حذف فسفات از محیط‌های آبی با استفاده از خاک زرد و قرمز منطقة آذربایجان‌غربی و شکل اصلاح‌شدة آن با اتیلن دی‌آمین تترا استیک اسید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مربی، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی البرز، کرج، ایران

2 استاد، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی البرز، کرج، ایران

3 دانشجوی کارشناسی‌ارشد مهندسی بهداشت محیط، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی کردستان، سنندج، ایران

4 مربی، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی زابل، زابل، ایران

5 دانشجوی دکتری تخصصی بهداشت محیط، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی گناباد، گناباد، ایران

چکیده

اهداف: فسفر ازجمله یون‌های معمول در پساب تصفیه‌خانه‌های فاضلاب است. مقدار این یون در پساب تصفیه‌خانه‌های فاضلاب زیاد است. تخلیة آن در محیط باعث تسریع در بروز پدیدة اتریفیکاسیون می‌شود. این امر منابع آب را تحت تأثیر قرارمی‌دهد. پدیدة اتریفیکاسیون در منابع آبی یکی از مسائل مهم محیط‌زیستی است. اتریفیکاسیون به رشد بیش‌ازحد گیاهان آبزی و جلبک‌ها می‌انجامد و از این طریق باعث برهم‌زدن تعادل ارگانیسم‌های موجود در منابع آبی می‌شود؛ بنابراین، در این پژوهش از خاک زرد و قرمز خام، همچنین اشکال اصلاح‌شدة آن با اتیلن دی‌آمین تترااستیک اسید برای حذف فسفر از محلول‌های آب استفاده شده است.
مواد و روش‌ها: تمامی آزمایش‌های مطالعة حاضر در سیستم ناپیوسته انجام گرفت. در این مطالعه از خاک زرد و خاک قرمز، همچنین اشکال اصلاح‌شدة آن با اتیلن دی‌آمین تترا استیک اسید برای جذب فسفر از محلول‌های شبیه‌سازی‌شده استفاده شد. تأثیر پارامترهای مختلف از جمله زمان واکنش، غلظت اولیة فسفر، pH محلول و مقدار جاذب بر راندمان حذف فرایند بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که با افزایش زمان تماس، دوز جاذب و غلظت اولیة یون فسفات، راندمان حذف افزایش می‌یابد. بیشترین میزان حذف در زمان تماس 150 دقیقه، دوز جاذب برابر 10 گرم بر لیتر، غلظت فسفر برابر 50 میلی‌گرم بر لیتر و در pH برابر 5 اتفاق افتاد. در شرایط بهینه و با استفاده از جاذب خام، در حدود 65 درصد یون فسفر حذف شد، درحالی‌که در مورد خاک‌های اصلاح‌شده در حدود 78 درصد یون فسفر حذف گردید.
نتیجه‌گیری: به‌طورکلی، نتایج نشان داد که خاک‌های زرد و قرمز خام به‌علت بالابودن میزان کلسیم قادرند یون فسفات را در حد قابل‌قبولی حذف کنند و چنانچه با اتیلن دی‌آمین تترا استیک اسید اصلاح شوند قابلیت حذف آن‌ها به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Removal of phosphate from aqueous solutions by yellow and red soil from West Azerbaijan and its EDTA-modified form

نویسندگان [English]

  • Mansur Zarrabi 1
  • Mohammad Noori Sepehr 2
  • Mohammad Shakak 3
  • Gholamreza Ebrahimzadeh 4
  • Mahmoud Taghavi 5
1 Ph.D. Student of Environmental Health Engineering, Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Health, ShahidBeheshti University of Medical Sciences, Tehran, Iran
2 professor, Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Health, Alborz University of Medical Sciences, Karaj, Iran
3 M.Sc. student in Environmental Health Engineering, Faculty of Health, Kurdistan University of Medical Sciences, Sanandaj, Iran
4 Instructor, Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Health, Zabol University of Medical Sciences, Zabol, Iran
5 Ph.D. Student of Environmental Health Engineering, Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Health, Zabol University of Medical Sciences, Zabol, Iran
چکیده [English]

Background & Objectives: Phosphorus is a common ion in wastewater treatment effluents, but excess amount of phosphate concentration in the effluent discharge accelerates eutrophication that affects many natural water bodies. Eutrophication of the water bodies is one of the most important environmental problems. Eutrophication can lead to abundant development of aquatic plants, growth of algae and disturbance to the balance of organisms present in the water. Therefore, in present work, natural and modified yellow and red soil with EDTA was used for removal of phosphorous from aqueous solution.
Materials & Methods: All experiments were conducted in a batch system. Natural yellow and red soil and its modified one with EDTA were used as adsorbent for removal of phosphorous from aqueous solutions. Effect of various experimental parameters such as pH, initial phosphorus concentration, contact time and adsorbent mass were investigated.
Results: Results showed that the removal efficiency was increased by increasing in contact time, adsorbent mass and initial phosphorus concentration. Higher removal efficiency was observed at 150 min contact time, 10 g/L adsorbent mass, 50 mg/L phosphorus concentration and pH 5. At these conditions, about 65% of phosphorus were removed by natural soils, while 78% was removed by modified adsorbents.
Conclusion: The results of present work well demonstrate that, due to higher content of calcium, red and yellow soil is capable for adsorption of phosphorus and if they be modified with EDTA, their efficiency will be improved remarkably.

کلیدواژه‌ها [English]

  • adsorption
  • EDTA
  • Phosphorus
  • red soil
  • yellow soil

مقدمه

امروزه، گسترش شهرنشینی، ظهور انواع صنایع، افزایش سطح رفاه اجتماعی و سایر عوامل باعث شده است که صدمات جبران‌ناپذیری به محیط‌زیست وارد آید. ازبین‌رفتن جنگل‌ها و مراتع، تخلیة فاضلاب‌های شهری و صنعتی به رودخانه‌ها و دریاها، کاهش ضخامت لایة ازن در اثر ورود کلروفلوروکربن‌ها، تغییرات آب‌وهوایی چند دهة اخیر، کمبود منابع آب قابل‌شرب و سایر عوامل، بشر امروزی را بر آن داشته است تا توجه ویژه‌ای به آلودگی محیط‌زیست خود داشته باشد [1 و 2]. فاضلاب‌های شهری و صنعتی یکی از مهم‌ترین منابع آلاینده است که در صورت عدم‌تصفیه صدمات جبران‌ناپذیری به محیط‌زیست، به‌خصوص به منابع آبی، وارد می‌آورد [3].

در بین انواع آلاینده‌های موجود در فاضلاب‌های شهری و صنعتی، وجود مواد مغذی در فاضلاب‌ها باعث به‌وجودآمدن نگرانی‌های جدی در زمینة تخلیة پساب به محیط‌زیست و ازبین‌رفتن منابع آبی شده است. نیتروژن و فسفر مواد مغذی موجود در فاضلاب است [4]. مواد مغذی عناصری است که برای رشد و تولیدمثل گیاهان و جانوران ضروری است. همچنین، گونه‌های آبزی برای تهیة مواد غذایی مورد نیاز، وابسته به آب اطراف خود هستند [5]. فسفات‌ها یکی از اصلی‌ترین مواد بسیاری از کارخانه‌ها و صنایع است که به میزان خیلی زیادی در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند ساخت کودها، مواد شوینده، نرم‌کننده‌های آب، فرآورده‌های غذایی و نوشیدنی، متالوژی و دیگر فرایندهایی استفاده می‌شوند که پایة اصلی آن‌ها فسفات است [6]. استفادة بی‌رویه‌ از فسفات به تولید مقادیر زیادی زایدات حاوی فسفات می‌انجامد. زایدات فسفات معمولاً به فاضلاب‌های شهری و صنعتی تخلیه می‌شود و فاضلاب‌های صنعتی و شهری یکی از عمده‌ترین منابع آلایندة محیط‌زیست است. بنا به نوع فاضلاب، همچنین نوع مواد آلایندة موجود در آن‌ها، فاضلاب‌ها باعث ایجاد آلودگی در محیط‌زیست می‌شود [7].

فسفر در آب‌های سطحی و فاضلاب‌ها از نظر شیمیایی معمولاً به‌شکل فسفات‌های آلی (مانند مواد شوینده) و فسفات‌های معدنی (پلی‌فسفات‌ها و ارتوفسفات‌ها) دیده می‌شود. پلی‌فسفات‌ها و فسفات‌های آلی بعد از هیدرلیز و تجزیة بیولوژیکی به ارتوفسفات‌ها تبدیل می‌شود [8].

اتروفیکاسیون منابع آبی یکی از مهم‌ترین مشکلات ‌محیط‌زیستی است که در آب‌های راکد اتفاق می‌افتد. فسفات‌ها از عوامل اصلی ایجاد و کنترل پدیدة اتریفیکاسیون در منابع آبی است. این پدیده به توسعة فراوان گیاهان آبزی، رشد جلبک‌ها و اختلال در تعادل ارگانیسم‌های موجود در منابع آبی می‌انجامد. بنابراین، حذف فسفات‌ها از محلول‌های آبی برای پیشگیری از پدیدة اوتروفیکاسیون و حفظ کیفیت منابع محدود آب‌های شیرین، به‌ویژه در نواحی نزدیک به مناطق شهری، ضروری است [9].

در دهه‌های اخیر اغلب از روش‌های بیولوژیکی یا رسوب‌دهی شیمیایی برای حذف فسفات از فاضلاب استفاده می‌شود. این روش‌ها معایبی دارد، از جمله حساس‌بودن سیستم به شوک‌های آلی و هیدرولیکی، تولید لجن مازاد که نیاز به پردازش و دفن مناسب دارد، نیاز به نیروی متخصص و ماهر، همچنین زمان‌ماند طولانی برای بهره‌برداری کامل سیستم و رسیدن به حداکثر راندمان [10]. برای همین منظور، امروزه محققان به‌دنبال روش‌های ساده و ارزان‌قیمت‌اند که علاوه‌بر اینکه معایب روش‌های گذشته را نداشته باشد، بلکه با راندمان بالاتری فسفر موجود در فاضلاب را کاهش دهد. برای همین منظور در سال‌های اخیر اغلب از فرایند جذب سطحی با استفاده از جاذب‌های طبیعی برای حذف فسفر استفاده شده است. از جملة این روش‌ها می‌توان به استفاده از گل قرمز [4]، مواد سیلیکاتة پوشش داده‌شده با لانتانیم [1]، خاکستر فرار و شکل اصلاح‌شدة آن با استفاده از اسید سولفوریک [11]، زایدات حاصل از معادن استخراج منیزیم [12]، و ژل هیدروکسید آلومینیم [3] اشاره کرد.

با توجه به آنچه بیان شد، هدف اصلی پژوهش حاضر بررسی راندمان خاک زرد و قرمز منطقة آذربایجان‌غربی و شکل اصلاح‌شدة آن با  EDTAدر حذف یون فسفات از محلول‌های آبی و بررسی اثر پارامترهای بهره‌برداری مؤثر بر فرایند جذب نظیر زمان تماس، غلظت اولیة فسفر، دوز جاذب مورد استفاده و زمان تماس بوده است. از سوی دیگر، تعیین ویژگی‌های مؤثر خاک‌های مورد مطالعه هدف فرعی تحقیق بوده است.

