التحاليل المهمة في معامل الصرف الصحي

يلزم تحليل مياه الصرف الصحي للتعرف على خصائص المياه ومن ثم وضع تصاميم المحطة بناءً على هذه الخصائص ويستفاد أيضاً من التحاليل معرفة مدي مطابقة هذه المياه للمواصفات القياسية وأيضاً تحديد كفاءة عملية المعالجة، ومن اهم هذه التحاليل ما يلي:

أولاً التحاليل الفيزيائية والكيميائية:

*-المتطلب البيولوجي للأكسجين (BOD):

وهو كمية الاكسجين المستهلكة بواسطة البكتريا لتحليل المواد العضوية الكربونية الموجودة في الماء وذلك عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ولمدة خمسة ايام وذلك مع توفير المغذيات الازمة للبكتريا ومحلول منظم لدرجة الحموضة او الاس الهيدروجيني PH ويجب اجراء هذا الاختبار مره واحده أسبوعيا.

*-الاكسجين الذائب (DO):

يلزم الاكسجين الذائب لأكسدة المواد العضوية الكربونية وتحويلها الي مركبات أولية ثابتة. .Organic + O2→ CO2+H2O + new cells وأيضا في تحويل الامونيا السامة الي نيتريت وذلك بواسطة بكتريا Nitrosomonas)  (ثم تحويل النيتريت الوسيط الي نترات بواسطة بكتريا Nitrobacter) ( ، وتسمي عمليه تحويل الامونيا لنيتريت ثم الي نترات بالنترجة او (Nitrification)  ويلزم معرفة الاكسجين الذائب بأحواض التهوية ويجب ان يكون من  2-3 مليجرام / ليتر وذلك حتي تتم المعالجة البيولوجية وعدم تكاثر البكتريا الخيطية ، ويمكن تعيين الاكسجين بواسطة الأجهزة (Membrane Electrode Method )      ( شكل 1 ) وهذه طريقة سهله ومباشره ، ويتم تعينه أيضا بطريقة  Winkler method titration) )  ويلزم هذه الاختبار أيضا في تعيين المتطلب البيولوجي ( BOD ) ، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا .

*-المتطلب الكيميائي للأكسجين (COD):

وهو كمية الاكسجين المستهلكة لتحليل او اكسدة المواد العضوية الكربونية سواء اكانت قابلة للتحلل البيولوجي أم لا وذلك بواسطة عامل مؤكسد قوي مثل تنائي كرومات البوتاسيوم، وهذا الاختبار يعبر ايضا عن مدي تلوث المياه ولكن يمتاز هذا الاختبار عن المتطلب البيولوجي للأكسجين بالسرعة حيث يستغرق الاختبار ساعتين فقط ويكون المتطلب الكيميائي أكبر بمرةٍ ونصف او مرتين من المتطلب البيولوجي وذلك بالنسبة لمياه الصرف الصحي، ويتم اجراء هذا الاختبار مرتين في الأسبوع.

*-نسبة المواد العالقة (S.S):

يتم تعيين هذا الاختبار عن طريق ترشيح حجم معين من الماء ثم تجفيفها عند 105 درجة مئوية حتى ثبات الوزن وحساب ما يحتويه اللتر من مواد عالقة، ويرجع اهمية هذا الاختبار ليوضح لنا ما تحتويه المياه من ملوثات وأيضا يوضح لنا كفاءة عملية المعالجة وعملية الترسيب ومعرفة مدي مطابقة هذه المياه للمواصفات القياسية، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-نيتروجين الأمونيا (N-NH3 ):

تعد الأمونيا من المركبات النيتروجينية الشديدة السمية للأحياء المائية، ومصدر هذه الأمونيا هو من تحلل النيتروجين العضوي واليوريا الموجودة في مياه الصرف الصحي وذلك في ظروف لا هوائية، وأهمية هذا الاختبار هو معرفة مدي كفاءة عملية المعالجة ومدي مطابقة المياه للمواصفات القياسية ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-نيتروجين النترات (N-NO3):

يرجع أهمية هذا الاختبار الي معرفة مدي مطابقة المياه للمواصفات القياسية وأيضا في تفسير بعض مشاكل عملية المعالجة حيث تؤدي الزيادة في نيتروجين النترات الي طفو الحمأة من قاع تانك الترسيب الي السطح وذلك بسبب تحول النترات الي غاز النيتروجين فتتسبب فقاعات غاز النيتروجين في صعود الحمأة وزيادة نسبة المواد العالقة وبالتالي تقل كفاءة المعالجة، ويتم اجراء هذا الاختبار مره او مرتين في الاسبوع.

*-الكلور الحر:

دور الكلور في المياه هو التعقيم وقتل البكتريا والفيروسات ومسببات الأمراض وكذلك اكسدة المواد العضوية، ويجب ألا يقل نسبة الكلور الحر في الماء عند 0.5 جزء في المليون وذلك بعد فترة تلامس 30 دقيقة، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-نيتروجين كلداهل الكلي (TKN):

وهو مجموع النيتروجين العضوي ونيتروجين الأمونيا، ويتم اجراء هذا الاختبار مرة أسبوعيا.

*-قيمة الأس الهيدروجيني (PH):

يلزم قياس الأس الهيدروجيني للمياه الخام حيث يكون المدي المناسب للمعالجة البيولوجية هو (6.5 – 8.5) وأي تغير في هذه القيمة يؤدي الي قلة نشاط البكتريا وقلة كفاءة المعالجة، وان لم يكن قيمة الأس الهيدروجيني في هذا المجال فيكون المياه الداخلة للمحطة تحتوي على صرف صناعي ولابد من ايجاد هذا الصرف ومنعه من الصرف على شبكة الصرف الصحي، ويتم تعيين قيمة ال PH بواسطة Electrometric Method

او  ) PH meter شكل 2 )

ويتم أجراء هذا الاختبار يوميا للمياه الخام وداخل احواض التهوية والمياه المعالجة.

*-المواد العالقة في السائل المخلوط (MLSS)

وهي تعيين نسبة الحمأة الموجودة في أحواض التهوية ونظام المعالجة ويستفاد من هذا الاختبار معرفة كمية الحمأة اللازم ازالتها من النظام، ويتم هذا الاختبار بترشيح حجم معيين من سائل أحواض التهوية وتجفيفه عند درجة حرارة 105 درجة مئوية حتى ثبات الوزن ومن ثم معرفة ما يحتويه اللتر وأيضا ما يحتويه النظام من كمية حمأة، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-المواد العالقة الطيارة في السائل المخلوط (MLVSS):

وهي تمثل تركيز البكتريا في الوحدة البيولوجية ويستدل منها على نشاط الحمأة وعادة ما تكون نسبتها من 70 – 80 % من قيمة المواد العالقة في السائل المخلوط، ويتم هذا الاختبار بحرق ورقة الترشيح وما تحتويه من مواد عالقة في السائل المخلوط بعد ان تجف ومعلومية الوزن الجاف ويتم حرقها في فرن حرق عند 550 درجة مئوية الي ان يثبت الوزن وبذلك يتم تحديد هذه النسبة، ويستفاد من هذا الاختبار في تعيين معامل الغذاء الي الكائنات الحية F/M))، ويتم اجراء هذا الاختبار مره او أكثر أسبوعيا.

*-وهناك ايضا بعض التجارب المهمة مثل تعيين القاعدية ، الكلوريدات وتعيين نسبة المواد الصلبة الكلية (TDS).

ثانياً التحاليل البيولوجية :

*-العدد الاكثر احتمالاً لبكتريا القولون الكلية (MPN):

ويلزم هذا الاختبار لمعرفة مدي كفاءة عملية التعقيم ومدي مطابقة المياه  للمواصفات القياسية ، ويتم هذا الاختبار بزرع عدد معين من الأنابيب ذات التخفيفات المتتالية في بيئة خاصة لتمييز ونمو بكتريا القولون مثل  بيئة ليوريل تريبتوز Lauryl TryptoseBroth))او  بيئة ماكونكيMacConkey Broth) ) (شكل 3) ، وتحضين هذه الانابيب والتي تحتوي علي انابيب درهام مقلوبة عند درجة 35 – 37 درجة مئوية لمدة 24 ساعة وكشف الانابيب التي تحتوي علي فقاعات غاز وهذه الأنابيب تكون موجبة الاختبار اما باقي الانابيب فتترك لفتره 24 ساعة اخري للتأكيد ثم فحصها مرة اخري ويتم حصر هذه الانابيب وعدها ثم مقارنتها مع جدول العدد الاكثر احتمالا ، ويتم اجراء هذا الاختبار مرة واحدة أسبوعيا علي الاقل .

 

 

مهندس معالجة وكيميائي وأخصائي ميكروبيولوجي  :

السيد عبد الحميد علي

العمل الحالي مدير محطة معالجة الصرف الصحي ومدير مختبر مياه الشرب والصرف الصحي _ وزارة الكهرباء والمياه _ المملكة العربية السعودية _ محافظة الخفجي .

 

 

atomic absorption جهاز الامتصاص الذرى

معظم الصناعات فى وسط البيئة تكون احيانا مواد كيميائية او بتروكيماويات او مواد صيدلانية او جيولوجيا  ولكى تتم هذه الصناعات لا بد وان يتم  معرفة تركيز العناصر وذلك بعمل تحاليل على كثي  من العينات  ولهذا لا بد من اختيار طريقة مناسبة للتحاليل فى المعامل وذلك باستخدام تقنية مناسبة وجهاز مناسب مثل  استخدام

  • AA Flam and Graphit furnace atomic absorption (AA) spectroscopy,
  • Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES)
  • Inductively coupled plasma mass, spectrometry (ICP-MS).

الاختيار المناسب يتطلب فهم اساسى عن كل تقنية جهاز وقدرته وحدوده وكذلك معرفة متطلبات المعمل  ونطاق العمل وعينة الانتاج وجودة البيانات

 

1-Flam and Graphit furnace atomic absorption (AA) spectroscopy

 

فى الحقيقة  هو ليست تقنية واحدة بل ثلاث تقنيات

  • atomic absorption
  • atomic emission
  • atomic fluorescence

الاكثر استخداما

 

atomic absorption and atomic emission (AE)

 

  • atomic absorption

هى عملية تحدث عندما تمتص الذرة وهى فى الحالة الطبيعية طاقة  فى صورة ضوء عند طول موجى معين فتتحول الى الحالة المثارة – كيمة االطاقة الضوئية الممتصة عند هذا الطول الموجى  سوف تزيد اذا زادت عدد ذرات العناصر المختارة فى  المسار الضوئى وتكون هناك علاقة بين  كمية الضوء الممتصة  وتركيز الماد فكمية الضوء تعبر عن تركيز المادة

 

 

مصدر ضوئى احادى اللون للحصول على طول موجى معين فى الضور لاستخدامه فى القياس( المستخدم عادة هو مصباح     –  اللمبات المختلفة تستخدم لكل  عنصر يتم تحديده  العناصر EDL  او الكترود مصباح التفريغ HCL الكاثود

 

-يمكن الجمع بين بعض العناصر وبعضها باستخدام مصباح واحد  مكتشف لقياس الضوء  بدقة- كان سيتخدم فى الماضى انابيب   المضخم كمكتشف  Soild –state

حاليا يستخدم  مكتشف الكترونيات لمعالجة اشارات البيانات وعرض البينات وابلاف النظام عند حدوث خطأ مصدر الذرة المستخدم يجب ان يحرر الذرا المراد تحليلها من العينة  , مصدر الطاقة يجب ان يسخن والاكثر شيوعا استحدام لهب

air/acetylene or  nitrous-oxide/acetylene

 

العينة يجب ان تقدم على هيئة aerosol بواسطة نظام ادخال العينة والذى يتكون من البخاخات nebulizer و غرفة تكوين الرذاذ spray chamber

يتم محاذاة رأس الموقد بحيث شعاع الضوء  يمر  من خلالها االلهب حيث يتم امتصاص الضوء

  • Graphite furnace atomic absorption (GFAA)

يكون غير فعال نسبيا لانه باخذ جزء صغير من العينة     atomic absorption فى الحود الكبيرة عندما نستخدم  لتصل اللى اللهب ويمر الضوء سريعا  على هذه العينة  ولكن هنا يتم تفتيت العينة واخذ جزء صفير ابقاء الضوء المار على العينة لفترة طويلة وايضا تعزيز حساسية هذه التقنية باستخدام التبخر الكهرحرارى

يتم استبدال  اللهب بواسطة أنبوب الجرافيت المسخنة كهربيا- العينة تقدم وتدخل مباشرة الى الانبوبة- ثم تسخينها في سلسلة من الخطوات المبرمجة لإزالة مكونات المذيبات ومكونات المخاليط الرئيسية

العينة المراد تحليلها تفتت والذرات وتبقى الذرات داخل الانبوبة حيث يمر الضوء من خلال الانبوبة  ويمتد  فترة من الوقت –نتيجة لذلك حساسية وحدود الكشف تحسنت بشكل ملحوظ

 

مميزاته

  • فترة التحليل اطول
  • تحليل عدد اقل من العناصر وبالتالى حساسيته وقدرته على تحليل عينات صغيرة جدا
  • يعين اكثر من 40 عنصر فى العينات بالميكرولتر ويكون افضل بنسبة من 100 الى 1000 بالنسبة للامتصاص الذرى عن طريق اللهب

 

Transversely heated graphite atomizer (THGA) with L’vov platform

استخدام التفتيت بواسطة تسخين  الجرافيت المستعرض

الافضل لتحقيق الشكل الحرارى

1-   وسط ثابت خلال استخدام المستعرض المطبق L’vov platform

2-  اقصى طاقة للتسخين والجهاز المعروف باسم

وظيفة اللوح المستخدم

  • يؤخر من عملية التبخر والتفتيت حتى تصل غلاف الفرن الى شروط الاتزان
  • التدفئة المستعرضة فى انبوب الجرافيت تؤدى الى توزيع درجات الحرارة جميع انحاء طول الانبوب

ليقلل من تأثير التبخر – كل الجرافيت المكون للفرن  لا بد وان تكون خاملة –طويل الامد –ذات جودة عالية وقاوة دائما لضمان جودة  التكرارية على المدى الطويل.

 

الحلقه الاولي: في تنقية مياه الصرف الصحى

The first episode in the treatment and desalination of sewage

نبدأ بمشيئة الله مع حضراتكم رحله جديدة

( لمعالجة مياه الصرف الصحى )

نبدأ الحلقه الاولي :

1-في  البدايه يجب أن نعرف أن مياه الصرف تنقسم  من حيث مكان المنشأ إلى:

  • مياه مجاري منزلية أو مياه صرف بلدية:

وهي تلك المياه المصروفة من المنازل بعد استعمالها، مثل صرف الحمامات والمطابخ والمغاسل والمراحيض. ويطلق عليها عند اختلاطها مع صرف المحلات التجارية والمباني الحكومية والتعليمية والترفيهية وما شاﺑﻬها بمياه الفضلات البلدية.

  • مياه مجاري صناعية

: وهي تلك المصروفة من المنشآت الصناعية بعد استعمالها.

