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

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشیار، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.22093/wwj.2019.170877.2824

چکیده

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 تأثیرات 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 توأم 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، تأثیرات جانبی کمتر و طول عمر بیشتری دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

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

نویسنده [English]

  • Seiyed Mossa Hosseini
Assoc. Prof., Dept. of Physical Geography, College of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

In order to access drinking water meets the standards, utilization of novel treatment technology with low cost and minimum effects on environment is inevitable. Zero-valent-iron in micro and nano scale extensively used to remove wide range of contaminants from water. Beside to the ZVI, granular activated carbon is served in household water purification system as low-price, 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 to treatment of tap water. In this study, the efficiency of zero-valent-iron 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 in the rate of 4.4 ml/min during 28 days (totally 177 liters) are injected through each reactive columns. 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 during time, release of iron into effluent water, and increasing 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 potentially provides a promising reactive medium with acceptable pollutant removal efficacy and life-time, as well less side effects.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water purification
  • nano particles
  • Zero Valent Iron
  • Granular Activated Carbon

Aukema, K. G. & Wackett, L. P. 2019. Inexpensive microbial dipstick diagnostic for nitrate in water. Environmental Science: Water Research and Technology, 5(2), 406-416.

Bhatnagar, A., Hogland, W., Marques, M. & Sillanpää, M. 2013. An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applications. Chemical Engineering Journal, 219, 499-511.

Chai, L., Wang, Y., Zhao, N., Yang, W. & You, X. 2013. Sulfate-doped Fe3O4/Al2O3 nanoparticles as a novel adsorbent for fluoride removal from drinking water. Water Research, 47 (12), 4040-4049.

Chiu, P. C. 2013. Applications of zero-valent iron (ZVI) and nanoscale ZVI to municipal and decentralized drinking water systems-A review. Novel Solutions to Water Pollution. ACS Symposium Series, 14, 237-249.

Chubar, N. 2011. New inorganic (an) ion exchangers based on Mg-Al hydrous oxides: (Alkoxide-free) sol–gel synthesis and characterisation. Journal of Colloid and Interface Science, 357(1), 198-209.

Fu, F., Dionysiou, D. D. & Liu, H. 2014. The use of zero-valent iron for groundwater remediation and wastewater treatment: a review. Journal of Hazardous Materials, 267, 194-205.

Gupta, V. K., Jain, C., Ali, I., Sharma, M. & Saini, V. 2003. Removal of cadmium and nickel from wastewater using bagasse fly ash-a sugar industry waste. Water Research, 37 (16), 4038-4044.

Hadavifar, M., Younesi, H. & Zinatizadeh, A. 2009. Application of ozone and granular activated carbon for distillery effluent treatment. Journal of Water and Wastewater, 21(2), 10-18. (In Persian)

Hassani, A., Torabian, A. & Rahimi, K. 2014. Performance of iron-zero (nZVI) nanno particles in removal of cephalexin from synthetic wastewater. Journal of Water and Wastewater, 25(2), 85-92. (In Persian)

Hosseini, S. M. & Tosco, T. 2013. Transport and retention of high concentrated nano-Fe/Cu particles through highly flow-rated packed sand column. Water Research, 47, 326-338.

Hosseini, S. M., Tosco, T., Ataie-Ashtiani, B. & Simmons, C. T. 2018. Non-pumping reactive wells filled with mixing nano and micro zero-valent iron for nitrate removal from groundwater: vertical, horizontal, and slanted wells. Journal of Contaminant Hydrology, 210, 50-64.

Http://Nanoiron.Cz/En/Products/Zero-Valent-Iron-Nanoparticles/Nanofer-Star.

Kamarehie, B. Aghaei, E.; Musavi, S. A., Hashemid, S. Y. & Jafari, A. 2018. Nitrate removal from aqueous solutions using granular activated carbon modified with iron nanoparticles. International Journal of Engineering, Transactions A: Basics, 31 (4), 554-563.

Kanel, S. R., Nepal, D., Manning, B. & Choi, H. 2007. Transport of surface-modified iron nanoparticle in porous media and application to arsenic (III) remediation. Journal of Nanoparticle Research, 9, 725-735.

Li, S., Wang, W., Liang, F. & Zhang, W.-X. 2017. Heavy metal removal using nanoscale zero-valent iron (nZVI): Theory and application. Journal of Hazardous Materials, 322, 163-171.

Mahmoodi, N. M., Abdi, J., Oveisi, M., Asli, M. A. & Vossoughi, M. 2018. Metal-organic framework (MIL-100 (Fe)): Synthesis, detailed photocatalytic dye degradation ability in colored textile wastewater and recycling. Materials Research Bulletin, 100, 357-366.

Mazarji, M., Aminzadeh, B., Baghdadi, M. & Bhatnagar, A. 2017. Removal of nitrate from aqueous solution using modified granular activated carbon. Journalof Molecular Liquids, 233, 139-148.

Mohammadi-Galehzan, M. & Shamohammadi, S. 2013. Comparison of active carbon, sawdust, almond shell and hazelnut shell absorbent in removal of nickel from aqueous environment. Journal of Water and Wastewater, 24(3), 71-79.

Moreno-Castilla, C. 2004. Adsorption of organic molecules from aqueous solutions on carbon materials. Carbon, 42, 83-94.

Nurmi, J. & Tratnyek, P. 2008. Electrochemical studies of a packed iron powder electrode in solutions containing carbonate and natural organic matter. Journal of Corrosion Science, 50(1), 144-154.

Oguz, E. & Keskinler, B. 2007. Comparison among O3, PAC adsorption, O3/HCO3, O3/H2O2 and O3/PAC processes for the removal of Bomaplex Red CR-L dye from aqueous solution. Dyes and Pigments, 74, 329-334.

Padervand, M., Jalilian, E., Majdani, R. & Goshadezehn, M. 2019a. BiOCl/AgCl-BiOI/AgI quaternary nanocomposite for the efficient photodegradation of organic wastewaters and pathogenic bacteria under visible light. Journal of Water Process Engineering, 29, 100789.

Padervand, M., Lammel, G., Bargahi, A. & Mohammad-Shiri, H. 2019b. Photochemical degradation of the environmental pollutants over the worm-like Nd2CuO4-Nd2O3 nanostructures. Nano-Structures and Nano-Objects, 18, 100258.

Phillips, D. H., Gu, B., Watson, D. B., Roh, Y., Liang, L. & Lee, S. 2000. Performance evaluation of a zerovalent iron reactive barrier: mineralogical characteristics. Environmental ScienceandTechnology, 34, 4169-4176.

Qiao, J., Cui, Z., Sun, Y., Hu, Q. & Guan, X. 2014. Simultaneous removal of arsenate and fluoride from water by Al-Fe (hydr) oxides. Frontiers of Environmental Science and Engineering, 8, 169-179.

Qu, X., Alvarez, P. J. & Li, Q. 2013. Applications of nanotechnology in water and wastewater treatment. Water Research, 47, 3931-3946.

Rolence, C., Machunda, R. L. & Njau, K. N. 2014. Water hardness removal by coconut shell activated carbon. International Journal of Science, Technologyand Society, 2(5), 97-102.

Savage, N. & Diallo, M. S. 2005. Nanomaterials and water purification: opportunities and challenges. Journal of Nanoparticle Research, 7, 331-342.

Su, Y., Adeleye, A. S., Zhou, X., Dai, C., Zhang, W., Keller, A. A., et al. 2014. Effects of nitrate on the treatment of lead contaminated groundwater by nanoscale zerovalent iron. Journal of Hazardous Materials, 280, 504-513.

Sweetman, M., May, S., Mebberson, N., Pendleton, P., Vasilev, K., Plush, S., et al. 2017. Activated carbon, carbon nanotubes and graphene: materials and composites for advanced water purification. Journal of Carbon Research, 3(2), 18.

Taman, R., Ossman, M., Mansour, M. & Farag, H. 2015. Metal oxide nano-particles as an adsorbent for removal of heavy metals. Journal of Advance Chemical Engineering, 5, 1-8.

Tratnyek, P. G. & Johnson, R. L. 2006. Nanotechnologies for environmental cleanup. Nano Today, 1, 44-48.

United Nations. 2015. Transforming our world: The 2030 agenda for sustainable development, UN., USA.

Xiao, B. & Thomas, K. M. 2005. Adsorption of aqueous metal ions on oxygen and nitrogen functionalized nanoporous activated carbons. Langmuir, 21(9), 3892-3902.

Yang, G. C. &  Lee, H.-L. 2005. Chemical reduction of nitrate by nanosized iron: kinetics and pathways. Water Research, 39, 884-894.

Young, G. K., Bungay, H. R., Brown, L. M. & Parsons, W. A. 1964. Chemical reduction of nitrate in water. Water Pollution Control Federation, 36 (3), 395-398.

Zazouli, M. A., Dianatitilaki, R. & Safarpour, M. 2014. Nitrate removal from water by nano zero valent iron in the presence and absence of ultraviolet light. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences, 24 (113), 150-161. (In Persian)

Zhang, W.-X. 2003. Nanoscale iron particles for environmental remediation: an overview. Journal of Nanoparticle Research, 5, 323-332.