بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از پوست پرتقال اصلاح شده به عنوان جاذب جهت حذف فلزات سنگین سرب و مس از محلول آبی
چکیده
هدف از این مطالعه بررسی جذب سطحی فلزات سرب و مس با استفاده از پوست پرتقال به عنوان یک جاذب ارزان قیمت میباشد. پوستهای پرتقال ابتدا با محلول های HNO3 ، NaOH و آب دو بار تقطير اصلاح و توانایی جذب آنها با یکدیگر مقایسه گردید. آزمایش های جذب در غلظتهای مختلف جاذب، یونهای فلزی سرب و مس و pHهای مختلف انجام گرفت. ایزوترمهای جذب یون های فلزی بر روی جاذبها بر اساس آزمون مدل های ایزوترم جذب فروندلیچ (Freundlich) و لانگمویر (Longmuir) تعیین گردید. غلظت فلزات در محلولها بوسیله دستگاه جذب اتمی اندازه گیری شد. بیشترین ظرفیت جذب سطحی یونهای فلزی برای پوست پرتقال اصلاح شده با محلول بازی بدست آمد. آزمایش ها نشان داد که pH بهینه ۶ بود و با کاهش pH میزان جذب سطحی کاهش می یابد. هرچه مقادير غلظت اولیه یون فلزی در محلول افزایش داشته است، راندمان جذب کاهش می یابد. بر اساس نتایج به دست آمده بهترین مدل ایزوترم جذب، مدل لانگمویر بود. مقایسه پارامترهای مدل های ایزوترم جذب نشان داد که ظرفیت جذب پوست پرتقال اصلاح شده برای فلز مس بیشتر از سرب می باشد. بنابراین با استفاده از این روش به همراه روشهای دیگر تصفیه فاضلاب های حاوی فلزات مس و سرب می توان نتایج بهتری را بدست آورد.
واژه های کلیدی: جذب سطحی، سرب، مس، پوست پرتقال، جاذب
مقدمه
آلودگی محیط آبی به فلزات سنگین، یکی از مهمترین مشکلات زیست محیطی است که این امر به دلیل اثرات سمیت و خاصيت تجمع پذیری این فلزات در زنجیره غذایی میباشد. در دهه های اخیر جذب فلزات سنگین به وسیله جاذبهای طبیعی به دلیل صرفه اقتصادی مورد توجه قرار گرفته است (استرنبرگ و دورن۴، ۲۰۰۲). بر طبق نظر متداول ترین فلزات یافت شده در فاضلابها، سرب، مس، روی، کادمیوم، کروم و نیکل هستند (كایلینتسكا، ۲۰۰۴). روشهای مختلفی جهت حذف فلزات سنگین از پسابهای صنعتی به کار رفته است. روش های متداول حذف فلزات سنگین از محیط آبی شامل ترسیب شیمیایی، تعویض یون، جذب، فرایندهای غشایی و تبخیر می باشد که روشهایی گران قیمت و با هزینه سرمایه گذاری و بهره برداری بالا محسوب میشوند. بدین ترتیب، برای حذف مؤثر فلزات سنگین از آب و فاضلاب، نیاز مبرمی به توسعه روشی جدید، ارزان قیمت و اقتصادی وجود دارد (اكنفلدر ۲۳، ۲۰۰۰). روش جذب سطحی با توجه به کارایی و کاربرد آسان یکی از پرکاربردترین روشها معرفی شده است (ولوسکی، ۲۰۰۱). در این روش فلزات سنگین در سطح منافذ جاذب هایی که در واقع جاذب های غیر قابل حل در آب می باشند، جذب سطحی می شوند. در برخی مواقع یک سری عملیات پیش تصفیه جهت اصلاح و بالا بردن کارایی جاذبها بر روی آنها اعمال میشود (واننگاه و حنفیه، ۲۰۰۸). فراورده ها و فراورده های جنبی محصولات کشاورزی میتوانند به عنوان جاذبهای ارزان یا مواد جاذبی که می توانند یونهای فلزی سمی را از محلول آبی حذف کنند، مورد استفاده قرار گیرند و به این ترتیب به محصولاتی با ارزش، مفید و سودمند تبدیل شوند (كومار و بندی پادهیای ۲۰۰۶). مونتانهر و همکاران (۲۰۰۵)، از سبوس برنج به عنوان یک جاذب طبیعی برای حذف فلزات سنگین استفاده کردند آشتوخی و همکاران (۲۰۰۸)، حذف سرب و مس را از محلول های آبی با استفاده از پوست انار به عنوان یک جاذب جدید، مورد مطالعه قرار دادند. کاظمی پور و همکاران (۲۰۰۸) تحقیقی را تحت عنوان حذف سرب، کادمیوم، روی و مس از پساب صنعتی به وسیله کربن فعال شده از پوست گردو، فندق، بادام، پسته و هسته زردآلو انجام دادند.
