مقایسه کارایی زیست پلیمرهای مختلف تصفیه آب

در اینجا می خواهیم مقایسه زیست پلیمرهای مختلف تصفیه آب را بیان کنیم.

در سامانه های تصفیه آب و پساب از پلی الکترولیتهای سنتزی برای کمک به انعقاد وصاف کردن استفاده می شود. اکثر این پلیمرها فاقد خاصیت زیست تخریب پذیری در کوتاه مدت بوده، برخی از آنها نیز موجب سرطان زایی و جهش ژنتیکی در انسان می شوند. در این پژوهش، کارایی چند زیست پلیمر به عنوان مواد جایگزین پلی الکترولیتهای سنتزی برای تصفیه آب و عوامل مؤثر بر عملکرد آنها ارزیابی و در نتیجه شرایط عملیاتی مناسب برای تصفیه آب معین شد. نتایج آزمایشها نشان داد که می توان از زیست پلیمرهایی مثل کیتوسان، نشاسته و سدیم آلژینات به عنوان مواد کمک منعقد کننده، در سامانه های دستگاه تصفیه آب برای کاهش کدورت استفاده کرد. در مقایسه با نشاسته و سدیم آلژینات، کیتوسان کارایی بهتری برای کاهش کدورت داشته، دامنه عملیاتی آن نیز گسترده تر است. همچنین، ذرات تجمع یافته با استفاده از کیتوسان، بزرگتر و مستحكمتر از ذرات ناشی از کاربرد نشاسته و آلژینات بود. بنابراین، استفاده از کیتوسان در عمليات ته نشینی و صاف کردن برای تصفیه آب موثرتر است

آبهای سطحی دارای ذرات معلق و کلوئیدی مختلف هستند که وجود آنها سبب ایجاد رنگ و کدورت در آب می شود. این ذرات، به علت سبکی و دارا بودن بار همنام، ته نشین نمی شوند بنابر این، مواد منعقد کننده بکار می رود تا امکان انعقاد و لخته سازی میسر شود. در واحدهای تصفیه آب ، از نمکهای آلومینیم و آهن به عنوان منعقد کننده استفاده می شود ولی این مواد وابستگی زیادی به pH آب برای انعقاد مؤثر دارند و در ضمن موجب آلودگی در لجن رسوب یافته و کاهش قدرت بازی آب می شوند.

با پیشرفت فناوری انعقاد، پلی الکترولیتهای سنتزی به عنوان کمک منعقد کننده در تصفیه آب و پساب استفاده شده اند. این پلی الکترولیتها، پلیمرهایی با پایه پلی آکریلامید هستند که موجب کاهش حجم لجن تولیدی شده، عملیات آب گیری و دفع لجن با سهولت انجام می گیرد. استفاده از این پلیمرها، نه تنها مقدار تزریق منعقد کننده اولیه را کم می کند، بلکه سبب افزایش استحکام و حجم ذرات منعقد شده و بهبود شرایط صاف کردن می شود [۲]. ساز و کار انعقاد و لخته سازی هنگام استفاده از این پلی الکترولیتها بدین صورت است که ابتدا گروههای عامل و فعال پلیمر روی سطح ذره کلوئیدی جذب سطحی شده، سپس بین هر دو ذره پلی شیمیایی از راه پلیمرهای جذب شده بر قرار می شود. عوامل متعددی مثل گروههای عاملی موجود در مولکول پلیمر، وزن مولکولی، چگالی بار الکتریکی مولکول پلیمر و مقدار شاخه ای بودن پلیمر در کارایی پلی الکترولیتها نقش دارند. همچنین ، pH محیط نیز در باردار شدن گروههای عامل وفعال پلیمر حائز اهمیت است.

وزن مولکولی پلی الکترولیتهای کاتیونی متداول در تصفیه آب حدود یک میلیون دالتون است. این پلی الکترولیتها از راه سازوکار پل زدن و یا حتی خنثی سازی بار یا گاهی هر دو ساز و کار، موجب انعقاد می شوند. وابستگی این نوع پلی الکترولیتها به pH، سختی و قدرت یونی آب کمتر از سایر پلی الکترولیتها ست [۴]. اما اکثر این پلیمرها، فاقد خاصیت تجزیه زیستی اند و برخی از آنها موجب سرطان زایی و جهش ژنتیکی در انسان می شوند. بنابر این، استفاده از این پلی الکترولیتها در برخی کشورها مثل سوئیس و ژاپن ممنوع بوده، در کشورهای آلمان و آمریکا نیز برای مصرف این مواد در سامانه های تصفیه آب آشامیدنی مقرارتی وضع شده است [۵]. با توجه به این اثرات نامطلوب، زیست پلیمرها به عنوان جایگزین پلی الکترولیتهای سنتزی مطرح شده اند. مهمترین پلی الکترولیتهای طبیعی قابل استفاده در صنایع تصفیه آب و پساب شامل کیتوسان، سدیم آلژینات و نشاسته است. این زیست پلیمرها قابل تجزیه زیستی بوده ، روی بدن انسان عوارضی ندارند بنابراین، می توان از این زیست پلیمرها برای تصفیه آب آشامیدنی استفاده کرد.

کیتوسان زیست پلیمری کاتیونی با وزن مولکولی زیاد است که از صدف سخت پوستان دریایی مثل خرچنگ و میگو تهیه می شود. این محصول در صنعت از استیل زدایی کیتین بدست می آید (طرح ۱). خصوصیات شیمیایی و زیستی ویژه این پلیمر موجب استفاده گسترده آن در صنایع مختلف شده است [۶]

کیتوسان در تهیه گازهای پانسمان و زخم بندی برای جلوگیری از خونریزی نیز بکار می رود. لایه بسیار نازکی از کیتوسان در درمان زخمهای مزمن و جراحتهای خارجی پوست مؤثر است. همچنین، این زیست پلیمر هنگام عمل جراحی برای کاهش خونریزی، در جراحیهای پلاستیک به عنوان پوست مصنوعی، در تهیه لنزهای طبیعی، در داروسازی برای کپسول کردن مواد فعال و در فناوری زیستی برای تثبیت آنزیمها و سلولهای زنده بکار می رود [۷]. در سالهای اخیر، پژوهشهای گسترده ای در زمینه استفاده از کیتوسان در سامانه های انتقال دارو انجام شده است. از آنجا که این زیست پلیمر با ارگانیسمهای زنده سازگاری دارد بنابراین، استفاده از آن در صنایع داروسازی رو به گسترش است [۹، ۸. همچنین، این زیست پلیمر در تصفیه آب به عنوان منعقد کننده و کمک منعقد کننده به همراه آلوم و کلرور فریک استفاده می شود [۱۰] سدیم آلژینات زیست پلیمری آنیونی با فرمول شیمیاییCH , NaOn )، نمک اسید آلژنیک و دارای ساختار مولکولی مطابق با طرح ۲ است. وزن مولکولی مونومر سدیم آلژینات ۱۹۸ و وزن مولکولی متوسط درشت مولکول آن ۱۰۴۶۶۱۰۵ است. از این زیست پلیمر به عنوان کمک منعقد کننده در تصفیه آب استفاده می شود.

نشاسته به فرمول عمومی ( Cn  ( H از لحاظ شیمیایی در طبقه پلی ساکاریدها قرار می گیرد و زیست پلیمری غیر یونی است که به عنوان کمک منعقد کننده در تصفیه آب استفاده می شود. در این حالت سازوکار لخته سازی از راه ایجاد پل پلیمری بین ذرات کلوئیدی انجام می گیرد [۱۱  ، ۱۲] در حال حاضر نشاسته در ایران تولید می شود و با توجه به دسترسی آسان به منبع اولیه تولید کیتوسان (پوست خرچنگ و میگو) و سدیم آلژینات (جلبک دریایی )، امکان تهیه این زیست پلیمرها در داخل کشور فراهم است.  و حجم آن به L رسانده شد. هر mL از این محلول شامل mg  0 / 1 کیتوسان است برای تسریع در انحلال کیتوسان می توان محلول را کمی گرم کرد ولی از گرمادهی طولانی باید اجتناب شود). برای تهیه محلول نشاسته ، ۱۰g از نشاسته در L آب مقطر حل شد که هر mL از این محلول شامل mg ۱۰ نشاسته است. برای تهیه محلول سدیم آلژینات، ابتدا ۱۰۰mg سدیم آلژینات در mL ۱۰۰ آب مقطر حل و سپس حجم به ۱L رسانده شد. هر mL از این محلول شامل mg  ۰ / ۱ سدیم آلژینات است. محلول آلوم با حل کردن ۱۰g آلوم در ۱۰۰ml آب مقطر و افزایش حجم به ۱L تهیه شد. هر mL از این محلول شامل ۱۰mg آلوم است. برای تهیه محلول آهک، ابتدا ۱۰g آهک را در mL  ۱۰۰ آب مقطر حل کرده، سپس حجم به ۱L رسانده شد. هر mL از این محلول شامل ۱۰mg آهک است. برای تنظیم pH از سدیم هیدروکسید و کلریدریک اسید  1M/. استفاده شد. برای تهیه نمونه آب کدر، خاک رس در آب حل و نمونه به مدت ۲۴h در حالت سکون قرار داده شد تا ذرات ته نشین شوند. سپس با نمونه گیری، مقدار کدورت برای انجام آزمایشهای لازم تنظيم شد. در جدول ۱ روشهای اندازه گیری پارامترهای مورد مطالعه آورده شده است.

تجربی

مواد در این پژوهش، کارایی پلی الکترولیتهای طبیعی در سامانه های تصفیه آب و پساب با استفاده از روش آزمون پیمانه (jar test) بررسی و مقایسه شد. کلیه روشهای سنجش پارامترها در این پژوهش، بر مبنای استانداردهای آزمایشهای آب و پساب انجام شده است. متغير اصلی مورد بحث در این پژوهش، درصد کاهش کدورت است که در شرایط متفاوت و کدورتهای مختلف ارزیابی شد. در این پژوهش، شرایط آبهای سطحی در کدورتهای مختلف: زیاد (ntu۱۰۰ – ۱۸۰ )، متوسط (ntu•۳۰ -۱۰) و کم (کمتر از ntu ۳۰) شبیه سازی شد و با انجام آزمایشهای لازم، شرایط عملیاتی بهینه برای انجام فرایند انعقاد و لخته سازی بدست آمد. در انجام این پژوهش از کیتوسان ساخت شرکت Sigma آلمان و سدیم آلژینات محصول شرکت Kibon ژاپن استفاده و بقیه مواد آزمایشگاهی مورد مصرف از شرکت Merck آلمان تهیه شد.

نتیجه گیری

در این پژوهش، کارایی پلی الکترولیتهای سدیم آلژینات برای تصفیه آب و پساب ارزیابی شد. برای کاهش کدورت آب، کیتوسان بهتر از نشاسته و سدیم آلژینات عمل می کند و دامنه عملیاتی آن گسترده تر است.