جداسازی فلزات سنگین از جمله سرب و کادمیوم از محیط آبی با استفاده از پلی‌پیرول و کامپوزیتهای آن

توضیحات

جداسازی فلزات سنگین از جمله سرب و کادمیوم از محیط آبی با استفاده از پلی‌پیرول و کامپوزیتهای آن
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
-1- مقدمه
فاضلابهای صنایع معدنی[11]، نساجی، چرم، دباغی، آبکاري فلزات با روي یا گالوانیزه‌کردن، مواد رنگی و رنگرزي، ذوب و استخراج فلزات و سایر فرایندهای فلزات و تصفیه آنها[12]، ساخت تجهیزات الکتریکی، آلیاژها، باطری، حشره‌کشها، لجن تصفیه خانه فاضلاب، خاکستر حاصل از زباله‌سوزها و فرایندهای مواد رادیواکتیو[11]، در مقیاس کوچک یا بزرگ حاوی مقادیر قابل توجهی از یونهای فلزات سمی می‌باشند[12].
فلزات سنگین مثل روي، سرب، کروم، کاربردهاي زیادی در کارهای پایه مهندسی مثل تولید کاغذ، دباغی چرم مواد آلی شیمیایی و کودهای حاصل از مواد شیمیایی نفتی و غیره دارند. یونهای فلزات سمی خطرات بالقوه‌اي بر‌ سلامت انسان دارند و سبب ناراحتی‌هاي جسمی و در بعضی اوقات بیماریهای تهدید کننده شامل خسارت برگشت ناپذیر سیستم حیاتی بدن می‌شوند[13].
فلزات سنگین با ایجاد مکانیسمهای متعدد باعث به هم خوردن تعادل در موجودات زنده به ویژه انسان شده و طیف وسیعی از عوارض و اختلالات را به وجود می‌آورند[1].
از مهمترین این عوارض مي‌توان به سرطان‌زائی، اثر بر سیستم اعصاب مرکزی و محیطی، تأثیر بر پوست، اثر بر خونسازي، اثر برسیستم قلب و عروق، آسیب کلیه‌ها و تجمع در بافتها اشاره کرد. از نقطه نظر سم‌شناسی، خطرناکترین فلزات جیوه، سرب، کادمیوم، و کروم(VI) می‌باشند. در بسیاری از موارد اثر فلزات سنگین بر انسان به خوبی شناخته نشده است. یونهای فلزات در محیط زیست تجمع پیدا کرده و وارد زنجیره غذایی می‌شوند[14].
جدول (1-1) فهرست کاملي از صنايع به همراه فلزات سنگين احتمالي در پساب آنها را نشان می‌دهند.
جدول (1-1) فهرست صنایع با فلزات سنگین موجود در پساب
As Ba B Cd Cr Co Cu Fe Pb Mn Hg Ni Se Ag Zn
معادن فلزي × × × × × × × × ×
ذوب فلزات × × × × × × × ×
آبکاري فلزات × × × × × × × × × × ×
ریخته‌گري × × × × × ×
صنایع شیشه‌سازي × × × × × × × ×
صنایع چینی × × × × × × × × × × ×
صنایع پلاستیک × ×
صنایع سرامیک × × × × × × × ×
تولید حشره‌کش × × × × ×
پالایشگاه نفت × × × × ×
حفاظت چوب × × × ×
ساخت رنگ × × × × × × × ×
دترجنت × × × ×
1-2- کادمیوم
کادمیوم با روی و جیوه هم‌گروه می‌باشد. از فلزات نسبتاً نادر در طبیعت بوده و شصت و هفتمین عنصر از نظر فراوانی مي‌باشد. نیمه عمر آن 30-10 سال می‌باشد. میانگین غلظت آن در پوسته زمین 2/0، فراوانی در خاک 7/0-01/0 و به طور متوسط 06/0 میلی‌گرم در کیلوگرم تخمین زده شده است. غلظت مجاز در آب آشامیدنی 05/0mg/l است. به طور طبیعی سالیانه حدود 25000 تن کادميوم وارد محيط زيست مي‌شود. حدود نيمي از اين کادميوم از طريق هوازدگي سنگ‌ها وارد رودخانه‌ها مي‌شود. آتش‌سوزي جنگلها و آتشفشانها، فعاليت‌هاي بشري مانند شيرابه‌هاي زباله‌هاي صنعتي، توليد کودهای فسفاته مصنوعی از منابع مهم منتشر کننده کادميوم هستند[15].
مهمترین منبع آن در طبیعت سنگ معدن روی، مانند سولفید روی و کانیهای ثانویه مثل کربنات روی است. همچنین فسفریت و میشل سیاه غنی از کادمیوم هستند. نقش بیولوژیکی مفیدی نیز برای آن شناخته نشده است و در صنعت به عنوان ماده ضد اصطکاک، ضد زنگ و در آلیاژها به کار می‌رود. در نیمه رساناها، محافظ میله در راکتورهای هسته‌ای، آبکاری فلزات، سرامیک سازی، کارخانجات و صنایع پلاستیک، تولید باطریهای PVC، رنگدانه‌های رنگ، ترکیبات قارچ کش، روغن موتور، لاستیک اتومبیل و عکاسی کاربرد دارد. در زمینهای کشاورزی که از فسفاتهای غنی از کادمیوم به عنوان کود استفاده می‌شود، غلظت آن در خاک 5 تا 14 برابر افزوده می‌شود [16].
از نقطه نظر ایجاد آلودگی در محیط بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد. با آب و غذاهايي مانند جگر، قارچ، صدف رودخانه‌اي، میگو، خرچنگ و ماهی که کادميوم بالايي دارند، وارد بدن انسان شده و بعد از جذب به پروتئینهای کم وزن متصل شده و در کبد و کلیه، دستگاه تناسلی، سیستم عصبی، تنفسی، گوارشی و ماهیچه‌های قلبی جمع می‌شود. به واسطه ایجاد اختلال در جایگزینی کلسیم در استخوان و استخوان سازی، باعث کمردرد شدید و شکننده شدن استخوانها می‌شود. بیماریهای ناشی از آن در ژاپن به علت درد شدید ایتای-ایتای و یا اوچ-اوچ نامیده می‌شود. از عوارض نامطلوب حضور آن در بدن مي‌توان به اسهال، فشار خون بالا، بیماریهای کبدی، شکم درد و استفراغ شديد، شکستگي استخوان، عقيم شدن، آسیب به سیستم عصبی مرکزی، آسیب به سیستم ايمني، ناهنجاري‌هاي رواني و آسيب احتمالي به DNA و سرطان اشاره کرد[17].
مقدار کادمیوم جذب شده توسط گیاه و سمیت آن به عوامل متعددی شامل فنوتیپ گیاه، تحرک، توزیع کادمیوم در گیاه، مقدار کادمیوم خاک، منشاء آن، واکنش و شرایط اکسیدی خاک، ظرفیت جذب خاک و تاُثیر سایر عناصر بستگی دارد[19،18].
ممکن است روی سطوح تبادل یونی جذب شده و در غلظتهای کم می تواند جذب اختصاصی نیز بشود. کادمیوم با یونهای هیدروکسیل و کلراید، کمپلکسهای متحرکی ایجاد می‌کند[15].
1-3- سرب
سرب به طور طبيعي در محيط زيست وجود دارد، ولي در اکثر موارد حاصل فعاليت‌هاي بشري از قبيل کاربرد در توليد بنزين مي‌باشد. نمک‌هاي سرب از راه اگزوز اتوموبيل‌ها وارد محيط زيست شده و خاک، آب و هوا را آلوده مي‌کند. سرب يکي از چهار فلزي است که بيشترين عوارض را بر روي سلامتي انسان دارد. فراوانی سرب در سنگها 16 و دامنه تغییرات غلظت آن در خاک 20-2 و معمولاٌ حدود 10 میلی‌گرم در کیلوگرم است. حدود بحرانی سرب در آب شرب 10 میکروگرم در لیتر، در هوای تنفسی 1-5/0 میکروگرم در متر مکعب هوا و در محل کار 60-30 میکروگرم در متر مکعب هوا گزارش شده است[16].
سرب داراي جلاي فلزي، رسانايي پايين، خاصيت چکش‌خواري و مفتول‌پذيري است و همچنین مقاومت بالايي در برابر خوردگي دارد. بیشترین مصرف سرب در صنایع اتومبیل سازی، تولید آهن و فولاد، تولید باطری‌های سربی-اسیدی، آلیاژها و مواد رنگی می‌باشد. کف و غبار ناشی از ذوب سرب، تولید حشره کشها، رنگ و لعاب سفال، فعالیتهای معدنی، پیلهای الکتریکی، صنایع فلزی، مواد منفجره حاوی سرب و اگزوز اتومبیل فراوان هستند. آزاد شدن سرب به وسیله کلر درون لوله‌های آب و تخلیه پسابهای صنعتی و معادن و لجن فاضلاب به خاک و آب افزوده می‌شود. علاوه بر احتراق سوختهای حاوی سرب می‌توان به منابع دیگر آزادسازی در محیط مانند استهلاک لاستیکها، مصرف زغال سنگ و کارخانه‌های لاستیک و پلاستیک اشاره کرد. زیمرال و اسکوجربو گزارش نموده است که حلالیت سرب در خاک با افزایش PH کم می‌شود. کمترین حلالیت در خاکهای آهکی مشاهده می‌شود[20].
عوارض سمیت با سرب پس از مدت طولانی مشخص می‌شود. سرب به طور طبیعی توزیع فراوانی دارد اما بزرگترین خطر آن زمانی است که در محیطهای زندگی و کار بشر فلز سرب و مشتقات آن منتشر شود. انسان و حیوان با استنشاق سرب از هوای آلوده یا از طریق مواد غذایی و آب آشامیدنی می‌توانند سرب را جذب کنند. تترااتیل سرب در اثر تماس پوستی جذب می‌شود. سرب جذب شده توسط گلبولهای قرمز خون به همه نقاط بدن می‌رسند و در کلیه و کبد و پوست تجمع می‌کنند و سپس دوباره به استخوانها و دندانها و مغز پخش می‌شوند. قسمت اعظم سرب در استخوان است و در استخوان با کلسیم مبادله شده و ناراحتی استخوانی تولید مي‌کند. سرب موجود در استخوان در مواقع تب می‌تواند به سایر اعضا انتقال یافته و ایجاد مسمومیت نماید. به این ترتیب که سرب در سنین بالاتر و در اثر عمل کورتیزون در هنگام بیماریهای تبدار دوباره متحرک می‌شود. به علت تداخل عمل سرب با خونسازی، زردی اولین نشانه بالینی مسمومیت است. سرب در گیاهان و موجودات آبزی نیز تولید سمیت فراوانی می‌نماید[21].
اختلال بيوسنتز هموگلوبين و کم‌خوني، افزايش فشارخون، آسيب به کليه، سقط جنين و نارسي نوزاد، اختلال سيستم عصبي، آسيب به مغز، ناباروري مردان، کاهش قدرت يادگيري و اختلالات رفتاري در کودکان از عوارض منفي افزايش غلظت سرب در بدن است. مختل شدن عملکرد فيتوپلانکتون‌ها به عنوان يکي از منابع مهم توليد اکسيژن در درياها و در نتيجه بر هم خوردن تعادل جهاني موجودات آبزي از مهمترين عوارض نامطلوب حضور سرب در اکوسيستم‌هاي آبي است. كودكان مسموم معمولاً دچار آنسفالوپاتي مي شوند كه غالباً منجر به مرگ مي‌گردد. مسموميت زماني ايجاد مي‌گردد كه ميزان سرب در خون بين 6/0 تا 1 ميلي‌گرم در ليتر باشد. استفاده از ظروف حاوي سرب و نگهداري غذاهاي اسيدي در آن مي‌تواند زمينه‌هاي مسموميت با سرب را به وجود آورد. سوزش دهان، دل درد، استفراغ شيري رنگ، مدفوع خوني يا سياه، ايجاد خط آبي روي لثه از علايم مسموميت با سرب است. اما در مسموميت حاد علاوه بر موارد فوق، يبوست، عدم دفع ادرار و ضايعات كبدي كه معمولاً به دليل توقف گردش خون است، منجر به مرگ مي‌شود. كاهش وزن، رنگ پريدگي، فلج شدن دست، ضعيف شدن حافظه، سرگيجه، كاهش قدرت بينايي، افسردگي و تحريك پذيري در اثر آنسفالوپاتي ديده مي‌شود. اما مسموميت با سرب غالباً بصورت مزمن ايجاد مي‌گردد و تغييرات، بيشتر در استخوان و مغز استخوانها بوجود مي‌آيد كه موجب اختلال در ساخت گويچه‌هاي قرمز خون و كم خوني مي‌گردد. از علائم ديگر اختلالات نوروتوكسيك است كه اغلب بصورت فلج تظاهر مي‌نمايد و سرانجام عوارض كليوي هم ايجاد مي‌کند[22].
1-4- آهن
در آبهای خام و در شبکه های آبرسانی در جائی که در تماس با لوله های آهنی قرار گرفته باشد، مقدار ناچیزی از آن یافت می‌شود. می‌تواند به شکلهای گوناگون در آب پیدا شود، در محلولها به صورت مواد کلوئیدی معلق و به صورت کمپلکس با کانیها یا مواد آلی وجود دارد. این عنصر چندان مضر نیست، ولی از نظر خواص ظاهری آب مناسب نمی‌باشد، زیرا مقدار زیاد آن مزه تلخی به آب داده و آنرا نا گوارا می‌کند. از جمله ترکیبات اصلی لیتوسفر و چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی در پوسته زمین است که حدود 1/5 درصد آنرا تشکیل می‌دهند. مقدار متوسط آهن در خاکها 8/3 درصد تخمین زده می‌شود]21[.
در کانیهای اولیه آهن بیشتر به صورت کانیهای فرو منیزیم ظاهر می‌شود. ضمن هوازدگی این کانیها حل شده و آهن آزاد می‌شود که به صورت اکسید و هیدروکسید آهن رسوب می‌کنند. پیریت، سولفید آهنی است که اغلب در مجاورت رسوبات زغال سنگ دیده می‌شود و در تماس با هوا اکسید شده و آهن آزاد شده آن باعث آلودگی آبهای جاری می‌شود. کانیهای ثانویه آهن روی سطوح ذرات خاک باعث توزیع اکسیدهای آهن به صورت پوششهایی روی ذرات کانیها، بویژه در مناطق مرطوب می‌شوند. تشکیل این کانیهای ثانویه، قطعاً سطوح فعالی جهت جذب و تثبیت عناصر غذایی نادر ایجاد می‌کند. یونهای سایر عناصر به شکل رسوبات نامحلول روی این سطوح نگهداشته می‌شوند[22].
آهن در مقادیر کم، عنصری ضروری برای جانداران است ولی مصرف بیش از حد آن فعالیت آنزیمها را مختل می‌کند. بخار آن سبب فعال شدن میکروب سینه پهلو می‌شود. همچنین در آبهای آهن‌دار امکان تاثیر میکروبهای رسوب دهنده اکسید آهن III (سیدروباکترها) زیاد شده و در مجاری و منابع آب ایجاد مزاحمت می‌کند. لازم به ذکر است که بدن انسان در تشکیل هموگلوبین خون به این عنصر نیازمند است، بخصوص در موارد کم خونی و اواخر دوران بارداری زنان از طرف پزشکان تجویز می‌شود[21].
1-5- جیوه
‏جيوه تنها فلزي است كه در دماي معمولي به صورت مايع وجود دارد، اين عنصر از آب سنگين‌تر بوده و فراريت آن زياد است، در دماي 20 درجه سانتي‌گراد هوايی كه با جيوه در حال تعادل است مي‌تواند 3mg/m14 جيوه را در خود داشته باشد. فلزي سمي است و جرم مولكولي آن 59/200 گرم مي‌باشد. جيوه علاوه بر تركيبات معدني مي‌تواند به صورت آلي نيز وجود داشته باشد، از جمله اين مواد مي‌توان متيل كوری، اتيل كوری، فنیل كوری و تركيبات آلي ديگر را نام برد. جيوه به دليل خواص سمي و تجمعی خود باعث ايجاد مسموميت، عوارض و بيماريهاي گوناگون در انسان مي‌گردد[23].