هدف این تحقیق بررسی ظرفیت جذب سطحی دو فلز سرب و مس حل شده در محیط آبی بر روی پوست پرتقال اصلاح شده می باشد. مزایای استفاده از پوست پرتقال به عنوان جاذب شامل مقرون به صرفه بودن و بازیافت فلزات، بالا بودن سرعت فرایند و عدم تولید لجن میباشد. جهت اصلاح پوست پرتقال از آب مقطر ، اسید و باز استفاده شده و ظرفیت جذب هر سه روش اصلاح، مورد ارزیابی قرار گرفت. اثرات غلظت اولیه یون فلزی ، دز جاذب و pH در میزان جذب بررسی شد و همچنین با استفاده از مدلهای ایزوترم جذب لانگ میر و فروندلیچ ، ایزوترم جذب مورد ارزیابی قرار گرفته و فرایند جذب با استفاده از این مدلها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
مواد و روشها
پوست های پرتقال در هوای آزاد خشک و سپس آنها را به تکه های کوچک خرد کرده و با استفاده از آب مقطر ۲ بار تقطیر شستشو داده شدند. سپس آنها را به مدت ۲۴ ساعت درون آون در حرارت ۱۰۰ درجه سانتی گراد قرارداده تا کاملا خشک شوند. در مرحله بعد پوست های خشک شده را به وسیله آسیاب خرد کرده به طوری که ذرات ۵-۱ میلی متر به دست آمد (مهراسبی و فرهمندکیا، ۲۰۰۸). دانه های تهیه شده از پوست پرتقال بطور جداگانه ابتدا به مدت ۲۴ ساعت در ۲۰۰میلی لیتر محلولهای NaOH (0.4 مول درلیتر، HNO3 (0.4 مول درلیتر) و آب مقطر۲ بار تقطیر خیسانده شد. سپس توسط آب مقطر۲ بار تقطیرشسته شدند. سپس جاذبهابه مدت ۲۴ ساعت در حرارت ۱۰۰ درجه سانتی گراد خشک گردید (مهراسبی و فرهمند کیا، ۲۰۰۸). جهت تهیه محلولهای حاوی فلزات سرب II و مسال، از نمکهای نیترات سرب 2(3 Pb ( NO و سولفات مس CuSO4 ساخت شرکت Merck آلمان استفاده شد. لازم به ذکر است برای هریک از غلظت های یونهای فلزی، محلول های اسیدی، بازی و خنثی ساخته شد. کلیه آزمایشات در درجه حرارت آزمایشگاه (۲۰۲درجه سانتی گراد) انجام گردید. در مرحله اول برای به دست آوردن محدوده غلظتی مناسب برای جذب، 0.3 گرم از جاذب مذکور به ازای هر ۱۰۰ سی سی از محلول استفاده می گردد و در مورد هر نمک از غلظتهای ۱۰، ۱ ،۲۵ ،۷۵ ،۱۵۰ ، ۳۰۰ و ۵۰۰ میلی گرم در لیتر استفاده گردید. در مرحله بعد ارلن ها به مدت ۳ ساعت با سرعت ۱۸۰ دور در دقیقه همزده شدند. زمان ماند ۳ ساعت جهت جذب فلزات توسط بسیاری از پژوهشگران طی آزمایشهای گوناگون مناسب تشخیص داده شده است (کارنیتز و همکاران، ۲۰۰۷ ; مهراسبی و فرهمند كيا، ۲۰۰۸). برای تعیین مناسب ترین pH برای جذب یونهای فلزی، نمکهای هر فلز به صورت جداگانه در غلظتهای مختلف ( 1.5 ، 2.5 و ۵، 7.5 ، ۱۰ میلی گرم در لیتر) توسط مقدار ۳ گرم بر لیتر جاذب در گستره pH۲، ۳، ۴، ۵ ۶ ۷ و ۸ تکرار شد و نتایج مناسب ترین pH برای جذب بدست آمد. در pH بهینه بدست آمده، بهترین دز جاذب در آزمایش های بعدی بدست آمد. پس از اتمام عمل همزنی، محتوای درون ارلن ها در سانتریفیوژ با سرعت ۱۰۰۰ دور در دقیقه به مدت ۲۰دقیقه گذاشته شد تا فاز جامد و مایع از یکدیگر جدا شوند (مهراسبی و فرهمندکیا، ۲۰۰۸). مایع جدا شده بعد از جذب به دستگاه جذب اتمی داده شد. غلظت فلزات در محلولها قبل و بعد از جذب به وسیله دستگاه جذب اتمی (Atomic Absorption Spectrophotometer)
مدل 300 Konic Wonam اندازه گیری شد. برای انجام این کار از دستورالعمل B ۳۱۱۱ کتاب روشهای استاندارد برای آزمایش آب و فاضلاب استفاده شد( APHA، ۱۹۹۸). در نهایت با انجام آزمایش های جذب سینتیک حداکثر راندمان جذب محاسبه گردید. میزان جذب فلز بر روی جاذب با q نمایش داده شده است. مقادير و و راندمان جذب با استفاده از معادله های زیر محاسبه گردید:
که در آنها:
برای مدل سازی ایزوترم جذب از مدل های جذب لانگمویر و فروندلیچ استفاده گردید. مدل ایزوترم جذب لانگمویر مربوط به جذب تک لایه ای می شود (شنگه و همکاران، ۲۰۰۸).
