مكونات وخصائص ومعالجة الصرف الصناعي لصناعة المنتجات المعدنية

1.مقدمة

تشمل صناعة المنتجات المعدنية جميع المنشآت والورش الإنتاجية التى تقوم بواحدة أو اكثر من الأنشطة الصناعية التالية :

  • تشكيل المنتجات المعدنية.
  • تشطيب المنتجات المعدنية من خلال العمليات المختلفة بما فيها عمليات إعداد الأسطح المعدنية.

وتنقسم هذه الصناعة إلى ثلاث أنواع من العمليات المختلفة (تشكيل المنتجات المعدنية ،  تجهيز  أسطح المعادن ،  تشطيب أسطح المعادن ) .  وسوف ينصب الاهتمام علي المنشآت التي تقوم بتصنيع المنتجات الحديدية وغير الحديدية وعمليات الطلاء الكهربي وغير الكهربي ومعالجة الأسطح والأنودة والتغليف المعدني عن طريق تغير الألوان والتغطية الكيميائية .

جدول (1) أحمال التلوث الكلية في المياه لعينة من هذا القطاع الصناعي

المواد الصلبــــة الـذائبـــة   =  22.000 كجم/سنويا  (بحد أقصي)
المواد الصلبــــة العـالقـــة   =  5.500   كجم/سنويا  (بحد أقصي)
الأكسجين الحيوي الممتـص (BOD) =  3.800  كجم/سنويا   (بحد أقصي)
الأكسجين الكيميائي المستهلك (cod)  =  7.800  كحم/سنويا  (بحد أقصي)
الزيــــوت  والشـــــحوم    =  2.100  كجم/سنويا  (بحد أقصي)
المصدر:

دليل الرصد الذاتي لصناعة المنتجات المعدنية , وزارة البيئة المصرية , 2003.

2.مصادر التلوث لصناعة المنتجات المعدنية

ينتج عن عملية الدهان إنبعاثات لمواد عضوية متطايرة ومياه صرف ملوثة ومخلفات صلبة وسائلة. والمصدر الرئيسي للإنبعاثات الغازية هو أبخرة المذيبات العضوية المستخدمة كمواد حاملة للبويات. وتنتج هذه الإنبعاثات من عمليات الدهان ومن المذيبات بالمخازن وعمليـات الخلط والرش والتجفيف. ويؤدي أيضا استخدام المذيبات العضوية في عملية تنظيف المعدات ومناطق الرش إلى تسرب أبخرة المذيبات.

وتتولد مياه الصرف من تدفق المياه خلال حواجز كبائن الطلاء، وتؤدي استخدام ستائر المياه لتجميع رذاذ البوية المشتتة إلى ترسب الحمأة فى الحوض الذى تسحب منه المياه.

أما مصادر المخلفات الصلبة والسائلة فتتضمن:

i معدات التحكم في رش البويات أثناء الطلاء  (كبائن الطلاء،  نظم التجميع ،  مرشحات التهوية).

i غسل المعدات.

i المواد المستخدمة لتغطية الأجزاء الغير مرغوب في طلائها وعلب البويات الفارغة.

i البويات المتبقية بعد الطلاء التي يتم التخلص منها عند نهاية عملية الطلاء، أو التي تنتهي فترة صلاحيتها.

هذه المخلفات الصلبة والسائلة قد تحتوي على المعادن الثقيلة الموجودة في صبغات الطلاء أو المذيبات العضوية المستخدمة في الطلاء أو التنظيف كما تتلوث الأرضيات بمخلفات المذيبات المستخدمة أيضا. وقد تسهم المذيبات المستخدمة في نظافة معدات الطلاء أو الترذيذ في الكبائن في إضافة بعض المخلفات.

3.مصادر الصرف السائل  لصناعة المنتجات المعدنية

يعد الصرف السائل في صناعة المنتجات مصدراً من مصادر التلوث حيث أنه قد يتضمن الملوثات التالية:

  • الأحماض أو القلويات الناتجة عن مختلف عمليات اعداد وتجهيز وتشطيب المنتجات المعدنية فى عمليات: التخليل ، الطلاء ، الأنودة ، التغطية الكيميائية ، ..الخ
  • استخدام زيوت القطع وإزالة الشحوم ينتج مياه ملوثة بالزيوت.
  • الأملاح التى تنتج من أعمال التخليل والأنودة والتغطية أو الطلاء والطلاء الكهربى ومختلف أعمال التشطيب الأخرى.
  • زيوت التشحيم المستهلكة المتبقية فى الورش والجراج.
  • مياه تفوير الغلايات وأبراج التبريد التي تحتوي على نسبة مرتفعة من الأملاح الذائبة .
  • مياه التبريد المستهلكة الملوثة بالزيوت والشحوم .
  • المياه الناتجة من غسيل المعـدات والأرضيات والتي تحوى قدرا من الزيـوت والأحماض والقلويات وبعض الكيماويات المستخدمة.

جدول (2) المدخلات ومصادر التلوث فى صناعة المنتجات المعدنية

المخلفات الصلبة تلوث المياه

المواد الداخلة

العملية
القشور وفضلات الفلزات مثل (نواتج قشط الصلب والألومونيوم ) حمأة مترسبة عن سوائل القطع وتحتوي علي فلزات مترسبة و بقايا المذيبات المستقرة في قاع الأحواض ومخلفات الزيوت. مياه الصرف التي تحتوي علي الزيوت (مثل جليكول الاثيلين) والمواد الصلبة العالقة والمياه الحمضية (مثل أحماض الهيدركلوريك والكبريتيك والنيتريك) والمياه القلوية والمياه التي تحوي المذيبـات) زيوت التقطيع، مذيبات إزالة الشحوم والتنظيف (مثل الأسيتون ، ثلاثي كلورو الإيثان،  طولوين، .. الخ)  أحماض، قلويات، فلزات ثقيلة، مستحلبات المياه والزيت . قطع أو تشكيل المعادن
القشور وفضلات المعدن مثل : (نواتج قشط الصلب والألومونيوم) مخلفات بطانة الأحواض ومخلفات الزيوت ومحاليل مستهلكة في أحواض إزالة الشحوم. مياه قلوية ملوثة بالزيوت والشحوم وبقايا المعدن والمواد الصلبة العالقة. الصودا الكاوية،  كربونات الصوديوم، السيليكا القلوية، الفوسفاتات، المثبطات، عوامل الاستحلاب، العوامل المساعدة في تكوين معقدات المعدن ، مواد التغذية . الإزالة القلوية للشحوم
مخلفات قابلة للاشتعال ، بقايا المذيبات ومخلفات بطانة الأحواض. مياه صرف تحوي المذيبات العضوية مذيبات عضوية إزالة الشحوم باستخدام المذيبات العضوية
قشور وفضلات المعدن مثل ( نواتج قشط الصلب والألومونيوم ) مخلفات بطانة الأحواض، مخلفات الزيوت وسوائل التخليل المستهلكة. مياه حمضية تحتوي على المعادن مختلف أنواع الأحماض مثل (الهيدروكلوريك والكبريتيك والنيتريك والهيدروفلوريك) التخليل أو المعالجة الحمضية
محاليل مستهلكة وبواقي الفلزات مياه صـرف حمضية و مياه صرف تحتوي علي أيونات المعادن أحماض الأنودة
محاليل مستهلكة وبواقي المعادن مياه ملوثـة بأمـلاح معدنيــة وأحماض و قلويات معادن وأحماض التغطية الكيميائية
معادن ومخلفات نشطة . مياه ملوثة بالأحماض أو القلويات والسيانيد والمعادن أحماض ، قلويات محملة بالمعادن الثقيلة بالإضافة إلى محاليل تحتوي علي السيانيدات الطلاء الكهربي
مخلفات معدنية صلبة تحتوي علي السيانيد. مياه ملوثة بالسيانيد والمعادن. معادن (الأملاح المعدنية) ، المواد المساعدة والقلويات الطلاء بطبقة معدنية
مخلفات بطانة الأحواض ومذيبات  الدهانات والمعادن. مياه ملوثة بالمذيبات . المذيبات والدهانات الدهانات
مخلفات أحواض الصهر والمخلفات التي تحتوي علي الزنك ، محاليل مستهلكة وبعض المخلفات الزيتية . مياه ملوثة بالمعادن محتويات الأحواض من كلوريد الزنك وكلوريد الأمونيوم والمواد المرطبة الطلاء بمصهور المعادن (زنك)
الحمأة المتخلفة عن عمليــة التنعيم وعمليات (Etching) مياه ملوثة بالأحماض والمعادن معادن وأحماض تقنيات أخري لتشطيب المعادن (التهذيب .. الخ)
المصدر:

دليل الرصد الذاتي لصناعة المنتجات المعدنية , وزارة البيئة المصرية , 2003.

4.خصائص الصرف السائل لاحد مصانع المنتجات المعدنية

من الضروري  أن يؤخذ في الاعتبار أن المياه المتخلفة عن الصناعة تتباين مكوناتها وخصائصها بشكل كبير حتى داخل الصناعة الواحدة ومثالا علي ذلك ـ وفقا لتقرير عالمي ـ ، فإن تغطية (طلاء) متر مربع واحد من المعدن يمكن أن ينتج عنه من لتر واحد إلى 500  لتر من المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة (كادميوم،  كروم، رصاص، نحاس، زنك، نيكل) وكذلك السيانيدات والفلوريدات والزيوت والشحوم وزيوت التشحيم والتزييت المتخلفة من الجراج والورش تمثل عبئا كبيرا عند صرفها علي شبكة الصرف العمومية. والمواد العضوية الموجودة في بيان الصرف تسهم في نمو البكتريا والفطريات المستهلكة للأكسجين ويتوقف التأثير البيئي للمياه الملوثة علي مواضع صرفها. وقد وضعت الهيئات الدولية المعنية بالحفاظ علي البيئة حدودا ومعاييرا خاصة بصرف المياه  الملوثة على المصارف الزراعية  والترع والمجرى الرئيسي للانهار بسبب تأثيرها علي الزراعة. ومن المعايير الهامة التي تضمنتها هذه الحدود: الفسفورات، الكادميوم، الكروم السداسي والكلي، النحاس، الرصاص، الزئبق، النيكل، الفضة، الزنك، المعادن الكلية، السيانيدات (حرة) وكذلك الفلوريدات، هذا بالإضافة إلى المعايير الأساسية مثل الأكسجين الحيوي المطلوب BOD، الأكسجين الكيميائي المستهلك COD والزيوت والشحوم O&G. إن صرف المياه الملوثة علي مجاري المياه الطبيعية قد يؤدي إلى خلل بالنظام البيئي للمياه والحياة المائية، وعندما يتم صرف مياه شديدة التلوث على الشبكات العمومية فان احتمالات تعرض عمليات المعالجة إلى القصور والتدهور واردة بالإضافة إلى زيادة تراكم المعادن في الحمأة الناتجة.

