معرفی آرسنیک و خطرات آن بر سلامت

آرسنیک (As) یک شبه‌فلز طبیعی است که در پوسته زمین فراوانی قابل توجهی دارد. این عنصر به‌شدت سمی است و توسط سازمان جهانی بهداشت (WHO) در گروه سرطان‌زای انسانی طبقه‌بندی شده است. مصرف مزمن آب آلوده به آرسنیک (به‌ویژه گونه‌های سمی آن) می‌تواند باعث ضایعات پوستی (مانند هایپرپیگمنتاسیون و هایپرکراتوزیس) و انواع سرطان (پوست، ریه، کلیه، مثانه و غیره) شود. از نظر شیمیایی، گونه سه‌ظرفیتی آرسنیک (As(III)، آرسنیت) به‌دلیل تحرک بالاتر و سمیت بیشتر، خطرناک‌تر از گونه پنج‌ظرفیتی (As(V)، آرسنات) است. عمده‌ترین مسیر ورود آرسنیک به بدن انسان، مصرف آب آشامیدنی آلوده است. این آلاینده در مقیاس جهان به‌طور گسترده برای سلامت تهدید تلقی می‌شود و WHO غلظت آن در آب آشامیدنی را حداکثر ۱۰ میکروگرم در لیتر توصیه کرده است.

منابع آرسنیک در آب‌های طبیعی

آرسنیک می‌تواند از منابع طبیعی و انسانی وارد آب‌های زیرزمینی شود. در منابع طبیعی، فرایندهایی مانند هوازدگی و اکسیداسیون مواد معدنی حاوی آرسنیک (مثلاً پیریت)، فعالیت‌های آتشفشانی و حتی آتش‌سوزی جنگل‌ها، سبب آزاد شدن آرسنیک به آب می‌شوند. به علاوه، نفوذ طبیعی سنگ‌های معدنی غنی از آرسنیک به آب‌های زیرزمینی باعث بالا رفتن غلظت آرسنیک می‌شود. از سویی دیگر، فعالیت‌های انسانی نیز منبع مهمی برای ورود آرسنیک به محیط زیست‌اند. استفاده از آرسنیک در صنایع کشاورزی (مانند حشره‌کش‌ها و علف‌کش‌ها)، صنایع چوب (مواد نگهدارنده چوب)، متالورژی و الکترونیک، همگی به آلوده کردن آب‌ها به آرسنیک منجر می‌شوند.

استانداردهای جهانی آرسنیک در آب آشامیدنی

سازمان جهانی بهداشت غلظت آرسنیک در آب آشامیدنی را تا ۱۰ میکروگرم در لیتر مجاز دانسته است. این معیار توسط دستورالعمل‌های بین‌المللی از جمله دستورالعمل آب آشامیدنی اتحادیه اروپا نیز به‌طور قانونی به ۱۰ μg/L تعیین شده است. برخی کشورها استانداردهای سختگیرانه‌تری دارند؛ برای مثال دانمارک و ایرلند غلظت حداکثری را به‌ترتیب ۵ و ۷.۵ μg/L تعیین کرده‌اند. در ایالات متحده، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) از سال ۲۰۰۱ حد مجاز آرسنیک در آب آشامیدنی را ۱۰ واحد در بیلیون (معادل ۱۰ μg/L) تصویب کرده است.

روش‌های تصفیه آرسنیک از آب

از دید کلی، روش‌های حذف آرسنیک از آب شامل سه دسته فیزیکی، شیمیایی و زیستی هستند که هر یک چند زیرمجموعه مهم دارند. در ادامه این روش‌ها تشریح می‌شوند:

• روش‌های فیزیکی: عمده‌ترین فرایندهای فیزیکی شامل استفاده از غشاهای تبادل یونی و فرآیندهای غشایی مانند نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس است. غشاهایی با منافذ بسیار ریز (مانند غشاهای NF/RO) به‌طور معمول بیش از ۹۰٪ آرسنیک موجود را حذف می‌کنند. این روش‌ها به‌دلیل راندمان بالای حذف آرسنیک و نیاز به افزودن مواد شیمیایی کم، در مقیاس صنعتی کاربرد فراوانی دارند. با این حال، هزینه اولیه بالا، نیاز به فشار کاری زیاد برای عبور آب از غشا و تولید پساب غلیظی که حاوی آرسنیک باقی‌مانده است از معایب مهم این روش‌ها به‌شمار می‌روند. فیلتراسیون ساده (مانند فیلتر شنی) به‌تنهایی معمولاً اثربخشی زیادی در حذف آرسنیک ندارد و اغلب برای حذف ذرات معلق به‌کار می‌رود.

• روش‌های شیمیایی: شامل جذب سطحی، اکسیداسیون شیمیایی و انعقاد–لخته‌سازی است.

  • جذب سطحی (Adsorption): یکی از رایج‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای حذف آرسنیک است. در این روش، آرسنیک توسط جاذب‌هایی مانند اکسیدهای آهن و آلومینیوم، کربن فعال یا انواعی از زئولیت‌ها جذب می‌شود. جذب سطحی به‌دلیل کارایی بالای حذف آرسنیک، هزینه نسبتاً پایین و سهولت عملیات، به‌عنوان یک روش اقتصادی و عملی شناخته می‌شود. جاذب‌های صنعتی متداول شامل هیدروکسید آهن گرانولی و آهن صفر ظرفیتی هستند که در مقیاس تجاری تولید شده‌اند.

  • اکسیداسیون شیمیایی: معمولاً جهت تسهیل حذف آرسنیک انجام می‌شود، به‌خصوص برای تبدیل آرسنیک سه‌ظرفیتی (بسیار محلول و سمی) به آرسنیک پنج‌ظرفیتی که حذف آن آسان‌تر است. اکسیدکننده‌هایی مانند ازن، پرمنگنات پتاسیم یا کلر می‌توانند As(III) را به As(V) تبدیل کنند، در نتیجه کارایی فرایندهای بعدی مانند انعقاد و جذب افزایش می‌یابد.

  • انعقاد–لخته‌سازی: در این روش شیمیایی رایج، ترکیباتی مانند کلرید فریک (FeCl3) یا سولفات آلومینیوم به آب اضافه می‌شوند تا بار ذرات معلق خنثی شده و ذرات بزرگ‌تری (لخته) تشکیل شود. آرسنیک محلول به‌صورت جذب‌شده یا رسوب‌داده‌شده در این لخته‌ها به فاز جامد منتقل شده و سپس با ته‌نشینی یا فیلتراسیون از آب جدا می‌شود. روش انعقاد-لخته‌سازی در تصفیه آب شهری کاربرد گسترده‌ای دارد و می‌تواند غلظت آرسنیک را تا زیر حد استاندارد (مثلاً زیر ۱۰ μg/L) کاهش دهد.

• روش‌های زیستی: در این روش‌ها از فرآیندهای بیولوژیکی طبیعی برای حذف آرسنیک استفاده می‌شود.

  • باکتری‌های سولفات‌کاهنده (SRB): این گروه میکروارگانیسم‌ها با مصرف سولفات، سولفید تولید می‌کنند که می‌تواند آرسنیک را به شکل رسوب فلزی (آرسنی‌سولفید) تثبیت کند. مطالعات نشان داده است که سیستم‌های بیوراکتور مبتنی بر SRB قادرند مقادیر قابل توجهی از As(III) و As(V) را با تشکیل رسوب فلزی از آب حذف کنند.

  • تالاب‌های مصنوعی: سیستم‌های خاکی-آبی‌ای که برای تصفیه طبیعی آب طراحی شده‌اند، امکان حذف آرسنیک از طریق طیف متنوعی از مکانیزم‌ها را فراهم می‌کنند. در این تالاب‌ها، فعالیت گیاهان و باکتری‌ها موجب اکسیداسیون و ته‌نشینی آرسنیک (مثلاً به شکل آرسنات‌های رسوبی یا کانی‌های آرسنیکی) و جذب آن به سطح ذرات خاک و گیاهان می‌شود. تالاب‌های ساخته‌شده مزیت کم‌هزینه و کارکرد پایدار دارند و در مطالعات مختلف به حذف موفقیت‌آمیز آرسنیک گزارش شده است.

مزایا و معایب هر روش

• روش‌های فیزیکی: مزایا این گروه شامل راندمان بالای حذف (به‌ویژه در سیستم‌های غشایی) و عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی به آب است. معایب آن‌ها هزینه سرمایه‌ای و عملیاتی بالا، نیاز به فشار کاری زیاد و تولید پساب غلیظ حاوی آرسنیک است.

• روش‌های شیمیایی: مزایای اصلی شامل کارایی بالا در حذف آرسنیک، امکان طراحی در مقیاس بزرگ و نسبتاً هزینه پایین (خصوصاً در جذب سطحی) است. مثلاً جذب سطحی می‌تواند به‌طور چشمگیری آرسنیک را حذف کند، اما نیاز به تعویض یا احیای جاذب پس از اشباع دارد و حضور یون‌های رقابتی (مانند فسفات) می‌تواند ظرفیت جذب را کاهش دهد. روش انعقاد-لخته‌سازی نیز در مقیاس صنعتی معمول و اثربخش است، اما تولید مقادیر قابل توجهی لجن و نیاز به کنترل دقیق pH از معایب آن است.

• روش‌های زیستی: این روش‌ها مزیت اصلی‌شان هزینه پایین و قابلیت اجرا به‌صورت غیرفعال (مانند تالاب‌های مصنوعی) است. آن‌ها می‌توانند در بسیاری از شرایط محیطی کار کنند و بعضاً بازیابی و نگهداری ساده‌تری دارند. معایب روش‌های زیستی شامل زمان واکنش طولانی‌تر، نیاز به شرایط خاص محیطی (pH، منبع کربن، دما و غیره) و کنترل دشوارتر فرآیند است، به‌طوری که تضمین حذف کامل آرسنیک در همه شرایط همواره ممکن نیست.

فناوری‌های نوین و پژوهش‌های جدید در تصفیه آرسنیک

در سال‌های اخیر، تحقیقات بسیاری روی استفاده از فناوری‌های پیشرفته برای حذف آرسنیک انجام شده است. از جمله، جاذب‌های نانوساختار توجه زیادی یافته‌اند؛ برای مثال نانوذرات آهن-اکسید و جاذب‌های گرافنی، مساحت سطح ویژه بسیار بالایی دارند و ظرفیت بالایی در جذب آرسنیک نشان داده‌اند. همچنین چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFها) و مواد دو‌لایه (LDHهای آهن–منگنز) به‌عنوان جاذب‌های نوظهور مطرح شده‌اند که بر اساس نتایج آزمایشگاهی، حذف بسیار بالایی (بیش از ۹۵٪) در سطح خنثی داشته‌اند. در حوزه فرایندهای شیمیایی جدید، استفاده از روش‌های فتوکاتالیستی و اکسیداسیون پیشرفته به چشم می‌خورد. نیمه‌رساناهای فوتوکاتالیست (مانند TiO۲ تحت نور UV یا خورشید) می‌توانند As(III) را به As(V) اکسید کنند که باعث کاهش سمیت و تسهیل حذف آن در مراحل بعدی می‌شود. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که اکسیداسیون فوتوکاتالیستی به‌خصوص در مناطقی با دسترسی به نور خورشید قوی، یک روش پایدار و امیدوارکننده برای کاهش آلودگی آرسنیک است. علاوه بر این، روش‌های ترکیبی نظیر غشاهای پوشیده با نانوذرات و یا فرایندهای الکتریکی/الکترواستیکاسیون نیز در حال توسعه هستند. این فناوری‌های نوین هنوز در مقیاس صنعتی به‌طور کامل به‌کارگیری نشده‌اند، اما مطالعات آزمایشگاهی و پایلوتی پتانسیل بالای آن‌ها را در بهبود تصفیه آب نشان داده است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب