بخشی از مقاله
مقدمه
رها شدن یون های فلزی محلول (که در گروه آلودگی های غیرآلی جای می گیرند) به منابع آب، از جمله بزرگترین مشکلات محیط زیست محسوب می شود . صنایعی مانند معدن کاری، کانه آرایی، تولید کاغذ و تولید آفت کش ها از جمله مهمترین تولیدکنندگان فلزات سنگین هستند. حضور این فلزات که به صورت محلول در پساب بسیار نامطلوب بوده چرا که مدت زمان ماندگاری آن ها در طبیعت بالاست. همچنین فلزات سنگین تمایل بسیار زیادی به جمع شدن در بافت موجودات زنده داشته و سبب انواع ناتوانی ها و بیماری ها می گردد .(1) اگر مس بیش از حد نیاز به بدن برسد، با ایجاد اختلال در جذب آهن و روی، باعث کم خونی و فقر آهن، استفراغ، درد معده و شکم، تهوع، آسیب به کبد و کلیه، سرطان و حتی مرگ می شود و بر باروری تأثیر منفی می گذارد. بنابراین غلظت مس در
پسابها باید در حد قابل قبول باشد .(2)
با توجه به موارد فوق، به دلیل مصارف فراوان مس در دنیای امروز و وجود آلودگی های اجتناب ناپذیر ناشی از آن در منابع آب و فاضلاب های صنعتی، اندیشیدن تدابیری جهت حذف مس از فاضلابها ضروری است .(3) سازمان بهداشت جهانی بیشینه غلظت قابل قبول مس در آب آشامیدنی را 1/5 میلی گرم در لیتر توصیه کرده است .(2) حد مجاز آلاینده مس در تخلیه به آبهای سطحی 1 میلی گرم در لیتر و در مصارف کشاورزی و آبیاری 0/2 میلی گرم در لیتر توصیه گردیده است 4)و.(5
روشهای مختلفی نظیر اکسیداسیون- احیاء، ترسیب و جذب سطحی برای جداسازی یون مس از محلول های آبی وجود دارد. از بین این روشها، جذب سطحی به دلیل برخورداری از قابلیت بازیابی جاذب به کار رفته و درنتیجه صرفه اقتصادی، بیشتر مورد توجه است 3)و.(6 گولین و همکاران در سال 2009 جذب مس از محلولهای آبی با نانو ذرات مگنتیت متصل به کیتوزان و نانو ذرات مگنتیت پوشیده شده با اپی کلروهیدرین را مورد بررسی قرارداده اند .( 7) عسگری و همکاران در سال 2010 به بررسی تاثیر خاکستر استخوان گاو در حذف رنگ متیلن بلو از فاضلاب سنتتیک پرداختند ( .(8 محققین اظهار داشته اند که کارها و مطالعات گسترده ای بر روی پودر استخوان باید انجام
شود تا در خصوص کاربردی شدن این جاذب در صنعت آب و فاضلاب بتوان قضاوت نمود.
مطالعه پارامتری و ایزوترمی جذب مس ...
در سال های اخیر جاذب خاکستر استخوان به دلیل ارزان بودن نسبت به کربن فعال، عدم نیاز به مرحله ی فعال سازی، مقاومت فیزیکی بالاتر نسبت به کربن فعال، دسترسی آسان به مواد اولیه مورد نیاز و توانایی حذف انواع مختلف آلاینده ها کاربرد زیادی پیدا کرده است .(9) به دلیل اینکه خاکستر استخوان در ساختار خود دارای کربن (%7-8) و ترکیبات معدنی به صورت فسفات و کربنات کلسیم (% 75-80) است این خاصیت سبب شده خاکستر استخوان علاوه بر مزایای کربن فعال توانایی حذف طیف وسیعی از آلاینده ها را داشته باشد .(10)
بر اساس آخرین جستجوها، تاکنون حذف مس از فاضلاب توسط پودر استخوان شتر انجام نشده است. بنابراین، هدف اصلی از این تحقیق حذف مس توسط جاذب پودر استخوان شتر می باشد. تاثیر پارامترهای غلظت اولیه آلاینده، زمان تماس، pH محلول و دوز جاذب مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین
بررسی ایزوترم های جذب مس توسط پودر استخوان شتر از دیگر اهداف این مطالعه بود.
روش کار
محلول استوک یون مس (1000 mg/L) با استفاده از سولفات مس تهیه شد. پودر استخوان شتر در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از کوره الکتریکی در دمای400 درجه ی سانتیگراد و زمان 2 ساعت تهیه گردید. جهت آسیاب کردن استخوان از آون و برای یکنواخت سازی از الک ASTM با مش 30 استفاده شده است.
