ارزیابی کارایی نانو و میکروذرات آهن و کربن گرانول فعال در سیستم تصفیه خانگی آب شرب

به‌منظور دسترسی به منابع آب شرب با کیفیت استاندارد، لزوم استفاده از تکنولوژی‌های نوین تصفیه آب که علاوه بر کارایی بالا و هزینه کم، کمترین تاثیرات جانبی را بر محیط زیست داشته باشند، بیش از پیش احساس می‌شود. ذرات آهن با ظرفیت صفر به‌منظور حذف طیف وسیعی از آلاینده‌های آب مورد استفاده قرار گرفته‌اند. کربن فعال نیز به‌عنوان ماده متخلخلی که قادر است گونه‌های مختلفی از آلاینده‌ها با اندازه‌های مختلف (مانند مواد آلی و کلراین) را با هزینه کم به‌صورت جذب سطحی از آب حذف نماید و بو و کدورت آب را بهبود دهد، در سیستم‌های تصفیه آب خانگی و تجاری بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پژوهش، با توجه به قابلیت‌ ذرات آهن با ظرفیت صفر (در مقیاس میکرو و نانو) و همچنین کربن فعال در حذف آلاینده‌ها و بهبود کیفیت آب شرب، این مواد واکنشگر به‌صورت مجزا و یا ترکیبی در درصدهای وزنی مختلف در پنج ستون آزمایش مورد بررسی قرار گرفتند. کارایی ذرات آهن در مقیاس نانو d50=50 نانومتر و میکرو d50=150 میکرومتر و کربن فعال گرانول d50 =1میلی‌متر در حذف مواد آلاینده از آب شرب مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور، پنج ستون آزمایش (طول 50 سانتی‌متر و قطر داخلی 2 سانتی‌متر) از این مواد واکنشگر به‌صورت مجزا و یا ترکیبی (با درصدهای وزنی مختلف) تهیه و جریان پیوسته از آب شرب مرکز تهران با نرخ ثابت 4/4 میلی‌لیتر در دقیقه به‌مدت 28 روز (در مجموع 177 لیتر) به درون هر یک از ستون‌ها تزریق شد. تغییرات غلظت یون‌های کلسیم، منیزیم، سدیم، پتاسیم، نیترات و آهن محلول کل و همچنین مقدار ec و ph در جریان ورودی و خروجی از هر یک از ستون‌های محتوی مواد واکنشگر طی سه دوره نمونه‌برداری در پایان روزهای اول، هفتم و 28 (در مجموع تعداد 18 نمونه آب) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. هم‌زمان با نمونه‌گیری از آب، تغییرات فشار آب منفذی در طرفین ستون‌های آزمایش نیز با هدف تغییرات آبگذری محیط واکنشگر اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که ستون‌های محتوی نانوذرات آهن کارایی بیشتری در کاهش غلظت یون‌های مورد بررسی در مقایسه با میکرو ذرات آهن و کربن فعال دارد. اما کاهش آبگذری و واکنش‌پذیری، رهایش آهن و افزایش قلیائیت آب خروجی از جمله چالش‌های توام با ستون‌های واکنش محتوی نانوذرات آهن است. نتایج این پژوهش نشان داد که استفاده ترکیبی از جاذب‌های کربن فعال و ذرات آهن (به‌ویژه در مقیاس میکرو) در سیستم‌های تصفیه آب خانگی می‌تواند به‌صورت بالقوه مبنای طراحی نسل آینده این نوع سیستم‌ها باشد که علاوه بر کارایی در حذف آلاینده‌ها، تاثیرات جانبی کمتر و طول عمر بیشتری دارند.

Evaluation of Nano and Micro Zero Valent Iron and Granular Activated Carbon in Household Water Purification System

In order to ensure drinking water meets the standards, utilization of novel treatment technology with low cost and minimum effects on environment is inevitable. Zerovalentiron in micro and nano scale is extensively used to remove wide range of contaminants from water. Besides the ZVI, granular activated carbon is used in household water purification systems as a lowprice, porous medium that adsorbs different contaminants (e.g. organic species and chlorine) and modifies the odor and turbidity of water. The aim of this study is investigation of the efficiency of ZVI and GAC in the treatment of tap water. In this study, the efficiency of zerovalentiron in scales of nano (NZVI, d50=50 nm) and micro (MZVI, d50=50 µm) and granular activated carbon (GAC, d50=1 mm) in purification of tap water is evaluated. For this purpose, five experimental columns (length=50 cm and inner diameter=2 cm) filled by nano and micro ZVI, and GAC in different mass percentages are prepared, whereas continuous tap water flow of Tehran at the rate of 4.4 ml/min during 28 days (totally 177 liters) is injected through each reactive column. Temporal variations of calcium, magnesium, sodium, potassium, nitrate, and total iron, as well electrical conductivity, pH in the influent waters to and effluent waters from the five reactive columns are sampled and analyzed three times over experimental time at the end of 1st, 7th, and 28th day (totally 18 samples). Simultaneously with the water sampling, the variations of pore water pressure along the columns are measured through pressure gauges. The results indicated that the reactive column containing NZVI (individually or combined with GAC) are proficient in reduction of ions concentration from the influent water in comparison to those containing MZVI and GAC. Decreasing the permeability of reactive materials, reduction of reactivity over time, release of iron into effluent water, and increase of water alkalinity are challenges accompanied by the columns containing NZVI. Results of this study reveal that combinational use of GAC and MZVI in household purification system provides a potentially promising reactive medium with acceptable pollutant removal efficacy and lifetime, as well less side effects.