استفاده روزافزون از وسایل الکترونیکی باعث شده تا موضوع زباله‌های الکترونیکی و استفاده از باکتری‌ها جهت حذف این آلاینده‌ها از طریق فرایند فروشویی زیستی مورد توجه محققان قرار گیرد.
۱- ضمن معرفی خود، شرح مختصری از سوابق و فعالیت‌های پژوهشی خود و سایر اعضاء این پروژه برای آشنایی خوانندگان ما عرض بفرمایید.
سهیلا یغمایی: استاد و عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی شیمی و نفت، گرایش زیست‌فناوری دانشگاه صنعتی شریف
همکاران اینجانب در این تحقیق:
مهدخت ارشدی: دانشجوی دکتری در ضمن انجام تحقیق و در حال حاضر فارغ‌التحصیل دوره دکتری مهندسی شیمی گرایش زیست‌فناوری دانشگاه صنعتی شریف
سید محمد موسوی: دانشیار و عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی شیمی گروه پژوهشی بیوتکنولوژی دانشگاه تربیت مدرس
۲- علی‌رغم اینکه تخصص اصلی شما شیمی فیزیک است، چه عاملی باعث شد به حوزه زیست‌شناسی علاقه‌مند شوید و در این عرصه به پژوهش بپردازید؟
رشته تحصیلی اصلی اینجانب مهندسی شیمی و حوزه فعالیت‌های پژوهشی اینجانب کاربرد زیست‌فناوری در رفع مشکلات محیط زیست است. دلیل انتخاب این حوزه این است که فرایندهای سنتی و روش‌های فیزیکی و شیمیایی محدودیت‌های اساسی دارند. این روش‌ها به‌دلیل انرژی‌خواهی بالا، گران بودن و تولید بسیار زیاد مواد مخرب محیط زیست خیلی کارآمد نیستند. اما زیست‌فناوری روشی نوین، مؤثر، اقتصادی و دوستدار محیط زیست است. روش‌های زیستی در همه عرصه‌ها مانند محیط زیست، دارو، تولید سوخت، غذا و … نسبت به روش‌های فیزیکی و شیمیایی به‌دلیل نیاز کم به انرژی و تولید کم در محصولات و پسماندهای جانبی بسیار پربازده و اقتصادی هستند.
۳- کمی راجع به موضوعی که برای پژوهش انتخاب کردید و اهمیت آن توضیح بفرمایید.
موضوع این پژوهش بازیابی فلزات از زباله‌های الکترونیکی است. به‌دلیل استفاده گسترده از وسایل الکترونیکی در دهه‌های گذشته و محتوای مواد آن‌ها، زباله‌های الکترونیکی یکی از مهم‌ترین زباله‌های قرن بیست‌ویکم بوده‌است. زباله‌های حاصل از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی سریع‌ترین جریان تولید زباله است. این زباله‌ها اغلب شامل نقره، آلومینیوم، باریم، منیزیم، نیکل، روی، تیتانیوم، طلا، سرب و مس هستند که سبب تهدید سلامت انسان و محیط زیست می‌شوند. در طی چند سال گذشته بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی به یک نگرانی جهانی تبدیل شده است اما ساختار پیچیده و ناهمگن آن‌ها مهم‌ترین بازدارنده بازیافت است.
هماکنون زباله‌های الکترونیکی به روش‌های نادرستی در دنیا دفن می‌شوند که خطر نشت به آب‌های زیرزمینی و خاک را دارد. از طرف دیگر حضور برخی از فلزهای ارزشمند مانند طلا، نقره و نیکل سبب اقتصادی و منطقی‌تر شدن بازیافت آن‌ها می‌شود تا حدی که به‌دلیل محتوای غنی‌ترشان از معادن طبیعی، معادن مصنوعی یا ثانویه نامیده می‌شوند. با بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی معادن طبیعی می‌توانند حفظ شوند. به‌طور میانگین یک تن تلفن همراه بدون باتری شامل ۱۳۰ کیلوگرم مس، ۳/۵ کیلوگرم نقره، ۳۴۰ گرم طلا و ۱۴۰ گرم پالادیوم است. از سوی دیگر با توجه به اینکه ۱/۲ بیلیون تلفن همراه در سال ۲۰۰۷ فروخته شده است می‌توان متوجه شد که چه حجم زیادی از این فلزها مورد نیاز است. بنابراین بازیافت زباله‌های الکترونیکی نه تنها از جنبه کاهش آلودگی‌های محیط زیست مهم هستند بلکه به عنوان یک منبع استخراج فلز در نظر گرفته می‌شوند
اما با توجه به حضور همزمان فلزهای سمی و ارزشمند در زباله‌های الکترونیکی سیاست مدیریت این زباله‌ها با زباله‌های سنتی متفاوت است. هماکنون زباله‌های الکترونیکی به روش‌های نادرستی در دنیا دفن می‌شود که خطر نشت به آب‌های زیرزمینی و خاک را دارد. از طرف دیگر با بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی معادن طبیعی می‌توانند حفظ شوند. بنابراین بازیافت زباله‌های الکترونیکی نه تنها از جنبه کاهش آلودگی‌های محیط زیست مهم هستند بلکه به‌عنوان یک منبع استخراج فلز در نظر گرفته می‌شوند و می‌توانند حدود ۴۰ میلیون تن از مواد را تأمین کنند. در طی چند سال گذشته بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی به یک نگرانی جهانی تبدیل شده است اما ساختار پیچیده و ناهمگن آن‌ها مهم‌ترین بازدارنده بازیافت است.
۴- آیا آمار مشخصی از میزان تولید زباله‌های الکترونیکی در ایران و جهان و سرنوشت این زباله‌ها در دسترس هست؟
مطابق با مطالعات برنامه‌های محیط زیستی ملل متحد، مجموع وزن زباله‌های الکترونیکی که در هر سال تولید می‌شود حدود ۲۰ تا ۵۰ میلیون تن است. در ایران ۴۸ میلیون گوشی تلفن همراه در کشور فعال بوده و در هر سال ۳ تا ۴ میلیون از رده خارج می‌شود و به طور کلی تعداد دستگاه‌های الکترونیکی خارج از رده ۴ میلیون تن در سال است. طبق برآوردها طی چند سال اخیر هر ساله یک میلیون و ۲۰۰ هزار تا یک میلیون و ۵۰۰ هزار رایانه در ایران مونتاژ شده است. از حدود ۵/۴ میلیون رایانه، هر سال حدود ۸۰۰ هزار دستگاه از رده خارج می‌شود. متأسفانه در رسانه‌ها خبر از دفن این زباله‌ها در کشورمان داده شده است که در صورت عدم رسیدگی و مدیریت درست می‌تواند در سال‌های آتی فاجعه آفرین باشد. بنابراین این طرح می‌تواند گامی مهم برای بازیافت سالم و اقتصادی زباله‌های الکترونیکی باشد.
۵- کمی راجع به روش‌هایی که برای دفع، بازیافت و سایر موارد مرتبط با این زباله‌ها در سطح جهان مرسوم است توضیح بفرمایید.
در طی چند سال گذشته بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی به یک نگرانی جهانی تبدیل شده است اما ساختار پیچیده و ناهمگن آن‌ها مهم‌ترین بازدارنده بازیافت است. برای بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی، روش‌های جداسازی مکانیکی، پیرومتالورژی، هیدرومتالورژی و بیوهیدرومتالورژی استفاده شده است. جداسازی مکانیکی تنها به‌عنوان یک روش پیش‌تیمار می‌تواند مفید باشد. با روش‌های پیرومتالورژی نیز تنها بخش کوچکی از فلزها می‌تواند جدا شوند.
پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی دو روش سنتی هستند که استفاده از آن‌ها با توجه به تولید فوران‌ها، دیاکسین‌ها و مقادیر زیادی از فاضلاب سبب آلودگی محیط زیست می‌شود. علاوه بر این انرژی‌خواهی بالا و مصرف بالای مواد شیمیایی سبب عدم گسترش این روش‌ها شده است. بیوهیدرومتالورژی یک روش نوین، مؤثر، اقتصادی و دوستدار محیط زیست است. پیش‌تیمار میکروبی منابع ثانویه بسیار ارزان‌قیمت و کم‌خطر هستند. با شرایط عملیاتی متعادل و سازوکار ساده، نیاز به نیروی متخصص ندارند. فروشویی زیستی یک زمینه مهم در بیوهیدرومتالورژی است و به‌صورت موفق برای بازیافت فلزها از زباله‌های الکترونیکی استفاده‌شده‌است.
۶- ضمن توضیح راجع به روش زیست‌پالایی و پدیده بیولیچینگ، کمی در مورد کاربرد این روش در بازیافت زباله‌های الکترونیکی و همچنین مزایا و معایب آن نسبت به سایر روش‌ها توضیح بفرمایید.
این روش نسبت به سایر روش‌های جداسازی فلزات از لحاظ اقتصادی و زیست‌محیطی جزو بهترین و مناسب‌ترین روش‌های شناخته شده در جهان می‌باشد. روش بیوتکنولوژی یک روش پیشرفته با سطح بالای تکنولوژی (High tech) است که علاوه بر بازده بالای بازیابی فلزات همچون مس، نیکل، کبالت، کادمیوم و … صرفه اقتصادی بالا و دوستدار محیط زیست بودن، توانایی استفاده در مقیاس صنعتی را نیز دارا می‌باشد. فروشویی زیستی[۱] یک زمینه مهم در بیوهیدرومتالورژی است و به‌صورت موفق برای بازیافت فلزها از زباله‌های الکترونیکی استفاده شده است.