  1. محطات معالجة مياه الصرف لصناعة المنتجات المعدنية
  • عند وجود السيانيد في مياه الصرف فينبغي تفكيكه وتدميره وتحويله عن طريق الأكسدة القلوية والتحكم فى الرقم الهيدروجين إلى مواد آمنة ( ثاني اكسيد الكربون والنتروجين ).
  • عند وجود الكروم السداسي في مياه الصرف فينبغي اختزاله وتحويله إلى الكروم الثلاثي الذي يسهل ترسيبه ( الترسيب بمادة قلوية ) باستخدام أحد العوامل المختزلة مثل مركبات الكبريت (ثاني أكسيد الكبريت أو ميتا باى سلفات الصوديوم).
  • من أهم العمليات الشائعة في معالجة مياه الصرف: المعادلة (equalization)، ضبط الأس الهيدروجيني بهدف الترسيب الجيد ، تجميع الحمأة والترسيب بالإضافة إلى الترشيح. والأس الهيدروجيني المثالي للترسيب المعدني يتراوح بين 8.5 إلى 11 تبعا لنوع المعدن المستهدف ترسيبه.
  • يمكن استخدام الترسيب الكيميائي لفصل المعادن الذائبة باستخدام هيدروكسيد الصوديوم أو الكالسيوم على شكل هيدروكسيدات المعادن ثم بالترشيح أو الترسيب يتم فصل المعادن. ويمكن خفض كمية المياه في الحمأة الناتجة باستخدام الترشيح بالضغط (Filter Press).
  • وجود بقايا زيوت التشحيم في مياه الصرف يمكن أن يؤثر على فاعلية ترسيب المعادن لذلك من المفضل معالجة مخلفات أحواض إزالة الشحوم على حده بمعزل عن بقية مياه الصرف، ويمكن أيضا لمتراكبات المعادن (Metal Complexes) أن تؤثر بالسلب على عملية الترسيب .

أحيانا ما تستخدم عوامل لحفز تجمع المواد الصلبة العالقة و ذلك لرفع كفاءة عملية فصل الحمأة، وفي الطرق المتقدمة للمعالجة يتم استخدام الترشيح الغشائي أو التبادل الأيوني أو التبخير لتقليص إنبعاث الملوثات وخفض نوعية المخرجات قبل التخلص منها.

نموذج لمعالجة الصرف الصناعي لمصنع منتجات معدنية

تحتوي مياه الصرف الصناعي علي كميات من الكروم والسيانيد , فيمكن إزالة الكروم والسيانيد من مياه صرف تحتوي علي كليهما من خلال مشروع معالجة واحد لتخفيض التكاليف, حيث يمكن اﻹستفادة من احواض التساوي والتعادل والترسيب وتكثيف الحمأة وهذا يتضح من خلال المخطط التالي لمشروع معالجة لإزالة السيانيد والكروم.

 

 

أحمد أحمد السروي

إستشاري جودة المختبرات والدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  1. احمد السروي , طرق معالجة المخلفات الصناعية السائلة , دار الكتب العلمية , 2017
  2. احمد السروي , معالجة مياه الصرف الصناعي , دار الكتب العلمية , 2007

3.دليل الرصد الذاتي لصناعة المنتجات المعدنية , وزارة البيئة المصرية , 2003.

جمع العينات في محطات معالجة مياه الصرف الصناعي

1.مقدمة

يغطي الرصد البيئي للمنشأة الصناعية الإنبعاثات إلى الهواء  والصرف السائل والمواد الصلبة والنفايات الخطرة , ويشمل الرصد البيئي تحديد الملوثات والإنبعاثات الخطرة من كل صناعة, وتحديد أوجه التلوث لكل خط إنتاج , وتحديد أوجه التلوث من الوحدات الخدمية في كل قسم , وتسجيل مخرجات القياسات والتحاليل لمعاملات التلوث في السجل البيئي .

ويتطلب رصد الملوثات والإنبعاثات إعطاء عناية خاصة للأساليب المستخدمة وذلك نتيجة للتأثير المتوقع لها على تفسير النتائج، ومن ثم على دقة البيانات الناتجة ومدى الاعتماد عليها.

  1. الرصد البيئي للصرف السائل للمنشأة الصناعية

وتضع اللوائح الحدود الخاصة بتركيزات ملوثات محددة في مياه الصرف عند إلقائها في المسطحات المائية المستقبلة. ولأغراض الرصد، فإن القيم الملقاة لمواد أو ملوثات محددة يتم التعبير عنها غالبا بالكميات الكلية لكل وحدة زمنية. وفي بعض الأحيان يتم التعبير عن هذه القيم بكميات محددة لكل طن من المنتج أو ككفاءة تنقية. وقد تم وضع حدود قصوى للعديد من معاملات التلوث: الأكسجين الكيميائي/الأكسجين الحيوي ، المواد الصلبة العالقة الكلية، الفوسفور والنيتروجين .

معاملات التحكم المرصودة: تشمل المعاملات النمطية للتحكم في مياه الصرف ما يلي:

  • دفق(تدفق) مياه الصرف م3/يوم
  • المواد الصلبة العالقة الكلية مجم/لتر
  • درجة الحرارة (درجة مئوية )
  • الطلب الكيميائي على الأكسجين COD ( الاكسجين الكيميائي المستهلك ) مجم اكسجين/لتر
  • الطلب البيوكيميائي على الأكسجين BOD   () مجم اكسجين/لتر
  •  النتروجين الكلي مجم/لتر
  •  الأس الهيدروجيني
  • التوصيل الكهربي ميكروسيمنز/سم
  1. جمع العينات

تعرف عملية جمع العينات بانها اخذ جزء من كل بحيث ان يكون هذا الجزء ممثلا ومعبرا عن الكل  , فالعينة التحليلية هي العينة التي يتم الحصول عليها من مكونات الكمية الكلية (مجتمع البحث) بعد القيام بعمل ما عليها (استخلاص- تحلل ….) والتخفيف أو التركيز اذا كان ذلك ضروريا , ومن ثم تستخدم في عملية قياس حقيقية.

إن أخذ العينات بأسلوب جيد هو عامل أساسي لتحديد مواصفات مياه الصرف التي يتم التخلص منها. وهناك تعليمات عامة لأخذ عينات مياه الصرف. ومع ذلك فإن المشاكل المرتبطة بأخذ عينات مياه صرف الصناعات النسيجية والناتجة عن التغير في نوعية مياه الصرف أو معدلات الدفق يجب حلها كل على حدة، آخذين في الاعتبار الأسباب الناتجة عن التشغيل.

وقد تكون العينات مفردة grab sample أو عينات مركبة Composite Sample ، أو عينات مركبة متناسبة مع الدفق. وتوضح العينة المفردة تركيبة مياه الصرف عند لحظة أخذ العينة. وعند أخذ مجموعة من العينات المفردة يمكن متابعة الأحمال القصوى، والتغير في نوعية مياه الصرف وكذلك مجال تغير معاملات التلوث المعنية. وتوضح العينة المركبة متوسط التركيب خلال الفترة الزمنية المختارة. وعادة ما يتم أخذ عينة مركبة على مدى ٢٤ ساعة متناسبة مع الدفق بحيث يكون جهاز أخذ العينات محكومًا بمقياس الدفق.

والغرض من وضع برنامج لأخذ وتجهيز عينات مختلفة للتحليل وإجراء مختلف الأختبارات عليها هو :

  • التأكد ان عمليات معالجة تنقية مياه الصرف قد تمت بنجاح .
  • مدي الكفأءة التي تعمل بها كل وحدة من وحدات المعالجة .
  • الحصول علي سجلات وبيانات تبين اذا كانت وحدات المعالجة تعمل وفقا لتصميمها ام لا .
  • ظبط عملية التحكم في المعالجة وتكاليفها .
  • اكتشاف الاسباب التي تؤدي الي متاعب ومشاكل التشغيل التي تؤثر علي كفاءة التنقية وبالتالي وضع الحلول المناسبة لعلاجها وتلافيها في المستقبل .
  • جمع المعلومات اللازمة للتخطيط المستقبلي لعمل توسعات في محطة المعالجة .

ويتم تحديد فترة أخذ العينة وحجم العينة لكل حالة على حدة على أساس التحاليل المستخدمة وكذلك الأسباب التي تؤثر على دقة أخذ العينات ودقة التحاليل. وغالبا  ما يتم أخذ عينات تحاليل مياه الصرف لمدة ٢٤ ساعة لمدة من 5 الي 7 ايام  , وفي بعض الأحيان يتم تجميد العينات وجمعها معا لتغطي فترة أطول. ويتم اخذ العينات لتحديد الأكسجين الكيميائي المستهلك والمواد الصلبة العالقة TSS,COD يوميا أو باستمرار ويتم تحليلها يوميا. وعادة ما  يتم أخذ العينات لتحديد الاكسجين الحيوي المطلوب BOD والمغذيات أسبوعيا. ويتم القياس المستمر لكل من الأس الهيدروجيني والتوصيل الكهربي.

ومن المحتمل أن يحتاج كل مصنع لبرنامج التحليل الخاص به. ويغطي هذا البرنامج عادة مدى واسع من القياسات والتحاليل، طبقا لما تم وضعه مسبقا في خطة الرصد الذاتي. ويجب إجراء القياسات والتحاليل طبقا للمعايير القياسية التي توصي بها السلطات.

تشمل عملية جمع العينات العناصر الهامة الاتية:

  • الهدف من تحليل العينات
  • طريقة اخذ العينات
  • ادوات اخذ العينات
  • أنواع العينات
  • طريقة اخذ عينات الحمأة
  • مراقبة الجودة في جمع العينات وتحليلها.

