مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف روی (Zn²⁺) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت آن در غلظت‌های بالا و اثرات نامطلوب بر سلامت انسان (مانند اختلالات گوارشی و آسیب به سیستم عصبی) و محیط زیست، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. روی معمولاً در فاضلاب صنایعی مانند آبکاری فلزات، تولید باتری، معادن و صنایع رنگ‌سازی یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف روی، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف روی:

۱. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

• استفاده از هیدروکسید سدیم (NaOH) یا سولفید سدیم (Na₂S) برای تشکیل ترکیبات نامحلول روی.

• فرمول واکنش:

  ↓Zn2++2OH−→Zn(OH)2
• ↓Zn2++S2−→ZnS

• مزایا: ساده و کم‌هزینه.

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

۲. تبادل یونی (Ion Exchange):

• استفاده از رزین‌های تبادل کاتیونی (مانند رزین سولفونیک اسید) برای جایگزینی یون روی با یون‌های بی‌خطر (مانند Na⁺).

• فرمول کلی:

  +2R-Na+Zn2+→R2​-Zn+2Na

• مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

• معایب: هزینه بالای رزین و نیاز به احیای دوره‌ای با اسید یا نمک.

۳. جذب سطحی (Adsorption):

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

• فرمول جذب:

  Zn2++Adsorbent→Zn-Adsorbent

• مزایا: ساده و مؤثر.

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

روش‌های نوین حذف روی:

۱. نانو جاذب‌های انتخابی (Selective Nanoadsorbents):

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

• مکانیسم: گروه‌های عاملی (-OH، -COOH) روی سطح نانوذرات، یون‌های Zn²⁺ را جذب می‌کنند.

• مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۱۵۰ mg/g) و قابلیت بازیابی جاذب با میدان مغناطیسی.

۲. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

• استفاده از الکترودهای آهن (Fe) یا آلومینیوم (Al) و جریان الکتریکی برای تولید هیدروکسیدهای فلزی که روی را رسوب می‌دهند.

• فرمول واکنش:

  −Fe→Fe2++2e
• ↓Fe2++Zn2++4OH−→Fe(OH)2​⋅Zn(OH)2

• مزایا: حذف همزمان چند فلز سنگین و کاهش لجن.

۳. فناوری غشایی (Membrane Technology):

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

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

  • بازده: ۹۵–۹۹٪ حذف روی.

• مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی بزرگ.

• معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

۴. زیست‌جذب (Biosorption):

• استفاده از زیست‌توده‌های ارزان مانند جلبک‌ها، پوست گردو یا ضایعات کشاورزی.

• فرمول کلی:

  Zn2++Biomass→Zn-Biomass

• مزایا: سازگار با محیط زیست و هزینه عملیاتی پایین.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • ته‌نشینی شیمیایی: pH ~۹–۱۱ برای تشکیل Zn(OH)₂.

  • جذب سطحی: pH ~۶–۸ برای حداکثر جذب.

• زمان تماس: ۳۰–۱۲۰ دقیقه برای جذب سطحی و الکتروکواگولاسیون.

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

• ولتاژ در الکتروکواگولاسیون: ۱۰–۲۰ ولت.

فرمول‌های کلیدی:

• محصول انحلال (Ksp) برای Zn(OH)₂:

  Ksp​=[Zn2+][OH−]2=4.5×10−17

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

ساخت و اجرا:

۱. طراحی سیستم:

• برای غلظت‌های بالا: ترکیب ته‌نشینی شیمیایی با فیلتراسیون.

• برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانو جاذب‌ها یا سیستم‌های غشایی.
  ۲. مواد و تجهیزات:

• مواد شیمیایی (NaOH، Na₂S)، رزین‌های تبادل یونی، نانوذرات Fe₃O₄، الکترودهای آهن/آلومینیوم، غشاهای نانوفیلتراسیون.
  ۳. نصب و راه‌اندازی:

• ساخت راکتورهای ته‌نشینی، ستون‌های جذب یا سلول‌های الکتروشیمیایی.

• نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.
  ۴. نگهداری:

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

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان در صنعت استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و زیست‌جذب به دلیل بازده بالا، سازگاری با محیط زیست و امکان بازیابی روی، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت روی، هزینه پروژه و الزامات 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