مواد و روش‌ها

روش آماده‌سازی و اصلاح جاذب

در این مطالعه از خاک‌های قرمز- زرد خام منطقة آذربایجان‌غربی و شکل اصلاح‌شدة آن با اتیلن دی‌آمین تترا استیک اسید (EDTA) برای حذف یون‌های فسفات استفاده شد. نخست، جاذب مورد استفاده با آب بدون یون به‌طور مناسب شسته شد تا ناخالصی‌ها و گردوغبار آن حذف شود. جاذب شسته‌شده به‌مدت 24 ساعت در دمای 60 درجة سانتی‌گراد خشک شد تا آب موجود در خلل‌وفرج آن از بین برود. سپس، به‌مدت 24 ساعت در دمای اتاق در تماس با EDTA قرارگرفت تا جاذب اصلاح شود. بعد از این مدت، خاک زرد و قرمز چندین بار با آب بدون یون شسته شد تا EDTA اضافی حذف شود. بعد از شست‌وشوی کامل، جاذب تهیه‌شده در فر 60 درجة سلسیوس خشک شد تا برای آزمایش‌های جذب استفاده شود.

تعیین گروه‌های عاملی

به‌منظور تعیین گروه‌های عاملی از دستگاه اسپکتروفتومتری مادون قرمز تبدیل فوریه ساخت آلمان استفاده شد. برای این منظور 100 میلی‌گرم از هر یک از خاک‌های زرد خام و اصلاح‌شده و قرمز خام و اصلاح‌شده، قبل و بعد از جذب فسفر به‌طور کامل با 100 میلی‌گرم پتاسیم بروماید مخلوط و به‌صورت قرص فشرده شد. سپس، درون دستگاه قرارگرفت.

پارامترهای مورد بررسی

تأثیر پارامترهای مختلف از جمله غلظت اولیة یون فسفات (50-10 میلی‌گرم بر لیتر)، pH اولیه (3-11)، زمان واکنش (15-200 دقیقه) و مقدار جاذب (2-10 گرم بر لیتر) روی کارایی فرایند حذف بررسی شد.

اندازه‌گیری فسفر

برای اندازه‌گیری یون فسفر، از روش اسپکتروفتومتری در حداکثر طول ‌موج جذب 470 نانومتر و با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر ماورای بنفش- مرئی ساخت شرکت هچمدل 5000 استفاده شد. برای این منظور 35 میلی‌لیتر نمونه را به 10 میلی‌لیتر واکنشگر مولیبدات آمونیم اضافه می‌کنیم. حجم مواد را با آب بدون یون به 50 میلی‌لیتر ‌رساندیم. بعد از گذشت 10 دقیقه، مقدار جذب را در دستگاه اسپکتروفتومتر خواندیم. سپس، با استفاده از منحنی استاندارد، غلظت فسفر باقی‌مانده را تعیین کردیم [13].

آزمایش‌های جذب

این تحقیق تجربی- کاربردی است که به‌صورت سیستم ناپیوسته و در آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب دانشکدة بهداشت دانشگاه علوم پزشکی البرز انجام‌ گرفته است. در این مطالعه، پارامترهای مورد بررسی غلظت اولیة یون فسفات (10-50 میلی‌گرم بر لیتر)، pH اولیه (3-11)، زمان واکنش (15-200 دقیقه) و مقدار جاذب (2-10 گرم بر لیتر) است. روش انجام آزمایش‌ها به این صورت بود که با تغییر یک پارامتر و ثابت‌نگه‌داشتن سایر پارامترها، راندمان جاذب‌های مورد مطالعه بررسی شد. برای مثال، برای تعیین تأثیر زمان تماس بر راندمان حذف به‌صورت زیر عمل شد. در بررسی تأثیر زمان تماس، همچنین به‌دست‌آوردن زمان تعادل، غلظت مورد نظر فسفر با اضافه‌کردن دی‌پتاسیم فسفات به آب بدون یون تهیه شد. سپس، 500 سی‌سی از محلول‌های مورد نظر به بشرهای یک لیتری انتقال داده‌ شد و pH هر یک از بشرها ‌روی 5 تنظیم شد. بشرهای مورد نظر ‌روی همزن قرارگرفت و بعد از اضافه‌کردن 6 گرم بر لیتراز پوکة معدنی اصلاح‌شده به هر کدام از بشرها، اختلاط با سرعت 200 دور بر دقیقه صورت گرفت. در نهایت، در فواصل زمانی 5، 10، 15، 30، 60، 90، 120، 150، 175 و 200 دقیقه نمونه‌برداری انجام و در غلظت باقی‌ماندة فلوراید تعیین شد. با ترسیم راندمان حذف فلوراید در مقابل زمان تماس، زمان تعادل، همچنین تأثیر زمان تماس تعیین گردید. سایر پارامترها نیز مشابه زمان تماس بررسی شد.

یافته‌ها

خصوصیات خاک‌های مورد بررسی

جدول 1. خصوصیات خاک‌های زرد و قرمز مورد استفاده در فرایند جذب فسفر

پارامتر (%)

خاک قرمز

خاک زرد

کاهش وزن در اثر احتراق

91/40

1/42

اکسید آلومینیم

61/0

43/0

اکسید سیلیس

12/2

09/2

اکسید کلسیم

45/54

17/53

اکسید فریک

63/1

9/1

تری‌اکسید آرسنیک

15/0

3/0

تری‌اکسید گوگرد

14/0

 

 

بررسی گروه‌های عاملی جاذب‌های مورد استفاده

طیف اسپکتروفتومتری مادون قرمز تبدیل فوریة خاک‌های مورد استفاده در این تحقیق در شکل 1 و 2 آورده شده است. همان‌طور که در شکل 1 و 2 مشاهده می‌شود، با مقایسة طیف اسپکتروفتومتری جاذب‎های اصلاح‌شده، پیکی در cm-1 64/1111 برای خاک قرمز اصلاح‌شده، مربوط به پیوند کشسانی C-N است که اصلاح خاک قرمز با EDTA را تأیید می‌کند. کشش نامتقارن گروه‌های –COO- ناشی از گروه‌های اسیدی در EDTA برای خاک زرد در cm-1 83/1589، cm-1 41/932 و برای خاک قرمز درcm-1 28/1591، 96/1342 و 18/932 [14 و 15]، ارتعاش کشسانی هیدروکسیل (–OH) برای خاک زرد اصلاح‌شده در cm-1 85/3395 و برای خاک قرمز اصلاح‌شده در cm-1 61/3377 مشاهده شد [15]. جذب‌های ضعیف در ناحیة کمتر از cm-1 1350 (یا ناحیة اثر انگشت) در خاک‌های زرد و قرمز اصلاح‌شده، ممکن است به ارتعاشات کشسانی C-N و CH-OH مربوط باشد [15]