الحسابات

يتم حساب كميات مياه الصرف وتسجيلها طبقا للمواصفات الموضوعة في خطة الرصد. ويتم حساب الصرف غالبا كما يلي:

ويتم أيضا التحكم في كفاءة المعالجة البيولوجية لمياه الصرف بواسطة حساب النقص في المادة العضوية (BOD, COD) بين مياه الصرف غير المعالجة قبل الترسيب الأولي ومياه الصرف المعالجة بعد الترويق الثانوي.

ويشمل التقرير النمطي لرصد التخلص من مياه الصرف قيم المتوسطات الشهرية والتغيرات في مياه الصرف عند نقاط الرصد قبل وبعد المعالجة، وقيم الحدود طبقا للقانون وأيضا بعض بيانات الإنتاج.

 

أحمد أحمد السروي

إستشاري الدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  1. احمد السروي , طرق معالجة المخلفات الصناعية السائلة , دار الكتب العلمية , 2017.
  2. احمد السروي , معالجة مياه الصرف الصناعي , دار الكتب العلمية , 2007.
  3. احمد السروي , اساسيات الجودة في المختبرات البيئية , دار الكتب العلمية , 2012.

4.دليل الرصد الذاتي, وزارة البيئة المصرية , 2003.

طرق معالجة المخلفات الصناعية الحامضية والقلوية

  1. مقدمة

زاد الانتاج الصناعي في حميع انحاء العالم وانتشرت المنشآت الصناعية ذات المنتجات المتنوعة, وأصبحت البيئة بمنظوماتها الثلاثة الهوائية والمائية والارضية أكثر تعرضاً للضرر من جراء الملوثات المختلفة التي تطرحها تلك المنشآت ومنها مياه الصرف الصناعية والتي تعرف بالمخلفات الصناعية السائلة والتي يختلف ملوثاتها من صناعة لأخرى نتيجة لاختلاف مدخلات الانتاج من المواد الأولية اللازمة للصناعة والمواد الناتجة أو المصنعة .

تعمل الصناعة على تلويث المجارى المائية بما تلقيه فيها من مخلفاتها ونواتجها الثانوية، سواء من السفن أو المصانع أو المياه الساخنة (التلوث الحراري)، وتؤدى بذلك إلى القضاء على الحياة في المسطحات المائية أو في بعض الحيان إلى تسمم الأسماك وبالتلي حدوث تسمم للإنسان أيضا .

المخلفات الصناعية السائلة  يقصد بها جمع  المخلفات السائلة او شبه السائلة الناتجة عن كافة الأنشطة الصناعية والتحويلية أو الاستعمال لكل مركب مادي مصنع.

  1. الرقم الهيدروجيني

إن تركيز الأيون الهيدروجينى يعتبر أحد المؤشرات الهامة لمياه الصرف. ويعتبر مدى التركيز المناسب لتواجد معظم الحياة البيولوجية صغيرا جدا وحرجا. إن مياه الصرف ذات الأس الهيدروجينى الخارج عن المدى من الصعب معالجتها بالطريقة البيولوجية، وبالتالى إذا لم يتم ضبط (pH) قبل الصرف فإنه سيؤثر عكسيا على (pH) في المياه الطبيعية.

وضبط قيمة الرقم الهيدروجيني هو أحد المهام الرئيسية التي يجب التقيد بها لتوفير البيئة الملائمة للكائنات، وأفضل قيمة للرقم الهيدروجيني هو ٧ أي يكون الوسط متعادلا، أما الارتفاع أو الانخفاض الكبير فإنه يؤدي إلى اضطراب في عملية المعالجة.

كما يعتبر قياس الأس الهيدروجيني أحد أهم الأدلة للتعرف على صرف مخلفات صناعية على شبكة الصرف  الصحي.

  1. المياه الصناعية الحامضية والقلوية

يكون ماء الصرف حامضيا اذا كان الرقم الهيدروجيني له اقل من 7 , ويكون قلويا اذا زاد عن 7 ‏, وتسبب مياه الصرف الحامضية والقلوية اضرارا بيئية كبيرة ,  واضرارا لشبكات الصرف الصحي وبمنشآت محطات معالجة مياه الصرف الصحي اذا وصلت اليها خاصة اذا قل الرقم الهيدروجيني عن قيمة 6 أو زاد عن قيمة 9 .ويجب عمل معادلة لمياه الصرف الصناعية للوصول للرقم الهيدروجيني الي الحدود المسموح بها للصرف الامن علي شبكات الصرف الصحي والتي تبلغ قيمتها من 6 الي 9.ويبين الجدول التالي قيم الرقم الهيدروجيني لمياه الصرف لبعض الصناعات.

4.    معادلة مياه الصرف الحامضية

يمكن عمل معادلة لمياه الصرف الحامضية عن طريق:

  • امرار مياه المخلفات الحامضية فوق الجير.
  • مزج مياه المخلفات الحامضية بالكلس CaO أو بالدولوميت CaO, MgO.
  • إضافة كميات محسوبة من الصودا الكاوية NaOH أو كربونات الصوديوم إلى مياه المخلفات الحامضية.
  • خلط مياه الصرف الحامضية مع مياه صرف قلوية لتحقيق التعادل او لتعديل الرقم الهيدروجيني لدرجة ما.

5.    معادلة مياه الصرف القلوية

يمكن عمل معادلة لمياه الصرف القلوية عن طريق:

  • إضافة ثاني اكسيد الكربون المضغوط الي مياه المخلفات القلوية .
  • إضافة كميات محسوبة من الاحماض القوية كحمض الكبريتيك وحمض الهيدرولكلوريك الي مياه المخلفات القلوية.
  • خلط مياه الصرف القلوية مع مياه صرف حامضية لتحقيق التعادل او لتعديل الرقم الهيدروجيني لدرجة ما.

6.    حوض معادلة مياه الصرف

حوض المعادلة يجب ان يصنع من مادة مقاومة للتأكل أو ان يكون مطليا لمادة قوية ضد التأكل , الحوض مجهز بخلاط جيد لخلط الكيماويات مع مياه الصرف ومزود بجهاز يقيس الرقم الهيدروجيني في الحوض ,  إضافة الأحماض أو القلويات لابد ان يتحكم بها من خلال قياس للرقم الهيدروجيني من خلال تحديد الكميات في المختبر علي عينات من مياه الصرف . ويبين الشكل التالي مخطط مبسط لحوض تعادل يعمل باستمرار.

كما يمكن عمل المعادلة علي مرحلتين لتوفير الكيماويات كما يبين الشكل التالي.

   

أحمد أحمد السروي

إستشاري جودة المختبرات والدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  1. أحمدفيصل أصفري، معالجة مياه الفضلات الصناعية، الكويت، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي, ۱۹۹۹ .
  2. احمد السروي , طرق معالجة المخلفات الصناعية السائلة , دار الكتب العلمية , 2017.
  3. احمد السروي , معالجة مياه الصرف الصناعي , دار الكتب العلمية , 2007.

معالجة مياه الصرف الصناعي بالصناعات الدوائية

مما لاشك فيه أن تقدم الدول ورقيها يقاس بمدي اهتمامها بالبيئة وحماية الإنسان من أخطار التلوث سواءاً تلوث الماء أو الهواء أو الغذاء … ولكن انتشار الأمراض والأوبئة جعل من تصنيع وتطوير الأدوية والمستحضرات الطبية أمراً حتمياً علي الرغم من أن هذه الصناعات سواءاً الكيميائية أو البيولوجية قد ينشأ عنها مخلفات خطرة جدا ،،،،لذلك كان التوجه لمعالجة مياه الصرف الصناعي (المخلفات السائلة)الناشئة عن هذه الصناعات وتم تشريع القوانين التي تضبط وضع هذه المنشأت حتي لاتكون سبباً في تلوث البيئة .

وسوف نتطرق في هذا المقال لمعالجة مياه الصرف الصناعي بشكل مبسط ..حيث أن مياه الصرف الصناعي تختلف في خصائصها من صناعه الي أخري بل وتختلف في نفس المصنع من يوم ليوم أخر ومن ساعه الي ساعه علي حسب الأنشطه القائمه في وقت تدفق مياه الصرف الي محطة معالجة مياه الصرف الصناعي .ونظرا لذلك الإختلاف فسوف يختلف تصميم محطة معالجة مياه الصرف الصناعي طبقاً لنوعية وخصائص مياه الصرف التي ستقوم المحطة بمعالجتها.

ومن الجدير بالذكر أن مياه الصرف الصناعي الناتجة عن الصناعات الدوائية تكون علي هيئة دفعات أثناء الانتاج فعلي سبيل المثال عمليات التخمر تستغرق من عدة أيام الي عدة أسابيع وفي هذه الحالة لايتم انتاج مياه صرف صناعي الا بعد انتهاء العملية .وتستخدم الصناعات الدوائية عدداً من المذيبات والمطهرات والاضافات أثناء الانتاج وتنظيف الأجهزة والمعامل  تختلف في مجملها من صناعة الي أخري ومن منتج الي أخر ومن دولة الي دولة .وبالرغم من أن معظم عمليات التنظيف تتم بالبخار إلا أن 297 مصنع متخصص بالصناعات الدوائية بالولايات المتحدة أنتجت 539 مليون متر مكعب من الصرف الصناعي سنه1990م.

مصادر مياه الصرف الصناعي في مصانع الأدوية :

  • مياه غسيل الزجاجيات والعبوات وأدوات المعامل .
  • مياه غسيل تنكات التحضير .
  • مياه تطهير الأرضيات الخاصة بالمعامل ومناطق الانتاج .
  • بقايا مواد كيماوية تم سكبها بشبكة الصرف الصناعي .
  • بقايا محاليل التعقيم والتطهير .وبشكل أبسط فإن خصائص مياه الصرف الناتجه عن مصنع للمضادات الحيوية ستختلف عن خصائص مياه الصرف الناتجه عن مصنع للكيماويات ستختلف عن مياه صرف مصنع للأمصال واللقاحات وهكذا .
    ومن الجدير بالذكر أن ايرلندا تنتج 43 طن / BOD في اليوم  من الصناعات الدوائية فقط .كما أن أمريكا عام 1983 م نتج عن صناعاتها الدوائية 200 ألف طن حمأة .