به‌طور کلی فروشویی زیستی به معنای “استفاده از ریزسازواره‌ها برای انتقال و استخراج عناصر” است. ریزسازواره‌های زیادی در فرایند فروشویی زیستی مؤثر شناخته شده‌اند. فرایندهای زیستی در محیط‌های اسیدی توسط ریزسازواره‌های اسیددوست و همچنین در محیط‌های قلیایی با ریزسازواره‌های سیانوژن نقش اساسی در فناوری فروشویی زیستی دارند. ریزسازواره‌های اسید دوست نقش مهمی در بازیافت فلزهای سنگین از زباله‌های صنعتی دارند. در این گروه، باکتری‌های اسیدوتیوباسیلوس فرواکسیدانس[۲]، اسیدوتیوباسیلوس تیواکسیدانس[۳]، تیوباسیلوس تیوپاروس[۴]و در بین قارچها پنیسیلیوم [۵] و آسپرژیلوس نایجر[۶] بسیار شناخته شده هستند.
جدول زیر مقایسه مزایا و معایب فروشویی زیستی را نشان می دهد.
| مزایا | معایب | |
| فروشویی شیمیایی و یا روش‌های سنتی دیگر برای استخراج فلزها | زمان کوتاه انجام فرایند | نیازمند فرایندهای پیچیده هزینهی نگهداری بالا نیازمند مقادیر زیاد اسید نیازمند مقادیر زیاد الکل مصرف بسیار بالای انرژی هزینه‌های عملیاتی بسیار بالا تولید مواد خطرناک در حین انجام فرایند مفید برای معادن پرعیار عدم کاربرد برای فلزهای با خلوص کم انجام مراحل خطرناک |
| فروشویی زیستی باکتریایی و قارچی | دوستدار محیط زیست ارزان قیمت مصرف کم انرژی ساده و ارزان بودن هزینه‌های عملیاتی و نگهداری شرایط عملیاتی در فشار و به طور تقریبی دمای محیط بهره بالاتر برای حلالیت فلزهای سنگین بهره بالاتر برای جداسازی فلزهای سنگین تجهیزات ساده کارایی برای معادن کم عیار، حتی کمتر از ۵/ درصد وزنی قابل استفاده برای فلزهایی با آلودگی بسیار بالا مراحل عملیاتی ایمن
| دوره عملیاتی طولانی‌تر در مقایسه با فروشویی شیمیایی وابستگی به شرایط محیطی |
۷- به نظر می‌رسد فرایند زیست‌پالایی کمی زمان‌بر باشد و از طرفی پاسخگوی حجم بالای زباله تولید شده نیز نباشد و نتوان با این روش این حجم از زباله را پالایش نمود. آیا این دیدگاه صحیحی است؟
همان‌گونه که در جدول نشان داده شد تنها مزیت روش‌های سنتی نسبت به روش‌های زیستی زمان کوتاه‌تر فرایند است. زمان فرایند استخراج فلزات در روش‌های سنتی در حد چند ساعت و در روش‌های زیستی در حدود چند روز است. اگرچه این زمان بلند‌تر بی‌تردید به‌عنوان یکی از معایب این روش در نظرگرفته می‌شود اما در مقابل همه مزایای دیگر قابل صرف‌نظرکردن است.
همان‌طور که فرمودید یکی از مهم‌ترین مشکلات در از بین بردن پسماندها حجم زیاد آن‌ها است. سوزاندن یکی از مهم‌ترین فرایندها در حل این مشکل است. زمانی که پسماندها سوزانده می‌شوند حجمشان کم و تغلیظ می‌شوند و در این صورت به یک منبع مهم آلودگی محیط زیست تبدیل می‌شوند. روش دیگر دفن است. این زباله‌های به‌دلیل محتوای سمی‌شان نیاز به دفن مناسب و با تدبیری دارند اما متأسفانه در بسیاری از نقاط جهان دفن نامناسب اتفاق می‌افتد. حتی در ایران این زباله‌ها همراه با سایر زباله‌های شهری دفن می‌شوند. دفن نامناسب پسماندهای صنعتی یک عامل اساسی در نشت کردن آن‌ها به چرخه غذایی‌مان است. فلزهای سنگین سبب بروز اثرهای مضری بر روی انسان می‌شوند. بعضی از فلزها نیمه عمر زیادی دارند که سبب تجمع ماده سمی می‌شود. همچنین بعضی از این فلزها سرطان‌زا هستند.
مشکل پسماندها به‌علت رشد سریع جمعیت جهانی و پیشرفت صنعت با گسترش فناوری افزایش پیدا کرده است. به همین دلیل استخراج فلزهای ارزشمند پسماندها یا رفع مسمومیت این مواد برای داشتن محیط زیست سالم از عوامل مهم در مدیریت پسماندها است. دانشمندان سعی کردند روش‌های دوستدار محیط زیست را گسترش دهند تا تنزل کیفیت آن را کنترل نمایند؛ بنابراین تلاش‌های متمرکزی برای گسترش فرایندهای دوستدار محیط زیست، به‌خصوص در زمینه فرایندهای معدنی و استخراج فلزها انجام می‌شود و دنیا به سمت روش‌های زیستی روی آورده است.
