مروری بر فرآیند انعقاد شیمیایی برای حذف فلزات سنگین از آب

نوع مقاله: مقالات علمی

نویسنده

هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرمانشاه

چکیده

آلودگی فلزات سنگین به یکی از ضروری‌ترین مسائل زیست‌محیطی تبدیل شده است که یک تهدید بالقوه برای سلامت انسان نیز محسوب می‌شود. این مقاله به بررسی عملکرد فرآیند انعقاد شیمیایی در از بین بردن فلزات سنگین از آب می‌پردازد. فرآیند انعقاد شیمیایی، یک روش معتبر است که به‏وسیله هیدرولیز گونه‌های انعقادکننده غیرمعدنی تحت شرایط مختلف آب خام و فرآیند انعقاد تعیین می‌شود و مکانیسم‌های اصلی در حذف فلزات سنگین از آب، تشکیل کمپلکس با مواد آلاینده و در نهایت ته‌نشینی کردن آن‏ها می‌باشد. در مقایسه با انعقادکننده‌های پایه آلومینیومی، مواد انعقادکننده پایه آهنی عملکرد بهتری در دامنه وسیع‌تری از pH و سطح ویژه بزرگ‌تر در طی فرآیند تشکیل لخته دارند. وضعیت والانس1 آرسنیک و آنتیمون می‌تواند بر کارآمدی فرآیند تأثیرگذار باشد. بنابراین، اکسیدکننده‌ها و کاهش‌دهنده‌ها اغلب با مواد انعقادکننده غیرمعدنی استفاده شده در این فرآیند ترکیب می‌شوند. مشخص شده است که pH فاکتور مهمی است که مستقیم یا غیرمستقیم بر عملکرد فرآیند انعقاد اثرگذار است. کمپلکس تشکیل‌شده از برهم‌کنش بین آلاینده‌های غیرآلی/ آلی و مواد منعقدکننده غیرآلی ممکن است در حذف فلزات سنگین سهیم باشد. به‏طور کلی، فرآیند انعقاد شیمیایی یک روش موثر برای کنترل آلاینده‌های فلزات سنگین است که می‌تواند به‏تنهایی یا همراه با دیگر روش‌های تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


 

اسدی، ح.م.، علوی مقدم، س.ع.، و آرامی، م.، (1390)، "بهینه‌سازی فرایند انعقاد الکتریکی برای حذف کروم (VI) با روش تاگوچی"، فصل‌نامه آب و فاضلاب، 22(4)، 2-8.

بیرجندی، ن.، یونسی، ح.ا.، بهرامی،فر، ن.، و هادوی‏فر، م.، (1390)، "کاربرد روش انعقاد شیمیایی در تصفیه پساب کارخانه بازیافت کاغذ"، فصل‌نامه آب و فاضلاب، 22(4)، 56-62.

بیرجندی، ن.، یونسی، ح.ا.، بهرامی‌فر، ن.، و هادوی‌فر، م.، (1393)، "بررسی فرآیند انعقاد و لخته‌سازی در پالایش آلاینده‌های زیست‌محیطی پساب کارخانه کاغذسازی"،  فصلنامه علوم و تکنولوژی محیطزیست، 16(4)، 53-60.

درایت، ج.، پیرصاحب، م.، جعفری مطلق، ز.، و زینتی‌زاده، ع.ا.، (1394)، "بررسی کارایی فرایند انعقاد الکتریکی در حذف مجموع کلیفرم‌ها و باکتری‌های هتروتروف از آب سطحی"، دو ماهنامه آب و فاضلاب، 26(1)، 37-45.

رحمانی، ع.، و سمرقندی، م.، (1386)، "بررسی کارآیی روش الکتروشیمیایی در حذف COD از پساب"، دو ماهنامه آب و فاضلاب، 18(4)، 9-15.