2- شبكات جمع مياه الصرف

تنقسم شبكات جمع ونقل مياه الصرف إلى ثلاثة أقسام رئيسية، وذلك حسب طبيعة المياه المنقولة بداخلها، وهي:

أ. شبكات الصرف الصحي

– تتولى جمع  ونقل وتصريف مخلفات كل من المنازل والمصانع والمحلات التجارية.

ب. شبكات صرف مياه الأمطار

– تتولى جمع ونقل وتصريف مياه الأمطار من على الشوارع وأسطح

البيوت وما شابه.

ج. شبكات صرف مشتركة– تتولى جمع ونقل مياه الصرف الصحي ومياه الأمطار معًا في شبكة واحدة مشتركة.

٣ مكونات وخصائص مياه الصرف

تحتوي مياه الصرف على ما نسبته 99.9% من الماء والباقي مواد عضوية وغير عضوية تمت إضافتها للمياه نتيجة استعمالها كناقل للرواسب أو ما أضيف إليها أثناء الاستعمال،

والشكل رقم ١ يبين مكونات مياه الفضلات ونسب تركيزها ومصدر هذه الملوثات الذي يمكن أن يكون إنسانيا أو حيوانيا أونباتيا.

تشكل المواد العضوية ٧٠ % من إجمالي المواد المتواجدة في مياه الفضلات ، في حين تشكل المواد غيرالعضوية الباقي

. وتتكون المواد العضوية من مجموعة مركبات تحتوي غالبا على الكربون والأكسجين

والهيدروجين والنيتروجين، بالإضافة إلى الكبريت والفسفور والحديد أحيانًا

. ومن أهم هذه المركبات

البروتينات وتشكل ٦٥ % من إجمالي المركبات العضوية، والكربوهيدرات وتشكل ٢٥ % منها والدهون

وتشكل المتبقي منها. أما المواد غير العضوية فهي عبارة عن مركبات من الكبريتات والكلوريدات والفسفور

. والمعادن الثقيلة ( كما هو موضح بالشكل التالى شكل رقم (1)

– مكونات مياه الصرف ونسب تراكيزها ومصادرها المختلفة

وتعتبر هذه المواد، سواء العضوية أو غير العضوية المتواجدة في مياه الفضلات، ملوثات. وهي تتواجد في الماء

إما بشكل معلق أو ذائب. أما المعلق منها فمن السهل إزالته عن طريق الترسيب،

وأما الذائب منها فيصعب إزالته عن طريق الترسيب. أما المواد الذائبة عضوية كانت أو غير عضوية فإن إزالتها أكثر صعوبة،

وهناك جزء كبير من المواد العضوية قابلة للتحلل مثل مركبات السكر والكحول وغيرها وهي التي تشكل مصدرا غذائيا للبكتيريا والأحياء الدقيقة.

 

قياس درجة التلوث ومقدار المعالجة:

وهو يعتبر صلب حلقتنا اليوم وتنقسم إلي:

 

  • اختبار الطلب الكيميائي الحيوي على الأكسجين (BOD)

 

تقاس درجة التلوث وكفاءة المعالجة بواسطة إجراء فحص الطلب الكيميائي الحيوي الأقصى من الأكسجين لمياه الصرف. وهو يعرف بالاحتياج الاكسجين الحيوي كميائي وهو الاكثر شيوعا لتقدير قوة مياه صرف المدنيه او الصرف الصناعى  وأوسع تطبيقاته يكمن في  قياس حمولات الصرف  الواردة إلى محطات المعاجة وفى تقوية كفاءة أنظمة المعالجة

ويجرى هذا الفحص من أجل معرفة كمية الأكسجين القصوى التي تتطلبها (BOD)

البكتيريا الهوائية لأكسدة الملوثات العضوية القابلة للتحلل الهوائي، ومن ثم تحطيمها وتحويلها إلى نواتج غيرعضوية. ويمكن تمثيل عمل الجراثيم هذا كيميائيا بالتفاعلات التالية:

ويستغرق إجراء هذا الفحص مدة طويلة قد تتعدى العشرين يومًا، هذا فضلا عن أن هنالك عوامل عديدة

مثل الحرارة وطبيعة المياه تؤثر على نتائجه . لذا فقد اتفق العاملون في هذا الحقل على اعتماد نتيجة هذا

الاختبار بعد انقضاء خمسة أيام على إجرائه وتحت درجة حرارة مقدارها20 درجه مئوية فال(BOD  ) بتعريف اوضح هو كمية الأكسجين المستخدمة من تجمعات مختلطة من العضويات المجهرية في الأكسدة الهوائية (للمادة العضوية في عينة مياه الصرف)تحت درجة حرارة 20 درجة مئوية ضمن حاضنة هوائية او حمام مائى يوضع كأس بلاستيكى او رقاقة قصدير فوق الفوهة المتسعه لقارورة BOD  خلال الحضانه لتخفيف التبخير من مانع تسرب المياه . توضع كمية مقاسة من مياه الصرف مخففة يماء معد مسبقا في قارورات BOD  سعتها 300ملي متر ثم اشباع مياه التخفيف الحاوى على منظم من الفوسفات كبريتات الماغنسيوم ، كلوريد الكالسيوم ، كلوريد الحديديك ، بالاكسجين المذاب DO يتم زرع العضويات المجهرية لتؤكسد المواد العضوية في الصرف ، أن لم يكن عضويات مجهرية كافيىة في عينة مياه الصرف  وبهذه المعادلة:

 

 

 

 

سنجد أن التفاعل الرئيسي  و ايضا المادة العضوية إضافة الي امتصاص الاكسجين المذاب بواسطة البكتريا و وتحرير ثانى اكسيد الكربون  وإنتاج زيادة مادية بالتلوث  . ينجم التفاعل الثانوي من استعمال البكتريا المستهلكه للابتدائي ، وهو تفاعل يوصف بتفاعل المفترس والضحية (predator-prey reaction) يربط استنزاف الأكسجين المذاب في قارورة الاختبار مباشرة بكميات المادة العضوية المتحللة يتم حساب BOD لمياه صرف حيث توجد بالأساس عضويات مجهريه في عينة منها لا تتطلب أي زرع خارجى بالاختبار المعياري يتضمن فترة حضانة لمدة خمسة أيام تحت درجة حرارة 20درجه سيليزوس

 

  • اختبار الطلب الكيميائي على الأكسجين(COD)

هو اختصار ل(chemical oxygen demand)

يقيس هذا الاختبار، بالمقارنة مع اختبار الطلب الكيميائي الحيوي من الأكسجين، مقدار الأكسجين الكلي اللازم لأكسدة مختلف المواد المتواجدة في مياه الصرف، سواءً كانت عضوية أو غير عضوية

. فعلى سبيل المثال تستهلك بعض المركبات مثل مركبات المبيدات الحشرية جزءًا إضافيًا من الأكسجين على الجزء الذي تستهلكه البكتيريا الهوائية لتحلل المواد العضوية. ولذا فإن قيمة الطلب الكيميائي من الأكسجين تفوق دائما

قيمة الطلب الكيميائي الحيوي له  كما يستخدم ال(C0D) علي نطاق واسع لوصف القوة العضوية لمياه الصرف وتلوث الطبيعيه يقيس الاختبار كمية الاكسجين المطلوبه لأكسده الماده العضوية الموجوده في العينه الي ثاني اكسيد الكربون ومياه . ويتكون الجهاز المستخدم في طريقة إعادة ذوبان ديكرومات  من قاروره مزوده بمكثف وطبق تسخين ، تبدأ خطوات الاختبار بإضافة كمية معلومه من محلول ديكرومات قياسي وكاشف جمض الكبرتيك ويحوي كيريتات الفضه وحجم مقاس العينه في الدورق . يتم إعادة تذويب المزيج (تبخير ثم تكثيف ) لمدة ساعتين ، تتحطم معظم أنماط الماده العضويه ضمن هذا مزيج حمض الكبريتك والكروميك الذي في حالة غليان  بالمعادلة التي أجريت على عينة مياة الصرف والتي تهدف الي تعويض اي خطأ قد ينتج من وجود مادة عضوية اضافية في الكواشف  حيث يقسم الفرق بين كميتي الماده المعايرة المستخدمه والعينة الخلبيه وعينة مياة الصرف  على حجم العينة ويضرب بنظامية المادة المعايرة ويستخدم المضاعف 8000 للتعبير عن النتائج بالميليجرامات من الأكسجين باللتر، حيث ان لترا واحدا يحوي 1000 ميلي لتر والوزن المكافئ للأكسجين هو8.

 

 

ومن الجدير بالذكر

 

من الجدير بالذكر بأن لاتجد علاقة متجانسة بين COD  وBOD  في مياه الصرف بإستثناء أن قيمة COD يجب ان تكن أكبر من BOD  نظرا الي أن الأكسدة الكيميائية تحلل المادة العضية غير القابله  بيولوجيا لكون اختبار  BOD لاالمعياري يقيس فقط الأكسجين المستخدم في أيض المادة العضوية لمدة خمسة ايام .

ان المقارنه بين BOD  و COD لمياه  صرف معينه يمكن أن تبني عبر مقارنه إحصائية لتحاليل مخبرية متعددة . ولسوء الحظ يمكن لهذه العلاقة أت تغد غير  صالحة نتيجة تغيرات بسيطة تحدث من يوم لأخر في نوعية مياه الصرف المنزلي يفترض  أحيانا نتيجة للحاجة الي تحويل بيانات احتياج الأكسجين حتى ولو كانت دقة النتائج مدعاة تساؤل أن تكون COD مياه الصرف المذاب مساوية عدديا لقيمة BOD النهائية……

 

بقلم

د / طه جاويش 

Ph. D. Organic Medicinal and

Pharmaceutical  Chemistry.

Neutralization in wastewater treatment and waste stabilization.

NEUTRALIZATION

               Neutralization is a common practice in wastewater treatment and waste stabilization.