۸- روش زیست‌پالایی را از جنبه اقتصادی چگونه ارزیابی می‌کنید؟ هزینه‌های عملیاتی نمودن این روش در مقابل بازده اقتصادی آن چگونه است؟ و با توجه به اینکه ایران کشوری غنی از منابع معدنی است آیا به صرفه است که از این روش نیز برای استحصال عناصر با ارزش استفاده کنیم؟
این روش موثرترین روش در کاهش هزینه‌ها می‌باشد و اقتصادی ترین و پربازده‌ترین روش شناخته‌شده تا کنون است. برای روش شدن موضوع نتایج تحقیقات برخی از محققان در خصوص سوال شما ذکر می شود. محققی مطالعاتی روی استخراج فلزهای ارزشمند تلفن‌های همراه با استفاده از هیدرومتالورژی انجام داده است. ماده اولیه شامل ۳۷/۲۷ درصد مس، ۰/۵۲ درصد نقره، ۰/۰۶ درصد طلا و ۰/۰۴ درصد پالادیوم بود. بعد از انجام فرایندهای هیدرومتالورژی روی ماده اولیه خرد شده بازیافت نقره ۹۳ درصد، طلا ۹۵ درصد و پالادیوم ۹۹ درصد گزارش شد. همچنین مطالعات وی نشان می داد به‌ازای هر تن ماده اولیه حدود یک تن ماده شیمیایی لازم دارد.
بنابراین علاوه بر اینکه فرایندهای هیدرومتالورژی با توجه به استفاده از معرف‌های سمی و مقادیر زیاد محصولات جانبی تولید شده در طی آن، همراه با خطرات زیست محیطی هستند بسیار گران هستند. همچنین در دنیا بیان کرده‌اند مصرف انرژی روش‌های پیرومتالورژی مانند هیدرومتالورژی بسیار زیاد است و به‌عنوان یک روش اقتصادی برای استخراج فلزهای ارزشمند زباله‌های الکترونیکی توصیه نمی‌شود.
اما از سوی دیگر تحقیقی انجام شده است که در آن بازیافت فلزهای زباله‌های الکترونیکی را با سه روش زیستی، سنتی و تلفیق روش‌های زیستی و سنتی آزمایش کرده است. نتایج این تحقیق نشان می‌داد هزینه روش‌های زیستی ۰/۶۲ یورو به‌ازای هر کیلو زباله الکترونیکی، هزینه روش‌های شیمیایی ۰/۶۷ یورو به‌ازای هر کیلو زباله الکترونیکی و ۱/۰۱ یورو به‌ازای هر کیلو زباله الکترونیکی در روش ترکیبی است؛ با اعمال این مقادیر در حجم بالای زباله‌های الکترونیکی مشاهده می‌شود که روش‌های زیستی مقرون به صرفه‌ترین روش است.
همچنین در این تحقیق میزان تولید دی‌اکسیدکربن و در حقیقت مشارکت هر فرایند در تغییرات آب و هوا بررسی شده است. نتایج نشان می‌داد در روش زیستی ۸/۲۶ کیلو گرم دی‌اکسیدکربن به‌ازای هر کیلوگرم زباله الکترونیکی، در روش شیمیایی ۱۴/۶ کیلو گرم دی‌اکسیدکربن به‌ازای هر کیلوگرم زباله الکترونیکی و در روش ترکیبی ۱۱/۶ کیلوگرم دی‌اکسیدکربن به‌ازای هر کیلوگرم زباله الکترونیکی تولیدمی‌شود و می‌توان‌نتیجه‌گرفت روش‌های زیستی نسبت به سایر روش ها بسیار دوستدار محیط زیست هستند.
۹- کمی در مورد ارگانیسم‌هایی که در زیست‌پالایی مورد استفاده قرار می‌گیرند و ارگانیسم‌هایی که شما استفاده کردید توضیح بفرمایید.
ریزاندامگان فروشویی زیستی به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- تیوباسیلوسه [۷]
- لپتوسپیریلیومها [۸]
- باکتری‌های اسیددوست[۹]
- ریزاندامگان دگرپرورد[۱۰]
اصلی‌ترین ریزاندامگانی که نقش اصلی در بازیافت فلزهای سنگین از پسماندها را دارند، متعلق به خانواده ریزاندامگان اسیددوست هستند. ریزاندامگان این خانواده در محدوده pH بین ۲ تا ۴ رشد می‌کنند و به حل شدن فلزها از فاز جامد در فاز محلول کمک می‌کنند. در بین باکتری‌های اسید دوست اسیدوتیوباسیلوس فرواکسیدانس، اسیدوتیوباسیلوس تیواکسیدانس، لپتوسپریلیوم فرواکسیدانس و سولفولوبوس و در بین قارچها پنیسیلیوم و آسپرژیلوسنایجر در زمینه فروشویی زیستی شناخته شده‌اند. ریزاندامگان اسید دوست که در انحلال فلزها مشارکت می‌کنند در طبیعت به‌صورت خودپرورد[۱۱] هستند.
