آن ماکرومولکولی طبیعی به نام کیتین میباشد
سختپوستان دریایی نظیر مواردی که در بالا ذکر شد و همچنین برخی بندپایان دیگر دارای مواد معدنی، آلی و کیتین هستند. کیتین ماده اولیه تولید پلیمر زیستی کیتوسان است. کیتین و کیتوسان در برخی از کشورها به صورت تجاری تهیه میشوند. خصوصیات شیمیایی و بیولوژیکی پلیمر زیستی کیتوسان موجب استفاده گسترده آن در بسیاری از فرآیند از جمله تصفیه پساب شده است
-2 کیتوسان
کیتوسان مشتقی از گلوکان با واحدهای تکرار شونده کیتین است. کیتین و ترکیب استیلدار شده آن - کیتوسان - دو پلیمر طبیعی شناخته شدهاند که پس از سلولز فراوانترین پلیمرهای موجود در طبیعت بهشمار میآیند. سابقه استخراج و استفاده از این پلیمرها به بیش از 200 سال پیش برمیگردد. این دو پلیساکارید نیتروژندار به طور وسیعی در پوست حشرات، دیواره سلولی قارچها و همچنین پوست سختپوستان یافت میشود. این ماده پلیساکارید نیتروژنه، سفید، سخت، غیرالاستیک بوده و منبع عمده آلودگی سطحی در مناطق ساحلی میباشد
کیتوسان تنها پلیمر کاتیونی است که با فرایند استیلدارکردن جزئی کیتین در حالت جامد در شرایط قلیایی - سدیمهیدروکسید غلیظ یا به وسیله آبکافت آنزیمی - از دیاستیلدارکردن کیتین به دست میآید. کیتوسان حاصل نیز دارای خواصی همچون زیستسازگاری، ضدباکتری، ضدویروس، سمّی نبودن، عدم ایجاد حساسیت، قابلیت تشکیل فیلم و خاصیت کششپذیری زیاد است. بنابراین، با توجه به خواص مزبور این پلیمر طیف گستردهای از کاربردها را در حیطه نانوالیاف شامل میشود. در مجموع میتوان گفت، کیتوسان فیلم قوی و نفوذناپذیر است که میتواند اثر ضدمیکروبی و ضداکسندگی داشته باشد
-3 تصفیه پساب
آلودگی آب توسط فلزات سمّی و ترکیبات آلی، مشکلات زیستمحیطی جدی ایجاد نموده است، لذا ضروری است که حضور آنها در محیط کنترل شود. در بین تمام روشهای پیشنهادی، جذبسطحی توسط جاذبها یکی از مرسومترین روشها میباشد. عیب اصلی استفاده از محصولات شیمیایی مصنوعی - آلومینیومسولفات و پلیمرهای ساختگی - برای تصفیه آب، خطر آلودگی محیط زیست میباشد.
درنتیجه استفاده از روشهای سبز یک نیاز اقتصادی است .[5] از جمله مزایای استفاده از آمینوپلیمرها میتوان به قابلیت بالای این مواد در محدود نمودن مواد آلاینده به ویژه یونهای فلزی سنگین، توان سازشپذیری در محیط زیست، قابلیت شکلدهی به فیلم، چسبندگی، آب دوستی و خصوصیات جذبی آنها اشاره کرد. کیتوسان به علت طبیعت آلی و زیستتخریبپذیری بسیار مورد توجه میباشد؛
با توجه به ماهیت کاتیونی کیتوسان، مولکول زنجیرهای آن اطراف ذرات جامد معلق و مواد معدنی و فلزات سنگین مانند روی، کروم، آرسنیک، دیاکسیدتیتانیم، فسفر و به ویژه جیوه، سرب و اورانیوم، رنگها، آمینواسیدها و پروتئینها را میگیرد و آنها را لخته میکند. کیتوسان همچنین در جذب مواد رادیواکتیو و پاکسازی مواد نفتی و روغنی، سمّی، آروماتیک و به ویژه پلیکلروبیفنیل نیز به کار میرود. استفاده از کیتوسان کارایی سیستم را بهبود بخشیده، کاهش چشمگیری در بو و مزه را به دنبال دارد
-4 تصفیه فاضلاب به وسیله نانوذرات کیتوسان به روش جذب سطحی
در طی سالهای اخیر، آلودگی صنعتی ناشی از یونهای فلزات سنگین، مشکل جدی محیطزیست در سراسر جهان بودهاست. سرب دارای سمّیت شدیدی است و به علت ایجاد صدمات مغزی و آسیب به سیستم عصبی، کلیه و دستگاه گوارش به خصوص در کودکان جزء خطرناکترین فلزات محسوب میگردد. همچنین کادمیم یکی از فلزات سنگین سمی است که به صورت گستردهای در صنایعی همچون آبکاری فلزات و باطریسازی مورد استفاده قرار میگیرد. خاصیت سمی بودن شدید کادمیم برای انسان و محیط زیست به صورت وسیعی مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در ایالات متحده آمریکا، میزان استاندارد کادمیم در آب آشامیدنی، 0/01ppm تعیین شده است
آلودگی آب توسط فلزات سنگین یک مسئله محیطزیستی جهانی است که به واسطه فعالیتهایی مانند بهرهبرداری از معادن، صنعتی شدن و شهرنشینی در سرتاسر کره زمین افزایش یافته است. روشهای مختلفی برای بازیافت فلزات سنگین از فاضلاب توصیه شده است که از میان آنها میتوان به روشهایی نظیر فیلتراسیون، اسمز معکوس، اکسیداسیون شیمیایی یا احیا، کربن فعال، ته نشینی، انعقاد، تبادل یونی، فرایندهای غشایی، تکنیکهای الکترولیتی، تصفیه الکتروشیمیایی و جذب سطحی اشاره کرد
روش جذب سطحی به دلیل عملکرد آسان، مصرف انرژی کم، نگهداری ساده، ظرفیت جذب زیاد و کارایی بالا برای تصفیه آب و فاضلاب به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. در این شیوه از جداسازی، جاذبهای متفاوتی نظیر جاذبهای بیولوژیکی مانند مخمرها، جلبکها، قارچها و باکتریها، سیلیکاژل، زغالفعال، خاکستر زغال چوب و زئولیت مورد استفاده قرار گرفتهاند.
