مرجع تخصصی آب و فاضلاب

خطرات جیوه (Hg) در آب آشامیدنی

• فرم‌های محیطی

  • جیوه فلزی (Hg⁰): بخار سمی، قابلیت اکسید شدن به Hg²⁺

  • جیوه غیرآلی (Hg²⁺): محلول در آب، قابلیت واکنش با لیگاندها

  • متیل‌جیوه (CH₃Hg⁺): زیست‌تجمع‌یاب، سمی‌ترین گونه برای انسان

• اثرات سمی بر بدن

  • عصبی–رفتاری: لرزش (tremor)، اختلال تمرکز، اختلال حافظه، بیش‌فعالی یا خواب‌آلودگی؛ در کودکان باعث کاهش توان هوشی و تاخیر رشد عصبی–حرکتی می‌شود.

  • کلیوی: نکروز توبولی، پروتئینوری

  • کبدی: آسیب سلولی و سیروز خفیف در مواجهات مزمن

  • سیستم ایمنی: سرکوب ایمنی، افزایش خطر عفونت

  • جنینی–تکوینی: عبور از جفت و خون–مغز در جنین، نقص رشد مغزی و حرکتی

• استانداردها و حد مجاز

  • WHO: ۶ µg/L (مجموع گونه‌های Hg)

  • EPA آمریکا: ۲ µg/L (حد اکشن‌لول برای Hg)

شیوه‌های تصفیه و حذف جیوه

1. اسمز معکوس (RO)

   • حذف انواع گونه‌های Hg تا >90٪ با ممبران‌های نیمه‌تراوا.

2. تبادل یونی

   • رزین‌های سولفور-ایمپریگنیتد (Sulfide‑impregnated) یا تیول‌دار، تبادل Hg²⁺ با یونی مانند Na⁺.

3. جذب سطحی (Adsorption)

   • کربن فعال و کربن سولفوره: ظرفیت بالا برای Hg⁰ و Hg²⁺

   • بیوچار و زئولیت: ارزان، قابل شارژ مجدد

   • نانومواد اکسید آهن یا نانوسِل (Nano‑cellulose) اصلاح‌شده: جذب انتخابی برای متیل‌جیوه

4. رسوب‌دهی شیمیایی (Chemical Precipitation)

   • افزودن سدیم سولفید یا Na₂S → تشکیل HgS (رسوب سیاه) → جداسازی با فیلتراسیون

   • افزودن هیدروکسید قلیایی (NaOH) → رسوب Hg(OH)₂

5. تقطیر بخار (Steam Stripping / Distillation)

   • جداسازی بخار Hg⁰ از آب با اضافه کردن سولفید سدیم برای احیای Hg²⁺ → جذب بخار روی کربن فعال

6. فرآیند زیستی (Bioremediation)

   • باکتری‌های گوگرددوست (Sulfate‑reducing bacteria) جهت رسوب‌دهی بیولوژیک HgS

7. الکتروشیمی (Electrochemical Removal)

   • الکترودهای طلا یا کربن-نقره برای الکتروپلاسیون Hg روی سطح الکترود

روش‌های اندازه‌گیری آزمایشگاهی

1. Cold Vapor Atomic Absorption (CV‑AAS)

   • استاندارد طلایی برای Hg⁰؛ حد تشخیص ~0.1 µg/L

2. Atomic Fluorescence Spectrometry (AFS)

   • حساسیت بالاتر از CV‑AAS، حد تشخیص ~0.01 µg/L

3. ICP–MS (Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry)

   • تفکیک ایزوتوپی Hg، حد تشخیص در سطح نانوگرم بر لیتر

4. ICP–OES (Optical Emission)

   • حد تشخیص ~1–5 µg/L، کاربرد کمتر نسبت به CV‑AAS

5. Dithizone Colorimetric

   • استخراج آلی (Cl₂CH₂) + Dithizone → کمپلکس رنگی قرمز مایل به قهوه‌ای؛ اندازه‌گیری با اسپکتروفتومتر

6. XRF (X‑Ray Fluorescence)

   • مناسب نمونه‌های جامد (رسوبات)، سریع و غیرمخرب؛ برای آب نیاز به خشک کردن و پری‌کانسنتراسیون

7. Electrochemical Sensors

   • الکترودهای میکرو و نانو با پوشش نانوذرات طلا یا کربن اصلاح‌شده؛ اندازه‌گیری لحظه‌ای

روش‌های سنتی حسی و چشمی

• طعم و بو

  • جیوه محلول در غلظت‌های معمول طعم یا بوی قابل‌تشخیصی ندارد.