آن‌ها می‌توانند در محیط‌های غیر آلی و همچنین در محیط‌های بسیار اسیدی رشد و غلظت‌های بالایی از فلز را تحمل کنند. دو کارکرد اصلی این باکتری‌ها اکسید کردن فرو به فریک و گوگرد به سولفید است. این دو واکنش، سرعت فرایند را کنترل می‌کند. بسته به تحمل دمایی ریزاندامگان اسید دوست آن‌ها را در سه گروه میان دما دوست، گرمادوست‌های معتدل و گرمادوست‌های سخت تقسیم بندی می‌کنند.
ریزاندامگان میان دمادوست‌ها در دمای اتاق ۲۸ الی ۳۷ درجه سانتی‌گراد رشد می‌کنند. در بین میان دمادوست‌ها مشهورترین و پرکاربردترین گونه، اسیدوتیوباسیلوس فرواکسیدانس است. گونه‌های زیادی از این باکتری از مکان‌های متفاوت جدا شده‌اند. رشد بیشتر این گونه‌ها در شرایط pH بین ۱/۵ تا ۲/۵ و محدوده دمایی بین ۲۸ تا ۳۷ درجه سانتی‌گراد بهینه بوده است. باکتری اسیدوتیوباسیلوس فرواکسیدانس در این پژوهش به‌منظور استخراج مس، نیکل و آهن استفاده شد.
سازوکار انحلال زیستی مس که یکی از فلزهای اصلی صفحات مدارچاپی است، توسط اسیدیتیوباسیلوس فرواکسیدانس به دو مرحله پیوسته تقسیم می‌شود. ابتدا یون‌های+۳ Fe که عامل اکسیدکننده و انحلال فلزهاست، به سطح نمونه حمله می‌کنند و سبب می‌شوند برخی از فلزها به حالت محلول درآیند. یون‌های فریک با فلزها واکنش می‌دهند و در نتیجه به یون‌های فروس کاهیده می‌شوند. در مرحله دوم یون‌های فروس تولیدشده توسط باکتری، به‌عنوان منبع انرژی مصرف و اکسید می‌شوند و دوباره یون‌های فریک تولید می‌شوند.
این به معنای ساختن یک چرخه بین یون‌های فریک و فروس است که در آن فلزها استخراج می‌شوند. این چرخه نشان می‌دهد که فروشویی زیستی بر اساس سازوکار غیرمستقیم بنا شده است. برای مثال فروشویی مس با واکنش اکسایش توسط Fe+۳ تشکیل‌شده توسط باکتری‌ها توسعه می‌یابد و مس فلزی را طبق واکنش زیر به حالت اکسایشی از مس تبدیل می‌کند که از نظر ترمودینامیکی مساعد است.
بنابراین حضور یون‌های Fe+۲ و اکسایش آن‌ها توسط باکتری‌های میان دما دوست و گرما دوست، نقش اساسی در فروشویی فلزها دارند.
۱۰- به‌صورت مختصر راجع به مراحل انجام این پروژه برای خوانندگان توضیح بفرمایید.
هدف اصلی این پژوهش استخراج فلزهای اساسی مهم زباله‌های الکترونیکی شامل مس و نیکل و آهن است. دلیل انتخاب این فلزها این است که در مراحل بعدی تحقیقات استخراج طلا مد نظر است و فلزهای نامبرده بیشترین مزاحمت را در استخراج طلا دارند. از سوی دیگر چون شرکت‌های کوچک بازیافت با انواع و اقسام زباله‌های الکترونیکی مواجه می‌شوند لذا ۶ نوع از مهم‌ترین زباله‌های الکترونیکی شامل بردهای موبایل، کامپیوتر، فکس، تلویزیون، کپی، فکس و سی‌پی‌یو انتخاب شد.
سپس با این فرض که هر شرکتی با مقادیر مختلفی از این زباله‌ها مواجه می‌شود که استخراج همزمان آن‌ها در یک چرخه مطلوب‌شان است پس باید برای یک فرایند بهینه لااقل یک ترکیب بهینه وجود داشته باشد زیرا تغییر درصد هر یک از این زباله‌ها منجر به حضور متفاوتی از فلزهای مختلف می‌شود که تأثیر متفاوتی بر باکتری استفاده شده می‌گذارد و می‌تواند مانع از فعالیت آن شود. لذا با این فرض میزان حضور هر یک از این زباله‌ها برای دست یافتن به بیشینه استخراج فلزهای نامبرده با استفاده از نرم‌افزار طراحی آزمایش بهینه شد. به‌طور خلاصه گام‌های پژوهش به‌صورت زیر است:
- خرید انواع مختلف پسماندهای الکترونیکی
- خرد کردن نمونه تا ابعاد حدود ۱میلیمتر در دو مرحله با استفاده از آسیاب چکشی و آسیاب غلتکی
- مش‌بندی نمونه
- انجام آزمون XRD برای هر یک از نمونه‌ها به‌منظور تعیین فاز هر یک از فلزات موجود، گاهی برای انجام آزمایش‌های جانبی (مانند سوزاندن نمونه در کوره برای افزایش راندمان) شناخت فاز هریک از فلزات لازم است و جزو اطلاعات تکمیلی محسوب می‌شود.
- انجام آزمون تعیین ترکیب درصد انواع فلزها برای هر یک از نمونه‌ها
- بررسی محتوای فلزی و مشخصات انواع زباله‌های الکترونیکی
- خوسازی ریزسازواره اسیدیتوباسیلوس فرکسیدانس به نمونه اولیه (حدس ترکیب درصد بهینه مخلوطی از پسماندهای الکترونیکی با توجه به پژوهش‌های پیشین)
- تعیین ترکیب درصد قطعی نمونه با استفاده از ریزسازواره اسیدیتوباسیلوس فرکسیدانس با توجه به بررسی سرعت رشد ریزسازواره و میزان فلزهای استخراج شده در ترکیب‌های مختلف نمونه با استفاده از نرم‌افزار طراحی آزمایش
- استخراج فلزهای اساسی و تعیین شرایط بهینه برای بیشترین استخراج فلزات با استفاده از ترکیب بهینه زباله‌های الکترونیکی
۱۱- کمی درمورد پارامترهای مؤثر در پدیده زیست‌پالایی توضیح بفرمائید.
متغیرهای فراوانی بر فروشویی زیستی و بازیافت فلزها تأثیرگذارند. این متغیرها در پنج دسته قرار می‌گیرند که در جدول زیر نشان‌داده‌‌شده‌اند. بهینه‌سازی فرایند، موضوعی مهم در فرایندهای صنعتی است، زیرا در هر فرایند به طور معمول متغیرهای گوناگونی دخیل‌اند و حضور هر یک از متغیرها در مقدار بهینه، منجر به افزایش کارایی فرایند خواهد شد، به‌خصوص در مورد فرایندهای زیستی که اصلاحات و در پی آن، تغییرات کوچک می‌تواند منجر به موفقیت‌های بزرگ تجاری شود، بهینه‌سازی فرایند اهمیت دوچندانی خواهد داشت.
در این تحقیق نیز با استفاده از نرم‌افزار طراحی آزمایش شرایط بهینه شده است. طراحی آزمایش یک روش تحلیلی کارآمد و عملی برای بررسی هدفمند و اقتصادی متغیرها و پاسخ‌های یک فرایند است. در واقع هدف طراحی آزمایش به‌دست آوردن بیشترین اطلاعات با بالاترین صحت و دقت در نتایج، با به‌کاربردن منابع موجود است. طراحی آزمایش روشی منطقی برای کاهش هزینه و وقت لازم برای مطالعه اثر متغیرها بر فرایند است.
| عوامل | متغیرها |
| فیزیکی و شیمیایی | دما پتانسیل کاهشی محتوای اکسیژن محیط محتوای دی‌اکسید کربن انتقال جرم رشد مایه غلظت آهن(II) در دسترس نور فشار محیط بازدارنده‌ها کشش سطحی زمان واکنش |
| الکتروشیمیایی | جنس الکترودها چگالی جریان مصرفی تعداد الکترودها فاصله الکترودها |
| متغیرهای زیستی | تنوع ریز اندامگان چگالی جمعیت (تعداد باکتری‌ها در محیط) میزان فعالیت میکروبی نحوه توزیع جمعیت ریز اندامگان قابلیت تحمل سمیت فلز توانایی خوسازی ریزاندامگان |
| متغیرهای وابسته به نمونه | نوع ماده جامد ترکیب ماده جامد نحوه توزیع ماده جامد در محیط اندازه ذرات سطح تماس تخلخل آب دوستی و آب گریزی نمونه |
| فرایند | حالت فرایند ( درجا، تودهای، انباشته، تانک، واکنش‌گاه) چگالی توده نرخ هم‌زدگی هندسه توده فرایند |
۱۲- آیا طی فرایند زیست‌پالایی تولید موادی مانند ترکیبات سولفوریک اسید می‌تواند اثرات مضری بر خاک یا آب داشته باشد؟
بی‌تردید حضور اسید به معنای نیاز به چاره‌اندیشی برای پساب نهایی فرایند است. اما باید دقت شود در روش‌های زیستی تنها به اندازه نیاز اسید تولید می‌شود در حالی‌که حجم اسید مصرفی در روش‌های شیمیایی به هیچ عنوان قابل مقایسه نیست. این میزان از اسید تولید شده با کمی آهک می‌تواند به pH خنثی رسانده شود و سپس دفن شود. بنابراین در قیاس با سایر روش‌ها قابل اعتنا نیست.
