مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف کروم (Cr) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بالا، به ویژه در حالت شش‌ظرفیتی (Cr(VI)) که سرطان‌زاست، از اهمیت حیاتی برخوردار است. کروم معمولاً در فاضلاب صنایعی مانند آبکاری فلزات، تولید رنگ، دباغی چرم و صنایع شیمیایی یافت می‌شود. در ادامه به روش‌های سنتی و نوین حذف کروم، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی اشاره می‌شود:

روش‌های سنتی حذف کروم:

1. کاهش شیمیایی و ته‌نشینی (Chemical Reduction & Precipitation):

   • کاهش Cr(VI) به Cr(III): استفاده از عوامل کاهنده مانند سولفات آهن (FeSO₄) یا دی‌اکسید گوگرد (SO₂).

     • فرمول واکنش:

       Cr2​O72−​+6Fe2++14H+→2Cr3++6Fe3++7H2​O

   • ته‌نشینی Cr(III): افزودن هیدروکسید سدیم (NaOH) برای تشکیل رسوب Cr(OH)₃.

     • فرمول واکنش:

       ↓Cr3++3OH−→Cr(OH)3​

   • مزایا: ساده و کم‌هزینه.

   • معایب: تولید لجن سمی حاوی کروم و نیاز به دفع ایمن.

2. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل یونی (مانند رزین‌های سولفونیک اسید) برای جذب انتخابی یون‌های کروم.

   • فرمول کلی:

     +R-Na+Cr3+→R-Cr+3Na

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

   • معایب: هزینه بالای رزین و نیاز به احیای دوره‌ای.

3. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از جاذب‌هایی مانند کربن فعال، اکسید آهن (Fe₂O₃) یا زئولیت‌ها.

   • فرمول جذب:

     Cr3++Adsorbent→Cr-Adsorbent

   • مزایا: ساده و مؤثر.

   • معایب: محدودیت در ظرفیت جذب و نیاز به احیای جاذب.

روش‌های نوین حذف کروم:

1. نانو جاذب‌ها (Nanoadsorbents):

   • استفاده از گرافن اکسید، نانوذرات مغناطیسی (Fe₃O₄) یا نانولوله‌های کربنی برای جذب انتخابی کروم.

   • مکانیسم: گروه‌های عاملی (مانند -OH، -COOH) روی سطح نانوذرات، یون‌های کروم را جذب می‌کنند.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۲۰۰ mg/g) و قابلیت بازیابی با میدان مغناطیسی.

2. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

   • استفاده از الکترودهای آهن یا آلومینیوم و جریان الکتریکی برای تولید یون‌های فلزی که کروم را به صورت فلوک رسوب می‌دهند.

   • فرمول واکنش:

     -Fe→Fe2++2e−
   • +Cr6++3Fe2+→Cr3++3Fe3+

   • مزایا: کاهش همزمان Cr(VI) و حذف فلزات دیگر.

3. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF):

     • مکانیسم: جداسازی یون‌های کروم بر اساس اندازه و بار الکتریکی.

     • بازده: تا ۹۹٪ حذف کروم.

   • مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی بزرگ.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

4. زیست‌پالایی (Bioremediation):

   • استفاده از باکتری‌های کاهنده (مانند Shewanella یا Pseudomonas) برای تبدیل Cr(VI) به Cr(III).

   • فرمول واکنش:

     ​2Cr3++7H2​O →​میکروب‌ها Cr2​O72−​+8H++3H2

   • مزایا: سازگار با محیط زیست و کم‌هزینه.

   • معایب: نیاز به کنترل دقیق دما و pH.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • کاهش شیمیایی: pH اسیدی (~۲–۳) برای تبدیل Cr(VI) به Cr(III).

  • ته‌نشینی: pH ~۸–۹ برای تشکیل Cr(OH)₃.

• زمان تماس: ۳۰–۹۰ دقیقه برای جذب سطحی و الکتروکواگولاسیون.

• غلظت جاذب: ۱–۵ گرم بر لیتر برای نانو جاذب‌ها.

• پتانسیل الکتریکی: ۱۰–۲۰ ولت در الکتروکواگولاسیون.

• دما: ۲۵–۳۵°C برای فعالیت بهینه میکروبی.

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای غلظت‌های بالا: ترکیب کاهش شیمیایی با ته‌نشینی.

   • برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانو جاذب‌ها یا سیستم‌های غشایی.

2. مواد و تجهیزات:

   • مواد شیمیایی (FeSO₄، NaOH)، رزین‌های تبادل یونی، نانوذرات Fe₃O₄، الکترودهای آهن، غشاهای نانوفیلتراسیون.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای کاهش شیمیایی، ستون‌های جذب یا سیستم‌های الکتروشیمیایی.

   • نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

   • تعویض رزین‌ها، تمیزکاری غشاها و دفع ایمن لجن‌های حاوی کروم.

فرمول‌های کلیدی:

• ایزوترم جذب فروندلیش:

  ln⁡qe=ln⁡KF+(1/n)ln⁡Ce​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L)، KF​ و n: ثابت‌های فروندلیش.

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان در صنایع استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و زیست‌پالایی به دلیل کارایی بالا، سازگاری با محیط زیست و امکان حذف انتخابی، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس نوع کروم (Cr(III) یا Cr(VI))، غلظت، هزینه و مقررات زیست‌محیطی انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، زمان تماس و دوز جاذب، نقش کلیدی در افزایش بازده و کاهش هزینه‌ها دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب