آلودگی های فرایند آبکاری و روش های کنترل و تصفیه آن

1)   بررسی تاریخی

تا سال 1947، زباله های صنعتی وبا توجه  به اینکه رقت در فاضلاب در آب های طبیعی برای از بین بردن اثر خطرناک کافی بود  به طور کلی بدون عملیات های اولیه رها می شدند.در اوایل سال 1950 فرآیند های تصفیه بهبود پیدا کرد و در صنعت به کار گرفته شد .فاضلاب صنایع آبکاری دارای BOD,COD, کدورت بالا و کاهش اکسیژن همراه با یون های فلری می باشد و به دنبال آن سمیت ناشی از فلزات سنگین نیز به طور ویژه مورد توجه واقع شد .

آلودگی های ناشی از فرایند آبکاری در حالت کلی شامل آلودگی های پساب، هوایی، جامـد و صـوتی مـی باشد که در این قسمت به تفکیک مورد بررسی قرار گرفته اند.

2)   آلودگی های پساب

مهمترین نوع آلودگی ناشی از فرایند آبکاری، آلودگی ناشی از پساب ها می باشد. هر کدام از موادی کـه بـه نحوی در آبکاری الکتریکی استفاده میشوند (به عنوان مثال محلولهای اسیدی، فلزات سـمی، حلالهـا و سـیانیدها) میتوانند در پساب (در طی شستشوی محصولات یا از اسپیلیج و روبرداری حمام هـای فراینـد) یافـت شـوند.

حلالها و بخارات ناشی از حمامهای آبکاری منجر به بالا رفتن مقدار اجزاء آلی قابـل تبخیـر و در بعضی موارد اجزاء فلزی قابل تبخیر می شودکه از جمله این اجزاء می توان کرومات ( نمک اسید کرومیـک) را نـام برد. تقریبا 30% حلالها و عوامل روغن زدا مورد استفاده، میتوانند به عنوان VOCs ( هنگامی که حمامها احیاء نشوند) در محیط رها گردند. مخلوط شدن پساب های سیانیدی و اسیدی میتوانـد منجـر بـه تولیـد گـاز مرگبـار سیانید هیدروژن شده که باید از آن جلوگیری شود.

باید توجه داشت ترکیب و مقدار پسابها به شدت متغیر است ( 500-1 لیتر بر هر متر مربع از سـطح آبکاری شده) ولی معمولاً بسته به نوع فرآیند، از نظر فلزات سنگین شامل کادمیم، کروم، سرب، مس، روی، نیکـل و همچنین سیانیدها، فلوئوریدها و روغن و گریس، غنی می باشند. همچنین تمیز کردن یا تعویض نمودن مخزنهای فرآیند و عملیاتهای موجود بر روی پساب میتواند مقادیرزیادی لجنهای خیس و مرطـوب محتـوی مقـادیر زیـادی فلزات یا مواد آلی سمی تولید کند معمولا پساب آبکاری تحت فرایند تصفیه قرار میگیرد.

مراحـل تـصفیه شامل خنثی سازی با آب آهک یا سود یا منیزیم بوده که به دنبال آن عمل فیلتراسیون رسوب حاصل، توسط فیلتر صفحهای و یا فیلتر پرسی انجام می شود در زیرایتدا به توضیح درباره فلزات سنگین پرداخته می شود و سپس انواع فلزات سنگین موجود در صنایع آبکاری مورد بررسی قرار می گیرد.

جدول ( 2-1):مقادیر مجاز آلاینده ها در پساب خروجی از واحد های آبکاری

ترم فلزات سنگین به فلزاتی ارجاع داده می شود که دانسیته نسبی بالا دارند حتی اگر سمی باشند و غلظت آن ها کم باشد .فلزات سنگین یک اصطلاح جمعی است که به کار برده می شود برای گروهی از فلزات و شبه فلزات با دانسیته اتمی  4 یا به اصطلاح دیگر 5 برابر یا بیشتر از دانسیته آب باشذ .

اگرچه  فلزات سنگین را با دانسیته آن ها نمی شناسند ولی با خواص شیمیایی آن ها شناخته می شوند .فلزات سنگین مانند سرب Pb ، کادمیم Cd،کرم Cr،مس Cu،آهن Fe،و عناصر گروه پلاتینی می باشند .

فلزات سنگین :

      کادمیم

یکی از معمول ترین فلزات درآبکاری کادمیم است که دربعضی کاربردها بهتـرین خـواص را در مقایـسه بـا سایر فلزات دارد.کادمیم عنصری است نسبتاً کمیاب، نرم، با رنگ سفید مایل به آبـی کـه سـمی اسـت و در سـنگ معدن روی موجود میباشد. بیشترین کاربرد آن در ساخت باطریها و صنایع آبکاری و پوششهاست؛ به طوری کـه 60% از کادمیم تولید شده در صنایع آبکاری الکتریکی به کار میرود.کادمیم از معدود عناصری است که هیچگونه نقش ساختاری در بـدن انـسان نـدارد، ایـن عنـصر و محلـول ترکیبات آن حتی به میزان بسیار کم، سمی هستند و به همین دلیل حد مجاز آن برای رهاسازی در آب های روان  01.0-004.0  میلی گرم بر لیتر است .اصلی ترین کمپلکس استفاده شده در  حمام های آبکاری، سیانید کادمیم [ ] است. برای ساخت آن، اکسیدکادمیم درسیانیدسدیم حل شده تااین کمپلکس که رایج ترین محلول آبکاری است، ساخته شـود. البتـه دراینجا باید ذکر شود که سایر الکترولیت های آبکاری، شامل سـولفات،کلریدوپیرو فـسفات کـادمیم نیـز متـداول هستند.

   محلول های سیانید

سیانید پتاسیم وسدیم در فرمولاسیون حمام آبکاری الکتریکی برای رسوب دهی مس، روی، کـادمیم، نقـره وآلیاژهایی مانند برنج و برنز استفاده میشوند. حمام های آبکاری الکتریکی ممکن است از ترکیبـات سـیانیدی فلـز مورد نظر مانند سیانید مس، سیانید طلا، سیانید پتاسیم یا سیانید نقره نیز استفاده کنند. با مصرف شـدن محلـول آبکاری، از واکنش بین فلزات حل شده درآند و سیانید سدیم یا پتاسیم، سیانیدهای پیچیده به وجود میایند.

 محلول های مس/ فرمالدهید

رسوب دادن مس به صورت الکترولس، به طور وسیعی به منظور هادی کردن سطح یک غیـر هـادی ماننـد پلاستیک به کارمی رود.در این حالت، یک رسوب نازک ازمس، به عنوان پیش رسوبی برای پوشش های اصلی نظیر پوشش مس و نیکل عمل می کند. همچنین فرمالدهید، یک ترکیب سرطان زا وآلوده کننده آب است که به عنـوان عامل احیا کننده در حمام های نمک الکترولس استفاده میگردد. علاوه بر این، غبارهـای قلیـایی ناشـی از بازیـابی هیدروژن نیز، یک عامل مضر دیگر می باشد که باید به آن توجه نمود.

صنایع  آبکاری و جوش صنعتی ، مقدار زیادی  یون فلزات سنگین، از جمله مس (Cu) و نیکل (نیکل) یون، در پساب آنها وجود دارد که به فاضلاب ها تخلیه می کنند . آلودگی های زیست محیطی مس ناشی از  معدن، مدارهای چاپی، متالورژی، تولید الیاف، خوردگی لوله و صنایع آبکاری فلزات ایجاد می شود. صنایع عمده دیگر تخلیه مس در پساب آنها هستند کاغذ و خمیر کاغذ، پالایش نفت و صنایع مرتبط با حفظ و مراقبت از چوب می باشد .

   کروم شش ظرفیتی

آبکاری کروم شش ظرفیتی، یکی ازانواع رایج آبکاری است. اصلی ترین جزء در ایـن محلـولهـای آبکـاری، تریاکسید کروم ( ) است که حدود 52% کروم شش ظرفیتی دارد. حالت اکسیداسیون کروم شـش ظرفیتـی، سمی ترین شکل آن است که توسط آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا، به عنوان یکی ازخطرناکترین ترکیبات شیمیایی شناخته شده است. تحقیقات نشان داده، کسانی که برای مدت طولانی درتماس با این ترکیب(یا یون آن) قرار گیرند، در معرض ابتلا به سرطان خواهند بود. همچنین مقادیر کم کـروم شـش ظرفیتـی منجربـه مـسمومیت چرخه آبی میگردد.

کروم در سنگ ها، حیوانات، گیاهان و خاک یافت و می تواندبه شکل  یک مایع، جامد یا گاز باشد. ترکیبات کروم به خاک متصل می شوند  و تمایل به مهاجرت به سمت آب های زیر زمینی ندارند ، بلکه، آنها در رسوبات در آب بسیار ماندگار هستند. کروم در آلیاژهای فلزی مانند فولاد ضد زنگ و همچنین  پوشش های محافظ در فلزات (آبکاری). نوار مغناطیسی؛ و رنگدانه مخصوص رنگ، سیمان، کاغذ، لاستیک، پوشش کف ترکیب و مواد دیگر استفاده می شود و فرم محلول آن در مواد نگهدارنده چوب استفاده می شود.

 روی

روییکی از فلزات انتقالی جدول تناوبی است و چهارمین فلز متداول و مورد استفاده درصنعت پس از آهن، آلومینیوم و مس میباشد. این فلز برای آبکاری بسیاری از فلزات و آلیاژها ( مانند فولاد ) جهـت جلـوگیری از زنگ زدگی آنها مورد استفاده قرار میگیرد. روی از عناصر ضروری زندگی انسان است کـه نقـش بـسیار مهمـی در سلامت بدن ایفا میکند؛ به طوری که در میان عناصر ضروری بدن انسان، روی پس از آهن دومین عنصر به لحـاظ کارایی و مقدار میباشد. درمجموع فلز روی به عنوان یک فلز سمی شناخته نمی شود؛ ولی همان طور که در ابتدای بحث نیز بـه آن اشاره شد، مانند هر ماده دیگری، مقدار بیش از حد مجاز آن در محیط زیست زیان بار است؛ به طـوری کـه بعـضی اوقات استنشاق اکسید روی می تواند تحریک زا باشد.

روی در اثر فعالیت های صنعتی، مانند معدن، احتراق ذغال سنگ و زباله و فرآوری فولاد وارد پساب ها می شوند. روی به طور گسترده در صنایع مانند گالوانیزه، رنگ، باتری، کود و آفت کش ها، احتراق سوخت های فسیلی، رنگدانه، تثبیت کننده های پلیمری استفاده می شود .اگرچه فلزات مختلفی نظیر کروم ،نیکل و روی برای صنایع آبکاری استفاده می کنند اما با توجه به هدف مورد نیاز ،استفاده  یکی از این فلزات مناسب می باشد .که در حین شست وشوی مخازن آبکاری ،مقدار زیادی از یون های فلزی وارد پساب می شوند .

  سرب:

به عنوان یک نتیجهای از  فعالیت های انسانی، مانند سوزاندن سوختهای فسیلی، معدن و تولید، سرب و آلیاژهای سرب را می توان در نقاط مختلف محیط زیست یافت ،که شامل هوا ،خاک و آب می شود .سرب با روش های مختلفی استفاده می شود . برای تولید باتری های، مهمات، محصولات فلزی مانند لحیم کاری و لوله ها، و دستگاه های محافظ در برابر اشعه ایکس از آن استفاده می شود.سرب یک فلز سمی می باشد که باعث نگرانی ها به خصوص مربوط با سرطان می شود . استفاده از آن در محصولات مختلفی مانند،بنزین رنگ، و لحیم کاری لوله در سال های اخیر به شدت کاهش یافته است. امروز، رایج ترین منابع قرار گرفتن در معرض سرب ،رنگ برمبنای سرب و احتمالا لوله های آب در خانه های قدیمی ، خاک آلوده، گرد و غبار خانگی، آب آشامیدنی، کریستال سرب، سرب در لوازم آرایشی و اسباب بازی های خاص می باشد.

 جیوه :

جیوه با  ترکیب با سایر عناصر به شکل ترکیبات جیوه آلی و معدنی و معدنی در می آید . جیوه فلزی برای تولید گاز کلر و سود سوز آور، و همچنین در دما سنج ها ، پر کردن دندان، سوئیچ ها، لامپ، و باتری استفاده می شود. نیروگاه های زغال سوز بزرگترین منبع انسان منتشر کننده جیوه به هوا می باشد .جیوه در خاک و آب توسط میکرو ارگانیزم ها به متیل مرکوری تبدیل می شود .و باعث تجمع بیولوژیکی سموم می شود .

  نیکل:

نیکل یکی از این سمی ترین فلزات  موجود در محیط زیست به طور کلی در نظر گرفته می شود ، آن ها خود را وارد زنجیره غذایی می کنند و باعث تجمع روز افزون در بافت های انسان ها می گردند. نیکل (II) در حال حاضر در پساب پالایشگاه نقره، آبکاری، ریخته گریبر پایه  روی و لوازم باتری ذخیره سازی یافت می شود .

 آلودگی های هوایی 

آلودگی های هوایی از دیگر انواع آلودگی های مورد توجه می باشد. به طور کلی هودها و سیستمهای تهویه مناسب، محیط کار را در مقابل این نوع آلودگی محافظت میکننـد؛ ولـی بایـد جریانهـای خروجـی جهـت کـاهش VOCsو فلزات سنگین تحت عملیات قرار گیرند، تا به حد قابل قبول برای رها سازی در هوا برسند. حـداقل 90% پراکندگی  و نشر هوایی حلال ها، بایستی توسط سیستم کنترل آلودگی مثل فیلتر های کربنی بازیافت شود. با ایـن حال باید متذکر شد حلال های مخرب لایه ازن مانند کلوروفلوروکربن ها و تری کلورواتان نباید در فرایند استفاده شوندعلاوه بر استفاده از فیلترهای کربنی، که اجازه استفاده مجدد حلالها را می دهد، مقدار VOCs در بخارات می تواند به وسیله احتراق و بازیافت انرژی پس از تمیز کردن، جذب و یا به وسیله روشهای عملیاتی دیگر، کـاهش یابد .

آلودگی های جامد 

لجنهای تولیدی درحین فرایندآبکاری را عمدتاً به عنوان آلودگی های جامـد مـی شناسـند. ایـن لجـنهـا حاوی مقادیر بالایی فلزات سنگین هستند و بایستی به طور معمول بـه عنـوان یکـی از ضـایعات خطرنـاک، تحـت کنترل درآمده و یا به بخش های تصفیه فلزات که عمدتاً از روش های الکترولیتی استفاده میکنند، فرستاده شـود. کلسیم، آهن و به مقدار کمتری منیزیم و آلومینیوم سایر اجزای اصلی تشکیل دهنده لجن باقی مانده میباشند. لجنهای مذکور عموماً ضخیم و خشک هستند و توسط عوامل شـیمیایی (مثـل آهـک)، قبـل از بازیافـت،پایدار شده اند. اخیرا قانون منع دفع مواد جامد و لجن سمی به خصوص فلزات سمی مسئله بازیافت را بیش از پیش مورد توجه قرار داده است. فرایند بازیافت باید به نحوی طراحی شود که تخریب محیط زیست وآلودگی را به دنبـال نداشته و از راندمان بالایی برخوردار باشد. البته باید توجه داشت که روشهای سنتی کاهش ضایعات برای سیـستم بازیافت مناسب نمی باشند.

آلودگی های صوتی

یکی دیگر از انواع آلودگی های ناشی از فرایند آبکاری، آلودگی صوتی است. هر چند در کشورهای در حـال توسعه آسیب های ناشی از این آلودگی نادیـده گرفتـه مـی شـود، در کـشورهای پیـشرفته بـرای جلـوگیری از آن محدودیت هایی وضع شده است مقدار مجاز آلودگی صوتی در جدول2-2 ذکر شده است.

اهمیت حذف آلودگی های آبکاری و تاثیر آن بر سلامت بدن:

در سال های اخیر مساله فلزات سنگین در آب اهمیت زیست محیطی بسیاری پیدا کرده است .با توجه به تخلیه مقادیر زیادی فاضلاب آلوده به فلزات سنگین مانند کادمیم ،کروم،مس ،نیکل،آرسنیک ،سرب ، روی ،خطرناک ترین در میان صنایع شیمیایی هستند .

به دلیل حلالیت بالای خود در محیط های آبی ،فلزات سنگین می توانند توسط موجودات آبی جذب شوند و هنگامی که وارد زنجیره غذایی می شوند باعث تجمع در بدن می گردند .اگر فلزات بالاتر از غلظت مجاز مصرف شوند می توانند باعث اختلال جدی در سلامت شود .تصفیه فاضلاب های صنعتی حاوی فلزات سنگین یک نگرانی عمده به دلیل سمیت بالای آن ها می باشد ،بنابراین تصفیه آن ها قبل از رها سازی در محیط زیست ضروری است ..

 اثرات سمی فلزات سنگین در بدن انسان :

تخلیه مداوم ضایعات صنعتی، خانگی و کشاورزی در رودخانه ها و دریاچه باعث رسوب آلاینده ها در مناطق مختلف می شود . چنین آلاینده شامل فلزات سنگین، که بعد از اینکه در زنجیره غذایی وارد می شوند  بهداشت عمومی را به خطرمی اندازند.فلزات سنگین نمی توانند از طریق تخریب بیولوژیکی تخریب شوند. بروز تجمع ف0لزات سنگین در ماهی، صدف، رسوبات و دیگر اجزای اکوسیستم های آبی از سراسر جهان گزارش شده است.قرار گرفتن در معرض فلزات سنگین می تواند هم در شرایط معمولی و هم در مناطق صنعتی رخ دهد . برخی از فلزات سنگین حتی در غلظت های کم برای موجودات آبزی سمی هستند. از این رو است که نیاز به حذف فلزات سنگین از اکوسیستم های آبی وجود دارد.

فلزات سنگین ،فلزات منحصر به فرد یا ترکیبات آن ها می باشد که سلامت انسان ها را تحت تاثیر قرار می دهد .همه این مواد طبیعی اغلب در سطوح پایین آب وجود دارند . فلزات به طور کلی در حال حاضر در فاضلاب در هر دو سطح پایین و سطح بالا وجود دارند . اگر چه در حال حاضر در غلظت های بسیار پایین، فلزات، به خصوص فلزات سنگین، برای محیط زیست و زندگی آبزیان و همچنین سلامت انسان بسیار سمی است، بنابراین باید در حد میکرو مولکولی بررسی شود . زنجیره آلودگی فلزات سنگین تقریبا همیشه یک حلقه یکسان را طی می کندکه شامل : صنعت، جو، خاک، آب، مواد غذایی و انسانی است . مسمومیت با فلزات سنگین می تواند در آسیب مغزی و یا کاهش فرایندهای ذهنی و عملکرد عصبی مرکزی، سطح انرژی پایین تر، آسیب به DNA، تغییرات در  ژن، پوست، عضله، ترکیب خون، ریه ها، کلیه ها، کبد، قلب، و دیگر اندام های حیاتی برای انسان و دیگر موجودات زنده اثر گذار باشد . قرار گرفتن طولانی مدت در معرض فلزات سنگین ممکن است باعث پیشرفت آرام پیشرفت فرایندهای تخریب فیزیکی، عضلانی و عصبی شود که باعث بیماری های آلزایمر ،پارکینسون،دیستروفی عضلانی ،قانقاریا،دیابت ،فشار خون بالا و بیماری های قلبی شود . آلرژی یک بیاری عمومی در این شرایط است  و تکرار تماس طولانی مدت با برخی از فلزات سنگین هستند و ترکیبات آنها حتی ممکن است باعث سرطان شود .

در جدول زیر تاثیر فلزات سنگین مختلف بر سلامتی انسان و محدودیت های مصرف  آن ها ذکر شده است .

4)کنترل آلودگی ها و روش های جایگزین

آلودگی های ذکرشده درقسمت قبل، محیط زیست را به شدت درمعـرض تهدیـد قرارمـی دهـد. تلاشـهای زیادی برای کاهش حجم این آلودگی ها صورت پذیرفته است که دراینجا به چند مورد آن اشاره می شود.

افزایش دمای حمام آبکاری:

این عمل می تواند حجم تلفـات و در نتیجـه آلـودگی هـا راکـاهش دهـد.  همچنین در این حالت امکان استفاده از غلظتهای پایینتر محلول وجـود دارد. البتـه اعمـال راهکـار ذکـر شـده، مضراتی مانند بالا رفتن انتشار ذرات حمام و در نتیجه افزایش هزینه انرژی و افزایش آسیب کـارگران را بـه دنبـال دارد.

کاهش غلظت محلول آبکاری:

این کار می تواند حجم تلفات راکاهش داده و باعث افت نرخ تولید سرباره گردد ( هرچند محدوده مجاز ناخالصیها نیزکم خواهد شد).

کاهش آب مصرفی:

یکی از پارامترهای کلیدی در هر فرایند، آب مصرفی است .ایـن امکـان وجـود دارد که سیستمهای شستشویی جهت رسیدن به %99- 50 کاهش در مصرف آب نسبت به شیوه هـای قـدیمی طراحـی گردد. رهیافت های کلی در این ارتباط عبارتند: از:
1) همزدن آب مصرفی یا تکان دادن قطعه کار، جهت بالا بردن راندمان شستشو.
2)شستشوهای  متقابل چندگانه.
3)آبکشی و شستشو به صورت اسپری (خصوصاً برای قطعات شبکهای).
همچنین بایستی آب های مورد استفاده در شستشو را پس از فیلتر شدن ، مجدداً به چرخـه عملیـات وارد نمود.

افزودن عوامل ترکننده:

 این کار میتواند حجم تلفات را تا50% کاهش داده و همچنین کیفیت پرداخـت را بهبود بخشد. ازمضرات این روش،  می توان به احتمال ایجاد حباب درحمام فرایند وعدم قابلیت تطابق بـا بعـضی عناصرحمام اشاره کرد.

بهبود تجهیزات برای ممانعت ازآلودگی:                                                                                                            

یکی ازراههای توصیه شده به منظورکاهش آلودگی، اسـتفاده ازآند با خلوص بالا میباشد. همچنین برای کاهش ورود آلودگی به حمام آبکاری، از بست های پارچـهای بـه دور آنهـا استفاده می گردد. ضمناً آب استفاده شده درآبکاری باید تا حدامکان خـالص باشـد. آلـودگی هـای طبیعـی ماننـد کلسیم، آهن، منیزیم، منگنز، کلر، کربنات و فسفات میتواند راندمان کار را کاهش دهد. این آلودگی ها، همچنـین به افزایش حجم سرباره نیزکمک می کنند.

جایگزینی موادشیمیایی:  

ازکارهای مورد توجه درکاهش آلودگی، جایگزین کـردن مـواد مـورد اسـتفاده  درآبکاری رایج با مواد جدید است. به عنوان مثال می توان به جایگزینی آبکـاری بـر پایـه سـیانید بـا پروسـه هـای غیرسیانیدی اشاره نمود. همچنین در صورت امکان، می توان از عوامل پاک کننده سطح بر پایه آب به جای عوامل تمیز کننده آلی که برخی دارای مواد سمی هستند،استفاده نمود.

جدایش تلفات:

جدایی جریانهای ضایعات به دلیل احتمال رخ دادن واکنشهای خطرناک ضروری اسـت.
به عنوان مثال، واکنشهای بین اسیدها و بازهای قوی میتواند باعث جوشش و پاشیدن مایعات خورنده گـردد؛ و یـااسیدها میتوانند با سیانیدها وارد واکنش شده و تولید گاز مرگبار سیانید هیدروژن کنند.به علاوه جریانهـای جـداشده های که تغلیظ شده اند، راحت تر تحت عملیات های بازیافت قرار میگیرند. ازروشهای رایج برای جدایش تلفـات،می توان موارد زیر را متذکرشد:
1) جداکردن مواد جامد ازطریق فیلتراسیون
2) انجمادکربنات
3) رسوبگذاری
4) جدایش آلودگی های فلزی ازطریق الکترولیزکم جریان
5)جدایش موادآلی بااستفاده ازتصفیه کربن.
از دیگر موارد موثر در کاهش آلودگی می توان به اعمال زمان چکه کردن حداقل به مـدت 20- 10 دقیقـه
قبل از شستشو به نمونه و اسـتفاده از پاشـش مـه ای، بازیـابی اسـیدها و دیگـر اجـزاء فرآینـد در صـورت امکـان، تمیزکردن بین چرخ دنده ها، پوشاندن حمام های گریس زدای محتوی حلالهـای کلـری(هنگـامی کـه در حـال عملیات نیستند)، به حداقل رساندن ضایعات به وسیله زهکشی موثر و جدا نمودن فاضلاب محلول های حمـام از  قسمت آبکاری شده، و قرار دادن مخزنهای بازیافت قبل از مخزن های شستشو، اشاره نمود.

روش های جایگزین

اعمال روشهای ذکرشده، هرچند توانسته است آلودگی های ناشی ازآبکـاری راکـاهش دهـد، ولـی کماکـان آبکاری به عنوان یک فرایندآلوده کننده محیط زیست شناخته می شود. لذا روشهای جایگزین متعـددی بـه جـای روشهای آبکاری رایج، ابداع شده است. دراینجا به مهمترین این فرایندها اشاره شده است:

آبکاری کروم سه ظرفیتی:

این نوع آبکاری که ازکروم سه ظرفیتی به جای کروم شش ظرفیتی بهره می برد، در بعضی کاربردها توانسته است جایگزین روش های قدیمی ظرفیتـی گـردد. کـروم شـش ظرفیتـی ترکیبـی سرطان زا است و به همین دلیل توجه به حذف آن در خروجی های صنایع حائز اهمیـت مـی باشـد. درایـن روش، حساسیت بیشتری نسبت به ناخالصیهای فلزی در مقایسه باحمام های کروم شش ظرفیتی وجود دارد. درمجمـوع، آبکاری کروم سه ظرفیتی، ذرات معلق در هوا ومسمومیت کمتری بـه دنبـال دارد و عملیـات تـصفیه پـساب درآن راحتتر است. به طور کلی می توان گفت که یکی ازمزیتهای این روش، آلودگی کمتر آن می باشد.

  •  آبکاری مس غیرسیانیدی:

این روش، شبیه به آبکاری مس بر پایه سیانید است و تجهیزات آنهـا تقریبـاً  مشابه میباشد. مزیت عمده این روش آن است که سیانید موجود درپساب ها و سرباره های تولیدی سیانید وجـود  نداشته و در آن یونهای مس  به جای  استفاده      می شـوندکه درنتیجـه، سـرعت آبکـاری دریـک دانـسیته جریان مشخص، بیشتراست.

  •  آبکاری روی قلیایی غیرسیانیدی:

علی رغم اینکه از محلولهای سیانیدی در ایجـاد پوشـشهای روی بـه روش آبکاری الکتریکی به طور وسیعی استفاده میگردد، از دهه 1960 فرآیند آبکاری روی قلیـایی بـدون سـیانید  مطرح گردید. در مجموع می توان علت استفاده از این روش جایگزین را، مسائل و مشکلات شدید زیست محیطـی فرآیند آبکاری روی سیانیدی و هزینه هنگفت تصفیه پسابهای صنعتی آن، سمیت کمتر، نیـاز بـه سـرمایه گـذاری اندک جهت راه اندازی، توزیع بسیار خوب پوشش و امکان استفاده از مخازن فـولادی دانـست .همچنـین این روش جهت جایگزینی آبکاری کادمیم نیز مورد توجه می باشد.آلیاژهای روی می توانند درکاربردهای گوناگونی جایگزین کادمیم شوند. در واقع، با اعمال پوشش آلیاژ روی قلیایی غیرسـیانیدی، هـم کـادمیم و ه  ـم سـیانید کـه ازمهمترین آلودگی های محیط زیست هستند، حذف می شوند.

  •  IVD

این روش می تواند در بعضی کاربردها، جایگزین آبکاری کادمیم بر پایه سیانید شود. ازآنجا کـه در این روش، هم کادمیم و هم سیانید حذف شدهاند وهمچنینIVD نیزماده مضری تولید نمیکند، می تـوان ازآن به عنوان یک روش با حداقل آلودگی نام برد. البته باید متذکرشـد هزینـه تجهیـزات در ایـن روش بـسیار بـالاتر از آبکاری است، ولی کاهش هزینههای ناشی از تصفیه آلودگیها، تا حدودی این مسئله را جبران میکند.

  • PVD

این روش جایگزین مناسبی برای آبکاری کروم شش ظرفیتی میباشد. این روش نیز به ماننـدIVD پرهزینه است، هرچند هزینه های آن به واسطه وجودآلودگی کمتر، تاحدودی جبران میگردد.

  •  پوشش دهی پاشش فلزی

دراین روش، ازمحلولهای آبکاری استفاده نمی شود، و در نتیجه آلودگیهای ناشی از محلول و تصفیه پـساب هـا را نخـواهیم داشـت. بـسیاری، ایـن روش را جـایگزین مناسبی برای آبکاری الکتریکی می دانند و از این جهت بسیار مورد توجه است.

  •  آبکاری اصلاح شده کادمیم:

هرچند آبکاری کادمیم به علت آلودگی های آن توصـیه نمـی گـردد، ولـی  هنگامی که انجام این عملیات ضروری است از کلراید درخشان، حمامهای با الکل بالا و یا راهکارهای دیگر استفاده می شود. دراین موارد، حداکثرکادمیم درضایعات بایستی  0.3  به ازای هرکیلوگرم مصرف باشد.

روش های جدید:

دردهه 1990، چند روش آبکاری جدید مطرح گردید که هنوز چندان به صورت صنعتی بـه  اجراء در نیامده است و ابهامات زیادی درمورد آنها وجود دارد.آبکاری نیکل- تنگـستن-کاربیـد سیلیـسیم، آبکـاری نیکل- تنگستن- بور، ازجمله این روشها هستندکه     پیش بینی میشود درآینده بتواننـد جـایگزین برخـی روشـهای  موجود گردند.