۱۳- نظر به اینکه سازگاری باکتری‌ها با نمونه موردبررسی ضروری هستند، فرایند سازگاری به چه صورت انجام گرفت؟
برای سازگارسازی سویه‌های میکروبی با محیط سمی و حاوی ذرات پسماند در این پژوهش از روش تجدید کشت متوالی استفاده شد. بدین منظور، ابتدا ۱۰ میلی لیتر از مایه تلقیح باکتری، به ارلن حاوی ۰/۱ گرم از پسماند و ۹۰ میلی‌لیتر محیط کشت تلقیح شد. تعداد باکتری‌ها تا رسیدن به مقدار ۱۰۷ سلول در میلی‌لیتر شمارش شد، بعد از آن، مجدداً به مقدار ۱۰ درصد حجمی – حجمی از این محیط به محیط کشت جدید حاوی ۰/۲ گرم پسماند تلقیح شد. این روند تا رسیدن به مقداری که باکتری نسبت به حضور فلز سنگین پسماند سازگار شود، ادامه داشت.
۱۴- آیا روش زیست‌پالایی در فضای آزاد قابلیت انجام شدن را دارد یا باید در شرایط کنترل شده و بیوراکتور انجام شود؟
یکی از مزایی روش‌های زیستی انجام آزمایشات در شرایط محیطی است یعنی نیاز به دما و فشار خاصی ندارد. همان‌طوری که قبلاً ذکر شد دمای بهینه برای باکتری ۳۰ درجه و فشار همان فشار اتمسفری است درحالی‌که در روش‌های غیر زیستی دما و فشار بسیار بالاتر لازم است. بنابراین در این روش شرایط معمولی استفاده می‌شود که نیاز به کنترل سخت و … ندارد. استفاده از بیوراکتور در همه فرایندها می‌تواند منجر به افزایش بازده شود و رأکتوری که در شرایط عادی کار می‌کند، توصیه شده است.
۱۵- آیا این پروژه قابلیت صنعتی شدن را دارد؟
بله قطعاً. برای استخراج فلزات زباله‌های الکترونیکی با استفاده از روش‌های شیمیایی برای استخراج هر فلز یک معرف شیمیایی باید استفاده شود و هر فلز چرخه و فرایند مربوط به خود را دارد. اما در روش پیشنهادی بسیاری از فلزات طی یک مرحله جدا می‌شوند و این به معنای اقتصاد و صرفه کاری است. در روش شیمیایی مقادیر بسیار زیادی اسید نیاز است در حالی‌که در روش پیشنهادی این مقدار به مراتب تقلیل می‌یابد. در روش شیمیایی به درجه حرارت و فشار خاصی نیاز است که باید به سیستم اعمال شود در حالی‌که در روش پیشنهادی قسمت اعظم کار در دما و شرایط محیط انجام می‌شود. در روش شیمیایی هزینه تجهیزات و کارگری و آب و برق بسیار بالا است در حالی‌که در روش پیشنهادی این مقدار بسیار کاهش خواهد یافت.
این روش روشی ساده ارزان، نوین و اقتصادی است که از مزیت‌های دو روش شیمیایی و زیستی در کنار هم استفاده شده است و یک هم‌افزایی قوی را ایجاد کرده‌اند. در این روش تقریباً تمام فلزات قابلیت استخراج دارند و فقط ممکن است بازده برخی کمتر باشد در حالی‌که در روش شیمیایی هم هر فلزی توانایی استخراج ندارد و هم در صورت استخراج در بسیاری از موارد ممکن است ارزش استخراج نداشته باشد.
همچنین استفاده صنعتی مدرن از زیست‌فناوری در فروشویی زیستی مواد معدنی کم‌عیار و مواد استخراج شده از معدن مس انجام شده است. در اواخر دهه ۱۹۵۰ شرکت‌های مس کنکات از این فرایند به‌طور موفقیت‌آمیزی استفاده کردند. بعد از این شرکت‌های مختلفی به این فناوری روی آورده‌اند. امروزه انباشت‌های فروشویی زیستی روش بسیار کم هزینه‌ای برای استحصال مس از توده اصلی هستند که هیچ روش دیگری کم هزینه‌تر از این روش نیست. علاوه‌بر موفقیت اقتصادی انباشت‌های فروشویی زیستی عملیات خیلی کمی برای آماده‌سازی این انباشت‌ها لازم است. بعد از آن تجربه تا اواسط دهه ۱۹۸۰ هنگامی که اولین آزمایش برای بازیابی طلای مقاوم در افریقای جنوبی صورت گرفت، انجام‌نشده‌بود. از آن زمان به بعد افراد مختلفی از جمله اسپیساک و لاکشمانان پژوهش‌های بسیار زیادی را در زمینه فروشویی زیستی انجام‌دادند. به هر حال، امروزه کاربرد فروشویی زیستی به‌دلیل سادگی، هزینهی کم و کاربرد برای مواد معدنی کم‌عیار موفقیت چشم‌گیری داشته است و در طی چند سال پیشرفت این روش به حداکثر مقدار خود رسیده است.