 

طرق المعالجة :

  • معالجة فيزيائية وتشمل عمليات التناضح العكسي والتحليل الكهربي والتبخير والمعالجة بالكربون النشط والترشيح والتعويم .
  • معالجة كيميائية وتشمل عمليات التعادل والاختزال والترسيب وتعتمد علي عمليات التعادل 50% من محطات معالجة الصرف الصناعي بينما تقوم عمليات الإختزال علي استخدام أكاسيد الكبريت لتقوم باختزال المواد المؤكسدة.
  • معالجة حرارية وتهدف لتحويل المواد العضوية الي كتلة صغيرة الحجم ذات تأثير سمي منعدم تقريباًوقد تكون المعالجة الحرارية في وجود الهواء (INCINERATION)أو بمعزل عن الهواء (PYROLYSIS).
  • معالجة بيولوجية وفيها يتم استخدام الكائنات الدقيقة لتحويل المواد العضوية الي ثاني أكسيد الكربون +ماء (باستخدام بكتيريا هوائية) أو يتم تحويل المواد العضوية الي ميثان وثاني أكسيد الكربون وماء (بإستخدام بكتيريا لاهوائية)… ومن الجدير بالذكر ان 1/3 محطات الصرف الصناعي للصناعات الدوائية تستخدم المعالجة البيولوجية لمعالجة مخلفاتها .

وتضم المعالجة البيولوجية نظام يسمي بالحمأة النشطة  ونظام أخر يسمي بالأحواض المهواه ميكانيكياً.

وفي النظام الأول (الحمأة النشطة) يتم استرجاع جزء من الحمأة المترسبة بأحواض الترسيب الثانوي إلي أحواض التهوية لتعمل علي تنشيط البكتيريا ويتم استخدام الكائنات الدقيقة في عملية مستمرة وعلي اتصال بالمواد العضوية في وجود الأكسجين .

وفي النظام الثاني (الأحواض المهواة ميكانيكياً) وفيها يتم تثبيت المواد العضوية في وجود الأكسجين من خلال أنظمة التهوية دونما استرجاع لأي جزء من الحمأة لأحواض التهوية .

  • كفاءة ازالة الأنظمة المختلفة للملوثات من مياه الصرف الصناعي:

 

ان الهدف الذي تتم من أجله انشاء محطات معالجة مياه الصرف الصناعي هو الوصول بهذه المياه الي الحدود المسموح بها حتي يمكن صرفها الي شبكة الصرف الصحي العامه

ولذلك فان عملية التعادل لهذه المياه والوصول بالرقم الهيدروجيني من 6-9 هدف رئيسي من الأهداف الاستراتيجية في عمليات المعالجة وسوف يوضح الجدول أدناه الكميات اللازمة لاتمام عملية التعادل بمواد كيمائية مختلفة.

 

بقلم 

كيميائي / أحمد محمـد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية بيئية 

Ahmedhasham83@gmail.com

للاطلاع على أكبر مكتبة مجانية في مجال علوم وهندسة المياه يرجى زيارة المنتدى من الرابط التالي

watertechexperts.com/vb/forum.php

للاطلاع على مزيد من المقالات باللغة الانجليزية يرجى زيارة مدونتنا باللغة الانجليزية من الرابط التالي

www.water-tech-market.com/blog

لارسال أي استفسارات أو أسئلة أو طلبات يرجى الانضمام لجروب المنتدى على الفيس بوك من الرابط التالي

www.facebook.com/groups/waterexperts

المعالجة بالكيماويات في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي

1.مقدمة

تعد معالجة مياه الصرف الصحى من أهم وسائل وطرق حماية البيئة المائية والأرضية من التلوث إذ توفر المعالجة العلمية الصحيحة التخلص الآمن والصحيح من هذه المياه وٕاعادة تدويرها بأمان داخل المنظومة البيئية وتحقق سلامة الإنسان والحفاظ علي بيئته وصحته.

2.طرق المعالجة الكيميائية لمياه الصرف الصحي

هي طرق وعمليات المعالجة التي يتم فيها ﺇزالة أو تحويل ملوثات المخلفات السائلة عن طريق إضافة الكيماويات أو عن طريق التفاعلات الكيميائية , ومن أمثلة هذه العمليات الكيميائية الترسيب الكيميائي والأدمصاص والتطهير وازالة الروائح,  وهذه العمليات السالف ذكرها من اكثر العمليات شيوعا في معالجة مياه الصرف الصحي وتدمج عمليات المعالجة الكيميائيةعادة مع العمليّات الفيزيائية والبيولوجية .

فمثلا الترسيب الكيميائي (بأستخدام الكيماويات) يتم بأستخدام مرسبات كيميائية لتنشيط والآسراع بعملية الترسيب حيث يترسب كلا من المرسب والمادة المراد ترسيبها , بينما يتم الادمصاص كمثال اخر للمعالجة الكيميائية عن طريق ﺇزالة الملوثات من المياه الملوثة علي سطح مادة الادمصاص بفعل قوي التجاذب بين الأجسام .

وتتمثل المعالجة الكيميائية في عمليات التطهير بإضافة الكلور والتي تعرف بالكلورة , وايضا إضافة بعض البوليمرات  أو الكيماويات التي تساعد علي تجفيف وﺇزالة الماء من الحمأة الناتجة من مراحل الهضم اللاهوائي .

وعامة في مجال معالجة مياه الصرف الصحي تستخدم وحدات المعالجة الكيميائية مرتبطة ومكملة لوحدات المعالجة الفيزيائية .

وهناك بعض العوامل التي يعتمد عليها في اختيار نظام المعالجة الكيميائية منها ما يرتبط بالماء المراد معالجته ومنها ما هو خاص بالعملية نفسها وتتلخص العوامل في الاتي:

  • كمية ونوعية الماء الملوث.
  • كلفة وتوفر الكيماويات اللازمة.
  • سلامة وأمان العملية وكمية ونوعية الملوثات الناتجة.
  • كمية ونوعية (الرواسب الصلبة) الحمأة الناتجة .

ومن الجدير بالذكر ان الحاجة إلى ضبط العمليات هنا أكبر منها في حالة أنظمة المعالجة البيولوجية.

3.العمليات التي تستخدم بها الكيماويات لمعالجة مياه الصرف

تستخدم بعض المواد الكيميائية لمساعدة المعالجة الطبيعية والبيولوجية لمياه الصرف الصحي في تحسين كل من عمليات:

  • الترسيب بإحواض الترسيب
  • التطهير
  • إزالة المياه من الحمأه (مع التجفيف الميكانيكي)
  • إزالة الروائح

ومن عيوب المعالجة بالكيماويات أنها تعتبر عملية اضافية ففي معظم الحالات يتم فيه إضافة مركب كيميائي الي مياه الصرف الصحي لتحقيق تحسين في إزالة عنصر ما أو تحسين عملية ما  ينتج عن ذلك زيادة في إحدي المركبات في المياه، فعلي سبيل المثال عند اضافة الكيماويات لتحسين كفاءة عملية الترسيب تحدث زيادة في تركيز المواد الصلبة الذائبة الكلية، وأيضاً من عيوب استخدام المواد الكيميائية زيادة تكاليف المعالجة .

  • استخدام الكيماويات في الترسيب:

يتم استخدام المواد الكيميائية في تحسين عمليات الترسيب بمحطات المعالجة وذلك لتغيير الحالة الطبيعية للمواد الصلبة الذائبة والعالقة وتسهيل ازالتها بعملية الترسيب ومن المواد التي  تستخدم في تحسين عملية الترسيب كل من:

– الشبة Alum

– الجير Lime

– كبريتات الحديدوز مع الجير Ferrous Sulfate and Lime

– كلوريد الحديديك Ferric Chloride

– كلوريد الحديديك مع الجير Ferric Chloride and Lime

كبريتات الحديديك مع الجير Ferric Sulfate and Lime –

ويتم إضافة هذه المواد لتحسين عملية الترسيب حيث تعمل علي تجميع المواد العالقة الدقيقة والمواد الغروية ليسهل ترسيبها.

 

ب-التطهير

يتم استخدام المواد الكيميائية مثل الكلور، الهيبوكلوريت ,الاوزون للمساعدة قتل الميكروبات والفيروسات والكائنات الحية في مياه الصرف الصحي المعالج (السيب النهائي) ضمانا لعدم نقل الامراض وزيادة الامان وبالاخص عند إعادة استخدام المياه او صرفها علي المصارف العمومية

   ج-إزالة المياه من الحمأة (مع التجفيف الميكانيكي )

يتمإستخدام بعض المواد الكيميائية مثل البوليمرات المختلفة لزيادة كفاءة إزالة المياه من الحمأة وخاصة عند استخدام النظم الميكانيكية في أعمال التجفيف حيث تعمل هذه البوليمرات علي المساعدة في تخليص الحمأة من المياه فيسهل كبسها وضغطها والتخلص منها.

   د. ازالة الروائح

ومن الأشياء الضرورية أيضا في منظومة الصرف الصحي التحكم في الروائح وخاصة عندما تزيد أطوال شبكات الصرف الصحي في المدن الكبيرة وتبعد محطات المعالجة عن نظم التجميع بمسافات طويلة مما يسبب روائح زائدة في مياه الصرف الصحي مما يستدعي إستخدام بعض الطرق للحد من مسببات الروائح والقضاء عليها .

مصدر الروائح في مشاريع معالجة مياه الصرف الصحي

يبين الجدول التالي المركبات والمصادر المسئولة عن تولد الروائح في مشاريع معالجة مياه الصرف الصحي.

من اشهر الكيماويات المستخدمة في ازالة الروائح المركبات الاتية:

  • الكلور (لاكسدة كبريتيد الهيدروجين )
  • ثانى اكسيد الكلور
  • بيروكسيد الهيدروجين
  • الاوزون
  • الكرومات
  • البرمنجنات
  • هيدروكسيد الصوديوم
  • الأوزون مع بيروكسيد الهيدروجين
  • الفحم المنشط بطريقة الإمتزاز.

 

أحمد أحمد السروي

إستشاري معالجة المياه والدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  • دليل المتدرب ,البرنامج التدريبي لمشغلي محطات معالجة مياه الصرف الصحي المستوي د , برنامج اعتماد مشغلى مرافق مياه الشرب والصرف الصحى , الوكالة الأمريكية للتنمية الدولية, 2012.
  • احمد السروي , عمليات المعالجة الكيميائية لمياه الصرف الصحي , دار الكتب العلمية ,2016.

Selected Nanomaterials applications in waste water treatment

Selected Nanomaterials applications in waste water treatment

Ahmed Hasham (M.Sc. Env. Chemistry) /  Ahmedhasham83@outlook.com

Introduction:

Water pollution is the most difficult environmental challenges facing society. Therefore, the release of pollutants from sewage or industrial wastewater in the must be considered as a threat to the environment. Characterizing the physical, chemical and biological aspects of raw water and treated water is crucial to ensure that they are safe for disposal in the aquatic or desert environment.

Water pollution:

Leaching of pollutants into groundwater from sewage or industrial water cause serious health problems, which may be used by humans for drinking and other purposes in some areas. It is worth mentioning that a man cannot live more than three days without water.

Heavy metals are likely to be the most common water problem consumers face. Heavy metals (such as arsenic, zinc, iron, manganese, aluminum, cadmium, lead, etc.) cause many health problems if found in drinking water at concentrations higher than permitted.

Nanotechnology history:

Nanotechnology first appeared millions of years ago as molecules began to arrange in complex shapes and structures that launched life on Earth. At the nanoscale, substances have different physical, chemical and biological properties than their normal size characteristics.

Nanomaterials

Nanomaterials may be defined as materials smaller than 100 nm in at least one dimension. At this scale, materials regularly have novel size-dependent properties different from their large scale.

Nano-materials has the ability to clean up huge polluted locations, saving time, excluding the need for removal of pollutants, and hence decreasing pollutant concentration to the minimum levels. Advances in nanoscale science suggest that many of the current problems on water quality could be solved or avoided by using nanomaterials such as non-adsorbent, nanocatalyst, bioactive nanoparticles, nanostructured catalytic membranes, nano-powder, nanotubes, magnetic nanoparticles, nanosensors. Nanomaterials are the main players that promise many profits through their nanoenabled applications in multiple fields. Nanomaterials has been used in many environmental applications such as the treatment of contaminated water for drinking, agriculture and more recent application than through conventional means. The explosive development in nanotechnology research has presented new strategies in environmental remediation.

Some of these applications using the nanomaterials properties that relate to their high specific surface area, such as fast dissolution, high reactivity, and strong sorption. Others take advantage of their discontinuous properties, such as superparamagnetic, localized surface plasmon resonance (SPR), and quantum confinement effect. Most applications discussed in this article are still in the stage of research and development.

Titanium dioxide nanoparticles

 Titanium dioxide nanoparticles, also called ultrafine titanium dioxide, are particles of titanium dioxide (TiO2) with diameters less than 100 nm. Ultrafine TiO2 is used in sunscreens due to its ability to block UV radiation while remaining transparent on the skin, and its photocatalytic sterilizing properties also make it useful for many applications.

Nano particles of TiO2 are found different in their surface-to-volume ratio, their properties change so that they acquire catalytic ability. Activated by the ultraviolet (UV) component in sunlight, they break down toxins or enhance other relevant reactions. Titanium oxide photocatalysts have been broadly studied for solar energy conversion and environmental applications in the past several decades, because of their high chemical stability, good photoactivity, relatively low cost, and nontoxicity.

Photocatalytic oxidation process:

In the photocatalytic oxidation process, organic pollutants are cracked in the presence of semiconductor photocatalysts, an energetic light source, or an oxidant such as oxygen or air. Only photons with energies greater than the band gap energy (ΔE) can result in the excitation of valence band (VB) electrons that then promote possible reactions.

Recently, advanced oxidation processes (AOPs) using (TiO2) have been used successfully to toxic pollutants removal from industrial wastewater.

TiO2 features as photocatalytic agent:

  1. High photochemical reactivity.
  2. High photocatalytic activity.
  3. Low cost.
  4. Stability in aquatic systems.
  5. Low environmental toxicity.

 Mechanism of dye degradation upon irradiation

Photocatalytic oxidation is an AOP for elimination of trace pollutants and microbial pathogens. It is a valuable pretreatment for hazardous and non biodegradable pollutants to enhance their biodegradability. Photocatalysis can also be used as a polishing step to treat recalcitrant organic compounds. The major barrier for its wide application is slow kinetics, due to limited light fluence and photocatalytic activity. Current research focuses on increasing photocatalytic reaction kinetics and photoactivity range.

Gold nanoparticles

The modification of the Au surface with appropriate chemical species can improve separation and preconcentration efficiency, analytical selectivity; make the Gold nanoparticles (AuNPs), is consider the one of the wide selections of core resources available, coupled with tunable surface properties in the form of inorganics or inorganic–organic amalgams, have been described as an excellent platform for a broad range of analytical methods.

Advantage of Gold nanoparticles (AuNPs):

  1. High surface-to-volume ratio.
  2. Easy surface modification.
  3. Simple synthesis methods.

The AuNPs have been applied successfully used in:

  1. Removal of peptides.
  2. Removal of proteins.
  3. Removal of heavy metal ions.
  4. Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Zerovalent iron nanoparticles

 Elemental iron has been used as an ideal candidate for remediation, for the following reasons:

  1. Low-cost,
  2. Extremely easy to prepare and apply to a variety of systems.
  3. No toxicity induced by its usage.

The idea of using metals such as iron as remediation is depend on reduction–oxidation reactions, in which a neutral electron donor (a metal) chemically reduces an electron acceptor (a pollutant). Nanoscale iron particles have surface areas greater than larger-sized powders, which leads to enhanced reactivity for the redox process.

Iron nanoparticles applications such as:

  1. Decomposition of halogenated hydrocarbons to benign hydrocarbons.
  2. Remediation of heavy metals.
  3. Solvents dechlorination

A significant loss of reactivity can occur before the particles are able to reach the target contaminant. In addition, zerovalent iron nanoparticles tend to flocculate when added to water, resulting in a reduction in the effective surface area of the metal.

Therefore, the effectiveness of a remediation depends on the accessibility of the contaminants to the nanoparticles, and the maximum efficiency of remediation will be achieved only if the metal nanoparticles can effectively migrate without oxidation to the contaminant or the water– contaminant interface.

 To overcome such difficulties, a regularly used strategy is to integrate iron nanoparticles within support materials, such as polymers, porous carbon, and polyelectrolytes.

Finally, Nanotechnology for water and wastewater management is depending on the matchless properties of nanomaterials and their conjunction with current treatment technologies present great chances to revolutionize water and wastewater treatment. Nanotechnology has shown huge possibility in water treatment technologies. The recent development of nanotechnology has raised the possibility of environmental decontamination through several nanomaterials cut the process and tools.

Another nanomaterials application in water treatment field may be discussed in another article.

للاطلاع على أكبر مكتبة مجانية في مجال علوم وهندسة المياه يرجى زيارة المنتدى من الرابط التالي

watertechexperts.com/vb/forum.php

للاطلاع على مزيد من المقالات باللغة الانجليزية يرجى زيارة مدونتنا باللغة الانجليزية من الرابط التالي

www.water-tech-market.com/blog

لارسال أي استفسارات أو أسئلة أو طلبات يرجى الانضمام لجروب المنتدى على الفيس بوك من الرابط التالي

www.facebook.com/groups/waterexperts

References

Abhijith, K.S., and Thakur, M.S. Analytical Methods, 2012, 4, 4250–4256.

Cao, G.Z. Nanostructures and Nanomaterials, Synthesis, Properties and Application, Imperial College Press,

London, 329, 2004.

Chae, H.K., Perez, D.Y.S., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A.J., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. A route

to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature, 2004, 427, 523–525.

Chen, L., Lou, T., Yu, C., and Kang, Q. N-1-(2-mercaptoethyl)thymine modification of gold nanoparticles: A highly selective and sensitive colorimetric chemosensor for Hg

. Analyst, 2011, 136, 4770–4773.

Chun, C.L., Penn, R.L., and Arnold, W.A. Environmental Science and Technology 2006, 40, 3299–3304.

Cloete, T.E., Kwaadsteniet, M.D., Botes, M., and Lopez-Romero, J.M., Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, Wymondham, UK, 2010.

Elimelech, M., and Phillip, W.A. The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment. Science, 2011, 333, 712.Eshel, K. British Medical Journal, 2007, 334, 610–616.

Furukawa, H., Cordova, K.E., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science, 2013, 341, 1230–1234.

Guzman, K.A.D., Taylor, M.R., and Banfield, J.F. Environmental Science and Technology, 2006, 40, 1401–1407.

Hang, Y., Qin, Y., and Shen, J. Separation and microcolumn preconcentration of traces of rare earth elements on nanoscale TiO2 and their determination in geological samples by ICP-AES, Journal of SeparationScience, 2003, 26, 957–960.

Harada, M. Minamata disease: Methylmercury poisoning in Japan caused by environmental pollution. Critical Reviews in Toxicology, 1995, 25, 1–24.

Hidaka, H., Jou, H., Nohara, K., and Zhao, J. Photocatalytic degradation of the hydrophobic pesticidePermethrin in fluoro surfactant/TiO2 aqueous dispersions. Chemosphere, 1992, 25, 1589–1597

بعض تطبيقات تقنية النانوتكنولوجي في معالجة مياه الصرف

بعض تطبيقات تقنية النانوتكنولوجي في معالجة مياه الصرف

بقلم/ أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

Ahmedhasham83@outlook.com

مقدمة

يعد تلوث المياه أصعب التحديات البيئية التي تواجه المجتمع. لذلك ، يجب اعتبار الملوثات من مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف الصناعية تهديدًا للبيئة. ولذلك يعتبر تميّز الجوانب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للمياه الخام والمياه المعالجة أهمية حاسمة لضمان أنها آمنة للتخلص منها في البيئة المائية أو الصحراوية.

ويتسبب وصول الملوثات للمياه الجوفية من مياه المجاري أو المياه الصناعية في مشاكل صحية خطيرة ، لأن المياه الجوفية يمكن أن يستخدمها البشر لأغراض الشرب ولأغراض أخرى في بعض المناطق. ومن المرجح أن تكون المعادن الثقيلة هي المشكلة المائية الأكثر شيوعًا التي يواجهها المستهلكون. تسبب المعادن الثقيلة (مثل الزرنيخ والزنك والحديد والمنجنيز والألمنيوم والكادميوم والرصاص وما إلى ذلك) العديد من المشاكل الصحية إذا وجدت في مياه الشرب بتركيزات أعلى من المسموح به.

تقنية النانو

ظهرت تقنية النانو لأول مرة منذ ملايين السنين حيث بدأت الجزيئات بالترتيب في أشكال وهياكل معقدة أطلقت الحياة على الأرض. ومن الجدير بالذكر أن المواد في المقياس النانوي لها خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية مختلفة عن خصائص الحجم الطبيعي.ويمكن تعريف المواد النانوية كمواد أصغر من 100 نانومتر في بعد واحد على الأقل. في هذا المقياس ، تحتوي المواد بشكل منتظم على خصائص جديدة تعتمد على الحجم تختلف عن نطاقها الكبير.

خواص المواد النانومترية:

استخدام تقنية النانو في  معالجة المواقع الملوثة أثبت جدارة ، وتوفير الوقت وتقليل تركيز الملوثات إلى الحد الأدنى من المستويات المسموحة. تشير التطورات في العلوم النانوية إلى أن العديد من المشاكل الحالية المتعلقة بجودة المياه يمكن حلها أو تجنبها باستخدام مواد متناهية الصغر ، مثل المواد الممتزات النانوية ، أو الجسيمات النانوية النشطة بيولوجيًا ، أو الأغشية الحفزية النانومترية ، أو مساحيق النانو ، أو الأنابيب النانوية ، أو الجسيمات النانوية المغناطيسية ، أو أجهزة الاستشعار النانوية. المواد النانوية هي الجهات الرئيسية التي تعد بالكثير من المزايا من خلال تطبيقاتها النانوية في مجالات متعددة. وقد استخدمت المواد النانوية في العديد من التطبيقات البيئية مثل معالجة المياه الملوثة للشرب والزراعة والتطبيقات الحديثة أكثر من الوسائل التقليدية. وقد قدم التطور المتسارع في بحوث تكنولوجيا النانو استراتيجيات جديدة في مجال المعالجة البيئية.

بعض هذه التطبيقات تستخدم خصائص المواد النانوية التي ترتبط بمساحة سطحها العالية ، ومثل الذوبان السريع ، التفاعل العالي ، والامتصاص القوي. ويستفيد آخرون من خصائصهم المتقطعة ، مثل رنين البلازمون السطحي الموضعي(SPR) ، والتأثير الكمي. معظم التطبيقات التي نوقشت في هذه المقالة لا تزال في مرحلة البحث والتطوير.

جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية

جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية ، التي تسمى أيضًا ثاني أكسيد التيتانيوم المتناهية الصغر ، هي جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم  وبأقطار أقل من 100 نانومتر. وتستخدم جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم متناهية الصغر في واقيات الشمس بسبب قدرته على منع الأشعة فوق البنفسجية مع الحفاظ على شفافية البشرة ، كما أن خصائص التعقيم الضوئي لها تجعلها مفيدة للعديد من التطبيقات.

تم العثور على جزيئات نانو TiO2 مختلفة في نسبة سطح إلى حجم ، تتغير خصائصها بحيث اكتساب القدرة التحفيزية. تنشط بواسطة عنصر الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس ، فإنها تكسر السموم أو تعزيز ردود الفعل الأخرى ذات الصلة. تمت دراسة عوامل التحفيز الضوئي لأكسيد التيتانيوم على نطاق واسع من أجل تحويل الطاقة الشمسية والتطبيقات البيئية في العقود الماضية ، وذلك بسبب ثباتها الكيميائي العالي ، ونشاطها الضوئي الجيد ، وتكلفتها المنخفضة نسبياً ، وعدم السمية.

في عملية أكسدة التحفيز الضوئي ، يتم تكسير الملوثات العضوية في وجود محفزات ضوئية لأشباه الموصلات ، أو مصدر ضوء نشيط ، أو أكسدة مثل الأكسجين أو الهواء. فقط الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من طاقة الإستثارة ΔE  يمكن أن تؤدي إلى إثارة إلكترونات نطاق التكافؤ التي تحفز لاحقًا للتفاعلات المحتملة.

 

التحفيز الضوئي

في الآونة الأخيرة ، استخدمت عمليات الأكسدة المتقدمة  (AOPs) باستخدام (TiO2) بنجاح لإزالة الملوثات السامة من مياه الصرف الصناعي. يحتوي TiO2 على ميزات فريدة تجعله حفاز ضوئي مميزللأسباب التالية :

  1. تفاعلية ضوئية عالية.
  2. النشاط التحفيزي العالي.
  3. منخفض التكلفة.
  4. الاستقرار في النظم المائية.
  5. سمية بيئية منخفضة.

آلية ازالة  الأصباغ عند استخدام التحفيز الضوئي كما يلي:

أكسدة التحفيز الضوئي (AOP) للقضاء على الملوثات والجراثيم المسببة للأمراض هي عبارة عن معالجة مسبقة للملوثات الخطرة وغير القابلة للتحلل البيولوجي لتحسين قدرتها على التحلل البيولوجي. يمكن أيضًا استخدام التحفيز الضوئي كخطوة تمهيدية لمعالجة المركبات العضوية. الحاجز الرئيسي لتطبيقه على نطاق واسع هو الحركية البطيئة ، وذلك بسبب محدودية انسيابية الضوء والنشاط التحفيزي.

جسيمات الذهب النانوية

يمكن أن يؤدي تعديل سطح جزيئات الذهب مع الأنواع الكيميائية المناسبة إلى تحسين كفاءة الفصل ، والانتقائية التحليلية ؛مما جعل الجسيمات  الذهب النانوية (AuNPs) ، تعتبر واحدة من الاختيارات الواسعة للموارد الأساسية المتاحة ، مقترنة بخصائص سطح قابلة للانضغاط في شكل غير عضوي أو ملغمات “عضوية-غير عضوية “، وقد وصفت بأنها ممتازة لمجموعة واسعة من التطبيقات البيئية وذلك بسبب:

  1. ارتفاع نسبة السطح / الحجم.
  2. سهولة تطوير السطح.
  3. طرق تحضير بسيطة.

تم استخدام جسيمات  الذهب النانوية بنجاح في:

  1. إزالة الببتيدات.
  2. إزالة البروتينات.
  3. إزالة أيونات المعادن الثقيلة.
  4. إزالة الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات

 

جسيمات الحديد النانوية صفرية التكافؤ

تم استخدام الحديد العنصري في تقنيات معالجة مختلفة للأسباب التالية:

  1. منخفضة التكلفة،
  2. سهلة التحضير والتطبيق.
  3. لاتوجد سمية للأنظمة المائية.

تعتمد فكرة استخدام المعادن مثل الحديد كتقنية معالجة على تفاعلات الأكسدة  والأختزال، حيث يقوم مانح الإلكترون المحايد (المعدن) بتقليل مستقبِل الإلكترون (أحد الملوثات) كيميائياً. تحتوي جسيمات الحديد النانوية على مساحات سطحية أكبر من المساحيق الأكبر حجمًا ، مما يؤدي إلى تعزيز التفاعل لعملية إزالة الأكسدة.

تم فحص جسيمات الحديد النانوية على نطاق واسع للعديد من التطبيقات مثل:

  1. تحلل الهيدروكربونات المهلجنة للهيدروكربونات الحميدة.
  2. علاج المعادن الثقيلة.
  3. إزالة الكلور المذيبات

يمكن أن يحدث فقد كبير في التفاعل قبل أن تتمكن الجزيئات من الوصول إلى الملوث المستهدف. بالإضافة إلى ذلك ، تميل الجسيمات النانوية للحديد صفرية التكافؤ إلى التلبد عند إضافتها إلى الماء ، مما يؤدي إلى انخفاض في المساحة السطحية الفعالة للمعادن.ولذلك ، تعتمد فعالية المعالجة على إمكانية الوصول إلى الملوثات إلى الجسيمات النانوية ، ولن تتحقق أقصى كفاءة للعلاج إلا إذا كانت الجسيمات النانوية المعدنية يمكن أن تنتقل بفعالية دون أكسدة إلى المادة الملوثة أو السطح الملوث بالماء. وللتغلب على هذه الصعوبات ، تتمثل الإستراتيجية المستخدمة في دمج جسيمات الحديد النانوية مع مواد مثل البوليمرات ، والكربون المسامي ، والبولي إلكتروليت.

 

وأخيرًا ، تعتمد تقنية النانو المستخدمة في معالجة المياه والصرف الصحي على الخواص الفريدة للمواد النانوية ، كما أن تقاربها مع تقنيات المعالجة الحالية تقدم فرصًا كبيرة لإحداث ثورة في معالجة المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي. أظهرت تقنية النانو إمكانية هائلة في تقنيات معالجة المياه. وقد أدى التطور الأخير في تكنولوجيا النانو إلى زيادة إمكانية التطهير البيئي من خلال العديد من المواد النانوية.

ويمكن مناقشة تطبيق آخر من المواد النانوية في مجال معالجة المياه في مقال أخرى.

 

 

References

Abhijith, K.S., and Thakur, M.S. Analytical Methods, 2012, 4, 4250–4256.

Cao, G.Z. Nanostructures and Nanomaterials, Synthesis, Properties and Application, Imperial College Press,

London, 329, 2004.

Chae, H.K., Perez, D.Y.S., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A.J., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. A route

to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature, 2004, 427, 523–525.

Chen, L., Lou, T., Yu, C., and Kang, Q. N-1-(2-mercaptoethyl)thymine modification of gold nanoparticles: A highly selective and sensitive colorimetric chemosensor for Hg

. Analyst, 2011, 136, 4770–4773.

Chun, C.L., Penn, R.L., and Arnold, W.A. Environmental Science and Technology 2006, 40, 3299–3304.

Cloete, T.E., Kwaadsteniet, M.D., Botes, M., and Lopez-Romero, J.M., Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, Wymondham, UK, 2010.

Elimelech, M., and Phillip, W.A. The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment. Science, 2011, 333, 712.Eshel, K. British Medical Journal, 2007, 334, 610–616.

Furukawa, H., Cordova, K.E., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science, 2013, 341, 1230–1234.

Guzman, K.A.D., Taylor, M.R., and Banfield, J.F. Environmental Science and Technology, 2006, 40, 1401–1407.

Hang, Y., Qin, Y., and Shen, J. Separation and microcolumn preconcentration of traces of rare earth elements on nanoscale TiO2 and their determination in geological samples by ICP-AES, Journal of SeparationScience, 2003, 26, 957–960.