If a waste stream is found to be hazardous because of corrosively, neutralization is the primary treatment used. Moreover, neutralization is used as a pretreatment system before a variety of biological, chemical, and physical treatment processes. Since many chemical treatment processes, such as metal precipitation, coagulation, phosphorus precipitation, and water softening are pH dependent, the pH of these processes is adjusted to achieve maximum process efficiency. Furthermore, the pH of the effluent wastewater from different industrial activities also requires adjustment prior to its discharge into receiving water bodies. The US EPA has set pH standards for different types of water; for example, the pH range required to protect marine aquatic life is 5–9. [1]

          Neutralization is the process of adjusting the pH of water through the addition of an acid or a base, depending on the target pH and process requirements. Some processes such as boiler operations and drinking water standards need neutral water at a pH of 7.

          Water or wastewater is generally considered adequately neutralized if (1) its damage to metals, concrete, or other materials is minimal; (2) it has little effect on fish and aquatic life; (3) it has no effect on biological matter (i.e., biological treatment systems).

          In chemical industrial treatment, neutralization of excess alkalinity or acidity is often required. One of the critical items in neutralizing the water is to determine the nature of the substances that cause acidity and alkalinity. This is generally achieved in laboratory scale experiments by preparing titration curves showing the quantity of alkaline or acidic material necessary to adjust the pH of the target wastewater. The nature of titration curves obtained in these experiments is critical in determining the proper chemical type and dose. Methods used for pH adjustment should be selected on the basis of costs associated with the neutralizing agent and equipment requirements for

dispensing the agent.

      In neutralization, several parameters need to be assessed and evaluated before the actual pH adjustment is carried out. These parameters are discussed in the following sections.

  1. pH

pH is the reference indicator for neutralization. Many chemical processes, such as metal precipitation and water softening, which are involved in neutralization, are pH dependent. pH is the negative logarithm of the H+ ion activity in solution .

pH = −log{H+}

If the ionic strength of the waters is not very high (less than 0.01 M), the activity of hydrogen ions can be replaced with the molar concentration of hydrogen ions, If the ionic strength is high, correction factors using the Debye–Huckel equation or Davies equation can be commonly used [1]

       In most practical applications, the pH scale ranges from 1 to 14. In pure water and in the absence of materials other than H+ and OH, water behaves ideally and activity equals molar concentration. Under these conditions, [H+] equals [OH] as required by electroneutrality. At 25oC, the ion product of water (Kw = [H+][OH]) is 10−14.

 

        The process of neutralization is not only limited to bringing the pH to 7; it is invariably used in the processes, where pH adjustment to other than 7 is required depending on the chemical process in question. For example, some processes like biological wastewater treatment require pH to be near neutral, whereas other processes like metal precipitation require pH to be in the alkaline range. Some of the important chemical processes, where pH plays a significant role and where pH adjustment through neutralization is often required, are metal adsorption and biosorption, chemical precipitation, water softening, coagulation, water fluoridation, and water oxidation[2-3] .

 

  1. Acidity and Alkalinity

           Alkalinity is the capacity of water to neutralize acids, whereas acidity is the capacity of water to neutralize bases. The amount of acid or base to be used in the neutralization process depends upon the respective amount of acidity and alkalinity.

The most important source of both alkalinity and acidity in natural waters is from the carbonate system. However, if the wastewater comes from industrial sources, OH or H+ is also a major contributory factor to alkalinity or acidity, respectively. For example, water from acid mine drainage contains a large amount of acidity because of the presence of sulfuric acid produced from the oxidation of pyrite. Both acidity and alkalinity are expressed in terms of acid/base equivalents. In water and wastewaters where the predominant ions controlling pH are [H+], [OH], [HCO3 ], and [CO32], the forms of alkalinity encountered are hydroxide, carbonate, and bicarbonate. These three forms of alkalinity altogether constitute total alkalinity.

 

  1. Buffer Capacity

          The word “buffer” stands for the stubbornness against any change. In environmental chemistry, buffers are always defined in the context of pH.

         pH buffers are those that resist any changes in solution pH when an acid or a base is added into the solution.

          They are very important in chemical neutralization processes. Buffers generally contain a mixture of weak acid and their salts (conjugate base) or weak bases and their conjugate acid. A solution buffered at a particular pH will contain an acid that can react with an externally added base and vice versa. The overall efficiency and chemical cost of the neutralization process depend on the presence of pH buffers in wastewaters.

           In natural waters and wastewaters, the buffering capacity arises due to the presence of phosphates, carbonates, and other weak organic acids. The mineral composition of natural waters is regulated by a buffer system involving natural clay minerals such illite and kaolinite. Careful consideration should be given while neutralizing such waters. If the buffering capacity of the water or wastewater to be neutralized is not taken into account, the actual amount of neutralizing chemical required may vary widely and causes operational problems.

  1. Hardness

Hardness in waters arises from the presence of multivalent metallic cations [4]. The principal hardness-causing cations are calcium, magnesium, ferrous iron, and manganous ions. This parameter is important in water-softening processes. The part of the total hardness that is chemically equivalent to the bicarbonate plus carbonate alkalinities is called carbonate hardness. When both hardness and alkalinity are expressed in mg/L as CaCO3, these two are be related as follows:

When alkalinity < total hardness,

Carbonate hardness (in mg/L) = alkalinity (in mg/L)

When alkalinity > total hardness,

Carbonate hardness (in mg/L) = total hardness (in mg/L)

 

 

NEUTRALIZATION PRACTICES

         Neutralization can be carried out in either batch or continuous mode. In batch mode, the effluent is retained until its quality meets specifications before release. Several processes can be simultaneously carried out when the process is performed batchwise.