در دهه‌ی اخیر ترکیب دانش میکروبیولوژی با روش‌های اسیدشویی تودهای و اسیدشویی اکسید مس موفقیت چشم‌گیری در عملیات اسیدشویی میکروبی مس ثانویه و فلزات گران‌قیمت مقاوم داشته است. اسیدشویی توده‌های میکروبی هنوز ساده‌ترین روش موجود است که منجر به کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه‌های جاری و موفقیت‌های زیست‌محیطی می‌شود. موارد کاربرد زیاد این روش نشان دهنده اولویت‌ها و مزیت‌های خوب این روش است. پروژه عظیم اسیدشویی تودهای میکروبی طلای سولفیدی مقاوم معدن نیومونت (۸ هزار تن) که توسط شرکت نوادا انجام شد نمونه بارزی از موفقیت این روش است.
۱۶- در انجام این پروژه با چه موانع و مشکلاتی مواجه بودید؟
مهم‌ترین مشکل در اجرای پروژه مشکل مالی و مکانی است. برای انجام این پروژه به‌دلیل نیاز به انجام آنالیزهای فراوان ICP، نیاز به داشتن حضور همزمان چند شیکر انکوباتور، حضور فرمانتور، بررسی انواع باکتری و نیاز به سفارش باکتری معمولی و جهش یافته از خارج از کشور و … حمایت مالی لازم‌بوده‌است.
۱۷- آیا نهاد یا سازمانی در انجام این پروژه از شما حمایت کرده است؟
بله ستاد توسعه زیست‌فناوری و صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران کشور در این پروژه که این مقاله تنها بخش کوچکی از طرح بوده است حمایت مالی داشته‌اند.
۱۸- در پایان اگر سخنی دارید عرض بفرمایید.
در پایان لازم است از خانم دکتر مهدخت ارشدی که در زمان انجام تحقیق دانشجوی دکتری بوده و موضوع فوق به‌عنوان موضوع رساله دکتری ایشان بوده است و با علاقه‌ی فراوان و تلاش‌های شبانه‌روزی ضمن راهبری تیم‌های پژوهشی دانشجویی و تعلیم آن‌ها تحقیق را به پایان رساندند تشکر و قدرانی نمایم. همچنین از جناب آقای دکتر سید محمد موسوی عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تربیت مدرس که یکی از متخصصین به‌نام این رشته در ایران هستند و به‌عنوان مشاور همکاری داشتند نیز تشکر می‌نماییم و در انتها لازم است یادآور شوم که مسئولین کشور زباله‌های الکترونیکی را به‌عنوان یک زباله بسیار مهم در نظر بگیرند و آن را در اولویت‌های اساسی محیط زیستی کشور قرار دهند و برای حل معضل آن هزینه کنند.
متأسفانه تا جایی که در اطلاع است مقدار زیادی از این زباله‌ها در مناطقی در هشتگرد کرج دپو شده است و مقادیری از آن در کوره پشت بهشت‌زهرا سوزانده می‌شوند و این یعنی خطر مسمومیت آب‌های زیرزمینی و هوا به بیش از ۵۰ نوع فلز که بسیاری از آن‌ها مانند آرسنیک، جیوه، سرب، کادمیوم و …. می‌توانند موجب مرگ و میر شوند. تا جایی که در اطلاع است دو شرکت به روش‌های غیر زیستی این زباله‌ها را بازیافت می‌کنند و حتی به تعلیم دانشجو می‌‌‌پردازند که هریک به‌صورت کاملاً غیر دوست‌دارانه‌ی محیط زیستی در یک محیط کوچک حتی حیاط منزل‌شان می‌توانند آن‌ها را بازیافت کنند.
بی‌تردید پساب این زباله‌ها و مابقی آن و در روش‌های پیرو دود حاصل از آن به آسانی به محیط زیست وارد می‌شود و هیچ نظارتی بر آن‌ها نیست. شاید در چند سال آینده فاجعه حاصل از آن گریبان‌گیر کشور شود. برای معدن‌کاران این زباله‌ها در حقیقت گنج مخفی هستند و بازیافت آن‌ها بسیار اقتصادی است و به‌دلیل عدم نظارت مشکلات ناشی از آلودگی آن‌ها، این مشکلات اصلا برای آنان مطرح نمی‌شوند.
[۱] Bioleaching
[۲] Acidithiobacillus ferrooxidans
[۳] Acidithiobacillus thiooxidans
[۴] Thiobacillus thioparus
[۵] Penicillium
[۶] Aspergillus niger
[۷] Thiobacillus
[۸] Leptospirilum
[۹] Acidophilic
[۱۰] Heterophilic Microorganisms
[۱۱] Autotroph
