صنایع عمده‌ترین منابع آلاینده مربوط به فلزات سنگین هستند. کارخانه‌هایی از قبیل آبکاری، باطری‌سازی و تولید قطعات الکترونیکی از مهمترین آن‌ها هستند. به طور کلی آلودگی ناشی از سرب مربوط به مصرف سوخت‌های فسیلی است که به دنبال آلودگی هوا، آلودگی خاک و آب را هم به دنبال دارد.

اکثر قریب به اتفاق واحدهای تولید کنندهٔ فاضلاب‌های صنعتی حاوی فلزات سنگین، فاقد سیستم‌های تصفیه هستند و روزانه مقادیر فراوانی فاضلاب صنعتی را وارد محیط زیست یا شبکهٔ فاضلاب شهری می‌کنند که باعث آلودگی منابع آبی می‌شوند. در مواردی نیز که فاضلاب صنعتی تصفیه می‌شود، مشکل دفع و دفن لجن تولید شده وجود دارد که می‌تواند از طریق گیاهان، جذب و وارد چرخهٔ غذایی شود. بنابراین حذف فلزات سنگین، می‌بایست در مورد لجن حاصل از تصفیه‌خانه‌های فاضلاب نیز صورت گیرد.

اکنون می‌خواهیم بدانیم که این فلزات سنگین کدامند و چه کاربردی در صنعت دارند. فلزات سنگین شامل روی، جیوه، نیکل، سرب، کادمیوم، کروم و آرسنیک هستند که همگی از جمله مواد سمی به شمار می‌آیند. البته این فلزات دارای کاربردهای زیادی در صنعت هستند از جمله روی که در صنایع رنگ‌، لاستیک، داروسازی و همچنین در تولید کود به عنوان مادهٔ افزودنی استفاده می‌شود. جیوه نیز کاربردهای متنوعی دارد و در تولید حشره‌کش‌ها، آمالگام‌ها و داروهای دندان، الکترود در برخی انواع الکترولیز، باتری‌ها (پیل‌های جیوه‌ای) و کاتالیزورهای مورد استفاده در تولید کلر و هیدروکسید سدیم و… به کار می‌رود.

وجود فلزات سنگین با غلظت بیش از استاندارد در آب نوشیدنی باعث بروز بیمارهای مختلف می‌شود.

با این حال این مواد که در صنعت کاربرد زیادی دارند، اگر مدتی پس از دفع، از آب آشامیدنی‌ بازجذب نشوند، عوارض ناگواری برای انسان در پی خواهند داشت. وجود فلزات سنگین با غلظت بیش از استاندارد در آب نوشیدنی، باعث بروز بیماری‌های مختلف نظیر مسمومیت، حساسیت شدید، ضایعات کروموزومی، عقب افتادگیِ ذهنی، فراموشی، پارکینسون، سنگ کلیه، نرمی استخوان و انواع سرطان از جمله سرطان پروستات می‌گردد.

البته قابل ذکر است که جنبهٔ دیگری از این فاجعه، مرگ و میر آبزیان در اثر تخلیه این پساب‌های محتوی فلزات سنگین است که از جمله منابع زیستی در دنیای امروز به شمار می‌آیند. در ایالات متحدهٔ آمریکا میزان استاندارد آرسنیک در آب آشامیدنی به ppb ۱۰ (یک در میلیارد) کاهش داده شده و این رقمی است که در اغلب سازمان‌های تصفیهٔ آب، رسیدن به آن بسیار دشوار است.

برای حذف فلزات سنگین و خارج نمودن آن‌ها از پساب‌های صنعتی روش‌های مختلفی وجود دارد که روش‌های شیمیایی و بیولوژیکی از آن جمله‌اند. از روش‌های شیمیایی می‌توان به خنثی‌سازی ترسیبی به کمک سود، آهک یا کربنات سدیم اشاره کرد. در زمینهٔ روش‌های بیولوژیک نیز مدل‌های مختلفی ارایه شده است. یکی از این مدل‌ها روش احیای باکتریایی سولفات است. به این ترتیب که باکتری‌های احیاکنندهٔ سولفات ترکیبات آلی مانند متانول و اتانول را با استفاده از سولفات، اکسید نموده که در نهایت بی‌کربنات و سولفید هیدروژن ایجاد می‌نماید. در مرحلهٔ بعد سولفید هیدروژن با یون‌های فلزات سنگین ترکیب شده و سولفیدهای نامحلول به شکل لجن متراکم رسوب می‌کنند.

در این خصوص، یکی از راه‌کارهای پژوهشیِ محققان موسسهٔ مواد جدید [INM] در اروپا این بوده است که به منظور تولید ذرات کامپوزیت فوق‌مغناطیسی [SPMC یا Super Paramagnectic Composite]، نانوذرات اکسید‌آهن را در یک محیط شیشه‌ای قرار داده‌اند و با استفاده از خاصیت مغناطیسی این ذرات میکرونی و نانو‌متری به راحتی فلزات سنگین را جذب کرده‌اند. این ذرات که دارای خاصیت فوق‌مغناطیسی هستند به درون آب فرستاده می‌شوند و فلزات سنگینی را که در آنجا وجود دارند جذب می‌کنند. سپس این آب از یک میدان مغناطیسی عبور داده می شود و ذرات فوق‌مغناطیسی حاوی فلزات سنگین از جریان خارج می‌شوند. بعد از برداشتن این ذرات فوق‌مغناطیسیِ حاوی فلزات سنگین، می‌توان با استفاده از یک فرآیند شیمیایی، فلزات سنگین را از آن ها جدا نمود که در نتیجهٔ آن، یک لجن خیلی غلیظ حاصل می‌شود. بر طبق نظر محققان موسسهٔ مواد جدید، بسته به فلزات سنگینی که استخراج می شوند، حدود یک گرم نانوذره برای تصفیهٔ یک لیتر پساب صنعتی آلوده به فلزات سنگین مورد نیاز است. با استفاده از این روش تیم این موسسه موفق به جدا کردن ۱۰۰ میلی‌گرم از فلزات سنگین شده است. البته به کمک فرآیندهای ته‌نشینی یا شیمیایی در پایان عمل تصفیه می‌توان به خلوص بالاتری رسید. این موضوع به خصوص زمانی اهمیت پیدا می‌کند که فلزات مورد نظر بسیار سمی باشند.

استفاده از خاصیت مغناطیس در جداسازی ذرات باردار از پساب‌های صنعتی

نانو بلورهای مغناطیسی به عنوان هستهٔ اصلی سیستم‌های تصفیهٔ جدید استفاده می‌شوند. سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب فلزات سنگینی مانند آرسنیک دارند بلکه با انتخاب اندازهٔ مناسب می‌توان به راحتی این ذرات را به واسطهٔ جداسازی مغناطیسی از آب جدا کرد. محققان فرآیندی را برای تولید ذرات مغناطیسی تک‌پراکنشی به قطر ۱۵ تا ۲۰ نانومتر ـ‌مناسب‌ترین اندازه برای جداسازی مغناطیسی‌ـ توسعه داده‌اند. هنگام تولید این مواد در حلال‌های آلی، استفاده از روش‌های شیمیایی کنترل سطح ضروری است. دانشمندان برای اولین بار توانستند از تقسیم اکسایشی گروه‌های پوششی آب‌گریز روی این نانو ذرات استفاده کنند و تنها طی این مرحله به موادی قابل حل در آب با بازدهی بالا دست یابند. در نظر گرفتن تمام این نتایج نشان می‌دهد که نانو ذرات مغناطیسی جاذب‌های بسیار کارآمدی برای آرسنیک به خصوص در PH پایین هستند و خاصیت جذبی غیرقابل برگشت آن‌ها مخزن مناسبی را برای جمع‌آوری آلاینده‌ها فراهم می‌کند. در پایان این فرآیند نیز جداسازی مغناطیسی مورد ارزیابی قرار گرفته است. دانشمندان با استفاده از فیلتراسیون مغناطیسی توانسته‌اند این ذرات را برحسب اندازهٔ آن‌ها جدا کنند و بازدهٔ این عمل و امکان دست‌کاری مغناطیسی آن‌ها را افزایش دهند. یکی از مهمترین اهداف طرفداران محیط زیست، حذف مواد سمی و خطرناک از چرخهٔ طبیعت است که با بهره‌گیری از دانش و فن‌آوری نانو می‌توان باعث جداسازی آن‌ها از محیط زیست شد.

آزمایشگاههای تحقیقاتی برای تولید نانو بلورهای مغناطیسی برای جداسازی ذرات فلزی سنگین از آب

منابع:

۱- http://nano.ir
2- http://ssf.blogfa.com/8509.aspx
3- http://www.inm-gmbh.de/de/ueber-uns
4- Nanotechnology and the Environment , Kathleen Sellers, Christopher MaKay, Lynn L. Bergson, CRC Press, 2008,