از طریق استخراج معادن، کارخانجات تهیه کلر و سود، کاغذسازي، پلاستیک و باطري‌هاي الکتریکی ایجاد شده و بر کلیه و سیستم اعصاب اثر می‌گذارد و همین طور سبب ناهنجاري در اطفال می‌شودکه از طریق جفت در بدن جنین اثر دارد. جيوه به دليل خواص فيزيكي خاص خود مصارف گوناگوني دارد. جيوه با فلزات سنگيني مانند طلا، نقره، روي و سرب توليد ملغمه مي‌كند كه خود باعث ايجاد مصارف گوناگون و متنوع براي اين عنصر مي‌گردد. براي مثال وجود درصد زيادي از آن در اتمسفر يك منطقه مي‌تواند حتي نشانگر وجود جيوه همراه سنگهاي معدني مانند نقره، روي و سرب ‌باشد. جيوه به صورتهاي مختلفي در هوا، آب و خاك وجود دارد. اين عنصر در هوا معمولاً همراه ذرات معلق و يا به صورت گازي و در آب و خاك به صورت تركيبات آلي و معدني وجود دارد[24].
جيوه مي‌تواند به دو طريق در بدن انسان وارد شده و ايجاد مسموميت ‌نمايد:
الف- قرار گرفتن در معرض بخارات جيوه، معمولاً در افرادي ظاهر مي‌گردد كه به دليل شغلي در محيط كار در معرض بخارات اين فلز و تماس پوستی با آن قرار مي‌گيرند.
ب- قرار گرفتن در معرض متيل مركوري با اين مسموميت از طريق زنجيره غذايي و با مصرف غذاهاي دريايي و يا آبزيان كه از محيطهاي آلوده صيد شده‌اند صورت مي‌گيرد. افرادي كه در معرض غلظت بالايي از بخار جيوه قرار مي‌گيرند، تحت تاثير شديد ناراحتيهاي ريوي قرار خواهند گرفت، كه در بعضي مواقع به ذات‌الريه مي‌انجامد، كه مشابه بيماري آنفولانزا ممكن است به صورت علائمي مانند تب حاصل از بخارات فلز ظاهر شود[25].
1-6- مس
مس یکی از عناصر ضروری برای گیاهان و حیوانات است كه در طبیعت بصورت سولفيد، سولفات و کربنات مس مشاهده می‌شود. از نظر فراوانی در لیتوسفر بیست و ششمين عنصر و بعد از روی می‌باشد. فرإوانی آن در لیتوسفر 70 و در خاکها معمولاً 100-2 و بطور متوسط 30 ميلي‌گرم در كيلوگرم گزارش شده است[26].
مواد مادري شيستهاي كريستالي(گارنت وگرانوليت) حاوي1/0 درصد مس و افق خاكهاي حاصل از آنها حاوي بيش از 100 ميلي‌گرم در کیلوگرم مس گزارش شده‌اند[27].
مس هم به فرم خالص و هم آلیاژی مصرف زیادی دارد. عنصر مس در آب، و رسوبات و موجودات زنده برخی مناطق مجاور فعالیتهای حفاری و صنایع تغلیظ، در قارچ کشهای مسی برای ضد عفونی میوه و سیب زمینی، کودهای شیمیایی (CuSo4.5H2O)لجن فاضلاب و کودهای حاصل از مرغداری وخوکداری مشاهده می‌شود[28].
ووستا و مورگان گزارش نمودند كه در غياب عوامل كمپلكس كننده يا غلظت ناچيز آنها مس دو ظرفيتي از طريق جذب سطحي رسوب مي‌كند. مهمترين گونه‌هاي مس موجود بسته به شرايط ويژه محيط Cu(OH)2 يا CuCO3 مي‌باشند[30،29].
در غلظت کم و متعارف مس سمی نیست و حتی برای تمام موجودات زنده ضروری شناخته شده است، ولی در غلظت های زياد برای انسان، حیوان، گیاهان و حتی برای فعالیتهای میکروارگانیسمها نیز سمی است. بطوريكه غلظت 5/0 ميلي‌گرم در ليتر آن جلبكها و قارچ‌ها را مسموم مي‌كند[31].
باعث آسیب روده‌اي- معده‌اي، آسیب‌هاي کبدي- کلیوی و کم‌خونی می‌شود. مس محلول در آب سبب ايجاد رنگ و طعم نامطلوب در آب آشاميدني مي‌شود. جذب زياد مس در انسان باعث خوردگي شديد مخاطي، آسيب گسترده مويرگي، تغييرات نكروتيك كبدي و كليوي، دستگاه گوارشي و سيستم عصبي مركزي شده و منجر به افسردگي مي‌شود. آب موجود در ظروف مسي منجر به حفظ كيفيت باكتريايي بدون فساد مي‌شود[32].
شواهدي ‏دال بر تجمع مس در زنجیره غذايی دیده نمی‌شود، لذا بیشترین اثرات سمی آن از مصرف آنی غلظتهای زیاد آن حاصل مي‌گردد. در جانداران آلي تخريب سيستم عصبي، گوارشي و خونسازي ويژگي اصلي سميت مس است[20].
1-7- روی
فراوانی روی در لیتوسفر حدود 80، در خاکها به طور متوسط 50 میلی گرم در کیلوگرم می‌باشد. نيمه عمر روي باقيمانده در بدن انسان، يک سال است. روي عنصري حياتي براي تمامي ارگانيسمهاي زنده است. روی تمایل زیادی در پیوند با سولفیدها دارد که منجر به تشکیل معمول‌ترین کانی روی اسفالریت می‌شود[27].
روي به مقدار کم در تمام سنگ‌هاي آتشفشاني وجود دارد. ميزان روي طبيعي در خاک، حدود mg/kg 30-1 مي‌باشد. اين عنصر طعم نامطلوب تلخ و گزنده‌اي به آب مي‌دهد. فلز روي که بعد از فولاد، آلومينيوم و مس پر مصرف‌ترين فلز صنعتي تلقي مي‌شود، به عنوان محافظ فولاد در صنعت آبکاري، به‌صورت فلز آلياژ کننده با مس جهت توليد برنج، در ريخته‌گري‌ها و همچنين به صورت ترکيبات شيميايي در لاستيک و رنگها به کار مي‌رود. مهمترین مورد کاربرد عنصر روی به عنوان پوشش محافظ، روی سایر فلزات مانند آهن و فولاد گالوانیزه است که در لوله های انتقال آب و ناودانها استفاده می‌شود. همچنین در ترکیب مواد مختلفی مثل مرکب، کاغذ کپی، مواد آرایشی، رنگ و لاستیک بکار می‌رود. علاوه بر صنایع ذوب فلزات، تاثیر بارانهای اسیدی و مواد ساختمانی حاوی روی، منابع عمده ورود این عنصر به محیط زیست است. می‌توان فعالیتهای حفاری و تغلیظ فلزات، کاربرد لجن فاضلاب، کمپوست، کودهای شیمیایی، حشره‌کشها و آفت‌کشها در کشاورزی را نیز به این منابع اضافه کرد[33].
روی قابل جذب، شامل یونهای2+Zn و کمپلکس محلول روی می‌باشد. سایر اشکال روی بصورت تبادلی جذب شده روی کانیهای رسی، مواد هومیک، هیدروکسیدها و کربناتها هستند. نوع و مقدار سطوح جذبی، غلظت کل لیگاندها، PH، پتانسیل اکسیداسیون و احیاء و فاز جامد روی می‌توانند غلظت یون 2+Zn در محلول را کنترل نمایند. در PH کمتر از 7/7 یون 2+Zn و PH بالاتر از آن گونهZnOH+ در محلول، غالب هستند. از نظر قدرت جذب، عنصر روی بیشتر وابسته به مواد آلی است و با افزایش کود و بقایای گیاهی به خاک، با وجود افزایش غلظت کل روی میزان فرم محلول روی کمتر می‌شود[9].
آلن و تیمپرلی در سال 1974 به این نتیجه رسیدند که روی هم به صورت سولفید فلزی هم کمپلکس آلی فلزی رسوب می‌کند. جکسون با انجام آزمایشاتی روی چند فلز در سال 1978با تایید مطلب فوق اضافه کرد که عنصر روی نسبت به کادمیوم بیشتر وابسته به مواد آلی است. روی و مس غالبا با رسهای از نوع سزكوئی اسيد، كه بخشي كوچك ولي از نظر بيولوژيكي مهم مي‌باشد، پيوند برقرار مي‌كند[34].