 

انواع روش های تصفیه پساب آبکاری :

روش های معمول برای حذف فلزات سنگین :

فرآیندهای متعارف برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب شامل فرآیندهای بسیاری از جمله:

  1. رسوب شیمیایی
  2. انعقاد و لخته سازی
  3. روش تعویض یون
  4. رسوب الکتروشیمیایی
  5. تصفیه با کلر در شرایط قلیایی
  6. تصفیه با اوزون
  7. تصفیه به روش غشایی

رسوب شیمیایی:

مطالعه برای رسوب ترکیبات نامحلول برای کاهش بار آلودگی ها آغاز شد و همچنین مواد وروش های که امکان حذف فلزات از پساب به مقدار بسیار کم  را فراهم می آورند .فرآیند تصفیه با مواد شیمیایی مختلف با سولفات آهن ، دی اکسید گوگرد و اسید های مختلف  آغاز شد .در یک دوره ای از زمان روش انعقاد امکان پذیر بوده است ، اما تجزیه و تحلیل دقیق نشان داد که یک سری از مسائل را این روش نمی تواند حل کندرسوب شیمیایی است به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین از پساب های معدنی استفاده استفاده می شود .

مکانیسم مفهومی حذف فلزات سنگین توسط رسوب شیمیایی در معادله زیر ارائه شده است :

رسوب فلزات با افزودن مواد منعقد کننده مانند زاج ،آهک و نمک های آهن و سایر ترکیبات پلیمری به دست می آید . مقدار زیادی از لجن حاوی ترکیبات سمی تولید شده در طی این  فرایند نقطه ضعف اصلی این روش است . رسوب  آهک را می توان به طور موثر در تصفیه پساب معدنی با غلظت فلز بالاتر از  1000 به کار می رود .با این حال در روش رسوب شیمیایی مقدار زیادی از مواد شیمیایی برای رسوب فلزات به منظور رساندن غلظت آن ها به حد مجاز نیاز می باشد . دیگر اشکالاتی تولید لجن بیش از حد آن است که نیاز به تصفیه  بیشتر، رسوب آهسته تر ، تجمع رسوب فلزات و در دراز مدت اثرات زیست محیطی دفع لجن را شاهد خواهیم بود .با وجود تمام مزایا نیاز به مواد شیمایی زیاد برای رسوب فلزات بزرگترین عیب این روش می باشد . افزودن مواد شیمیایی مختلف باعث تغییر در پارامتر های فیزیکی مختلف نظیر SS,TS,DS می گردد و باعث تسهیل در خروج رسوبات تشکیل شده می گردد.درجه رفع کدورت و کدری به مقدار ماده شیمیایی مورد استفاده وابسته می باشد .تئوری واکنش های رسوب شیمیایی بسیار پیچیده       می باشد و واکنش ممکن است ناقص باشد و واکنش های جانبی متعددی امکان رخ دادن وجود دارد .

در زیر به روش های مختلف رسوب شیمیایی می پردازیم :

  • تصفیه به روش سولفات آهن

تصفیه به روش سولفات آهن یکی از قدیمی ترین روش برای از بین بردن سیانیدها، کروم و غیره می باشد  که به روش خنثی سازی  برای رسوب فلزات سنگین به وسیله آهک می باشد .با محلول رقیق واکنش نسبتا آرام است .و کاهش سیانید تا 85% می تواند تحت شرایط ایده آل می باشد . این روش دارای این مزیت است که معرف های مورد استفاده آن ارزان می باشد  . هنگامی که سولفات آهن به فاضلاب اضافه  می شود ،ترکیبات پیچیده نامحلولی از سیانید آهن تشکیل می شود .بیشترین رسوب در pH  برابر 10.5 می باشد .آوردن غلظت سیانید به زیر محدوده مشخص بسیار سخت می باشد .این فرآیند نیاز به کنترل هوشمند شیمیایی دارد .به طور معمول محتوای سیانید باقی مانده برای رهایی ایمن در رودخانه بیش از حد مجاز می باشد .مواد متعددی در دهه 1950 پیشنهاد شده بود . استفاده از مواد شیمیایی مختلف از جمله سولفید سدیم، کلسیم، باریم، دی اکسید گوگرد ، سولفات، گرد و غبار روی و غیره پیشنهاد شد.در واکنش باریم سولفات با کرومات ها کپلکس هایی تشکیل می شود و همچنین افزودن  سولفات آهن به باریم سولفات نیز مطلوب است .

  • تصفیه با دی اکسید گوگرد :

تصفیه با دی اکسید گوگرد برای غلظت های بالا از کروم و مس تحت شرایط کنترلی و استفاده از سدیم کربنات برای رسوب کروم باعث تولید اکسیدهای هیدراته کروم با غلظت بالا میگردد .علاوه بر این با افزودن دی اکسید گوگرد به فاضلاب ها کاهش چشمگیر ناخالصی ها را شاهد هستیم .فقط1.9 بخش از so2 برای کاهش یک بخش از کروم شش ظرفیتی در برابر 16 قسمت از مس، لازم است.

  • تصفیه به روش سولفوریک اسید :

یکی دیگر از روش های تصفیه فاضلاب به وسیله افزودن سولفوریک اسید و هوادهی هم زمان می باشد .معایب این روش در شناخت بیشتر هیدروژن سیانید که یک ماده سمی برای طبیعت است مستتر شده است .محلول آبکاری مس شاملppm 15،200   سانید به عنوان نمک NaCN ،میتواند تصفیه شود به وسیله سولفوریک اسید وهوایی که از طریق لوله های سوراخ دار به مدت 16 ساعت دمیده می شود و باعث کاهش قابل ملاحظه ای در سیانید موجود در محلول می گردد ولی باز هم  رضایت بخش نیست . حدود نه روز برای حذف سیانید از پساب با این فرآیند مورد نیاز است.روند این فرآیند ضعیف است و تنها باید زمانی به کار گرفته شود که سایر روش ها ممکن نباشد و در عمل این نوع فرآیند توصیه نمی شود و به طور مشابه رفتار اسیدی محلول باعث تولید گاز هیدروژن سیانید وآلودگی هوا می شود .

  • تصفیه به روش باریم کرومات :

یکی دیگر از روش های تصفیه ،تصفیه با باریم کرومات است .پساب ابتدا با باریم کلراید عمل آورده می شود و سپس سدیم کربنات برای افزدون   pHوسپس مقدار اضافی باریم کربنات برای رسوب بیشتر باریم اضافه می شود .این روش بسیار توانا برای حذف موثر کرومات ها و رسوب فلزات می باشد . این روش دارای نقطه ضعف نظیراین  که معرف های مورد استفاده پرهزینه و نمک باریم در طبیعت سمی هستند را دارا می باشد .هزینه های بالا و خطرات مرتبط با دفع لجن مایع ما را به سمت توسعه روش های جدید تصفییه راهنمایی می کند .در کل انعقاد و رسوب صرفا ماهیت آلاینده ها را از حالت محلول به حالت زباله های جامد تبدیل می کند .دفع لجن یک مشکل بزرگ می باشد .ذرات جامد در فاضلاب مزاحم هستند و نیاز به توجه ویژه دارند .این رسوبات شیمیایی هستند و تا حد زیادی شامل هیدروکسید ها و نمک های فلزی از ظرف های اسیدی و حمام های آبکاری می باشد .

انعقادو لخته سازی : 

انعقاد و لخته سازی می تواند برای تصفیه فاضلاب با فلزات سنگین به کار رود .اصولا مکانیزم لخته سازی با بی ثبات کردن ذرات کلوییدی به وسیله افزودن یک ماده منعقد کننده ودر نتیجه تشکیل رسوب می باشد .برای افزایش اندازه ذرات ،لخته سازی در یک محیط پرز دار انجام می گیرد . رویکرد کلی برای این تکنیک شامل تنظیم pH و افزوزدن افزودن نمکهای آهن / زاج به عنوان ماده منعقد برای غلبه بر نیروهای دافعه بین ذرات می باشد. با وجود مزایای آن، انعقاد و لخته سازی است محدودیت هایی از جمله هزینه های عملیاتی بالا با توجه به مصرف مواد شیمیایی دارد . افزایش حجم لجن تولید شده در روش انعقاد و لخته سازی ممکن است مانع مهمی در برابر استفاده آن در تصفیه پساب های صنعتی در سطح جهانی شود .در استفاده از این روش  باید لجن تولیدی به مواد پایدار تبدیل شود تا مانع از نفوذ آن ها به محیط زیست گردد. برای غلبه بر چنین مشکلاتی، انعقاد الکتریکی یک جایگزین مناسببرای انعقاد معمولی می باشد  که می تواند کوچکترین ذرات کلوئیدی را حذف کند  و فقط مقدار کمی لجن تولید شود .با این حال در این روش نیز هیدروکسید های فلزی ایجاد می شود که نیاز به تصفیه بیشتر دارند و بازیابی فلزات سنگین در این روش را غیر ممکن می سازد .

روش تبادل یونی : 

یکی از روش هایی که در آینده ممکن است برای تصفیه پساب واحد های آبکاری و بازگردانی ترکیبات با ارزش انتخاب گردد،روش تعویض یونی می باشد .این تکنولوؤی یک مزیت عمده دارد و آن این است که فاضلاب را می توان به عنوان آب تازه مورد استفاده قرار داد .استفاده از روش های تعویض یونی در صنعت فاضلاب نیاز به هزینه های بالا می باشد .تبادل یونی ممکن است استفاده مجدد از آب را به 90 درصد افزایش دهد و حجم فاضلاب را به 5 تا 10 درصد مقدار اولیه کاهش دهد .با انتخاب مناسب مواد تبادل یونی و تقویت احیای یون کرومات این فر/ایند را می توان بهبود داد .لازم به ذکر است مواد تبادل یونی فقط فاضلاب را تغلیظ می کند و با این روش نمی توان به طور آلودگی آن را از بین برد.تصفیه کرومات در پساب می تواند با عبور از ستون های جذب رزین اسید حاصل شود.کرومات ها تا زمانی که رزین ها اشباع شوند و به اصطلاح خسته شوند می توانند به طور کامل جذب شوند اما درتصفیه با محلول 5٪ از هیدروکسید آمونیوم تنها یک بخش کوچک از کرومات به عنوان کرومات آمونیوم بازیافت می شود. این روش ازتصفیه در حال حاضر در مرحله آزمایشی است، اما وعده های بزرگ به عنوان یک روش بازیابی فلزات با ارزش از مواد زائد صنعتی می باشد .یکی از عیب های این روش این است که همه نمک های محلول و مواد سمی  را جذب و ذخیره می کند ولی      آن ها را از بین نمی برد . نقطه ضعف دوم تشکیل مقدار زیادی از نمک که است با فاضلاب دور ریخته می شود .با رسوب مستقیم معادل یک واحد از فلز سنگین یک واحد نمک تولید می شود . تبادل یونی روش موفق دیگری است ک در صنعت برای حذف فلزات سنگین از پساب استفاده می شود. یک تعویض گر یون،جامدی است که قادر به  تبادل کاتیون یا آنیون با مواد اطراف خود را دارد.موادی که به طور عمومی برای تعویض یون استفاده می شوند همان رزین های تبادل یون آلی مصنوعی هستند.مهمترین عیب این روش این است که نمی تواند یک مدیریت متمرکز برای برای محلول های فلزی داشته باشد و به راحتی به وسیله مواد ارگانیک یا سایر فلزات دچار گرفتگی شود . تبادل یونی  یه روش غیرانتخابی است و به pH محلول بسیار حساس است.

عمیات های الکتروشیمیایی

روش دیگری که امید بخش برای آینده می باشد در جهت تصفیه پساب واحد های آب فلز کاری ،تجزیه الکترولیتی پساب محتوی سیانید می باشد .در این فرآیند پساب سیانیدی در معرض دمای بالا 90درجه  به مدت چند روز قرار می گیرند .سیانید اولیه به طور کامل به   و آمونیاک و همچنین سیانات  به عنوان حد واسط شکسته می شود .در ادامه این فرآیند پساب الکترولیت به مرحله پایانی نمی رود زیرا مقداری سیانید و سیانات باقی مانده اند که احتیاج به تصفیه بیشتر دارند .با این روش محلول با غلظت بالای سیانید با اطمینان کامل به غلظت کمتر از  1 تجزیه می شود .

در جدول زیربه مقایسه روش های تصفیه غیر غشایی ذکر شده در بالا پرداخته است.

روش محدودیت ها
رسوب شیمیایی برای غلظت های بالا جداسازی لجن ها به سختی انجام می گیرد
انعقاد و لخته سازی مواد شیمیایی برای لخته سازی و هزینه بالای عملیات
الکتروشیمیایی برای غلظت های بالا هزینه عملیاتی زیاد است
تعویض یونی هزینه بالای عملیاتی-تولید لجن

 

تصفیه با کلر در شرایط قلیایی 

تصفیه با کلر و ترکیبات کلری با فعالیت های گسترده ادیومت کالف آغاز شد .ظاهرا تصفیه کلر قلیایی فاضلاب سیانور به طور کلی رضایت بخش ترین روش ارائه شده تاکنون می باشد .کلر یک ماده ضد عفونی کننده قوی با زمان طول عمر طولانی می باشد. تصفیه کلر با pHبالا یک فرآیند استاندارد برا تصفیه پساب حاوی سیانید می باشد .این فرآیند برای جریان پسابی که غلظت سیانید در آن کمتر از  1000 بسیار مناسب می باشد .عامل اکسیداسیون واکنش در این روش یون هیپوکلریت می باشد .در عملیات تصفیه با کلر قلیایی غلظت یون سیانید در پساب تصفیه شده به مقدار  0.1 کاهش می یابد اما اگر در پساب، فلزات سنگین دیگری نظیر آهن نیز وجود داشته باشد باعث تولید کمپلکس سیانید فلزی می گردد که این کمپلکس ها نیز اکسیده نمی شوند .زمانی که سیانید با کلر عمل آورده می شود ابتدا سیانوژن کلراید تولید می شود و در محلول قلیایی به سیانات غیر سمی تبدیل تحت شرایط مناسب تبدیل می شود و سیانات به آمونیوم کربنات تجزیه می شود .

تصفیه با اوزون

در دهه های اخیر پیشرفت ترین صحبت در زمینه  روش تصفیه فاضلاب استفاده از ازن می باشد .استفاده از ازون بیشتر در زمینه تصفیه آب مشهور می باشد .توسعه در تکنولوژی تولید ازن و سینتیک واکنش ها فرآیندی قابل اعتماد و عملی را برای ما فراهم آورده است .ازن به عنوان یک اکسیداسیون با گزیتش پذیری خیلی بالا شناخته شده است .بهره وری ضد عفونی کنندگی آن 3125 مرتبه از کلر بیشتر می باشد .پساب که دارای خواص مشخص از زباله های صنعتی می باشند نیاز به دوز بالاتر در حدود 15-10 را دارند.واحد های تصفیه نسل سوم از ازن برای کاهش BOD،COD ،سیانور و فنول استفاده می شود .ازن یک اکسیداسیون بسیار مناسب برای سیانور می باشد .فرآیند ازن زنی به عنوان یکی از مهمترین ابداعات برای تصفیه نهایی همه ناخالصی های آلی و غیر آلی در پساب با فرآیند اکسیداسیون به حساب می آید البته فرآیند ازن زنی در همه مواقع موفق نخواهد بود .مولکول های ازن با تکه کردن مولکول های هدف آن ها را به مواد قابل تجزیه تبدیل می کنند.در سال 1947 روث گزارش داده است که می توان از ازن برای اکسید کردن فنل در محلول آبی استفاده کرد .تایلر و همکاران در سال 1951 نشان دادند که از فرایند ازن زنی برای از بین بردن سیانید در ستون حباب استفاده کرد .در این آزمایشات مشاهده می شود که یک وابستگی بسیار قوی بین pHمحلول و نرخ اکسیداسیون سیانید در فاز گاز وجود دارد.نرخ اکسیداسیون سیانات تقریبا 5 برابر آرام تر از نرخ اکسیداسیون سیانور در شرایط یکسان می باشد .در سال 1992 Balenskiiو همکاران با مطالعه بر روی ازن زنی محلول های سیانور به این نتیجه دست یافته اند که اکسیداسیون سیانات شروع نمی شود مگر زمانی که تبدیل سیانور به طور کامل تمام شده باشد .منحنی ناپدید شدن سیانید بر حسب غلظت سیانید از مرتبه اول سینتیکی می باشد . Gurolبه مطالعه بر روی تجزیه سیانور پساب که شامل فرآیند های آبکاری می باشد در سال 1985 پرداخت و نشان می دهد که واکنش ازن با یون سیانید یک واکنش سریع و از درجه اول می باشد .

 تصفیه به روش غشایی: 

حذف فلزات سنگین از پساب های معدنی را می توان با فرآیندهای تصفیه مرسوم از قبیل رسوب شیمیایی، تبادل یونی، و حذف الکتروشیمیایی به دست آورد. این پروسه ها معایب قابل توجهی، که به عنوان مثال عبارتند از حذف ناقص، انرژی مورد نیاز بالا و تولید لجن سمی است را دارا می باشند. به تازگی، فرایند جداسازی غشایی مانند؛ اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) و الکترودیالیز به طور فزاینده برای درمان فاضلاب معدنی به منظور کاهش مقدار فاضلاب تولید شده و بهبود کیفیت پساب تصفیه شده به کار می روند . هنگامی که روش جداسازی غشایی به عنوان مثال RO، UF،NF و الکترودیالیز با فن آوری های جدایش معمولی مقایسه می شوند، رقابت خود را در حذف فلزات سنگین از فاضلاب به اثبات می رسانند .نوع فرآیند های غشایی و نیرو محرکه لازم برای هر فرآیند

نیرو محرکه فرآیند نوع فرآیند غشایی
تغییرات فشار Microfiltrasion-Ultrafiltrasion-Nanofiltrasion-RO
تغییرات پتانسیل شیمیایی Pervaporation,per-traction,Dialysis,Gas separation,vapor permeation,Liquid membranes
تغییرات پتانسیل الکتریکی Electro-dialysis,Membrane electrophoresis,Membrane electrolysis
تغییرات دما Membrane distillation

مکانیسم فرآیند های غشایی برای عبور و رد کردن ذرات و یون ها را در جدول زیرمشاهده می کنید.

در آخربه تعدادی از مزایای روش غشایی می پردازیم :

  1. مصرف انرژی کم نسبت به حالت تقطیر / تبخیر و فرایند الکتروشیمیایی.
  2. حذف گزینشی آلاینده ها با عوامل کمپلکس یا با اصلاح سطح غشاء.
  3. فرصت دستیابی به تخلیه صفر با استفاده مجدد از آب نفوذ و حذف ترکیبات
  4. طراحی پیوسته و بدون محدودیت اندازه
  5. نیاز به نیروی انسانی کم