• تغییر رنگ یا کدورت

  • رسوب سیاه یا خاکستری HgS روی جداره ظروف پس از ته‌نشینی شیمیایی.

• کیت‌های تیپ تست (Test Strips)

  • نوارهای آغشته به اتحادیه Dithizone یا EDTA که در حضور Hg²⁺ تغییر رنگ می‌دهند (قرمز/قهوه‌ای).

• تست پایه خاک‌گیر

  • ریختن محلول سولفید سدیم در نمونه؛ تشکیل رسوب سیاه نشان‌دهنده Hg

سایر روش‌های ساده و پیشرفته

• سنسورهای نانوفناوری

  • نانوذرات نقره یا طلا با لیگاندهای تیول‌دار: تغییر جذب نوری یا الکتروشیمیایی در حضور Hg²⁺

• DGT (Diffusive Gradients in Thin Films)

  • جذب تدریجی Hg بر روی رزین درون ژل، پایش پیوسته

• LIBS (Laser‑Induced Breakdown Spectroscopy)

  • پرتاب پالس لیزری به نمونه خشک‌شده، تحلیل طیفی فوری؛ تجهیزات گران

• حسگرهای بیوسنسور

  • آنزیم‌ها یا سلول‌های میکروبی اصلاح‌شده به لیگاند Hg؛ تغییر پتانسیل یا جریان

علائم و نشانه‌های محیطی

• رفتار آبزیان

  • مسمومیت و کاهش جمعیت بی‌مهرگان (Daphnia)، ماهیان حساس

  • تجمع Hg در بافت‌های ماهی‌ها (خصوصاً انواع چرب مانند ماهی تن)

• تجمع در رسوبات

  • لایه‌بندی HgS سیاه در بستر رودخانه و مخازن

• اثر بر گیاهان آبی

  • کندی رشد و کلروز برگ‌ها در رسوبات آلوده

• منابع احتمالی

  • فاضلاب صنعتی (کل چاه‌سازی، معدن، نیروگاه ذغال‌سوز)

  • رسوب فرسوده در سیستم‌های قدیمی لوله‌کشی

نتیجه‌گیری مهندسی:
به دلیل فقدان علائم حسی و بصری قابل‌اتکا برای Hg محلول، توصیه می‌شود پایش کیفی و کمی آب با روش‌های آزمایشگاهی استاندارد (CV‑AAS یا AFS) و استفاده از واحدهای تصفیه چندمرحله‌ای (اسمز معکوس+کربن فعال سولفوره) برای اطمینان از حذف کامل جیوه از آب آشامیدنی به‌صورت دوره‌ای انجام شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف جیوه (Hg) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بسیار بالا، تجمع زیستی و اثرات مخرب آن بر سیستم عصبی، کلیهها و محیط زیست، از چالش‌های مهم در تصفیه آب است. جیوه معمولاً در فاضلاب صنایعی مانند معادن طلا، تولید کلر-آلکالی، صنایع الکترونیک و باتری‌سازی یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف جیوه، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف جیوه:

1. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • فرمول واکنش با سولفید سدیم (Na₂S):

     ↓Hg2++S2−→HgS

   • فرمول واکنش با هیدروکسید سدیم (NaOH):

     ↓Hg2++2OH−→Hg(OH)2​

   • مزایا: ساده و کم‌هزینه.

   • معایب: تولید لجن سمی و نیاز به دفع ایمن.

2. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از کربن فعال، اکسیدهای آهن یا زئولیت‌ها برای جذب جیوه.

   • فرمول جذب:

     Hg2++Adsorbent→Hg-Adsorbent

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

   • معایب: محدودیت در ظرفیت جذب و نیاز به احیای جاذب.

3. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل یونی (مانند رزین‌های تیول) برای جذب انتخابی جیوه.

   • فرمول کلی:

     +2R-SH+Hg2+→R-S-Hg-S-R+2H

   • مزایا: بازده بالا در pH اسیدی.

   • معایب: هزینه بالای رزین و نیاز به احیای دوره‌ای.

روش‌های نوین حذف جیوه:

1. نانو جاذب‌ها (Nanoadsorbents):

   • استفاده از نانوذرات مغناطیسی (Fe₃O₄)، گرافن اکسید یا نانوذرات طلا (با قابلیت جذب انتخابی جیوه).

   • مکانیسم: گروه‌های عاملی (-SH، -NH₂) روی سطح نانوذرات، جیوه را جذب می‌کنند.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۵۰۰ mg/g) و قابلیت بازیابی با میدان مغناطیسی.

2. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

   • استفاده از الکترودهای آهن (Fe) یا آلومینیوم (Al) و جریان الکتریکی برای تولید هیدروکسیدهای فلزی که جیوه را رسوب می‌دهند.

   • فرمول واکنش:

     -Fe→Fe2++2e
   • ↓Fe2++Hg2++4OH−→Fe(OH)2​⋅Hg(OH)2​

   • مزایا: حذف همزمان چند فلز سنگین و کاهش لجن.

3. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF):

     • مکانیسم: جداسازی جیوه بر اساس اندازه و بار الکتریکی.

     • بازده: تا ۹۹٪ حذف جیوه.

   • مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

4. زیست‌پالایی (Bioremediation):

   • استفاده از باکتری‌های مقاوم به جیوه (مانند Pseudomonas و Bacillus) برای تبدیل جیوه به شکل کم‌خطر (Hg⁰).

   • فرمول واکنش:

     Hg0↑ → آنزیم‌ها ​ Hg2++2e

   • مزایا: سازگار با محیط زیست.

   • معایب: نیاز به کنترل دقیق دما و pH.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • جذب سطحی: pH ~۶–۸ برای حداکثر جذب.

  • تبادل یونی: pH ~۴–۶ برای فعال‌سازی گروه‌های تیول.

• زمان تماس: ۳۰–۱۲۰ دقیقه برای جذب سطحی و الکتروکواگولاسیون.

• غلظت جاذب: ۱–۱۰ گرم بر لیتر برای نانو جاذب‌ها.

• ولتاژ در الکتروکواگولاسیون: ۱۰–۲۵ ولت.

• دما: ۲۵–۳۵°C برای فعالیت بهینه میکروبی.

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای غلظت‌های بالا: ترکیب ته‌نشینی شیمیایی با فیلتراسیون.

   • برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانو جاذب‌ها یا سیستم‌های غشایی.

2. مواد و تجهیزات:

   • مواد شیمیایی (Na₂S، NaOH)، رزین‌های تبادل یونی، نانوذرات Fe₃O₄، الکترودهای آهن/آلومینیوم، غشاهای نانوفیلتراسیون.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای ته‌نشینی، ستون‌های جذب یا سیستم‌های الکتروشیمیایی.

   • نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

   • تعویض رزین‌ها، تمیزکاری غشاها و دفع ایمن لجن‌های حاوی جیوه.

فرمول‌های کلیدی:

• ایزوترم جذب فروندلیش:

• 
  ln⁡qe=ln⁡KF+(1/n)ln⁡Ce​

• • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و جذب سطحی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان کاربرد دارند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و زیست‌پالایی به دلیل کارایی بالا، قابلیت بازیابی جیوه و سازگاری با محیط زیست، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت جیوه، شکل شیمیایی آن (Hg²⁺، متیل‌مرکوری)، هزینه و مقررات زیست‌محیطی انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، زمان تماس و دوز جاذب، نقش کلیدی در افزایش بازده و کاهش هزینه‌ها دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب