مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف بریلیوم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. اهمیت حذف بریلیوم

بریلیوم (Be) یک فلز سمی است که حتی در غلظت‌های بسیار کم (µg/L) می‌تواند باعث بیماری‌های ریوی و سرطان شود.

• استانداردهای مجاز:

  • آب شرب: ≤ ۰.۰۰۴ mg/L (USEPA).

  • فاضلاب صنعتی: ≤ ۰.۱ mg/L (بسته به مقررات محلی).

۲. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:
  افزودن مواد قلیایی (مانند آهک یا سود سوزآور) برای تشکیل هیدروکسید بریلیوم نامحلول:

  Be2++2OH−→Be(OH)2​↓(Ksp​≈10−20)

• پارامترهای بهینه:

  • pH: ۹–۱۱ (برای حداکثر بازدهی).

  • دوز آهک: ۵۰–۱۵۰ mg/L.

• مزایا: هزینه پایین، سادگی اجرا.

• معایب: تولید لجن سمی، نیاز به مدیریت پسماند.

ب. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  استفاده از رزین‌های کاتیونی انتخابی (مانند رزین‌های سولفونیک اسید) برای جذب Be2+:

  +R-Na2​+Be2+→R-Be+2Na

• احیای رزین: استفاده از HCl رقیق یا NaCl غلیظ.

• چالش: تداخل با یون‌های کلسیم و منیزیم.

ج. جذب سطحی (Adsorption)

• مواد جاذب:

  • اکسید آلومینیوم فعال (AA): جذب از طریق پیوندهای سطحی.

  • کربن فعال: بازدهی محدود به دلیل اندازه کوچک یون بریلیوم.

۳. روش‌های نوین

الف. اسمز معکوس (RO) با غشاهای نانویی

• مکانیسم:
  استفاده از غشاهای پلی آمیدی با اندازه منافذ ۰.۱–۱ نانومتر برای حذف ۹۵–۹۹٪ بریلیوم.

• پارامترها:

  • فشار عملیاتی: ۲۰–۴۰ بار.

  • شار غشایی: ۱۰–۲۵ LMH.

• فرمول شار:

• (J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آلومینیومی برای تولید هیدروکسید آلومینیوم که بریلیوم را جذب می‌کند:

  • واکنش آند:

    -Al→Al3++3e

  • تشکیل هیدروکسید آلومینیوم:

    ↓Al3++3OH−→Al(OH)3​

• فرمول فارادی:

• m=(I⋅t⋅M)/(n⋅F)​

• • m: جرم الکترود مصرفی (g)، I: جریان (A)، t: زمان (ثانیه)، M: جرم مولی Al (۲۷ g/mol).

ج. نانوجاذب‌های پیشرفته

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۵۰ mg/g.

  • نانولوله‌های کربنی اصلاح‌شده: افزایش سطح ویژه و گروه‌های عاملی.

• فرمول ایزوترم فروندلیچ:

  qe​=Kf​⋅Ce1/n​

۴. بهینه‌سازی روش‌ها

روش راندمان هزینه چالش‌ها کاربرد

رسوب‌سازی۷۰–۸۵٪ کم تولید لجن سمی صنایع کوچک

تبادل یونی۸۰–۹۵٪ متوسط تداخل یونی آب‌های با TDS پایین

الکتروکوآگولاسیون ۸۵–۹۵٪ متوسط مصرف انرژی پساب‌های صنعتی

نانوجاذب‌ها ۹۰–۹۸٪ بالا هزینه تولید نانوذرات سیستم‌های پیشرفته

۵. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهک در رسوب‌سازی:

  دوز آهک (mg/L)=۳×غلظت Be2+

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

  عمر رزین (روز)=((kg)غلظت Ba2+×دبی (m³/day))/(ظرفیت رزین (meq/g)×جرم رزین )

۶. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط، میکسر مکانیکی، مخزن تهنشینی.

• اجرا:
  ۱. تزریق آهک (دوز ۱۰۰ mg/L).
  ۲. تنظیم pH به ۱۰ با سود سوزآور.
  ۳. جداسازی لجن Be(OH)2​.

ب. سیستم RO

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا، غشاهای پلی آمیدی، سیستم CIP.

• پارامترها:

  • فشار: ۳۰ بار، شار: ۱۵ LMH.

ج. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آلومینیومی، منبع تغذیه DC (۳۰–۵۰ ولت).

• پارامترها:

  • جریان: ۱–۳ A/m²، زمان تماس: ۲۰–۴۰ دقیقه.

۷. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی شیمیایی برای غلظت‌های متوسط بریلیوم مناسب است.

• روش نوین: اسمز معکوس و نانوجاذب‌ها برای حذف با راندمان > ۹۵٪ پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی:

  • ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با رسوب‌سازی + RO).

  • استفاده از جاذب‌های نانویی برای بازیافت بریلیوم.

• مدیریت پسماند:

  • تثبیت لجن با سیمان یا شیشه‌سازی.

  • احیای رزین‌ها و نانوذرات برای استفاده مجدد.

مثال طراحی:

• شرایط: دبی ۲ m³/day، غلظت بریلیوم ۰.۱ mg/L، هدف: ≤ ۰.۰۰۴ mg/L.

• روش انتخابی: الکتروکوآگولاسیون با جریان ۲ A/m².

  • انرژی مصرفی: (۳×۹۶۴۸۵)/(۲×۳۰×۶۰×۲۷)≈۰.۳۴ g Al.

  • زمان تماس: ۳۰ دقیقه.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب