طرق إزالة المعادن الثقيلة في المسطحات المائية – طريقة الامتزاز

في السنوات الأخيرة، أدى التطور الصناعي السريع إلى مشاكل بيئية حادة بشكل متزايد، وخاصة تلوث المياه. يعد التلوث بالمعادن الثقيلة أحد العوامل المهمة المسببة لتلوث المياه. تظهر أيونات المعادن الثقيلة في المسطحات المائية سمية عالية ومسببة للسرطان حتى عند مستويات ضئيلة. ويمكن أن تتراكم في الحيوانات من خلال التراكم البيولوجي في السلسلة الغذائية، مما يسبب ضررا مستمرا ويسبب أمراضا مختلفة. ولذلك، فإن استكشاف طرق إزالة المعادن الثقيلة من المسطحات المائية يعد وسيلة فعالة لضمان سلامة المياه وتحسين إمكانية إعادة استخدام الموارد المائية.

1. مقدمة

في السنوات الأخيرة، أدى التطور الصناعي السريع إلى مشاكل بيئية حادة بشكل متزايد، وخاصة تلوث المياه. يعد التلوث بالمعادن الثقيلة أحد العوامل المهمة المسببة لتلوث المياه. تظهر أيونات المعادن الثقيلة في المسطحات المائية سمية عالية ومسببة للسرطان حتى عند مستويات ضئيلة. ويمكن أن تتراكم في الحيوانات من خلال التراكم البيولوجي في السلسلة الغذائية، مما يسبب ضررا مستمرا. يمكن للمعادن الثقيلة أن تسبب أمراضًا مختلفة. يعد استكشاف طرق إزالة المعادن الثقيلة من المسطحات المائية وسيلة فعالة لضمان سلامة المياه وتحسين إمكانية إعادة استخدام الموارد المائية.

تشمل أيونات المعادن الثقيلة الرئيسية التي تلوث المسطحات المائية في بلدي الكادميوم (Cd)، والكروم (Cr)، والرصاص (Pb)، والزرنيخ (As)، ومن بينها Cd(II) وCr(VI) شديدة السمية. تشمل طرق إزالة المعادن الثقيلة من المسطحات المائية بشكل أساسي الترسيب الكيميائي، والتبادل الأيوني، والفصل الغشائي، والامتزاز. من بينها، اجتذبت عملية الامتزاز الكثير من الاهتمام بسبب كفاءتها العالية، وتكلفتها المنخفضة، وسهولة تشغيلها. وو وآخرون. (2000) وزان وآخرون. (2006) أفاد باستخدام الأغشية السائلة لامتصاص أيونات المعادن الثقيلة وفي نفس الوقت تصنيع الجسيمات النانوية، وبالتالي "تحويل النفايات إلى كنز" أثناء إزالة أيونات المعادن الثقيلة. جي وآخرون. (2013) وجد أن الجسيمات النانوية Al2O3 تتمتع بأداء امتصاص جيد للكروم (VI) في المحلول المائي، مع معدل امتصاص يصل إلى 90%. ومع ذلك، بعد الامتزاز، يصعب استعادة جزيئات أكسيد المعدن الصغيرة. في كثير من الأحيان، يؤدي هذا إلى الخسارة أو حتى التلوث الجديد. إن تثبيت جسيمات Al2O3 النانوية على مواد مثل الهيدروكسيباتيت والمونتموريلونيت والشيتوزان يمكن أن يحل المشكلات المذكورة أعلاه بشكل فعال. ومع ذلك، فإن الناقل العضوي يكون عرضة للتحلل الذي لا رجعة فيه أثناء تجديد المادة المازة، مما يؤدي إلى فقدان الجسيمات النانوية، مما يحد من التطبيق العملي لهذه المواد. الفولاذ المقاوم للصدأ المسامي 316L (PSS، 022Cr17Ni12Mo2) عبارة عن أنبوب غشائي مسامي ذو قوة ميكانيكية عالية، وهو حامل مثالي نسبيًا لشل حركة الجسيمات النانوية لأكسيد الفلز. تهدف هذه الدراسة إلى تصنيع جسيمات Al2O3 النانوية بالطريقة الحرارية المائية وتثبيتها على 316L PSS باستخدام طريقة طلاء غمس الجسيمات المعلقة لتحضير غشاء ألومينا مسامي قائم على الفولاذ المقاوم للصدأ. في الوقت نفسه، باستخدام هذا الغشاء كمادة ماصة، سيتم دراسة أداء امتزاز الكروم (VI) والكادميوم (II) في المحلول المائي.

2. الجزء التجريبي 2.1 الأدوات والكواشف

الأدوات: المجهر الإلكتروني لمسح الانبعاثات الميدانية (FESEM، JEOL S-4800، هيتاشي، اليابان)، مقياس حيود الأشعة السينية (D/MAX-3C، شركة Ricoh، اليابان)، معدات تجريبية غشائية من الألياف المجوفة (HFM-0530، Xiamen Shida Membrane Technology Co., Ltd.)، مطياف الامتصاص الذري لفرن الجرافيت (AAS-9000، أداة Jiangsu Tianrui Co., Ltd.)، أجهزة طرد مركزي عالية السرعة (ZONKIA, HC-3018, Anhui Zhongke Zhongjia Co., Ltd.). كانت المواد التجريبية عبارة عن جسيمات نانوية γ-Al₂O₃ ذاتية الصنع وفولاذ مقاوم للصدأ مسامي 316L (درجة الفولاذ: 022Cr17Ni12Mo₂، حجم المسام 1 ميكرومتر، الطول 30 سم، القطر الداخلي 8 مم، القطر الخارجي 12 مم).

الكواشف: ألومينات الصوديوم (NaAlO₂)، واليوريا (CON₂H₄)، ونترات البوتاسيوم (KNO₃)، والإيثانول اللامائي (C₂H₅OH) كلها من الدرجة التحليلية؛ كان البولي إيثيلين جلايكول (PEG 2000) وبولي أكريلات الصوديوم (PAAS 20M) نقيين كيميائيًا. تم شراء جميع الكواشف من مصنع الكاشف الكيميائي Tianjin Kemei؛ كان ماء الاختبار عبارة عن ماء منزوع الأيونات.

2.2 الطرق التجريبية

تم تنظيف 316 لتر PSS بالموجات فوق الصوتية بالتتابع باستخدام محاليل 0.1 مول · لتر ⁻¹ NaOH وHNO₃ لمدة 10 دقائق، ثم غسلها بالماء منزوع الأيونات حتى تصبح محايدة، وأخيرًا تنظيفها بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول اللامائي لمدة 5 دقائق. بعد التجفيف، تم تحضير مسحوق γ-Al₂O₃ وفقًا للطريقة الموضحة في الأدبيات (Zhang et al., 2016). على وجه التحديد، تمت إضافة كمية معينة من ألومينات الصوديوم واليوريا وبولي أكريلات الصوديوم بشكل تسلسلي إلى 50 مل من الماء منزوع الأيونات، وقلبت لمدة 30 دقيقة، ثم سكبت في مفاعل حراري مائي من الفولاذ المقاوم للصدأ وتفاعلت في فرن عند درجة حرارة 140 درجة مئوية لمدة 10 ساعات. بعد التفاعل، تتم إزالة المنتج وغسله وتجفيفه بالفراغ لمدة 12 ساعة. تم بعد ذلك تحميص المسحوق الأبيض الناتج في فرن دثر عند 500 درجة مئوية لمدة 3 ساعات للحصول على مسحوق γ-Al₂O₃. بعد ذلك، تم إذابة كمية معينة من البولي إيثيلين جلايكول في 1000 مل من الماء منزوع الأيونات لتحضير المشتت، وتم إضافة 2 جم من [مكون غير محدد]. تم استخدام مسحوق γ-Al₂O₃ (نسبة كتلة البولي إيثيلين جلايكول إلى γ-Al₂O₃ 1:7.9). تم ضبط قوة الجسيمات للمحلول إلى C(KNO₃) = 1 مليمول·L⁻¹ مع KNO₃. تم بعد ذلك ضبط الرقم الهيدروجيني للمعلق إلى 7.0 باستخدام محلول 0.1 مول·L⁻¹ NaOH و0.1 مول·L⁻¹ HNO₃. بعد التشتت بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة لمدة 15 دقيقة، تم طلاء المعلق على ركيزة مسامية من الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام طريقة طلاء غمس الجسيمات المعلقة، يليها تلبيد عند 400 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. كان برنامج التلبيد: 250 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، ثم 400 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. لمنع تشقق طبقة الألومينا بسبب التسخين السريع للغاية، كان معدل التسخين أثناء التلبيد هو 1 درجة مئوية·دقيقة⁻¹. بعد التلبد، يتم تبريد الفيلم بالفرن.

2.3 تجربة الامتزاز

تمت دراسة أداء الامتزاز للغشاء باستخدام عملية الدفعات الكلاسيكية. تم توصيل وحدة غشاء الألومينا المسامية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بجهاز تجريبي غشائي من الألياف المجوفة. تم إجراء الامتزاز تحت ضغط ثابت (0.1 ميجا باسكال). تكررت جميع التجارب ثلاث مرات.

تم ضبط درجة الحرارة على درجة حرارة الغرفة، وكانت التركيزات الأولية لـ Cr(VI) وCd(II) كلاهما 5 مجم · لتر⁻¹، وكان وقت الامتزاز 8 ساعات. في ظل هذه الظروف، تم دراسة تأثير الرقم الهيدروجيني الأولي للمحلول على قدرة الامتزاز. كانت قيم الرقم الهيدروجيني الأولية لـ Cr(VI) 3.0، 4.0، 5.0، 6.0، 7.0، 8.0، 9.0، 10.0، و11.0، وللكادميوم (II) كانت 3.0، 4.0، 5.0، 6.0، 7.0، 8.0، و9.0. تم ضبط التركيزات الأولية لـ Cr(VI) وCd(II) على 2، 5، 10، و20 مجم·L⁻¹، على التوالي. يعتبر الرقم الهيدروجيني الأولي هو الرقم الهيدروجيني الأمثل للامتصاص. تم فحص زمن الامتزاز عند (0، 1، 5، 10، 15، 20، 80، 100، 120، 140، 210، 270، 360، و 480 ساعة). تم دراسة تأثير التركيزات الأولية (0، 5، 10، 15، 20، 25، 30، 40 ملجم · لتر⁻¹) من الكروم (VI) والكادميوم (II) على قدرة الامتزاز تحت درجة الحموضة المثالية للامتزاز، ودرجة حرارة الغرفة، ووقت الامتزاز البالغ 8 ساعات. تم رسم تساوي حرارة الامتزاز وتم الحصول على النموذج المناسب. تم تحديد تركيزات الكروم (VI) والكادميوم (II) بواسطة مطياف الامتصاص الذري بفرن الجرافيت. تكررت جميع التجارب ثلاث مرات.

تم حساب سعة الامتزاز باستخدام المعادلة (1)، وتم حساب نسبة الامتزاز r باستخدام المعادلة (2). تم تركيب بيانات حركية الامتزاز باستخدام نماذج حركية الامتزاز من الدرجة الأولى الزائفة ومن الدرجة الثانية الزائفة (Ho et al., 1999)، وتظهر معادلاتها في المعادلتين (3) و (4). تم تركيب البيانات الديناميكية الحرارية للامتزاز باستخدام نماذج لانجميور (لانجميور، 1918) وفريندليتش (فريندليتش وآخرون، 1939) لامتزاز الأيزوثرم. وتظهر المعادلات في المعادلتين (5) و(6) على التوالي.