المعالجة البيولوجية اللاهوائية في المفاعل ذي الجريان الصاعد عبر طبقة الحمأة المعلقة UASB (Upflow Anaerobic Sludge –Blanket Process)

الكاتب : الدكتور المهندس عبد الله صغير

مقدمة :

لقد أصبحت معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي من أولويات الدول والحكومات وذلك لحماية البيئة من التلوث المتوقع حدوثه نتيجة صرف هذه المياه، بما قد تحتويه من سموم وجراثيم ومواد غير متحللة ذات تأثير تراكمي، وما قد يتخلف عنها من مخاطر صحية وبيئية، وتلويث مصادر المياه السطحية والجوفية والأوساط الأحيائية فيها.

وإن معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي يؤدي توفير استخدام المياه النقية للاستهلاك العام، وحفظ موارد المياه النقية واستخدام المياه المعالجة في ري الأراضي الزراعية.

لقد تطورت في العقود الثلاث الأخيرة وبشكل ملحوظ تقنيات معالجة مياه الصرف الناتجة عن النشاطات الصناعية وبالأخص تقنيات معالجة مياه الصرف ذات الأحمال العضوية العالية والتي تنتج عادة عن الصناعات الغذائية كصناعة الخميرة وصناعة السكر و وصناعة النشاء وصناعة الألبان ….الخ وتتميز مياه الصرف عالية الحمل العضوي بقيم مرتفعة جداً لـ COD والتي قد تصل قيمتها إلى 25000 ملغ/ل وبارتفاع قيمة الـ BOD5 والتي قد تصل قيمتها إلى 10000 ملغ/ل.

تعتبر طرق المعالجة اللاهوائية وخصوصا طريقة المفاعل UASB من الطرق الحديثة في معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي لما يمتاز به هذا المفاعل من سهولة في التصميم وقلة تكاليف الاستثمار والتشغيل وكذلك ينتج غاز المتان الذي يمكن أن يستخدم توليد الكهرباء والطاقة.

1- عملية المعالجة في المفاعل UASB:

في مفاعل UASB يدخل الماء المطلوب معالجته من قاع المفاعل ويجري باتجاه الأعلى عبر طبقة الحمأة المؤلفة من حبيبات أو جزيئات متشكلة بيولوجياً,حيث يمكن أن يوصف المفاعل UASBكنظام تمر فيه مياه الصرف أولاً عبر سرير حمأة متمدد يحتوي على تركيز كبير من الكتلة الحيوية,ويمكن أن توجد هذه الحمأة في المفاعل بشكل حبيبات وإن القسم الأعظم من المعالجة يحدث في سرير الحمأة هذا, وإن القسم المتبقي من الملوثات في الماء يمر بعد ذلك عبر ما يدعى بطبقة الحمأة المعلقة والتي هي أقل كثافة من سرير الحمأة كما في الشكل (1)

الشكل (1) :مقطع شاقولي لمفاعل UASB

2-تصميم نظام دخول المياه الخام إلى المفاعل UASB:

من الضروري في المفاعل UASB الحصول على تماس أمثل بين الحمأة الموجودة ضمن المفاعل والمياه الخام الداخلة إلى المفاعل كما هو مبين في الشكل (2) وكذلك أيضاً من الضروري تجنب تشكل أقنية تمر فيها المياه بدون معالجة عبر سرير الحمأة لذلك يجب تصميم نظام دخول وتوزيع المياه الخام ضمن المفاعل بشكل جيد.

وإن تصميم نظام دخول وتوزيع المياه الخام ضمن المفاعل يتعلق بالعوامل الطبوغرافية وبتصميم محطة الضخ واحتمال انسداد أنابيب دخول و توزيع المياه الخام إلى داخل المفاعل .

وبغض النظر عن عدد فتحات التغذية والتوزيع فإن السرعة الأصغرية و الأعظمية للتدفق الخارج من فوهات التوزيع يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار في التصميم حيث أن السرعة الأعظمية لخروج المياه الخام من فوهات التوزيع يجب أن لا تزيد عن 4 م/ ثانية والسرعة الأصغرية يجب أن لا تقل عن 0.5 م/ ثانية .