شکل 1. طیف اسپکتروفتومتری مادون قرمز تبدیل فوریة خاک زرد خام قبل از جذب (الف)، خاک زرد خام بعد از جذب (ب)، خاک زرد اصلاح‌شده قبل از جذب (ج) و خاک زرد اصلاح‌شده بعد از جذب (د)

شکل 2. طیفاسپکتروفتومتریمادونقرمزتبدیلفوریهخاک قرمز خام قبل از جذب (الف)، خاک قرمز خام بعد از جذب (ب)، خاک قرمز اصلاح‌شده قبل از جذب (ج) و خاک قرمز اصلاح‌شده بعد از جذب (د)

 

تأثیر زمان تماس بر راندمان حذف فرایند

نتایج نشان داد که با افزایش زمان تماس راندمان حذف فسفر نیز افزایش می‌یابد. در مورد جاذب خاک زرد خام مشخص شد که راندمان حذف با افزایش زمان تماس به‌صورت خطی افزایش می‌یابد. در زمان تماس 15 دقیقه و با استفاده از خاک زرد خام، راندمان حذف یون فسفر به‌طور میانگین برابر 42 درصد مشاهده شد و در مدت ‌زمان تماس 150 دقیقه میزان حذف میانگین به 4/67 درصد رسید. در مورد جاذب خاک زرد اصلاح‌شده با EDTA در مدت ‌زمان تماس بهینه (80 دقیقه) میانگین راندمان حذف در حدود 63 درصد مشاهده شد و در مدت ‌زمان تماس 150 دقیقه میانگین میزان حذف به 78 درصد رسید. اما، در مورد جاذب خاک قرمز خام نیز مشخص شد که راندمان حذف در زمان تماس 60 دقیقه برابر با 45 درصد است، اما در مدت ‌زمان تماس 150 دقیقه میزان حذف به‌طورکلی به 60 درصد رسید. راندمان حذف در مورد جاذب خاک قرمز اصلاح‌شده با EDTA در زمان تماس 15 دقیقه به 40 درصد رسید. با افزایش زمان تماس به 150 دقیقه، میزان حذف به‌طور میانگین به 72 درصد رسید.

 

شکل 3. تأثیر زمان تماس بر راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده (5pH=، دوز جاذب 6 گرم در لیتر، غلظت اولیة فسفر 50 میلی‌گرم در لیتر، خط قرمز= خاک زرد اصلاح‌شده، خط بنفش= خاک قرمز اصلاح‌شده، خط آبی= خاک زرد طبیعی و خط زیتونی= خاک قرمز طبیعی)

تأثیر غلظت اولیة فسفر بر راندمان حذف فرایند

نتایج حاصل از تأثیر غلظت اولیة یون فسفر نشان داد که با افزایش غلظت اولیة این یون، راندمان حذف نیز افزایش می‌یابد. در شکل 4 مشاهده می‌شود که افزایش غلظت اولیة فسفر از 10 به 50 میلی‌گرم بر لیتر در خاک زرد خام باعث افزایش راندمان حذف می‌شود، به‌طوری‌که در غلظت اولیة 10میلی‌گرم بر لیتر راندمان حذف حدود 4/56 درصد است، اما در غلظت 50 میلی‌گرم بر لیتر راندمان حذف به 87 درصد افزایش ‌می‌یابد. در خاک زرد اصلاح‌شده با EDTA، افزایش غلظت اولیة فسفر باعث افزایش چشمگیر راندمان حذف شد. با افزایش غلظت از 10 به 50 میلی‌گرم بر لیتر، راندمان حذف یون فسفر از 59 درصد به 6/89 درصد رسید. در آزمایش جاذب قرمز خام نیز افزایش غلظت از 10 به 20 میلی‌گرم بر لیتر باعث افزایش راندمان حذف شد. در مورد خاک قرمز اصلاح‌شده با EDTA نیز افزایش غلظت با افزایش راندمان حذف همراه بود، به‌طوری‌که در غلظت اولیة 50 میلی‌گرم بر لیتر راندمان حذف یون فسفر به‌طور میانگین به 35/80 درصد رسید.

شکل 4. تأثیر غلظت اولیة فسفر بر راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده (5pH=، دوز جاذب 6 گرم در لیتر، زمان تماس 160 دقیقه، خط قرمز= خاک زرد اصلاح‌شده، خط بنفش= خاک قرمز اصلاح‌شده، خط آبی= خاک زرد طبیعی و خط زیتونی= خاک قرمز طبیعی)

تأثیر دوز جاذب بر راندمان حذف فرایند

یافته‌های حاصل از تأثیر دوز جاذب نشان داد که با افزایش میزان جاذب، کارایی حذف نیز افزایش می‌یابد. شکل 5 تأثیر دوز جاذب بر راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده را نشان می‌دهد. در میزان جاذب برابر 2 گرم بر لیتر راندمان حذف در خاک زرد خام برابر 27 درصد و در خاک زرد اصلاح‌شده با EDTA 33 درصد مشاهده شد. با افزایش دوز جاذب به 10 گرم بر لیتر، راندمان حذف در خاک زرد خام به 74/69 درصد و در خاک زرد اصلاح‌شده با EDTA به 81 درصد رسید. در مورد خاک قرمز خام نیز با افزایش دوز جاذب به 10 گرم بر لیتر، راندمان حذف به 4/65 درصد رسید، اما با افزایش دوز جاذب به 10 گرم بر لیتر، در خاک قرمز اصلاح‌شده با EDTA راندمان حذف به 73 درصد رسید.