Harada, M. Minamata disease: Methylmercury poisoning in Japan caused by environmental pollution. Critical Reviews in Toxicology, 1995, 25, 1–24.

Hidaka, H., Jou, H., Nohara, K., and Zhao, J. Photocatalytic degradation of the hydrophobic pesticidePermethrin in fluoro surfactant/TiO2 aqueous dispersions. Chemosphere, 1992, 25, 1589–1597

ACTIVATED CARBON PRODUCTION & APPLICATIONS

ACTIVATED CARBON PRODUCTION & APPLICATIONS

What is activated Carbon?

Activated carbon is a form of carbon that has been treated to make it extremely porous and thus to have a very large surface area available for adsorption and chemical reactions. It is usually derived from charcoal (also called active carbon, activated charcoal, or activated coal).1

Importance of activated carbon:

Activated carbons are considered to be the most successful adsorbent materials due to:

  • High adsorption capacity for pollutants, e.g. dyes, heavy metals, pharmaceuticals, phenols.
  • They possess large surface area.
  • They possess different surface functional groups, which include carboxyl, carbonyl, phenol, quinone, lactone and other groups bound to the edges of the graphite-like layers.

So that, they are considered as good adsorbents both in liquid and gas phases.2

The most widely used carbonaceous resources for the manufacturing of activated carbons are coal, wood and coconut shell. These types of origins are quite expensive and often imported, in many countries; later making it necessary, for developing countries, to find a cheap and available source for the preparation of activated carbon.3

Surface area of activated carbon:

It is treated physically or chemically to generate microfissures that hugely rise its adsorptive surface area. The great surface area (between 500 and 1500 m2/g) and electrical charge successfully adsorb a wide range of polar combinations, particularly phenols and their derivatives.4

Examples of Activate Carbon Applications:

  • Drinking water purification
  • Wastewater treatment.
  • Glycerin manufacturing.
  • Dye removal
  • Decolorize wine.
  • Odor control systems.5

Deodorizing carbons are valuable in removing mercaptan off-odors, but may also remove desired flavor compounds. Activated carbon may also give the treated wine an atypical odor.6

Additionally, activated carbon has an oxidizing assets. Although this can be valuable, trials using small wine samples are vital to avoiding undesirable, unexpected effects.7

Alternative sources:

To reduce the production cost of activated carbons, some green by products are lately suggested like:8

  1. Olive-waste cakes 9
  2. Cattle-manue compost.10
  3. Bamboo materials.11
  4. Apple pulp.12
  5. Potato peel. 13
  6. Banana peel.14

Environmental pollution:

Environmental pollution can be defined as the contamination of the physical and biological components of the earth/atmosphere system to such a normal level of environmental processes are badly affected. The presence of contaminants into the environment lead to harm to humans or other living organisms.

Environmental pollution is categorized in three main groups:

  • Air pollution.
  • Water pollution.
  • Soil pollution.8

lignocellulosic bio-mass

Biomass derived from plants, called lignocellulosic bio-mass, is the richest and bio-renewable bio-mass on earth. The major components of woody plants, as well as grasses and agricultural residues are:

three structural polymers:

  • Lignin (10–25%),
  • Hemicellulose (20–30%)
  • Cellulose (40– 50%).

non-structural components such as:

  • proteins,
  • chlorophylls,
  • ash,
  • waxes,
  • tannins (in the case of wood)
  • and pectin (in most of fibers). 8

Specifically, lignocellulosic wastes are a low cost natural carbon source for the production of various materials including activated carbon.

The lignin is considered to be the main sponsor for activated carbons production, properties such as the mean pore size versus the specific porous volume are achieved by all originator’s components whatever is its weight input.

Activated Carbons Production:

The production of activated carbons from lignocellulosic materials is a two stage process:

  1. Carbonization at low temperatures (700–800 K), in the absence of oxygen, to eliminate volatile materials.
  2. Subsequent activation at higher temperatures (1100–1300 K) to increase the porosity and the surface area of the solid.8

Activation Process:

The process of activation can be carried out through different ways:

  • Chemical activation using chemicals such as (KOH, H3PO4, ZnCl2.
  • Physical / Thermal activation using CO, air or water vapor.
  • Previous two methods combined.8

Advantage of physical activation:

  • Low-cost process with a lower environmental impact.15

Advantage of chemical activation:

  • Porosity improvement (adsorption capacity) of the final material.15

Diagram for activated carbon production:

 

Source: http://www.acarbons.com/activated-carbon-manufacture-steam-activation/

Source : https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/gc/c6gc03206k

Source: https://rbpaonline.com/activated-carbon-process-flow-chart/high-surface-area-oxygenenriched-activated-carbon-synthesized/

Pre-treatment process of biomass should follow the following criteria: 8

  1. Low energy and resource consumption.
  2. Low water and chemical consumption.
  3. Low operation risk and safe to operate.
  4. Cost effective
  5. Eco-friendly.

Optimized manufacturing processes allow the production of materials with surface areas ranging up to 3000 m2g-1 and pore volumes of up to 1.8 cm3g-1, bringing about an immense diversity of applications.16

The challenge is to develop adsorbents which are not only cost effective and environmentally friendly, but also have high efficiency, selectivity and regeneration δ rate and cycles. 8

Factors affecting activated carbon properties:

The preparation conditions of carbonaceous materials affect the physicochemical properties of the produced material such as:

  • Surface area.
  • Pore size distribution.

Another critical factor is physicochemical properties of the origin itself; depending on:

  • Weather conditions.
  • Harvesting methods.
  • The season that it is collected.
  • Initial moisture and oxygen content.
  • Derived components fraction of cellulose, hemicellulose and lignin.8

By/ Ahmed Hasham

        M.Sc. Env. Analytical Chemistry

      Ahmedhasha83@outlook.com

        ORCID: 0000-0002-0202-6664

 

References

  • Pierson, H. O. (2012).Handbook of carbon, graphite, diamonds and fullerenes: processing, properties and applications. William Andrew.
  • Pan, B., Pan, B., Zhang, W., Lv, L., Zhang, Q., & Zheng, S. (2009). Development of polymeric and polymer-based hybrid adsorbents for pollutants removal from waters.Chemical Engineering Journal151(1-3), 19-29.
  • Emrich, W. (2013).Handbook of charcoal making: The traditional and industrial methods (Vol. 7). Springer Science & Business Media.
  • Kalderis, D., Bethanis, S., Paraskeva, P., & Diamadopoulos, E. (2008). Production of activated carbon from bagasse and rice husk by a single-stage chemical activation method at low retention times.Bioresource technology99(15), 6809-6816.
  • Hiltzik, Laurence, Edward Tolles, and David Walker. “Coated activated carbon for contaminant removal from a fluid stream.” U.S. Patent Application 10/929,845, filed February 17, 2005.
  • Bhatnagar, A., Hogland, W., Marques, M., & Sillanpää, M. (2013). An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applications.Chemical Engineering Journal219, 499-511.
  • Olivares-Marín, M., Del Prete, V., Garcia-Moruno, E., Fernández-González, C., Macías-García, A., & Gómez-Serrano, V. (2009). The development of an activated carbon from cherry stones and its use in the removal of ochratoxin A from red wine.Food Control20(3), 298-303.
  • Crini, G., & Lichtfouse, E. Green Adsorbents for Pollutant Removal.
  • Baccar, R., Bouzid, J., Feki, M., & Montiel, A. (2009). Preparation of activated carbon from Tunisian olive-waste cakes and its application for adsorption of heavy metal ions.Journal of Hazardous Materials,162(2-3), 1522-1529.
  • Kosheleva, R., Mitropoulos, A. C., & Kyzas, G. Z. (2018). Activated Carbon from Food Waste. InGreen Adsorbents for Pollutant Removal (pp. 159-182). Springer, Cham.
  • Hameed, B. H., Din, A. M., & Ahmad, A. L. (2007). Adsorption of methylene blue onto bamboo-based activated carbon: kinetics and equilibrium studies.Journal of hazardous materials141(3), 819-825.
  • Srinivasakannan, C., & Bakar, M. Z. A. (2004). Production of activated carbon from rubber wood sawdust.Biomass and Bioenergy27(1), 89-96.
  • Moreno-Piraján, J. C., & Giraldo, L. (2011). Activated carbon obtained by pyrolysis of potato peel for the removal of heavy metal copper (II) from aqueous solutions.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis90(1), 42-47.
  • Mopoung, S. (2008). Surface image of charcoal and activated charcoal from banana peel.Journal of Microscopy Society of Thailand22, 15-19.
  • Maciá-Agulló, J. A., Moore, B. C., Cazorla-Amorós, D., & Linares-Solano, A. (2004). Activation of coal tar pitch carbon fibres: Physical activation vs. chemical activation.Carbon,42(7), 1367-1370.
  • Leimkuehler, E. P. (2010).Production, characterization, and applications of activated carbon (Doctoral dissertation, University of Missouri–Columbia).

Heavy metals removal using modified leaves biomass

Heavy metals removal using modified leaves biomass

By: Ahmed Hasham

M.Sc. Env. Analytical Chemistry

Introduction:

Continuous industrial development has resulted in raised levels of toxic heavy metals. This has been entangled, almost everywhere, in most industrial applications involving leakage and redistribution of heavy metals, such as metallurgy, iron and steel, electroplating, leather working etc. Wastewater produced from these industrial activities affect the environment, the human health and ecosystem.1

The heavy metals, such as Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn, etc. must be removed from water to avoid the harmful effect on the environment and human health.

Many methods have been applied for removing metal ions from aqueous solution generally depending on physical, chemical, and biological technologies.2

Most of these are ineffective or excessively expensive when the metal concentrations are less than 100 mg/L.

For example, some of these treatment methods will be very costly, especially when treating large amounts of wastewater, so it is became necessary to found an cheap, effective and eco- friendly method to remove heavy metals from water.4

Researches on biosorption focus on the biosorbents, the biosorption mechanism, and large-scale experiments. Although many biological materials can bind heavy metals, only those with sufficiently high metal-binding capacity and selectivity for heavy metals are suitable for use in a full-scale biosorption process. 5

 Raw leaves as Biosorbents:

Leaf adsorbents are among the most studied biosorbents for the removal of metal ions, because leaves are considered as adsorbents because it is:

  • Available,
  • Cheap
  • Eco- friendly materials
  • The high sorption capacity.6

 But, it has been often ignored because it has:

  • Low mechanical strength.