3-تصميم نظام جمع المياه المعالجة في المفاعل UASB:

إن تدفق المياه المعالجة يجب أن يخرج من المفاعل عبر عدة أقنية موزعة في منطقة تفريغ المياه المعالجة,وإن تصميم أقنية جمع المياه المعالجة لا يختلف عن تصميم الهدارات بحيث يصمم بناء على معدل التحميل على هدارات المخرج ويجب أن لا يتجاوز القيمة 185م3/ م.يوم,إن عرض أقنية الجمع يجب أن لا يقل عن 20 سم وذلك من أجل تسهيل عمليات الصيانة.

4- إقلاع المفاعل UASB :

إن من إحدى مساوئ المعالجة البيولوجية اللاهوائية هي زمن الإقلاع الكبير بالمقارنة مع المفاعلات الهوائية,وذلك بسبب صغر معدل الاصطناع الحيوي (إنتاج الحماة), وبالتالي تحتاج المفاعلات اللاهوائية إلى زمن كبير من أجل تحقيق الحالة المستقرة وقد يستغرق زمن إقلاع المفاعلات اللاهوائية حتى 3 أشهر,وهذا يتعلق بشكل أساس بدرجة الحرارة والحمل الهيدروليكي فمثلاً عندما تكون درجة الحرارة أكبر من 20 درجة مئوية فمن المتوقع أن يتم إقلاع المفاعل خلال فترة لا تزيد عن 3- 4 أسابيع أما في حال انخفاض درجة الحرارة فقد يستغرق إقلاع المفاعل 3- 4 أشهر.

5- العوامل التصميمية والتشغيلية المؤثرة على كفاءة المعالجة في المفاعل :UASB

5-1- تأثير التحميل العضوي في واحدة الحجوم ((Organic Load Rate على كفاءة المعالجة في المفاعل UASB :                               

إن كلاً من التحميل الهيدروليكي والتحميل العضوي الملائم للمفاعل UASB يتعلق بخصائص مياه الصرف ونوعية وكمية الأحياء الدقيقة كما هو مبين في الجدول (1) و يوجد ارتباط كبير بين زمن المكوث الهيدروليكي ومعدل الحمولة العضوية في واحدة الحجوم.

وتجدر الإشارة إلى أن هناك علاقة مباشرة بين ثلاث متحولات وهي : درجة الحرارة ضمن المفاعل وزمن المكوث الهيدروليكي فيه ومعدل التحميل العضوي (Organic Load Rate ) والذي يرمز لهOLR فلكل زمن مكوث هيدروليكي في درجة حرارة ثابتة هناك معدل مثالي للتحميل العضوي.

5-2- تأثير زمن المكوث الهيدروليكي (Hydraulic Retention Time) والذي يرمز له بـ HRT على كفاءة المعالجة في المفاعل :UASB

يعتبر زمن المكوث الهيدروليكي من أهم العوامل التصميمية التي تحكم كفاءة المعالجة

فزمن المكوث الهيدروليكي يرتبط بالتدفق الهيدروليكي بالعلاقة:

زمن المكوث الهيدروليكي= التدفق/حجم المفاعل

التدفق = مساحة مقطع المفاعل x السرعة الشاقولية

وبالتالي فإنه من الضروري عند تصميم المفاعل UASB اختيار زمن المكوث الهيدروليكي المناسب الذي يحقق سرعة شاقولية مناسبة من أجل تأمين زمن ملائم للتماس بين المياه الخام وكريات الحمأة الموجودة ضمن المفاعل.

 

الجدول (1) : أسس تصميم المفاعل UASB

تصنيف مياه الصرف تركيز COD للمياه الخام

ملغ/ل

معدل التحميل العضوي

Kg COD / m3.day

زمن المكوث الهيدروليكي

(ساعة)

السرعة الشاقولية للجريان

م/ساعة

الكفاءة المتوقعة

%

منخفضة التلوث أقل أو يساوي 750 1-3 6-18 0.25-0.7 70-75
متوسطة التلوث 750-3000 2-5 6-24 0.25-0.7 80-90
شديدة التلوث 3000-10000 5-10 6-24 0.15-0.7 75-85
فائقة التلوث أكبر من 10000 5-15 أكبر من 24 —- 75-80

 

 

5-3- تأثير درجة حرارة المياه ضمن المفاعل على كفاءة المعالجة في المفاعل :UASB

 إن لدرجة الحرارة دوراً هاماً جداً في عملية المعالجة إذ أن تعداد ونوع البكتريا التي تنمو في المفاعل ومدى نشاطها يرتبطان بإذنه تعالى بشكل وثيق بدرجة الحرارة,وتقسم البكتريا حسب درجة الحرارة المثالية لنموها إلى محبات البرد Pcychrophilic ومحبات الدفء Mesophilic ومحبات الحرارة العالية Thermoohilic,وبشكل عام فإن العمليات الحيوية تتضاعف لكل ارتفاع 10 درجات مئوية في المجال (5-35) درجة مئوية.

5-4- تأثير قيمة الـ pH ضمن المفاعل على تشغيل و كفاءة المعالجة في المفاعل : :UASB

إن وجود نوعين من البكتريا ضمن المفاعل البكتريا المنتجة للحموض والبكتريا المنتجة للميتان يتطلب وجود قيمتين لـ pH ضمن المفاعل حتى يعمل كلا النوعين بشكل فعال فقيمة الـ pH المثالية لعمل البكتيريا المنتجة للحمض هي 5.5-6.5 وقيمة الـ pH المثالية لعمل البكتيريا المنتجة للميتان هي 7.8-8.2.

6- التوصيات:

  1. يعتبر مفاعل UASB من أهم المفاعلات الخاصة بمعالجة مياه الصرف الصحي والصناعي عالية الحمل العضوي .
  2. يمكن استخدام مفاعل UASB في لمعالجة مياه الصرف الصحي والصناعي عالية الحمل العضوي في أغلب بلدان الوطن العربي وخصوصاً دول الخليج العربي وذلك لأن درجة الحرارة في هذه الدول مناسبة لتشغيل هذا المفاعل.
  3. استخدام المعالجة البيولوجية اللاهوائية في معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي عالية الحمل العضوي والاستفادة من الغاز الحيوي الناتج في توليد الكهرباء والطاقة الحرارية.

 أهم المراجع المستعملة:

  1. صغير عبد الله , معالجة مياه الصرف الصناعي في الوطن العربي ,2017 , الدار العربية ناشرون- بيروت- الطبعة الأولى.

2- Amin, M. M and Movahedian. H, 2005-“Performance evaluation of UASB system treating slaughterhouse wastewater“, Sharif University of Technology And Esfahan University of Medical Sciences.

3- Ghangrekar Makarand M .and Tom Keenan .2005- “Design of an UASB Reactor,Indian Institute of Technology Kharagpur,.at http:// www.waterandwastewater.com/AskTom! Column.htm.

3- Khanal, S. K. and Huang, J.-C. 2001- anaerobic treatment of industrial wastewater, Part-1 at www.public.iastate.edu

5-Lettinga, G and Tom Keenan. 2002- anaerobic treatment\Anaerobic Biodegradability وNational Environmental Services Agency (NESA)at http://www.uasb.org.

6-Lettinga, G and Tom Keenan of. 2002- “anaerobic treatment \Anaerobic Toxicity” ,National Environmental Services Agency (NESA) ,at http://www.uasb.org.

7- Lettinga, G., A. F. M. van Velsen, S. W. Hobma, W. De Zeeuw , A. Klapwijk 1980- “Use of upflow sludge blanket reactor concept for biological waste water treatment, especially for anaerobic treatment. Biotechnol. Bioengineer..

8-Warren Viessman ,Jr marks J Hammer 1993 “water supply and pollution control “ Fifth Edition Harper Collins collage publishers .

9- Nguyen Tuan Anh and Tom Keenan, 2004 “Methods for UASB Reactor Design,National Environmental Services Agency (NESA). at http:// www.uasb.org/discover/agsb.htm ,.

 

 

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

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 .

 

 

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.

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

 

 

 

تطبيقات تقنية النانوتكنولوجي في معالجة مياه الصرف الصحي

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

ahmedhasham83@gmail.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

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

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