روش‌های حذف بور از آب (Boron)

کیفیت منابع آبی همواره یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های بهداشتی و  زیست‌محیطی در جهان بوده است. در میان عناصر شیمیایی موجود در آب، بور (Boron) جایگاه ویژه‌ای دارد. بور در مقادیر پایین برای رشد گیاهان مفید است، اما در غلظت‌های بالا می‌تواند تهدیدی جدی هم برای سلامت انسان باشد و  هم تعادل اکوسیستم‌ها را برهم بزند.  حضور این عنصر در آب‌های زیرزمینی، پساب‌های صنعتی و حتی در برخی مناطق ساحلی، چالشی بزرگ برای مدیریت منابع آبی به شمار می‌رود. از همین‌رو، توجه به روش‌های علمی و کاربردی برای حذف بور از آب اهمیتی دوچندان پیدا کرده است. 

در ادامه این مقاله، ضمن بررسی میزان استاندارد بور در آب، اثرات آن بر محیط زیست و انسان، دلایل افزایش غلظت این عنصر و صنایع مؤثر در آن، به معرفی مؤثرترین فناوری‌ها و راهکارهای نوین برای تصفیه و کاهش غلظت بور نیز خواهیم پرداخت. برای درک دقیق‌تر خطرات بور و شناخت روش‌های مؤثر در کنترل و کاهش آن، تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

میزان استاندارد بور در آب چقدر است؟

قبل از پرداختن به میزان استاندارد عنصر بور در آب، لازم است ابتدا به این پرسش پاسخ دهیم که اصلاً «عنصر برون چیست؟» بور یا برون (Boron) یک عنصر شیمیایی طبیعی است که در مقادیر پایین برای سلامت انسان و رشد گیاهان مفید است. برای نمونه، عنصر بور در کشاورزی، نقش بسیار مهمی دارد و کمبود آن می‌تواند منجر به کاهش رشد گیاهان، تولید کمتر محصولات و مشکلات در گل‌دهی و تشکیل میوه شود.

با این حال، افزایش غلظت آن می‌تواند اثرات منفی قابل توجهی بر سلامت انسان و محیط زیست داشته باشد. این عنصر در منابع آب سطحی و زیرزمینی به صورت ترکیبات مختلف یافت می‌شود. بنابراین کنترل غلظت آن در آب‌های آشامیدنی و کشاورزی اهمیت ویژه‌ای دارد.

سازمان جهانی بهداشت (WHO) حداکثر غلظت مجاز بور در آب آشامیدنی را 5/0 میلی‌گرم بر لیتر توصیه کرده، این درحالی است که،  برخی استانداردهای ملی مانند استاندارد اتحادیه اروپا، 1 میلی‌گرم بر لیتر را به عنوان حد بالای قابل قبول تعیین کرده‌اند. این تفاوت‌ها عمدتاً به دلیل اختلاف در حساسیت جمعیت‌ها و شرایط زیست‌محیطی است. حذف بور از آب به‌ویژه در مناطقی که منابع آب زیرزمینی یا آب شیرین‌کن‌ها دارای غلظت بالای بور هستند، اهمیت بسیار زیادی دارد.

استاندارد بورون

اثرات بور در محیط زیست چیست؟

از جمله خواص عنصر برون می‌توان به کاربرد آن در مقادیر پایین برای رشد گیاهان و برخی موجودات آبزی اشاره کرد. اما همانطور که گفتیم افزایش غلظت آن می‌تواند تأثیرات منفی چشمگیری بر محیط زیست برجای بگذارد.

مطالعات نشان می‌دهند از مضرات عنصر بور بر محیط زیست، کاهش رشد گیاهان، آسیب به بافت‌های گیاهی و کاهش تنوع زیستی است. همچنین تجمع عنصر بور در خاک‌های شور، منجر به افزایش شوری و اختلال در جذب عناصر مغذی توسط گیاهان می‌شود.

مضرات عنصر بور در اکوسیستم‌های آبی نیز، تاثیر منفی بر رشد جلبک‌ها و موجودات آبزی تأثیر بوده که به این ترتیب می‌تواند تعادل زیست‌محیطی را برهم زند. به همین دلیل است که، حذف بور از آب با روش‌ها و فناوری‌های نوین، می‌تواند غلظت آن را تا حد استانداردهای جهانی کاهش داده و سلامت محیط زیست و کشاورزی را حفظ نماید.

اثرات بور بر سلامتی انسان چیست؟

از جمله مهمترین خواص عنصر بور بر سلامت انسان، می‌توان به تاثیر آن (البته در مقادیر پایین)، در فرآیندهای متابولیکی مانند سلامت استخوان‌ها و متابولیسم کلسیم و منیزیم اشاره کرد.

 با این حال، مطالعات نشان می‌دهند که مقادیر بالای بور بر سلامت انسان اثرات منفی دارد. به‌طوریکه، مصرف طولانی‌مدت آب یا غذاهای حاوی بور در غلظت‌های بالا می‎تواند منجر به مشکلات گوارشی، اختلال در عملکرد کلیه و کبد و در موارد شدیدتر، اثرات سمی بر سیستم تولیدمثل انسان شود. حذف بور از آب تا  حد استانداردهای ایمنی، از پیامدهای منفی آن بر سلامت انسان پیشگیری می‌کند.

دلایل افزایش بور در آب

افزایش غلظت بور در منابع آبی می‌تواند ناشی از عوامل انسانی و طبیعی باشد. از منابع طبیعی می‌توان به سنگ‌ها و خاک‌هایی اشاره کرد که حاوی عنصر بور هستند و با فرسایش یا حل شدن در آب‌های سطحی و زیرزمینی، وارد محیط آبی می‌شود. 

فعالیت‌های انسانی نیز، نقش قابل توجهی در افزایش غلظت بور دارند. برای نمونه، تخلیه پساب‌های صنعتی و فرآوری مواد معدنی و استفاده گسترده از کودهای شیمیایی و محصولات کشاورزی حاوی بور، همگی می‌توانند منجر به تجمع این عنصر در آب‌های سطحی و زیرزمینی شوند.

حذف بور از آب، به‌خصوص در مناطقی که آب شیرین‌کن‌ها یا پساب‌های صنعتی حاوی بور بالا دارند، اهمیت بسیار بالایی دارد تا از پیامدهای بهداشتی و زیست محیطی ناشی از افزایش غلظت آن جلوگیری شود.

کدام صنایع بیشترین تاثیر را در افزایش بور در آب دارند؟

برخی صنایع به دلیل فعالیت‌های تولیدی و تخلیه پساب، نقش مهمی در افزایش غلظت بور در منابع آبی دارند. از جمله آنها می‌توان به صنایع سرامیک‌سازی و شیشه‌سازی اشاره کرد. کاربرد عنصر بور به دلیل خواص شیمیایی خاص آن در تولید سرامیک و شیشه بسیار گسترده است. فرآوری مواد معدنی و استفاده از ترکیبات حاوی بور در تولید  این محصولات منجر به ورود مقادیر قابل توجهی بور به پساب‌ها می‌شود. علاوه بر آن، صنایع الکترونیک و کشاورزی صنعتی که از مواد شیمیایی و ترکیبات بوردار استفاده می‌کنند، سهم مهمی در افزایش بار بور در آب دارند.

همچنین، فعالیت‌های معدنی و استخراج مواد حاوی بور، به افزایش غلظت این عنصر در آب‌های سطحی و زیرزمینی کمک می‌کنند. بنابراین پایش دقیق و استفاده از فناوری‌های نوین حذف بور، برای کاهش اثرات زیست‌محیطی و مخرب این صنایع ضروری است.

خطرات وجود عنصر بور در آب

همانطور که پیش‌تر اشاره کردیم، افزایش غلظت عنصر بور در منابع آبی حتی در دوره‌های کوتاه، می‌تواند اثرات گسترده‌ای بر سلامت انسان، کشاورزی و اکوسیستم‌های طبیعی داشته باشد. در جدول زیر مهمترین خطرات و پیامدهای وجود بور در آب به‌طور خلاصه آورده شده است.

روش های حذف و کاهش بور (boron) از آب

روش‌های حذف و کاهش بور از آب شامل فناوری‌های متنوعی هستند که با مکانیزم‌های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی یا ترکیبی، یون‌ها و ترکیبات محلول بور را از آب جدا می‌کنند. در ادامه، هر یک از این روش‌ها به‌طور مفصل همراه با مزایا، معایب و کاربردهایشان توضیح داده می‌شوند.

روش‌های غشایی (Membrane-based methods)

روش‌های غشایی، یکی از پیشرفته‌ترین و دقیق‌ترین روش‌ها برای حذف یون‌ها و ترکیبات حل‌شده در آب هستند. این روش‌ها براساس جداسازی فیزیکی یا الکتروشیمیایی از طریق غشاهای نیمه‌تراوا عمل می‌کنند. روش‌های غشایی شامل چند فناوری اصلی هستند:

• اسمز معکوس (Reverse Osmosis – RO) : یک فرآیند غشایی است که با اعمال فشار، آب را از غشای نیمه‌تراوا عبور داده و یون‌ها و ترکیبات محلول مانند بور را جدا می‌کند. این روش راندمان بالایی در حذف بور دارد و آب با خلوص بالا تولید می‌کند، بنابراین برای کاربردهای صنعتی و آشامیدنی مناسب است. با این حال، RO هزینه‌بر و پرمصرف است و نگهداری دقیق غشاها ضروری است. این روش عمدتاً در تصفیه آب آشامیدنی، آب‌شیرین‌کن‌های دریایی و صنایع دارویی و الکترونیکی کاربرد دارد.
• نانوفیلتراسیون (Nanofiltration – NF): یک روش غشایی مشابه اسمز معکوس است با منافذ بزرگ‌تر که حذف نسبی یون‌ها و ترکیبات محلول مانند بور را امکان‌پذیر می‌کند. این روش مصرف انرژی و هزینه کمتری دارد، اما راندمان آن در حذف کامل بور کمتر است و غشاها به گرفتگی حساس هستند. NF عمدتاً در تصفیه آب نیمه‌شیرین، پیش‌تصفیه سیستم‌های RO و کاربردهای کشاورزی و صنعتی استفاده می‌شود.
• الکترودیالیز (Electrodialysis – ED): فرآیندی است که با جریان الکتریکی یون‌ها را از طریق غشاهای انتخابی جدا می‌کند و آب را تصفیه می‌کند. این روش امکان حذف انتخابی یون‌ها را فراهم می‌کند و نیازی به مواد شیمیایی ندارد، اما تجهیزات آن پرهزینه و نگهداری آن پیچیده است. ED عمدتاً در تولید آب با خلوص بالا و تصفیه آب‌های شور و صنعتی کاربرد دارد.

حذف بور به روش اسمز معکوس

روش جذب سطحی (Adsorption methods)

این روش، فرآیندی است که در آن یون‌ها و ترکیبات محلول مانند بور روی سطح مواد جامد جذب می‌شوند و برای حذف آلاینده‌ها از آب استفاده می‌شود.  روش جذب سطحی شامل زئولیت و کربن فعال است.

• زئولیت: یک جاذب ارزان و در دسترس است که فرآیند ساده‌ای دارد و قابلیت احیا و استفاده مجدد را فراهم می‌کند، اما ظرفیت جذب آن محدود است و در غلظت‌های بالای بور راندمان پایین دارد. این روش عمدتاً در تصفیه آب کشاورزی و فاضلاب‌های صنعتی با غلظت پایین بور کاربرد دارد.
• کربن فعال: کربن فعال نیز برای حذف ترکیبات آلی و معدنی مورد استفاده قرار می‌گیرد و در دسترس و کم‌هزینه است، اما در حذف یون‌های معدنی مانند بور راندمان کمتری دارد و نیاز به مقدار زیاد جاذب دارد. این روش معمولاً به‌عنوان مکمل در سیستم‌های تصفیه ترکیبی کاربرد دارد.

حذف بور از آب به روش جذبی

روش تبادل یونی (Ion Exchange)

تبادل یونی یک روش تصفیه آب است که در آن یون‌های آلاینده مانند بور با یون‌های موجود در رزین‌های خاص جایگزین می‌شوند و به این ترتیب آب تصفیه می‌شود. این روش شامل رزین‌های تبادل یونی است.

• رزین‌های تبادل یونی: آنها دقت بالایی در حذف یون بور دارند و قابلیت احیا با محلول‌های بازی و استفاده چندباره را فراهم می‌کنند، اما نیاز به تنظیم دقیق pH دارند، نسبت به حضور یون‌های مزاحم حساس هستند و هزینه احیا و تعویض آن‌ها بالاست. این روش عمدتاً در تصفیه آب صنعتی، تولید آب فوق‌خالص و صنایع نیمه‌هادی و دارویی کاربرد دارد.

حذف بور به روش یونی

انعقاد و لخته‌سازی (Coagulation / Flocculation)

انعقاد و لخته‌سازی یک روش فیزیکوشیمیایی برای حذف آلاینده‌ها از آب است که در آن ذرات ریز معلق به کمک مواد شیمیایی یا جریان الکتریکی به ذرات بزرگ‌تر تبدیل شده و ته‌نشین می‌شوند. این روش شامل استفاده از مواد منعقدکننده و الکتروکواگولاسیون است.

• استفاده از مواد منعقدکننده: این روش ساده و کم‌هزینه است و می‌تواند راندمان حذف بور را در ترکیب با سایر روش‌ها افزایش دهد، اما به‌تنهایی راندمان پایین دارد، نیاز به تنظیم دقیق دوز مواد دارد و باعث تولید لجن می‌شود.
• الکتروکواگولاسیون: این روش نیز با جریان الکتریکی عمل می‌کند و نیازی به مواد شیمیایی خارجی ندارد، تولید لجن کمتری دارد و می‌تواند چند آلاینده را همزمان حذف کند، اما تجهیزات آن پرهزینه است، نیاز به کنترل دقیق جریان و pH دارد و نگهداری الکترودها پیچیده است.

حذف بور به روش الکتروکوگوالیسون

رسوب‌دهی شیمیایی (Chemical Precipitation)

رسوب‌دهی شیمیایی یک روش ساده و ارزان برای حذف آلاینده‌ها از آب است که با افزودن مواد شیمیایی، ترکیبات محلول مانند بور به رسوبات نامحلول تبدیل شده و ته‌نشین می‌شوند. مواد شیمیایی مورد استفاده در دسترس هستند و این روش می‌تواند به‌عنوان پیش‌تصفیه در سیستم‌های پیچیده‌تر نیز به‌کار رود. با این حال، راندمان آن برای حذف کامل بور پایین است، تولید لجن زیاد دارد و نیاز به مدیریت مناسب پسماندها وجود دارد. رسوب‌دهی شیمیایی عمدتاً در تصفیه فاضلاب صنعتی و آب‌های کشاورزی کاربرد دارد.

اکسیداسیون شیمیایی (Chemical Oxidation)

اکسیداسیون شیمیایی روشی است که با استفاده از مواد اکسیدکننده، ترکیبات آلی همراه با بور در آب حذف می‌شوند. این روش ساده اجرا می‌شود و می‌تواند با سایر فرآیندهای تصفیه ترکیب شود تا راندمان سیستم افزایش یابد. از معایب آن می‌توان گفت، راندمان آن در حذف مستقیم بور پایین است، هزینه مواد شیمیایی بالا است و احتمال تولید محصولات جانبی وجود دارد. این روش عمدتاً در فاضلاب‌های خاص و صنایع شیمیایی به‌عنوان مکمل سیستم‌های ترکیبی کاربرد دارد.

روش‌های زیستی (Biological Methods)

روش‌های زیستی مبتنی بر فعالیت میکروارگانیسم‌ها برای حذف آلاینده‌ها از آب هستند و از نظر محیط‌زیستی سازگار و کم‌هزینه می‌باشند، همچنین پسماند شیمیایی تولید نمی‌کنند. از معایب این روش می‌توان به زمانبر بودن آن اشاره کرد. همچنین اینکه، راندمان آن نسبتاً پایین است و تنها در شرایط خاص مانند دمای کنترل‌شده قابل اجراست. روش‌های زیستی معمولاً در پروژه‌های تحقیقاتی، تصفیه آب کشاورزی و مناطق روستایی با منابع محدود کاربرد دارند.

مزایا و معایب هر روش تصفیه بور

هر روش تصفیه بور ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد و در شرایط مختلف، عملکرد متفاوتی از خود نشان می‌دهد. برای انتخاب روش مناسب، شناخت دقیق مزایا و محدودیت‌های هر فناوری ضروری است. در جدول زیر به‌طور خلاصه، نقاط قوت و ضعف هرکدام از روش‌های حذف بور از آب آورده ارائه شده است.

روش اندازه گیری بور

به دلیل اثرات منفی غلظت بالای عنصر بور بر سلامت انسان و محیط زیست، اندازه‌گیری آن در منابع آبی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. از روش‌های رایج اندازه‌گیری عنصر بور در آب می‌توان به استفاده از تکنیک‌های رنگ‌سنجی، جذب اتمی و طیف‌سنجی اشاره کرد. در روش رنگ‌سنجی، بور با ترکیبات شیمیایی خاص واکنش داده و یک رنگ مشخص ایجاد می‌کند که شدت آن با غلظت بور رابطه مستقیم دارد. روش‌های طیف‌سنجی و جذب اتمی دقت بالاتری داشته و برای اندازه‌گیری غلظت‌های پایین بور در نمونه‌های آب آشامیدنی و صنعتی مناسب هستند.

در نهایت، انتخاب روش مناسب برای اندازه‌گیری غلظت بور در آب، بستگی به دقت مورد نیاز، حجم نمونه و تجهیزات موجود دارد. مثلاً، برای نمونه‌های با غلظت بسیار پایین بور، روش‌های طیف‌سنجی ترجیح داده می‌شوند. این درحالی است که، برای کنترل سریع کیفیت آب در مقیاس صنعتی، روش‌های رنگ‌سنجی، ساده‌تر و اقتصادی‌تر هستند. این اندازه‌گیری‌ها پایه‌ای برای طراحی فرآیندهای حذف بور از آب و اطمینان از رعایت استانداردهای بهداشتی فراهم می‌کنند.

اهمیت کالیبراسیون و دقت در نتایج آزمایشگاهی

دقت در اندازه‌گیری غلظت عنصر بور در آب، فراتر از انتخاب روش تحلیلی مناسب، به کالیبراسیون صحیح تجهیزات و شرایط آزمایش بستگی دارد. عواملی همچون، pH محلول، دمای نمونه و کیفیت مواد شیمیایی مورد استفاده، همگی می‌توانند مستقیماً بر نتایج تأثیر بگذارند. برای مثال، تغییر دمای نمونه می‌تواند باعث تغییر واکنش‌های شیمیایی و خطای اندازه‌گیری شود. pH نامناسب نیز، ممکن است مانع تشکیل ترکیبات رنگی دقیق در روش رنگ‌سنجی شود. 

همچنین، استفاده از تجهیزات با کالیبراسیون استاندارد و منظم، تضمین می‌کند که نتایج تکرارپذیر و قابل اعتماد باشند. توجه به این نکات در فرایند تصفیه، علاوه بر افزایش دقت نتایج، پایه‌ای مطمئن برای طراحی روش‌های حذف بور و رعایت استانداردهای ایمنی فراهم می‌کند.

جمع‌بندی

عنصر بور (Boron) یکی از عناصر دووجهی در محیط‌زیست است. چرا می‌گوییم دو وجهی؟ چون در مقادیر کم برای رشد گیاهان و عملکرد طبیعی بدن انسان ضروری است، اما در غلظت‌های بالا می‌تواند به عاملی خطرناک برای سلامت انسان و پایداری اکوسیستم‌ها تبدیل شود. افزایش غلظت بور در منابع آبی، اغلب نتیجه فعالیت‌های کشاورزی، معدنی و صنعتی است و کنترل آن نیازمند رویکردی علمی، دقیق و چندمرحله‌ای است.

روش‌های نوین تصفیه مانند اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، تبادل یونی، جذب سطحی و فناوری‌های نانویی، در کنار پایش مستمر و دقیق غلظت بور، می‌توانند به‌طور مؤثر از تجمع این عنصر در آب‌های آشامیدنی و کشاورزی جلوگیری کنند.

 انتخاب روش مناسب حذف بور از آب، باید براساس نوع منبع آب، میزان آلودگی و ملاحظات اقتصادی انجام گیرد تا علاوه بر حفظ سلامت انسان، بهره‌وری منابع آبی نیز بهینه شود.

در نهایت، مدیریت پایدار منابع آبی در برابر آلودگی بور تنها با ترکیب درستی از فناوری، نظارت علمی و سیاست‌گذاری محیط‌زیستی دقیق ممکن بوده و نادیده‌گرفتن کنترل این عنصر می‌تواند هزینه‌های سنگینی برای سلامت عمومی، امنیت غذایی و تعادل اکولوژیکی به‌دنبال داشته باشد. 

با تعهد، دقت و بهره‌گیری از دانش روز می‌توان گامی مؤثر در حفظ آب سالم، زمین زنده و آینده‌ای ایمن‌تر برداشت.

منابع

https://link.springer.com/article/10.1007/s42247-021-00197-3

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9517912

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2950357425000824

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724070633