شکل 5. تأثیر دوز جاذب بر راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده (5pH=، غلظت اولیة فسفر50 میلی‌گرم بر لیتر، زمان تماس 160 دقیقه، خط قرمز= خاک زرد اصلاح‌شده، خط بنفش= خاک قرمز اصلاح‌شده، خط آبی= خاک زرد طبیعی و خط زیتونی= خاک قرمز طبیعی)

تأثیر pH محلول بر راندمان حذف فرایند

شکل 6 تأثیر pH محلول بر راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده را نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل 6 مشاهده می‌شود، با افزایش pH از 3 تا 5، راندمان حذف در خاک زرد خام از 32 درصد به 35/67 درصد و در خاک زرد اصلاح‌شده از 47 درصد به 79 درصد رسید. برای خاک قرمز خام و اصلاح‌شده نیز راندمان حذف افزایش یافت و در pH برابر 5 به‌ترتیب به 53 و 61 درصد رسید. با افزایش بیشتر pH، راندمان حذف کاهش یافت و این کاهش تا pH برابر با 11 ادامه یافت و به کمترین مقدار خود رسید.

شکل 6. تأثیر pH بر راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده (دوز جاذب: 6 گرم بر لیتر، غلظت اولیة فسفر 60 میلی‌گرم بر لیتر، زمان تماس 160 دقیقه، خط قرمز= خاک زرد اصلاح‌شده، خط بنفش= خاک قرمز اصلاح‌شده، خط آبی= خاک زرد طبیعی و خط زیتونی= خاک قرمز طبیعی)

 

بحث

به‌طور کلی، ظرفیت جذب و نگهداری رسوبات برای فسفر به خصوصیات آن‌ها بستگی دارد، نظیر محتوای مواد آلی، هیدروکسیدهای فلزی (آلومینیم و آهن)، کربنات کلسیم و میزان رس آن‌ها [16]. مطالعات نشان می‌دهد که محتوای مواد آلی بالا به ظرفیت بیشتر جذب فسفر در خاک‌ می‌انجامد. همان‌طور که در جدول 1 مشاهده می‌شود، محتوای مواد آلی خاک زرد 1/42 درصد و در خاک قرمز 91/40 درصد است. نتایج نیز نشان می‌دهد که ظرفیت جذب فسفر در خاک زرد بیشتر از خاک قرمز است. محتوای اکسیدهای فلزی به‌دلیل سطح ویژه و بالای هیدروکسیدها فاکتور اصلی و تعیین‌کنندة ظرفیت جذب خاک‌ در نظرگرفته ‌شده است [16]. در مطالعة حاضر، مجموع آلومینیم و آهن در خاک زرد 33/2 درصد و در خاک قرمز 24/2 درصد بوده است. این میزان ظرفیت بیشتر جذب فسفر را با خاک‌های زرد تأیید می‌کند. در مطالعة ‌یوانگ و همکاران [16] نیز خاک‌های دارای مواد آلی بالاتر و اکسیدهای فلزی بیشتر دارای ظرفیت جذب بالاتری بود. ملو و همکاران [17] نیز جذب بیشتر فسفر در خاک‌های با محتوای بالاتر اکسیدهای آهن و آلومینیم را مشاهده کردند. جلالی و همکاران [18] نیز محتوای عناصر آهن و آلومینیم را مهم‌ترین فاکتور مؤثر در تعیین ظرفیت جذب فسفر بیان کردند.

یافته‌های تحقیق حاضر نشان داد که افزایش زمان تماس به افزایش راندمان حذف فسفر با استفاده از خاک زرد و قرمز خام و اصلاح‌شده می‌انجامد. افزایش جذب فسفر به‌صورت دومرحله‌ای مشاهده شد، به‌طوری‌ که نخست و تا زمان 60 دقیقه جذب سریع اتفاق افتاد. سپس، جذب با سرعت کمتری تا زمان 150 دقیقه ادامه یافت. بیشترین میزان جذب در زمان تماس 150 دقیقه به‌دست آمد. این میزان در خاک زرد خام و اصلاح‌شده به‌ترتیب برابر با 3/69 و 3/84 درصد و در خاک قرمز خام و اصلاح‌شده به‌ترتیب برابر با 64 و 74 درصد بود. در مطالعة وانگ و همکاران [16] نتایج مشابهی به‌دست آمد. آن‌ها جذب فسفر روی رسوبات مخزن سه گلوگاه (چین) و ارتباط آن با ترکیب رسوبات را بررسی کردند. در مطالعة آن‌ها جذب سریع فسفر در زمان تماس اولیه تا حدود 60 دقیقه و پس ‌از آن تا زمان تماس 48 ساعت با سرعت کندتری گزارش‌ شده است. در مطالعة محرمی و همکاران [19] برای جذب فسفر روی بنتونیت، کائولینیت، کلسیت و زئولیت نیز نتایج مشابهی گزارش شد. بیشترین راندمان جذب فسفر روی ماسة کوارتزی، آنتراسیت و سنگ رسی نیز در مدت‌ زمان تماس کمتر از دو ساعت گزارش‌شده است [20]. نتایج نشان داد که راندمان جاذب‌های اصلاح‌شده به نسبت بیش از جاذب‌های خام است. این امر به‌دلیل آن است که اصلاح خاک‌های خام باعث کاهش زمان اشباع و به‌دنبال آن باعث افزایش راندمان حذف خواهد شد [14]. در مطالعة وانگ و همکاران [21] روی جذب فسفر با استفاده از رسوبات مختلف مشخص شد که رسوبات وتلند، رسوبات مصب رود و رسوبات دریایی ظرفیت جذب بیشتری نسبت به رسوبات نهرها و دریاچه‌ها دارد. روت و همکاران [22] راندمان خاک قرمز را جاذب طبیعی در حذف فسفات از فاضلاب بررسی کردند. در مطالعة آن‌ها، راندمان حذف فسفات از فاضلاب سنتتیک با غلظت اولیة 20 میلی‌گرم بر لیتر و مدت‌ زمان تماس 90 دقیقه به 47/96 درصد رسید.