معادله لانگمویر به صورت زیر بیان می شود
فرمول 3
مدل ایزوترم فروندلیچ تجربی بوده در آن فرض می شود که مناطق موجود بر روی سطح جسم جامد، یکنواخت نبوده و قدرت جذب متفاوتی دارند ( اجماله و همکاران، ۲۰۰۳). معادله آن به صورت زیر بیان می شود
فرمول ۴
مدل خطی
که در روابط بالا:
a : ثابتی است که به پیوستگی محل های جذب و انرژی جذب بستگی دارد L/ mg))
b: ماکزیمم یون فلزی جذب شده برای تکمیل یک لایه ثابتی است که به ظرفیت جذب بستگی دارد (mg/ g )
,C : غلظت ماده جذب شونده در حالت تعادل در فاز مایع(mg/L)
qe : مقدار یون ماده جذب شده در حالت تعادل (mg/ g )
n و k: ضرائب مدل فروندلیچ هستند که به ترتیب به ظرفیت جذب و شدت جذب جاذب نسبت داده میشود.
ضرایب ثابت مدلها و ضرایب همبستگی(R) از روی مدل های خطی در نظر گرفته شده و با یکدیگر مقایسه شدند.
نتایج و بحث
نتایج به دست آمده در این پژوهش با نتایج مطالعات دیگران در جدول ۱ مقایسه شده است. با توجه به ظرفیت های جذب بدست آمده می توان بیان نمود که پوست پرتقال اصلاح شده توانایی رقابت با سایر جاذب های طبیعی را دارد.
تاثیر غلظت اولیه فلزات در محلول و روش های مختلف اصلاح جاذب بر میزان جذب
تاثیر غلظت اولیه فلزات بر میزان جذب بر روی جاذبهای اصلاح شده ph = 6 در شکل ۱ نشان داده شده است. حداکثر راندمان جذب سرب و مس، با جاذب اصلاح شده با محلول بازی بدست آمد. حداکثر راندمان جذب در تیمارهای سرب ۳۷ و در تیمارهای جذب مس ۵۲ میلی گرم بر گرم جاذب بوده است. هرچه مقادير غلظت اولیه یون فلزی در محلول افزایش داشته است، راندمان جذب کاهش می یابد. پوست های پرتقال اصلاح شده با محلول بازی ظرفیت جذب بیشتری نسبت به سرب و مس داشتند. وقتی محلول بازی در خلل و فرج جاذب های پایه سلولزی نفوذ می کند، باعث می شود که سلولز نوع ۱ به نوع ۲ تبدیل شود و از طرفی با ورود عامل بازی کریستالیته سلولز کاهش یافته و سبب می گردد که سطح مخصوص و تخلخل جاذب افزایش یابد که همه این عوامل باعث افزایش میزان جذب می گردد ( گروگله و همکاران، ۲۰۰۸). این نتیجه را واننگاه و حنفیه (۲۰۰۸) و همچنین مهراسبی و فرهمند كيا (۲۰۰۸) که بر روی جذب سطحی جاذب اصلاح شده با باز و اسید مطالعه نمودند، نیز بدست آورده اند. یکی دیگر از عوامل مؤثر بر فرایند جذب، غلظت اولیه فلز می باشد. افزایش غلظت اولیه فلز باعث افزایش میزان جذب در واحد جرم جاذب میشود ولی این افزایش با کاهش درصد جذب فلز همراه است. دلیل آن به نسبت بین غلظت اولیه محلول و ظرفیت جاذب مربوط می شود. بدین ترتیب که تا زمانی که كل جرم عنصر حل شده در محلول بیشتر از ظرفیت جاذب باشد، در هر صورت جاذب قادر نیست همه جرم موجود را جذب نماید . به همین دلیل همواره راندمان جذب کمتر از % 100 خواهد بود. ولی چنانچه غلظت محلول به حدی کاهش یابد که کل جرم موجود در محلول کمتر از ظرفیت جاذب باشد، در صورتی که زمان تماس به اندازه کافی در نظر گرفته شود، جاذب قادر به جذب كل عنصر حل شده در محلول خواهد بودا شاه محمدی و همکاران، ۲۰۰۸). عبدالغنيو و همکاران (۲۰۰۷) نشان دادند که با کاهش غلظت محلول سرب از ۵۰ میلی گرم در لیتر به ۵ میلی گرم در ليتر ، راندمان جذب سرب توسط پوسته شلتوک، چوب ذرت و خاک اره افزایش می یابد.