So that it must be modified to be avoid this advantage.7

What is the mechanism of metal removal using leaves?

The leaves containing functional groups such as carboxyl, amine, amide, methyl groups and hydroxyl groups which considered the major groups responsible for the biosorption process.8

The pH of the aqueous solution has been considered the most important parameter controlling the metal adsorption by adsorbents. The pH can affect the form and the quantity of metal ions in water and the form and quantity of an adsorbent’s surface sites. In general, the removal of metal cations due to the well-known competition between H ions and metal ions in the solution.9

Modified Leaf Biomass as Heavy Metal Biosorbents:

 Methods of surface modification:

 The main goal of surface modification is to improve the biosorption efficiency. The greatest valuable and widely studied surface modification of leaf biomass is the chemical modification. 10

Advantage of surface chemical modification:

  • Low cost
  • Procedure is very easy.
  • It is a one-step process in the most of the cases.

 

  • Classification of surface modification and its aims 6

 The use of each modification method aims to a specific effect like to improve the chemical surface heterogeneity, increase the number and spreading of the functional groups available for mandatory with the metal and/or alter the surface morphology; thus the useful pretreatment method should be chosen according to the targeted metal ion.11

Maximum adsorbent capacity an increased with the increase in temperature this is due to the increase in the number of available active sites on the adsorbent.12

معالجة
leafs, water, adsorption

 The most important factor affected the adsorption performance is the particle size of the biomass powder.

 Two different approaches during the developing of the raw biomass was followed:

  • To control the particle size of the biomass in a specific range by sieving. The most commonly range was between 250 and 500 μm. 13
  • The second one is to collect and use the powder of less than a specific maximum in size value. Different maximum particle sizes were reported, such as 500,180, 100, or even 80 μm.6

Regeneration of biosorbents

The reusability of biosorbents offer an economic benefit and is preferred for the practical and profitable usefulness in wastewater treatment processes. Numerous studies have been done for regeneration and reuse of modified leaf biomass after metal adsorption.8

 Desorption studies also help to control the biosorption mechanisms such as ion exchange, complexation and physisorption. The most common eluents used are diluted HCl, NaOH, HNO, and EDTA solutions, usually in concentration up to0.1 mol/L.6

The contact of biosorbents in acidic conditions due to strong desorption agents such as HCl, can affect the biomass rigidity due to biomass degradation and decrease of binding sites number.6,8

References:

 Sun, J., Ji, Y., Cai, F., & Li, J. (2012). Heavy Metal Removal Through Biosorptive Pathways. In Advances in Water Treatment and Pollution Prevention (pp. 95-145). Springer, Dordrecht. ‏

Barakat, M. A. (2011). New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arabian journal of chemistry, 4(4), 361-377.‏

Fu, F., & Wang, Q. (2011). Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review. Journal of environmental management, 92(3), 407-418.‏

Garg, V. K., Gupta, R., Kumar, R., & Gupta, R. K. (2004). Adsorption of chromium from aqueous solution on treated sawdust. Bioresource technology, 92(1), 79-81.‏

Volesky, B. (1990). Removal and recovery of heavy metals by biosorption. Biosorption of heavy metals, 7-43.‏

Kyzas, G. Z., & Kostoglou, M. (2014). Green adsorbents for wastewaters: a critical review. Materials, 7(1), 333-364.‏

Crini, G., & Lichtfouse, E. (Eds.). (2018). Green Adsorbents for Pollutant Removal: Innovative materials (Vol. 19). Springer.‏

Ngah, W. W., & Hanafiah, M. A. K. M. (2008). Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: a review. Bioresource technology, 99(10), 3935-3948.‏

Larous, S., Meniai, A. H., & Lehocine, M. B. (2005). Experimental study of the removal of copper from aqueous solutions by adsorption using sawdust. Desalination, 185(1-3), 483-490.‏

Bai, R. S., & Abraham, T. E. (2002). Studies on enhancement of Cr (VI) biosorption by chemically modified biomass of Rhizopus nigricans. Water Research, 36(5), 1224-1236.‏

Wang, J., & Chen, C. (2009). Biosorbents for heavy metals removal and their future. Biotechnology advances, 27(2), 195-226.‏

Babel, S., & Kurniawan, T. A. (2003). Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review. Journal of hazardous materials, 97(1-3), 219-243.‏

Volesky, B. (1990). Removal and recovery of heavy metals by biosorption. Biosorption of heavy metals, 7-43.‏

الكربون النشط

كربون
كربون
الكربون النشط

الكربون النشط هو شكل من أشكال الكربون الذي تم معالجته لجعله مساميًا للغاية ، وبالتالي يكون لديه مساحة كبيرة جدًا متاحة للادمصاص والتفاعلات الكيميائية.

أهمية الكربون النشط:

يعتبر الكربون النشط أنجح المواد الممتزة بسبب:

  • قدرتة العالية علي الامتزاز للملوثات مثل الأصباغ ، المعادن الثقيلة ، المستحضرات الدوائية والفينولات.
  • مساحة السطح الكبيرة.
  • المجموعات الوظيفية المختلفة علي السطح، والتي تشمل الكربوكسيل والكربونيل والفينول والكوينون واللاكتون والمجموعات الأخرى المرتبطة بحواف طبقات الجرافيت.

لذلك ، فهو يعتبر من الممتزات الجيدة سواء للملوثات السائلة أوالغازية. الموارد الكربونية الأكثر استخدامًا لتصنيع الكربون النشط هي الفحم والخشب وقشرة جوز الهند. هذه الأنواع من الموارد باهظة التكاليف وغالبا ما تستورد في العديد من البلدان ؛ مما يجعل من الضروري ، بالنسبة للبلدان النامية ، إيجاد مصدر رخيص ومتاح لإنتاج الكربون النشط .

المساحة السطحية للكربون النشط:

يتم علاجها فيزيائياً أو كيميائيا لتوليد microfissures التي ترفع بشكل كبير مساحة سطح الامتزاز. المساحة السطحية الكبيرة (بين 500 و 1500 م 2 / جم) والشحنة الكهربائية تمتز بنجاح مجموعة واسعة من المركبات القطبية ، خاصة الفينولات ومشتقاتها.

أمثلة لتفعيل تطبيقات الكربون:

  • تنقية مياه الشرب.
  • معالجة مياه الصرف الصحي.
  • تصنيع الجليسرين.
  • إزالة الصبغة.
  • يزيل اللون النبيذ.
  • نظم إزالة الرائحة.

تعد أنظمة إزالة الروائح بإستخدام الكربون النشط ذات قيمة كبيرة، ولكنها قد تؤدي أيضًا إلى إزالة مركبات النكهة المطلوبة.

مصادر بديلة:

لتقليل تكلفة إنتاج الكربون النشط ، اقترحت بعض المنتجات الخضراء في الآونة الأخيرة مثل: 8

  • قشر البطاطا
  • قشر الموز
  • قشر الرمان
  • أوراق الأشجار

التلوث البيئي:

يمكن تعريف التلوث البيئي حيث أن تلوث المكونات الفيزيائية والبيولوجية لنظام الأرض / الغلاف الجوي إلى هذا المستوى الطبيعي من العمليات البيئية يتأثر بشدة. يؤدي وجود الملوثات في البيئة إلى الإضرار بالبشر أو الكائنات الحية الأخرى. ويتم تصنيف التلوث البيئي إلي ثلاث مجموعات رئيسية:

  • تلوث الهواء.
  • تلوث المياه.
  • تلوث التربة

الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوزية:

إن الكتلة الحيوية المشتقة من النباتات ، والتي تسمى الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوزية ، هي الكتلة الحيوية المتجددة على الأرض. المكونات الرئيسية للنباتات الخشبية ، وكذلك الأعشاب والبقايا الزراعية هي:

ثلاث بوليمرات :

  • اللجنين (10-25 ٪) ،
  • هميسيلوز (20-30 ٪)
  • السليلوز (40-50 ٪).

بالإضافة إلي : البروتينات والكلوروفيل والرماد والشموع والتانينات (في حالة الخشب) والبكتين (في معظم الألياف).

على وجه التحديد ، تعتبر المخلفات الليجنوسيلولوزية مصدر الكربون الطبيعي منخفضة التكلفة لإنتاج مواد مختلفة بما في ذلك الكربون النشط.ويعتبر اللجنين هو المصدر الرئيسي لإنتاج الكربون النشط ، ويتم تحقيق خصائص مثل حجم المسام المتوسط ​​مقابل الحجم المسامي المحدد من قبل جميع مكونات المنشئ مهما كان وزنه.

إنتاج الكربون النشط:

إنتاج الكربون النشط من مواد lignocellulosic في مرحلتين:

  1. الكربنة في درجات حرارة منخفضة (700-800 كلفن) ، في غياب الأكسجين ، للقضاء على المواد المتطايرة.
  2. التنشيط اللاحق في درجات حرارة أعلى (1100-1300 كلفن) لزيادة المسامية ومساحة سطح المادة الصلبة.

عملية التنشيط:

يمكن إجراء عملية التنشيط بطرق مختلفة:

  • التنشيط الكيميائي باستخدام المواد الكيميائية مثل (KOH ، H3PO4 ، ZnCl2)
  • التنشيط الفيزيائي / الحراري باستخدام أول أكسيد الكربون أو الهواء أو بخار الماء.
  • الطريقة الثالثة تجمع بين الطريقتين السابقتين.

مزايا التنشيط الحراري الفيزيائي:

  • عملية منخفضة التكلفة مع انخفاض الأثر البيئي

مزايا التنشيط الكيميائي:

  • تحسين المسامية (قدرة الامتزاز) للمادة النهائية

العوامل المؤثرة على خواص الكربون المنشط:

تؤثر شروط تحضير المواد الكربونية على الخواص الفيزيائية الكيميائية للمواد المنتجة مثل:

  • مساحة السطح.
  • توزيع حجم المسام.

عامل مهم آخر هو الخصائص الفيزيائية الكيميائية للمنشأ نفسه ؛ اعتمادا علي:

  • احوال الطقس.
  • طرق الحصاد.
  • الموسم الذي تم جمعها فيه.
  • الرطوبة الأولية ومحتوى الأوكسجين.
  • مكوناته من السليلوز ، هيميسيلولوز والليجنين.

 

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية بيئية