مطالعة جذب فسفر روی رسوبات دریایی، دریاچه، مصب رودخانه و رسوبات وتلند نشان داد که با افزایش غلظت اولیة فسفر میزان جذب فسفر به‌آرامی افزایش پیدا می‌کند و در غلظت‌های بالاتر از 2/0 میلی‌مول بر لیتر، این افزایش به‌صورت تصاعدی مشاهده شد. نتیجة این مطالعة جذب فسفر با نتایج مطالعة حاضر همخوانی دارد [21]. نتایج به‌دست‌آمده با ظرفیت جذب (یا ظرفیت بافری) فاز جامد مورد مطالعه و زمان تماس با محلول مرتبط است [23]. جذب فسفر در خاک فرایندی چندمرحله‌ای در نظر گرفته می‌شود که حداقل شامل یک مرحلة جذب سریع اولیه و سپس مرحلة جذب کند است. فرایند جذب فسفر به جذب شیمیایی و جذب فیزیکی تقسیم می‌شود. زمانی که غلظت فسفر افزوده‌شده نسبتاً پایین است، جذب شیمیایی فرایند غالب جذب است. فسفات‌ها با دیگر مواد آمورف نظیر آهن و آلومینیم آمورف و کاتیون‌های پایه در ذرات رس برهم‌کنش‌های شیمیایی دارد. این روند به افزایش سریع مقدار جذب می‌انجامد. تبادل یون و تبادل لیگاند به‌احتمال ‌زیاد دو سازوکار غالب مرتبط با سرعت بالای جذب در اوایل فرایند است. زمانی که غلظت فسفر افزایش می‌یابد، جذب شیمیایی به‌آرامی به حالت اشباع می‌رسد و فسفر با سرعت کمتری از طریق فرایندهای فیزیکی- شیمیایی و جذب فیزیکی جذب می‌شود [23]. بنابراین، جذب سریع اولیه در غلظت فسفر اولیه کمتر از 20 میلی‌گرم بر لیتر به پدیده‌های یادشده مرتبط است. ژوو و همکاران [24] نیز نتایج مشابهی را گزارش کردند.

افزایش دوز جاذب باعث افزایش راندمان حذف فسفر می‌شود. میزان حذف در مورد خاک‌های اصلاح‌شده به نسبت بیشتر از خاک‌های خام مشاهده شد. افزایش غلظت آلاینده در محیط آبی گرادیان غلظت از سمت محلول به سمت جاذب را افزایش می‌دهد. این امر باعث افزایش حذف فرایند می‌شود. در پژوهش حاضر نیز افزایش غلظت اولیة فسفر باعث افزایش حذف فسفر شد. میزان حذف در مورد خاک‌های اصلاح‌شده به نسبت بیشتر از خاک‌های خام مشاهده شد. محرمی و جلالی [19] نیز افزایش راندمان جذب فسفر با افزایش دوز جاذب را گزارش کردند، به‌طوری‌ که بالاترین راندمان جذب فسفر برای بنتونیت، کائولینیت و زئولیت به‌ترتیب برابر با 46، 36 و 32 درصد بود. این راندمان در دوز برابر با 3 گرم بر لیتر به‌دست آمد و در مقادیر بالاتر از این دوز، افزایش قابل‌ملاحظه‌ای مشاهده نشد. راندمان جذب فسفر در کلسیت برابر با 90 درصد در مقدار دوز 5/2 گرم بر لیتر گزارش شد.

دلیل افزایش راندمان حذف با افزایش میزان جاذب را می‌توان به افزایش سطح جاذب، همچنین به افزایش منافذ داخلی جاذب با افزایش دوز جاذب نسبت داد [25]. یو و همکاران [26] اثر ترکیب زغال زیستی اصلاح‌شده با اکسید منگنز بر حذف آرسنیک در خاک قرمز را بررسی کردند. نتایج این مطالعه نشان داد با افزایش غلظت آرسنیک، راندمان حذف آرسنیک در خاک قرمز، خاک قرمز- زغال زیستی و خاک قرمز- زغال زیستی اصلاح‌شده با اکسید منگنز افزایش یافت.

pH محلول از جمله پارامترهای مهم در فرایند حذف آلاینده‌های محیط‌زیستی با استفاده از فرایند حذف است. pH محلول از یک‌طرف گونه‌های یونی آلاینده مورد نظر را تحت تأثیر قرارمی‌دهد و از طرف دیگر با بمباران سطح جاذب با یون‌های هیدروژن و هیدروکسیل باعث تغییر بار سطحی جاذب می‌گردد. به‌این‌ترتیب فرایند حذف را تحت تأثیر قرارمی‌دهد [12، 25 و 27]. در مورد فسفر نیز می‌توان همین حالت را در نظر گرفت. در مرحلة نخست، در محیط‌های اسیدی سطح جاذب پوشیده از یون‌های مثبت هیدروژن است و در محیط‌های قلیایی سطح جاذب با یون‌های منفی هیدروکسیل اشباع می‌شود. مرحلة دوم مربوط به تأثیر pH محلول بر گونه‌های فسفر در محیط‌های اسیدی و قلیایی است. در محیط‌های اسیدی (pH برابر 4 و پایین‌تر)، گونه‌های غالب فسفر شامل اسید فسفریک و دی‌هیدروژن فسفات است که به‌طور ضعیفی بر سطح جاذب متصل می‌شود. در محیط‌های قلیایی (pH بالاتر از 8) نیز گونه‌های غالب فسفر یون‌های فسفات است. در محیط‌های خنثی (pH برابر 5 تا 8) نیز گونة غالب یون هیدروژن فسفات است که بر جاذب جذب می‌شود [10 و 11].

در مطالعة حاضر مشخص شد که با افزایش pH محلول از 2 تا 6 راندمان حذف افزایش می‌یابد. دلیل این امر آن است که در محیط‌های اسیدی (2=pH) گونه‌های اسید فسفریک غالب است، که باعث کاهش کارایی فرایند حذف می‌شود. با افزایش pH تا حدود 5-7 یون هیدروژن فسفات غالب می‌شود. این امر باعث برقراری پیوند قوی با جاذب می‌شود و به ‌این ‌ترتیب راندمان حذف در این محدوده از pH (در این مطالعه pH برابر 5) به حداکثر خود می‌رسد. در مطالعة حاضر با افزایش pH از 6 تا 10، راندمان حذف کاهش یافت. دلیل این امر وجود یون‌های فسفات، همچنین غالب‌شدن یون‌های منفی هیدروکسیل است که با یون‌های فسفر رقابت می‌کند و بر جاذب جذب می‌شود. همین امر باعث کاهش کارایی فرایند می‌شود. در مطالعة حاضر بهترین راندمان حذف در pH برابر 5 است. این راندمان برای خاک زرد خام 35/67 درصد، برای خاک زرد اصلاح‌شده با EDTA 79 درصد، برای خاک قرمز خام 53 درصد و برای خاک قرمز اصلاح‌شده با EDTA 61 درصد است.

در اغلب مطالعات، در محدودة pH 5 تا 7 حداکثر حذف فسفر گزارش ‌شده است [14 و 15]. جذب فسفر بر جاذب‌ها با بار سطحی و حالت پروتونه‌شدن فسفر در محلول تعیین می‌شود. مطالعات آزمایشگاهی نشان داده است که جذب فسفر با pH تغییر می‌کند. در اغلب سیستم‌ها جذب آنیون‌ها نظیر فسفات با افزایش pH کاهش می‌یابد و بار سطحی بیشتر منفی می‌شود. این امر به دفع گونه‌های فسفر یونی از سطح جاذب می‌‌انجامد [24].

در مطالعة ژوو و همکاران [24] دربارة جذب فسفر روی رسوبات طبیعی نیز بیشترین جذب فسفر روی رسوبات در دامنة pH برابر با 2-3 تا 6-8 مشاهده شد. در مطالعة آن‌ها نیز مشخص شد که خارج از این دامنة pH، میزان جذب فسفر کاهش می‌یابد.

در pHهای اسیدی که سطح جاذب به‌صورت مثبت باردار می‌شود، با یون هیدروژن برای به‌دام‌انداختن فسفر فعال محلول رقابت می‌کند، اما در این دامنة pH، یون هیدروژن به‌دلیل غلظت آزاد بالا در محلول ممکن است توانایی بیشتری نسبت به سطح در به‌دام انداختن فسفر فعال محلول داشته باشد. از سوی دیگر، در pH‌های خیلی قلیایی، هیدروکسیل با غلظت آزاد بالای خود برای جذب‌شدن روی سطح خاک، بر فسفر فعال محلول غلبه خواهد کرد. بنابراین، فقط در محدودة pH ذکرشده سطح خاک با H+ برای جذب فسفر فعال محلول رقابت می‌کند و فسفر فعال محلول توانایی بیشتری برای جذب روی سطح خاک نسبت به هیدروکسیل خواهد داشت [24]. مطالعة جذب فسفر روی خاک‌های آهکی ایران نیز نشان داد که با افزایش pH از 2 تا 9، میزان جذب فسفر کاهش می‌یابد و بالاترین میزان جذب در pHهای 6 و 7 مشاهده شد. در pHهای بالاتر از 7 نیز میزان جذب فسفر کاهش می‌یابد. در این مطالعه نیز ‌دلیل کاهش جذب فسفر در pHهای قلیایی باردارشدن سطح خاک با بارهای منفی و کاهش جذب یون‌های منفی نظیر فسفر ذکر شده است [18].

نتیجه‌گیری

نتایج مطالعة حاضر نشان که با افزایش زمان تماس، میزان جذب فسفر روی خاک زرد خام و اصلاح‌شده و خاک قرمز خام و اصلاح‌شده افزایش می‌یابد. در مطالعة حاضر، بیشترین میزان جذب در زمان تماس 150 دقیقه حاصل شد. افزایش غلظت اولیة فسفر در محدودة این مطالعه، افزایش میزان جذب فسفر را درپی‌داشت و حداکثر راندمان حذف فسفر مربوط به غلظت اولیة فسفر برابر با 50 میلی‌گرم بر لیتر بود. افزایش دوز جاذب نیز به افزایش راندمان جذب فسفر از محلول انجامید. نتایج بررسی اثر pH نیز نشان داد که بیشترین راندمان حذف فسفر در محدودة pH برابر با 5-7 است. در خارج از این دامنه pH راندمان حذف کاهش می‌یابد. به‌طور کلی، نتایج این مطالعه نشان داد که خاک‌های زرد و قرمز مورد مطالعه با داشتن راندمان حذف حدود 78 درصد برای فسفر، جاذب مورد قبولی برای حذف فسفر از محیط‌های آبی مورد مطالعه است. به‌منظور دستیابی به اطلاعات بیشتر در این خصوص، پیشنهاد می‌شود در مطالعات بعدی در این زمینه اثر پارامترهایی نظیر دما، واجذب فسفر، راندمان فرایند در جریان پیوسته و هدایت الکتریکی نیز بررسی شود.

تشکر و قدردانی

نویسندگان مقاله از کمیتة تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی البرز به‌دلیل حمایت مالی از این طرح تشکر و قدردانی می‌کنند.