این مطالعه یک مطالعه تجربی است که به منظور بررسی پتانسیل پودر استخوان شتر در حذف مس بصورت ناپیوسته انجام شد. در این مطالعه متغیرهای اساسی مانند (12-2 ) pH، زمان تماس (5-80 min)، مقدار جاذب (0/05-0/7 mg/L) و غلظت اولیه مس (25-100 mg/L) ارزیابی گردید . همه آزمایشات در شیکر- انکوباتور (شرکت پارس ایران ) با دمای ثابت 24 œC و میزان اختلاط 100 rpm انجام شد . همه آزمایشات سه بار تکرار و میانگین آن ها گزارش شده است. در این مطالعه، داده ها بر اساس راندمان حذف مس گزارش شده است. راندمان حذف مس از رابطه 1 بدست آمد:
59
مجله علمی پژوهشی پژوهان
معادله :1
Curemoval (%) C0C−Ce 100
e
که در این معادله C0 و Ce به ترتیب غلظت های اولیه و نهایی مس در محلول می باشد. همچنین در این مطالعه بعد از تعیین زمان تماس مناسب، دوز جاذب و pH بهینه جذب مشخصه-های مرتبط با ایزوترم جذب آلاینده مورد نظر بر روی جاذب تعیین گردید. میزان انطباق داده های تجربی تعادل جذب با مدل های جذب لانگمویر (معادله (2 و فروندلیج (معادله (3 بررسی شد .(11)
معادله :2
Ce 1 Ce qe Qmaxb Qmax
معادله :3
log qe log K 1n logCe
در این معادلات Qmax ظرفیت جذب یک لایهای (mg/g)، qe جذب تعادلی (mg/g)، Ce غلظت باقیمانده مس (mg/L) و b،
K و n ثابت ایزوترم ها می باشند.
غلظت مس در نمونه ها به روش ارائه شده در کتاب استاندارد متد (12) و با استفاده از دستگاه جذب اتمی Varian) AA240، استرالیا) اندازه گیری گردید. برای تعیین pH نقطه بار صفر 150 (pHzpc) میلی لیتر از محلول 0/1 مولار کلریدسدیم در بشر 250 میلی لیتر قرار داده شد و pH آنها بین 2 تا 12 با استفاده از سود یا هیدروکلراید 0/1 نرمال تنظیم گردید. سپس 0,5 گرم از جاذب به محلول اضافه شد . پس از گذشت 24 ساعت، pH نهایی اندازه گیری شد و در برابر pH اولیه رسم شد (شکل .( 1 نقطه تلاقی منحنی pH نهایی و اولیه به عنوان pHzpc در نظر گرفته شده است. سطح ویژه و حجم کل روزنه های جاذب با تکنیک جذب نیتروژن (Micrometetics/Gemini-2372) تعیین گردید. تجزیه تحلیل داده های آزمایشگاهی به کمک نرم افزار Excel انجام گرفت.
دوره 12، شماره 3، بهار 1393
شکلpH :1 اولیه در مقابل pH نهایی محلول در حضور جاذب پودر استخوان شتر
نتایج
در جدول 1 مشخصات فیزیکی جاذب تهیه شده از استخوان شتر آورده شده است. بر اساس محاسبات انجام شده با نرم افزار Belsorp و با استفاده از ایزوترم BET و میزان جذب گاز نیتروژن، سطح ویژه پودر استخوان شتر 89/8 m2/g به دست آمد.
جدول :1 مشخصات فیزیکی جاذب تهیه شده از استخوان شتر
پارامتر واحد مقدار
BET m2/g 89/8
pHzpc - 7/4
عدد یدی mg/g 134/41
حجم کل روزنه ای cm3/g 0/41
قطر متوسط روزنه ای nm 11/06
اندازه ذرات mm 1/1 -2
60
بهمن رماوندی و همکاران مطالعه پارامتری و ایزوترمی جذب مس ...
تأثیر pH فاضلاب بر حذف مس: نتایج حاصل از تاثیر
pH در حذف مس در شکل 2 نشان داده شده است . متغیرهای دیگر مانند دوز جاذب، زمان تماس و دما ثابت در نظر گرفته شدند. همانطور که در شکل 2 ملاحظه می گردد حداقل درصد حذف مس در pH برابر 2 و %6/6 بود. با افزایش pH، درصد حذف مس از محلول توسط جاذب پودر استخوان شتر افزایش یافت و در pH برابر 8 حداکثر مقدار حذف یعنی %99/4 بدست آمد.
شکل :2 تاثیر pH محلول بر حذف مس توسط جاذب پودر استخوان شتر (دوز جاذب: 0/3 mg/L، غلظت مس: (70 mg/L
تأثیر دوز جاذب بر حذف مس: جهت تعیین دوز موثر جاذب که یکی از پارامترهای بسیار مهم در فرآیند جذب می باشد یک سری آزمایش های جذب در زمان تماس 20 دقیقه و pH=8 با مقادیر مختلف دوز جاذب انجام شد . جهت انجام این آزمایش ها محلول های با غلظت اولیه مس 75 میلی گرم در لیتر تهیه شد. نتایج در شکل 3 ارائه شده است.
شکل : 3 تاثیر مقدار جاذب بر حذف مس توسط جاذب پودر استخوان شتر 8 :pH)، غلظت مس: (70 mg/L
تأثیر زمان تماس و غلظت اولیه آلاینده بر حذف مس: از آنجا که زمان تماس و غلظت فلز سنگین، دو پارامتر بسیار مؤثر بر شدت حذف مس هستند (13) ، حذف مس در غلظت های 25، 75 و 100 میلی گرم در لیتر و زمان تماس 5 تا80 دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. غلظت جاذب و pH به ترتیب 0/3 میلی گرم در لیتر و 8 در نظر گرفته شد. همان طور که در شکل 4 مشاهده می گردد، حداکثر جذب در کلیه غلظت های به کار رفته، در 20 دقیقه حاصل شده است.
شکل :4 تأثیر زمان تماس بر میزان حذف مس (دوز جاذب: 0/3 mg/L، pH محلول: (8
61
مجله علمی پژوهشی پژوهان
ایزوترم جذب: ارائه موفق دینامیک جداسازی آلاینده از محلول بستگی به توصیف مناسب جداسازی تعادلی بین دو فاز دارد .(14) ثابت های ایزوترم جذب می تواند مشخصات سطحی جاذب، کشش جاذب و آلاینده به یکدیگر و همچنین ظرفیت جذب آلاینده را مشخص کند. بنابراین، ایزوترم های جذب با ارائه این اطلاعات مهم، برای طراحی و بهینه نمودن فرایند جذب می تواند مفید باشد. در این مطالعه دو ایزوترم معروف فروندلیچ و لانگمویر برای توصیف نتایج آزمایشگاهی جذب مس توسط پودر استخوان شتر مورد مطالعه قرار گرفت. اطلاعات مربوط به این دو ایزوترم در جدول 2 آمده است. با توجه به مقدار ضریب همبستگی (R2)، مشخص است که داده های جذب مس توسط پودر استخوان شتر از ایزوترم فروندلیچ پیروی
می نماید.
جدول :2 نتایج ایزوترم لانگمویر و فروندلیچ برای حذف مس
توسط پودر استخوان شتر
ایزوترم پارامتر مقدار
معادله Y=5.825X+0.0134
لانگمویر Qmax 74/63 mg/g
KL 0/0023 L/mg
R2 0/848
RL 0/231 -0/895
فروندلیچ معادله Y=0.761X-0.0304
KF 0/97 mg/g (L/mg)1/n
1/n 0/761
R2 0/985
بحث و نتیجه گیری
محدودیت سطح و حجم حفره های ذرات پودر استخوان شتر در مقایسه با کربن فعال (14) بیانگر این نکته است که جذب فیزیکی و گیر افتادن آلاینده در حفره ها، مکانیزم غالب حذف مس توسط پودر استخوان شتر نبوده بلکه احتمالاً دانسیته بالای گروههای عاملی در حذف آلاینده مورد مطالعه موثر است. از آنجا که pH محلول آبی به سطح جذب کننده و همچنین درجه یونیزاسیون و تعیین نوع آلاینده های مختلف تاثیر می گذارد،
بدلیل گروه های عامل متفاوت بر روی سطح جاذب که در pH
دوره 12، شماره 3، بهار 1393
های مختلف می توانند به عنوان سایت های فعال برای فلز باقی بمانند، اثر pH بر روی جذب خیلی وسیع می باشد. اثر pH محلول در حذف مس توسط پودر استخوان شتر در محدوده -2 12 مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصل از بررسی pHZPC نشان داد، pHZPC جاذب پودر استخوان شتر در محدوده 7/4 می باشد که در بالاتر از این نقطه، سطح جاذب مورد نظر دارای بار منفی و در پایی ن تر از آن، دارای بار مثبت می باشد .(15) نتایج بدست آمده با یافته های سایر محققین 15)، (16 شباهت دارد. از آنجایی که در pH بالاتر از 7/4، سطح جاذب دارای بار
الکتریکی منفی است،