رضایی، ع.، حسینی، ه.، معصوم‌بیگی، ح.، و درویشی چشمه سلطانی، ر.، (1392)، "امکان‌سنجی حذف کروم (VI) از محلول آبی به روش انعقاد الکتریکی به‌صورت دوقطبی آلومینیوم-آلومینیوم"، دو ماهنامه آب و فاضلاب، 24(2)، 123-128.

روشنی، ب.، منصوری، م.ش.، و صیدمحمدی، ع.، (1384)، "بررسی تصفیه فاضلاب صنایع شوینده به کمک فرآیند انعقاد در مقیاس آزمایشگاهی"، مجله دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی شهید صدوقی یزد، 13(1)، 57-67.

شادفر، م.، محمدعلی تهرانی، ر.، و هوشیار، ف.، (1396)، "اندازه‌گیری نیترات در محیط‌های آبی به‏وسیله نانو حس‌گر الکتروشیمیایی ساخته شده بر پایه کامپوزیت گرافن اکساید/ نانوسلولز- نانوذرات نقره"، دو ماهنامه آب و فاضلاب، 28(5)، 1-11.

مصداقی‌نیا، ع.ر.، طایفه رفیعی، م.، محوی، ا.ح.، و واعظی، ف.، (1385)، "استفاده از فرآیند انعقاد در بهینه‌سازی حذف مواد آلی طبیعی در آب‌های با کدورت پایین"،  آب و فاضلاب، 17(1)، 2-7.

یزدان‌بخش، ا.ر.، منشوری، م.، شیخ‌محمدی، ا.، و سردار، م.، (1391)، "فرآیند ترکیبی انعقاد و اکسیداسیون پیشرفته با فنتون در حذف COD آنتی‌بیوتیک کلاریترومایسین"،  آب و فاضلاب، 23(2)، 9-22.

یزدی، م.، امین‌زاده، ب.، و ترابیان، ع.، (1392)، "تصفیه فاضلاب خشک‌شویی با استفاده از فرآیندهای انعقاد و شناورسازی الکتریکی و الکتروفنتون"، محیطشناسی، 39(3)، 1-12.

Alpatova, A., Verbych, S., Bryk, M., Nigmatullin, R., and Hilal, N., (2004), “Ultrafiltration of water containing natural organic matter: Heavy metal removing in the hybrid complexation–ultrafiltration process”, Separation and Purification Technology, 40(2), 155-162.

Alvarez-Puebla, R.A., Valenzuela-Calahorro, C., and Garrido, J.J., (2004), “Retentionof Co (II), Ni (II), and Cu (II) on a purified brown humic acid: Modeling and characterization of the sorption process”, Langmuir, 20(9), 3657-3664.

Baskan, M.B., and Pala, A., (2009a), “Determination of Arsenic removal efficiency by Ferric ions using response surface methodology”, Journal of Hazardous Materials, 166(2-3), 796-801.

Baskan, M.B., and Pala, A., (2010), “A statistical experiment design approach for arsenic removal by coagulation process using aluminum sulfate”, Desalination, 254(1-3), 42-48.

Bazrafshan, E., Kord Mostafapour, F., Farzadkia, M., Ownagh, K., and Jaafari Mansurian, H., (2012), “Application of combined chemical coagulation-electro coagulation process for treatment of the Zahedan cattle slaughterhouse wastewater”, Iranian Journal of Health and Environment, 5(3), 283-294.

Bérubé, D., and Dorea, C., (2013), “pH-dependent retention changes during membrane filtration of aluminum-coagulated solutions and the effect of precentrifugation”, Environmental Science and Technology, 47(6), 2713-2720.

Bi, S., Wang, C., Cao, Q., and Zhang, C., (2004), “Studies on the mechanism of hydrolysis and polymerization of Aluminum salts in aqueous solution: Correlations between the “Core-links” model and “Cage-like” Keggin-Al 13 model”, Coordination Chemistry Reviews, 248(5), 441-455.

Bi, Z., Feng, C., Wang, D., Ge, X., and Tang, H., (2013), “Transformation of planar Mögel Al 13 coagulant during the dilution and aging process”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 416, 73-79.

Bond, G.C., (1962), Catalysis by metals, Academic Press.

Bondy, S.C., (2014), “Prolonged exposure to low levels of Aluminum leads to changes associated with brain aging and neurodegeneration” Toxicology, 315(6 Jannuary), 1-7.

Bordoloi, S., Nath, S.K., Gogoi, S., and Dutta, R.K., (2013), “Arsenic and Iron removal from groundwater by oxidation–coagulation at optimized pH: Laboratory and field studies”, Journal of Hazardous Materials, 260(15 September), 618-626.

Caporale, A.G., Punamiya, P., Pigna, M., Violante, A., and Sarkar, D., (2013), “Effect of particle size of drinking-water treatment residuals on the sorption of Arsenic in the presence of competing ions”, Journal of Hazardous Materials, 260(15 September), 644-651.

Casbeer, E.M., Sharma, V.K., Zajickova, Z., and Dionysiou, D.D., (2013), “Kinetics and mechanism of oxidation of tryptophan by ferrate (VI)”, Environmental Science and Technology, 47(9), 4572-4580.

Charerntanyarak, L., (1999), “Heavy metals removal by chemical coagulation and precipitation”, Water Science and Technology, 39(10-11), 135-138.

Chiang, Y.W., Ghyselbrecht, K., Santos, R.M., Martens, J.A., Swennen, R., Cappuyns, V., and Meesschaert, B., (2012), “Adsorption of multi-heavy metals onto water treatment residuals: Sorption capacities and applications”, Chemical Engineering Journal, 200(15 August), 405-415.

Choong, T.S., Chuah, T., Robiah, Y., Koay, F.G., and Azni, I., (2007), “Arsenic toxicity, health hazards and removal techniques from water: An overview”, Desalination, 217(1-3), 139-166.

Christian, O.D., Aleš, S., Paulina, D., Andre, S., Wilhelm, B., and Erika, K., (2008), “Involvement of siderophores in the reduction of metal-induced inhibition of auxin synthesis in Streptomyces spp”, Chemosphere, 74(1), 19–25.

Ding, Z., Hu, X., Morales, V.L., and Gao, B., (2014), “Filtration and transport of heavy metals in graphene oxide enabled sand columns”, Chemical Engineering Journal, 257(1 December), 248-252.

Dong, H., Gao, B., Yue, Q., Sun, S., Wang, Y., and Li, Q., (2014), “Floc properties and membrane fouling of different monomer and polymer Fe coagulants in coagulation–ultrafiltration process: The role of Fe (III) species”, Chemical Engineering Journal, 258(15 December), 442-449.

Du, X., Qu, F., Liang, H., Li, K., Yu, H., Bai, L., and Li, G., (2014), “Removal of antimony (III) from polluted surface water using a hybrid coagulation–flocculation–ultrafiltration (CF–UF) process”, Chemical Engineering Journal, 254(15 October), 293-301.

Escoda, A., Euvrard, M., Lakard, S., Husson, J., Mohamed, A. S., and Knorr, M., (2013), “Ultrafiltration-assisted retention of Cu (II) ions by adsorption on chitosan-functionalized colloidal silica particles”, Separation and Purification Technology, 118(30 October), 25-32.

Feng, B., Fang, Z., Hou, J., Ma, X., Huang, Y., and Huang, L., (2013), “Effects of heavy metal wastewater on the anoxic/aerobic-membrane bioreactor bioprocess and membrane fouling”, Bioresource Technology, 142, 32-38.

Feng, C., Zhao, S., Bi, Z., Wang, D., and Tang, H., (2011), “Speciation of prehydrolyzed Al salt coagulants with electrospray ionization time-of-flight mass spectrometry and 27 Al NMR spectroscopy”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 392(1), 95-102.

Fournier, A.C., Shafran, K.L., and Perry, C.C., (2008), “Potentiometric determination of the ‘formal’hydrolysis ratio of aluminium species in aqueous solutions”, Analytica Chimica Acta, 607(1), 61-73.

Fu, F., and Wang, Q., (2011), “Removal of heavy metalions from wastewaters: A review”, Journal of Environmental Management, 92(3), 407-418.

Gao, B.-Y., Wang, Y., Yue, Q.-Y., Wei, J.-C., and Li, Q., (2007), “Color removal from simulated dye water and actual textile wastewater using a composite coagulant preparedby ployferric chloride and polydimethyldiallylammonium chloride”, Separation and Purification Technology, 54(2), 157-163.

Golbaz, S., Jafari, A.J., Rafiee, M., and Kalantary, R.R., (2014), “Separate and simultaneous removal of phenol, chromium, and cyanidefrom aqueous solution by coagulation/precipitation: Mechanisms and theory”, Chemical Engineering Journal, 253(1 October), 251-257.

Guan, X., Ma, J., Dong, H., and Jiang, L., (2009), “Removal of Arsenic from water: Effect of Calcium ions on As(III) removal in the KMnO 4–Fe (II) process”, Water Research, 43(20), 5119-5128.

Hankins, N.P., Lu, N., and Hilal, N., (2006), “Enhanced removal of heavy metal ions bound to humic acid by polyelectrolyte flocculation”, Separation and Purification Technology, 51(1), 48-56.

Henneberry, Y.K., Kraus, T.E., Fleck, J.A., Krabbenhoft, D.P., Bachand, P.M., and Horwath, W.R., (2011), “Removal of inorganic Mercury and methylmercury from surface waters following coagulation of dissolved organic matter with metal-based salts”, Science of the Total Environment, 409(3), 631-637.

Hu, C., Liu, H., Chen, G., Jefferson, W.A., and Qu, J., (2012a), “As(III) oxidation by active chlorine and subsequent removal of As(V) by Al13 polymer coagulation using a novel dual function reagent”, Environmental Science and Technology, 46(12), 6776-6782.

Hu, C., Liu, H., Chen, G., and Qu, J., (2012b), “Effect of Aluminum speciation on arsenic removal during coagulation process” Separation and Purification Technology, 86(15 February), 35-40.

Hu, C., Liu, H., Qu, J., Wang, D., and Ru, J., (2006), “Coagulation behavior of aluminum salts in eutrophic water: significance of Al13 species and pH control”, Environmental Science and Technology, 40(1), 325-331.

Johnson, P.N., and Amirtharajah, A., (1983), “Ferric chloride and alum as single and dual coagulants”, Journal of American Water Works Association (AWWA), 75(5), 232-239.

Kabengi, N.J., Daroub, S.H., and Rhue, R.D., (2006), “Energetics of Arsenate sorption on amorphous aluminum hydroxides studied using flow adsorption calorimetry”, Journal of Colloid and Interface Science, 297(1), 86-94.

Kabir, M.I., Daly, E., and Maggi, F., (2014), “A review of ion and metal pollutants in urban green water infrastructures”, Science of the Total Environment, 470(1 February), 695-706.

Kang, M., Kamei, T., and Magara, Y., (2003), “Comparing polyaluminum chloride and ferric chloride for antimony removal”, Water research, 37(17), 4171-4179.

Kowalski, K., (2014), “Advanced Arsenic removal technologies review”, In: Chemistry of Advanced Environmental Purification Processes of Water, Elsevier Science, 285-337.

Lakshmanan, D., Clifford, D.A., and Samanta, G., (2010), “Comparative study of arsenic removal by iron using electrocoagulation and chemical coagulation”, Water Research, 44(19), 5641-5652.

Lee, K.E., Morad, N., Teng, T.T., and Poh, B.T., (2012), “Development, characterization and the application of hybrid materials in coagulation/flocculation of wastewater: A review” Chemical Engineering Journal, 203(1 September), 370-386.

Lefebvre, D.D., and Edwards, C., (2010), “Decontaminating heavy metals from water using photosynthetic microbes”, In: Emerging Environmental Technologies, Volume II, Springer, 57-73.

Li, J., He, M., Han, W., and Gu, Y., (2009), “Analysis and assessment on heavy metal sources in the coastal soils developed from alluvial deposits using multivariate statistical methods”, Journal of Hazardous Materials, 164(2), 976-981.

Li, Z., Ma, Z., van der Kuijp, T.J., Yuan, Z., and Huang, L., (2014), “A review of soil heavy metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment”, Science of the TotalEnvironment, 468(15 January), 843-853.

Matilainen, A., Vepsäläinen, M., and Sillanpää, M., (2010), “Natural organic matter removal by coagulation during drinking water treatment: A review”, Advances in Colloid and Interface Science, 159(2), 189-197.

Mondal, P., Bhowmick, S. Chatterjee, D., Figoli, A., and Van der Bruggen, B., (2013), “Remediation of inorganic arsenic in groundwater for safe water supply: A critical assessment of technological solutions”, Chemosphere 92(2), 157-170.

Naser, H.A., (2013), Assessment and management of heavy metal pollution in the marine environment of the Arabian Gulf: A review”, Marine Pollution Bulletin, 72(1), 6-13.

Nilsson, R., (1971), “Removal of metals by chemical treatment of municipal waste water”, Water Research, 5(2), 51-60.

Pachuau, L., Lee, S.M., and Tiwari, D., (2013), “Ferrate (VI) in wastewater treatment contaminated with metal (II)-iminodiacetic acid complexed species”, Chemical Engineering Journal, 230(15 August), 141-148.

Pang, F.M., Kumar, P., Teng, T.T., Omar, A.M., and Wasewar, K.L., (2011), “Removal of lead, zinc and iron by coagulation–flocculation”, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 42(5), 809-815.

Prucek, R., Tuček, J.i., Kolařík, J., Filip, J., Marušák, Z.K., Sharma, V.K., and Zbořil, R., (2013), “Ferrate (VI-) induced arsenite and arsenate removal by in situ structural incorporation into magnetic iron (III) oxide nanoparticles”, Environmental Science and Technology, 47(7), 3283-3292.

Purkayastha, D., Mishra, U., and Biswas, S., (2014), “A comprehensive review on Cd(II) removal from aqueous solution”, Journal of Water Process Engineering, 2(June), 105-128.

Qin, Y., Zhang, Z., Li, L., Chen, C., Shun, S., and Huang, Y., (2013), “Inductively coupled plasma orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry (ICP-oa-TOF-MS) analysis of heavy metal content in Indocalamus tesselatus samples”, Food chemistry, 141(3), 2154-2157.

Shaidan, N.H., Eldemerdash, U., and Awad, S., (2012), “Removal of Ni (II) ions from aqueous solutions using fixed-bed ion exchange column technique”, Journalof the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 43(1), 40-45.

Slavik, I., Müller, S., Mokosch, R., Azongbilla, J.A., and Uhl, W., (2012), “Impact of shear stress and pH changes on floc size and removal of dissolved organic matter (DOM)”, Water Research, 46(19), 6543-6553.

Tang, X., Zheng, H., Teng, H., Sun, Y., Guo, J., Xie, W., Yang, Q., and Chen, W., (2016), “Chemical coagulation process for the removal of heavy metals from water: A review”, Desalination and Water Treatment, 57(4), 1733-1748.

Tu, Y.-J., Chang, C.-K., You, C.-F., and Wang, S.-L., (2012), Treatment of complex heavy metal wastewater using a multi-staged ferrite process. Journal of Hazardous Materials, 209, 379-384.

USEPA (2012). Edition of the Drinking Water Standards and Health Advisories. EP Agency.

Vila, M., Sánchez-Salcedo, S. and Vallet-Regí, M. (2012). Hydroxyapatite foams for the immobilization of heavy metals: from waters to the human body. Inorganica Chimica Acta, 393, 24-35.

Wang, S.-L., Xu, X.-R., Sun, Y.-X., Liu, J.-L., and Li, H.-B., (2013), “Heavy metal pollution in coastal areas of South China: A review”, Marine Pollution Bulletin, 76(1), 7-15.

Wang, W., Zhang, X., Wang, H., Wang, X., Zhou, L., Liu, R., and Liang, Y., (2012), “Laboratory study on the adsorption of Mn2+ on suspendedand deposited amorphous Al (OH) 3 in drinking water distribution systems”, Water Research, 46(13), 4063-4070.

Wang, Y., Duan, J., Liu, S., Li, W., van Leeuwen, J., and Mulcahy, D., (2014), “Removal of As(III) and As(V) by ferric salts coagulation–Implications of particle size and zeta potential of precipitates”, Separation and Purification Technology, 135(15 October), 64-71.

Wu, C.-D., Xu, X.-J., Liang, J.-L., Wang, Q., Dong, Q., and Liang, W.-L., (2011), “Enhanced coagulation for treating slightly polluted algae-containing surface water combining polyaluminum chloride (PAC) with diatomite”, Desalination, 279(1), 140-145.

Wu, Z., He, M., Guo, X., and Zhou, R., (2010), “Removal of antimony (III) and antimony (V) from drinking water by ferric chloride coagulation: Competing ion effect and the mechanism analysis”, Separation and Purification Technology, 76(2), 184-190.

Yang, Z., Gao, B., Cao, B., Xu, W., and Yue, Q., (2011), “Effect of OH−/Al 3+ ratio on the coagulation behavior and residual aluminum speciation of polyaluminum chloride (PAC) in surface water treatment”, Separation and Purification Technology, 80(1), 59-66.

Yang, Z., Yuan, B., Huang, X., Zhou, J., Cai, J., Yang, H., Li, A., and Cheng, R., (2012), “Evaluation of the flocculation performance of carboxymethyl chitosan-graft-polyacrylamide, a novel amphoteric chemically bonded composite flocculant”, Water Research, 46(1), 107-114.

Yoshihara, T., Hodoshima, H., Miyano, Y., Shoji, K., Shimada, H., and Goto, F., (2006), “Cadmium inducible Fe deficiency responses observed from macro and molecular views in tobacco plants”, Plant Cell Reports, 25(4), 365-373.

Zhao, S., Gao, B., Yue, Q., Wang, Y., Li, Q., and Zhang, F., (2013). “Effect of Enteromorpha extract on characteristics of flocs formed by aluminum sulfate in Yellow River water treatment under different hydraulic conditions”, Chemical Engineering Journal, 215(15 January), 358-365.

Zhou, Z., Yang, Y., Li, X., Gao, W., Liang, H., and Li, G., (2012), “Coagulation efficiency and flocs characteristics of recycling sludge during treatment of low temperature and micro-polluted water”, Journal of Environmental Sciences, 24(6), 1014-1020.

Zhu, G., Zheng, H., Chen, W., Fan, W., Zhang, P., and Tshukudu, T., (2012), “Preparation of a composite coagulant: Polymeric aluminum ferric sulfate (PAFS) for wastewater treatment”, Desalination, 285(31 January), 315-323.

Zhu, W.-P., Sun, S.-P., Gao, J., Fu, F.-J., and Chung, T.-S., (2014), “Dual-layer polybenzimidazole/polyethersulfone (PBI/PES) nanofiltration (NF) hollow fiber membranes for heavy metals removal from wastewater”, Journal of Membrane Science, 456(15 April), 117-127.