اخیرا تولید پلیمرهای زیستی به دلیل عدم سمّیت در محیط، در دسترس بودن و هزینه پایین آنها؛ به عنوان ابزاری برای جذب عناصر سنگین مورد توجه اکثر محققان قرار گرفته است. کیتوسان به واسطه جذب، تبادل یونی، کیلیت شدن قادر به ترکیب با یونهای فلزی است. به همین خاطر به طور گستردهای برای جذب یونهای فلزات سنگین استفاده شده است. کیتوسان با فرایندهای فیزیکی و شیمیایی، به منظور تهیه مشتقات کیتوسان - بهدست آوردن گروههای عاملی پیوندی جدید - یا تغییر در وضعیت پلیمر - تهیه غشا، نانو ذرات، پودر و فیبر - اصلاح شده است. این فرایندها برای کنترل واکنش پذیری پلیمر - بالا بردن کارایی جذب فلزات، تغییر انتخابپذیری جذب و محدوده pH برای جذب بهینه - یا بالا بردن سینتیک جذب استفاده شده است. ویژگی منحصربهفرد نانو ذرات از جهت اندازه کوچک و مساحت سطح زیاد، ظرفیت جذب بالایی برای یونهای فلزی ایجاد کرده است. تحقیقات نشان دادهاند که کیتوسان میتواند به عنوان جاذب به واسطه وجود گروههای آمین و هیدروکسیل به عنوان مکانهای کیلیت کننده در حذف فلزات سنگین استفاده گردد.
در آزمایشات صورت پذیرفته تاکنون در مورد حذف فلز کادمیم از پسابهای صنعتی با استفاده از کیتوسان، غلظت کادمیم و دما عواملی مؤثر بهشمار میروند، به طوری که با افزایش دما، میزان ظرفیت جذب یونهای کادمیم کاهش پیدا میکند و همچنین با افزایش غلظت یونهای فلزی میزان جذب افزایش مییابد
اخلاصی و همکارانش با استفاده از کیتوسان تهیه شده از پوسته میگو، میزان جذب یونهای فلزی سرب از محلولهای آبی را مورد مطالعه و آزمایش قرار دادند. نتایج حاصل از تحقیقات آنها نشان میدهد که نانوذرات کیتوسان به دلیل داشتن مساحت سطحی بالا و دارا بودن گروههای عاملی آمین و کربوکسیل، به طور مؤثر قادر به حذف یونهای فلزی سرب هستند
صادقی کیاخانی و همکارانش در زمینه کاربرد زیست جاذب پلیمری کیتوسان-دندریمر در رنگبری مواد رنگزای مستقیم، تحقیقاتی را انجام دادند. کیتوسان مورد استفاده از پوسته خرچنگ استخراج شد. نتیجه این تحقیقات نشان میدهد که جاذب سنتز شده پتانسیل بسیار بالایی برای رنگبری پساب نساجی حاوی مواد رنگزای به کار برده شده دارد
مومنزاده و همکارانش عوامل مؤثر بر حذف ماده رنگزای راکتیو از محلول با استفاده از امولسیون حاوی نانوذرات کیتوسان، استخراج شده از پوسته میگو، را مورد بررسی و تحقیق قرار دادند. نتایج این تحقیقات حاکی از آن است که امولسیون حاوی نانوذرات کیتوسان در شرایط بهینه بازده بسیار بالاتری در حذف ماده رنگزای آنیونی دارد
رسولی فرد و همکارانش حذف رنگزای آلی آنیونی زرد مستقیم 9 و نارنجی راکتیو 122 از آب آلوده را با استفاده از جاذب زیست پلیمری کیتوسان، استخراج شده از پوست خرچنگ، در مقایسه با کربن فعال در یک سیستم ناپیوسته مورد بررسی و مطالعه قرار دادند. نتایج نشان میدهد که کیتوسان در مقایسه با کربن فعال با توجه به ظرفیت جذب بالای آن و قابلیت جذب انواع آلایندهها، غیر سمی بودن، ارزانی و فراوانی و همچنین سرعت بالای جذب آن برتری دارد