        Batch processes are good for small scale treatment plants or small waste volume. For large volumes, a continuous neutralization process is typically used. Figure 6 shows a typical schematic of a continuous neutralization reactor. The use of a batch neutralizing system or continuous flow system depends upon several considerations. In general, continuous flow-through systems are used when

  • Influent flow is relatively constant and sudden variations are not expected.
  • The influent flow characteristics are essentially constant.
  • Effluent chemistry is not very critical. An example is when the process is a part of multistage neutralization process.

Batch neutralization systems are used when:

  • There are large fluctuations in influent properties (i.e., flow and pH).
  • The influent wastewater contains concentrated acids or bases.
  • The effluent quality has stringent discharge limits.

     Neutralization tanks should be constructed with a corrosion-resistant material or should be lined to prevent corrosion. Addition of an acid or an alkali should be controlled by continuous pH measurement, either by withdrawing samples periodically and measuring the

pH or by installing an online pH meter that gives continuous pH readings.

  1. Neutralization of Acidity

The most widely used methods to balance acidity by adding a proper alkaline solution are outlined below (6):

  • Mixing alkaline and acidic wastes such that the net effect is nearly neutral pH.
  • Passing the acidic water through a limestone bed. This water should not contain limestone- coating substances such as metal salts or sulfuric or hydrofluoric acids.
  • Mixing acid waste with lime slurries or dolomitic slurries.
  • Supplementing acidic wastewater with proper amounts of caustic soda or soda ash (Na2CO3).

        Acidic wastes are neutralized either by adding lime alkalis or by adding sodium alkalis.

        The most commonly used lime alkalis are quicklime (CaO) and hydrated or slaked lime (Ca(OH)2) [5–6]. Sodium alkalis involve the use of caustic soda (NaOH) or soda ash (Na2CO3). Calcium and magnesium oxides are considerably less expensive than sodium alkalis and are used more widely (6). Because these oxides are moderately soluble in water, they are typically slurried. Calcium or magnesium alkalis produce more sludge than do sodium alkalis.

             Sodium alkali rapidly reacts with acidic wastes and produces soluble neutral salts when combined with most acidic wastewaters. Between the two types of sodium alkalis, caustic soda is a stronger alkali than soda ash. Caustic soda is available in anhydrous form at various concentrations. Soda ash can be purchased as dry granular material.

        Liquid caustic soda is produced and supplied in a concentration range of 50–73%. Most industries use a 50% caustic soda solution. The specific gravity ranges from 1.47 to 1.53 depending on the temperature. Caustic soda is very corrosive in nature. Hence all containers

and lines that come in to contact with caustic soda during use or shipment should be carefully selected.

         Soda ash, when used as sodium carbonate monohydrate, contains 85.48% sodium carbonate and 14.52% water of crystallization. Hydrated soda ash loses water of crystallization when heated. Heptahydrated and decahydrated are other forms of soda ash used in neutralization practices. Dissolving monohydrated soda ash in water generates heat while heptahydrate and decahydrate absorbs heat in contact with water. Bagged soda ash should not be stored in humid places. Furthermore, excessive air circulation should be avoided. Soda ash contains 99.2% sodium carbonate when shipped.

 

  1. Neutralization of Alkalinity

Lowering the pH of a solution is sometimes necessary in some treatment processes or when wastewater is to be discharged in open streams. Discharge of effluent with a pH greater than 8.5 is undesirable and lowering the pH is generally achieved either by adding an acid or by adding carbon dioxide. The process of adding carbon dioxide is called recarbonation and is often practiced in industrial wastewater neutralization. The commonly used acids for pH adjustment of alkaline wastewaters are sulfuric acid (H2SO4), hydrochloric acid (HCl), and nitric acid (HNO3). Among them, sulfuric acid is the most widely used neutralizing agent. Use of nitric acid is restricted because of more stringent nutrient effluent limitations. There is no direct relationship between pH and alkalinity.

         Hence, titration curves should be established in laboratories before the design of an alkaline wastewater neutralization system. Sulfuric acid used in wastewater treatment could be 77.7% concentration or 97% concentration with an approximate specific gravity of 1.83 [7,8,9]. Sulfuric acid releases a significant amount of heat when added to water. Precautionary measures must be taken to avoid any chemical accident due to the heat generated when practicing neutralization with sulfuric acid. Hydrochloric acid has an average specific gravity of 1.17 and an acid content of 33% by weight. Properly lined tanks should be used to store this classification of hydrochloric acid. Generally polyvinyl chloride tanks or lined steel tanks are used.

 

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

References

[1]     W. Stumm and J. J. Morgan, Aquatic Chemistry, John Wiley and Sons, New York, 1981.

[2]   J. P. Chen and L. Wang, Characterization of a Ca-alginate based ion exchange resin and its applications in lead, copper and zinc removal. Separation Science and Technology, 36(16),3617–3637 (2001).

[3]   F. N. Kemmer, The Nalco Water Handbook, McGraw-Hill, New York, 1988.