[1] Zhang J, Shen Z, Shan W, Chen Z, Mei Z, Lei Y, et al. Adsorption behavior of phosphate on lanthanum (III) doped mesoporous silicates material. Journal of Environmental Sciences (China), 2010; 22(4): 507-11.
[2] Yan LG, Xu YY, Yu HQ, Xin XD, Wei Q, Du B.Adsorption of phosphate from aqueous solution by hydroxy-aluminum, hydroxy-iron and hydroxy-iron–aluminum pillared bentonites. Journal of Hazardous Materials, 2010; 179(1–3): 244-50.
[3] Kawasaki N, Ogata F, Tominaga H. Selective adsorption behavior of phosphate onto aluminum hydroxide gel. Journal of Hazardous Materials, 2010; 181(1–3): 574-9.
[4] Castaldi P, Silvetti M, Garau G, Deiana S. Influence of the pH on the accumulation of phosphate by red mud (a bauxite ore processing waste). Journal of Hazardous Materials, 2010; 182(1–3): 266-72.
[5] Akar ST, Tosun I, Ozcan A, Gedikbey T. Phosphate removal potential of the adsorbent material prepared from thermal decomposition of alunite ore–KCl mixture in environmental cleanup. Desalination, 2010; 260(1–3): 107-13.
[6] Yu Y, Wu R, Clark M. Phosphate removal by hydrothermally modified fumed silica and pulverized oyster shell. Journal of Colloid and Interface Science, 2010; 350(2): 538-43.
[7] Kavaklı PA, Kavaklı C, Güven O. Preparation of quaternized dimethylaminoethylmethacrylate grafted nonwoven fabric for the removal of phosphate. Radiation Physics and Chemistry, 2010; 79(3): 233-7.
[8] Wang WY, Yue QY, Xu X, Gao BY, Zhang J, Li Q, et al. Optimized conditions in preparation of giant reed quaternary amino anion exchangerfor phosphate removal. Chemical Engineering Journal. 2010; 157(1): 161-7.
[9] Monclús H, Sipma J, Ferrero G, Rodriguez-Roda I, Comas J. Biological nutrient removal in an MBR treating municipal wastewater with special focus on biological phosphorus removal Bioresource Technology, 2010; 101(11): 3984-91.
[10] Tang Z, Zhang W, Chen Y. Adsorption and desorption characteristics of monosulfuron in Chinese soils. Journal of Hazardous Materials, 2009; 166(2–3): 1351-6.
[11] Xu K, Deng T, Liu J, Peng W. Study on the phosphate removal from aqueous solution using modified fly ash. Fuel, 2010; 89(12): 3668-74.
[12] Liu T, Wu K, Zeng L. Removal of phosphorus by a composite metal oxide adsorbent derived from manganese ore tailings. Journal of Hazardous Materials, 2012; 217–218.
[13] A.P.H.A. Standard methods for the examination of water and wastewater. 16th ed., American Public Health Association, Washington, DC, 2005.
[14] Hodgson SNB, Shen X, Sale FR. Preparation of alkaline earth carbonates and oxides by the EDTA-gel process. Journal of Materials Science, 2000; 35(21): 5275-82.
[15] Zhao YE, Cai CY, Luo YY, He ZH. FTIR spectra of the M(EDTA) n−complexes in the process of sol-gel technique. Journal of Superconductivity, 2004; 17(3): 383-7.
[16] Wang Y, Shen Z, Niu J, Liu R.Adsorption of phosphorus on sediments from the Three-Gorges Reservoir (China) and the relation with sediment compositions. Journal of Hazardous Materials, 2009; 162(1): 92-8.
[17] Melo VF, Uchôa SCP, Senwo ZN, Amorim RJP. Phosphorus adsorption of some Brazilian soils in relations to selected soil properties. Open Journal of Soil Science, 2015; 5(05): 101.
[18] Jalali M, Matin NH. Sorption of phosphorus in calcareous paddy soils of Iran: effects of soil/solution ratio and pH. Environmental Earth Sciences, 2015; 3(5): 2047-59.
[19] Moharami S, Jalali M. Removal of phosphorus from aqueous solution by Iranian natural adsorbents. Chemical Engineering Journal, 2013; 223(0): 328-39.
[20] Jiang C, Jia L, Zhang B, He Y, Kirumba G. Comparison of quartz sand, anthracite, shaleand biological ceramsite for adsorptive removal of phosphorus from aqueous solution. Journal of Environmental Sciences, 2014; 26(2): 466-77.
[21] Wang Q, Li Y. Phosphorus adsorption and desorption behavior on sediments of different origins. J Soils Sediments, 2010; 10(6): 1159-73.
[22] Rout PR, Bhunia P, Dash RR. A mechanistic approach to evaluate the effectiveness of red soil as a natural adsorbent for phosphate removal from wastewater. Desalination and Water Treatment, 2015; 54(2): 358-73.
[23] Wang L, Liang T. Effects of exogenous rare earth elements on phosphorus adsorption and desorption in different types of soils. Chemosphere, 2014; 103(0): 148-55.
[24] Zhou A, Tang H, Wang D. Phosphorus adsorption on natural sediments: Modeling and effects of pH and sedimentcomposition. Water Research, 2005; 39(7): 1245-54.
[25] Zamparas M, Gianni A, Stathi P, Deligiannakis Y, Zacharias I. Removal of phosphate from natural waters using innovative modified bentonites. Applied Clay Science, 2012; 62: 101-6.
[26] Yu Z, Zhou L, HuangY, Song Z, Qiu W. Effects of a manganese oxide-modified biochar composite on adsorption of arsenic in red soil. Journal of Environmental Management, 2015; 163: 155-62.
[27] Xiong J, Qin Y, Islam E, Yue M, Wang W. Phosphate removal from solution using powdered freshwater mussel shells. Desalination, 2011; 276(1): 317-21.