[4]   L. K. Wang, Y. T. Hung, and N. S. Shammas (eds.), Physicochemical Treatment Processes. Humana Press, Totowa, NJ (2005).

[5]M. L. Davis and D. A. Cornwell, Introduction to Environmental Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 1998.

[6] C. A. Hazen and J. I. Myers, Neutralization tactics for acidic industrial wastewater. In: Process ngineering for Pollution Control and Waste Minimization (D. L. Wise, ed.), Marcel Dekker, New York, 1994.

[7]  US EPA, An Appraisal of Neutralization Processes to Treat Coal Mine Drainage. EPA- 670/2-73-093, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, 1973.

[8]   US EPA, Design Manual—Neutralization of Acid Mine Drainage, U.S. Environmental Protection Agency, Municipal Environmental Research Laboratory, EPA-600/2-83-001, U.S. Environmental Protection Agency Technology, Cincinnati, OH, 1983.

[9] US EPA, Evaluation of Flow Equalization at a Small Wastewater Treatment Plant, US Environmental Protection Agency, Municipal Environmental Research Laboratory, EPA- 600/2-76-181, U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH, 1976.

GREEN ADSORBENTS AS A NEW APPROCH FOR WATER PURIFICATION

Water pollution

Water pollution is a major problem affecting people across the world. Heavy metals and dyes are major pollutants that cause many problems to the health of humans and ecosystems. Several treatment technologies are available to reduce the effects of pollutants.

These problems pushing the world to have a green method that are more efficient, cost effective and environment friendly for water purification. Adsorption is regarded as a green, clean and versatile method for wastewater treatment. Cellulose based materials attained considerable attention for water purification because of its easily available, biodegradable and non-toxic nature.

Pollutants and adsorption technique

 Cellulose based materials and their modified forms as adsorbents for the removal of dyes and toxic heavy metals from wastewater. The adsorption capacity of the adsorbent is enhanced by reducing the cellulosic dimension to the nanolevel.

The quality of water resources is worsening day by day due to several anthropogenic activities, increasing industrial development and unplanned expansion.

Dyes are complex organic compounds which are eliminated from various industrial sources such as textile, cosmetic, paper, leather, rubber and printing industries to color their products. Dye bearing effluent is a significant source of water pollution. Human activities have also resulted in substantial quantities of heavy metals being free into the hydrosphere causing Eco toxicological hazards due to their tendency to accumulate in vital organs and high toxicity.

Water containing dyes and heavy metals cause potential hazard to the environment and human health.

Treatment Methods:

Many treatment methods have been developed. These include chemical precipitation, ion exchange, coagulation flocculation, membrane separation, electrochemical treatment and adsorption.

Adsorption is found to be effective, cheap, simple, and relatively lower operation cost of dye removal. Different types of materials have been developed as adsorbents for effective adsorption of pollutants.

Adsorption is a fast, cheap and widely used method as it can be applied for the removal of a wide spectrum of soluble and insoluble contaminants and biological pollutants with high removal efficiency as shown in Fig. (1). Moreover, its high efficiency in pollutant removal without the production of toxic by-products makes adsorption one of the most popular methods for water refinement.

Figure 1 Most commonly based adsorbents

The process of adsorption is a mass transfer process involving the transfer of a substance from solution phase and resulting in the deposition at the surface of the other phase. The substance being adsorbed is termed the adsorbate and the adsorbing surface is called adsorbent. If the interaction between the adsorbate and the adsorbent are due to the weak van der Waal’s forces, then the process is physisorption or physical adsorption. Defiantly, if the attraction forces between the adsorbate and adsorbent are due to chemical bonding, then chemisorption. The general mechanism of adsorption involves the transfer of the contaminant from bulk solution to the outer surface of the adsorbent.

Ideal materials to be an adsorbent

The ideal materials for the adsorption of pollutants should meet several requirements

such as:

  1. Good mechanical and structural integrity to overcome water flow for a long time.
  2. High adsorption capacities with high rates.
  3. Have a large surface area and possess a regeneration aptitude using cost-effective approaches.

The main advantage of adsorption:

  1. The use of low-cost materials with satisfactory adsorption properties and environmentally-friendly nature.
  2. as per these requirements, nowadays researchers are switching onto green adsorbents due to their abundance, biodegradability and non-toxic nature.

Green adsorbents:

 Under this term, green adsorbents include low-cost materials originated from:

  1. Natural sources
  2. Agricultural residues and wastes in particularly lignocellulosic biomass
  3. Low-cost sources from which activated carbon adsorbents will be produced.

These green adsorbents were found to be lower in terms of their adsorption capacity than the commercial adsorbents such as modified chitosan, activated carbons, structurally-complex inorganic composite materials etc., but their cost-potential makes them competitive. Cellulosic adsorbents have the proficiency to meet almost all the requirement for being green. With responsible and thoughtful research, development and deployment, cellulosic materials have the potential to become sustainable, green materials of choice for high end applications such as water purification

More details about green adsorbents next issue.

By

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

 

References:

Grégorio Crini, Eric Lichtfouse, Green Adsorbents for Pollutant Removal: Fundamentals and Design, Volume 18 of Environmental Chemistry for a Sustainable World, Springer, 2018.

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