بخشی از مقاله
چکیده
حذف نیترات از آبهای آلوده یکی از مباحث مهم زیست محیطی می باشد. در این تحقیق جذب نیترات توسط خاکستر پوسته شلتوک اصلاح شده توسط سورفکتانت هگزا دسیل تری متیل آمونیوم بروماید مورد بررسی قرار گرفت و برای تعیین عوامل مؤثر بر جذب از سیستم ناپیوسته استفاده شد. در آزمایشهای ناپیوسته اثر عواملی مانند pH، جرم جاذب، غلظت نیترات اولیه، زمان تماس و دما بررسی گردید. سپس از مدلهای تعادلی - لانگمویر، فروندلیچ، فرندلیچ - لانگمویر، ریدلیچ-پترسون - و غیر تعادلی - لاگرگرن، هو و همکاران، توانی، الوویچ - برای بررسی فرآیند جذب استفاده شد. نتایج بررسیها نشان داد که بیشترین جذب نیترات توسط جاذب مورد مطالعه در pH برابر با 9، در زمان تماس 180 دقیقه و جرم جاذب برابر 0/1 گرم بود. با افزایش غلظت اولیه نیترات - 2 تا 100 میلی گرم بر لیتر - ، راندمان جذب از 90 به 50 درصد کاهش یافت. نتایج نشان داد که مدل لاگرگرن RMSE=0/02124 - ، - R2=0/9803 دادههای آزمایشگاهی را بهتر توصیف میکند. همچنین روابط مربوط به ایزوترم جذب نشان داد، مدل ایزوترم فروندلیچ 0/2958 - RMSE= ، - R2=0/9687 برای توصیف فرآیند جذب مناسبتر بوده و مطابقت بیشتری با دادههای آزمایشگاهی دارد. نتایج این مطالعه نشان داد که خاکستر پوسته شلتوک اصلاح شده قابلیت بالایی در حذف یونهای نیترات از آبهای آلوده دارد.
واژههای کلیدی: پوسته شلتوک، حذف نیترات، سورفکتانت، مدل تعادلی و غیر تعادلی.
مقدمه
در سالهای اخیر افزایش فعالیتهای کشاورزی و صنعتی باعث تولید آلایندههای سمی مثل آنیونهای غیرارگانیک، یونهای فلزی و آلایندههای شیمیایی مصنوعی شده که نگرانیهای عمومی راجع به کیفیت آب بهوجود آورده است - باهاتنگار و همکاران، . - 2011 تعدادی آنیونهای غیرارگانیک در قالب تجمعهای مضر خطرآفرین در بسیاری از منابع آب آشامیدنی یافت شدهاند. در این میان نیترات بیشترین نگرانی را در سطح جهانی بهوجود آورده است. نیترات یک یون بهوجود آمده در چرخه نیتروژن است که فرمی پایدار از نیتروژن در سیستمهای ترکیب شونده با اکسیژن میباشد. نیترات با توجه به قابلیت حلالیت بالا در آب گستردهترین آلاینده آبهای زیرزمینی در جهان است - تامسون، . - 2001 احیای این یون به نیتریت، توسط میکروارگانیسمها، خطرات بهداشتی جدیتری را به وجود میآورد - اروگلو و همکاران، . - 2013 سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا حداکثر غلظت نیترات در آب آشامیدنی را بر اساس ازت 10mg/lتعیین نموده است.
استاندارد ایران حداکثر مجاز نیترات در آب آشامیدنی 45 mg/l بر حسب نیترات و 10 mg/l برحسب نیتروژن تعیین شده است - نائیج و همکاران، . - 1391به این دلیل تاکنون روشهای گوناگونی برای کاهش و حذف نیترات از منابع آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفته است که متداولترین و جدیدترین این روشها عبارتند از: جذب سطحی، روش اسمز معکوس، روش دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی، روش الکترودیالیز و روش تبادل یونی - دیوبند و همکاران، . - 1392 نیترات دارای حلالیت زیاد در آب و بدون بو و مزه است که به سختی از آب قابل حذف میباشد. بنابراین کاهش نیترات اغلب با مشکلات و هزینه زیاد روبه رو است.
در سالهای اخیر، استفاده از جاذبهای ارزان قیمت به عنوان جایگزینی برای کربن فعال بهدلیل هزینه بالای مراحل فعالسازی آن، مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. جاذبهای ارزان قیمت، عمدتأ از مواد زائد حاصل از فعالیتهای صنعتی و بهخصوص کشاورزی تهیه میشوند - مهدوی متین و همکاران، . - 1387 پوستهی شلتوک، بهدلیل دارا بودن رشتهی فراوان، پروتئین، سلیس و گروههای تابعی خاص، فرایند جذب را به صورت مطلوبی امکانپذیر مینماید - هان و همکاران، . - 2005 محتوای بالای سیلیکا - تقریبا - %20 به آن قدرت جذب زیادی میدهد - رنجان و همکاران، . - 2009 همچنین، پوستهی شلتوک بهدلیل ساختار دانهای، غیر قابل حل در آب میباشد. استحکام شیمیایی و دوام مکانیکی بالایی دارد - المز، . - 1988
مواد و روشها تهیه محلول
محلول مادر 1000 - میلیگرم بر لیتر - با استفاده از نمک نیترات پتاسیم 1 - گرم - تهیه گردید. سپس محلولهایی در غلظت 2، 5، 8، 10، 20، 30، 40، 50، 100 میلیگرم بر لیتر از محلول مادر اصلی ساخته شدند.
تهیه جاذب
شلتوک برنج قبل از انجام مراحل اصلاح با آب مقطر چندین بار شسته شد تا خنثی شود . - PH=7 - پس از خشک شدن، جاذب در کوره قرار داده شد تا به زغال سفید تبدیل شود. اصلاح جاذب در دو مرحله انجام گردید. در مرحلهی اول 50 گرم از هگزا دسیل تری متیل آمونیوم بروماید - سورفکتانت - بهوسیلهی آب مقطر به حجم 1000 میلی لیتر رسانده شد. در مرحلهی دوم 5/4 گرم از خاکستر تولید شده با 220 میلی لیتر از محلول تهیه شده از مرحلهی اول با هم ترکیب شد و به مدت 1 ساعت روی هیتر قرار داده شد تا بجوشد و سپس از کاغذ صافی عبور داده شد، باقی مانده بر روی صافی در کوره قرار داده شد تا خشک شود.
تعیین pH بهینه
به منظور تعیین pH بهینه جذب نیترات توسط خاکستر شلتوک برنج اصلاح شده، ابتدا تعداد 12 بشر 100 میلیلیتری را برداشته سپس با آب مقطر شسته شدند. داخل هر یک از بشرها مقدار 0/1 گرم از جاذب ریخته شد. سپس 100 میلیلیتر محلول با غلظت 5 میلیگرم بر لیتر به هر یک از بشرها اضافه گردید. pH محلول روی مقادیر مختلف 2 - تا - 10 تنظیم گردید. محلولها به مدت 180 دقیقه با سرعت 120 دور بر دقیقه بر روی شیکر گذاشته شدند. پس از گذشت این زمان و جداسازی جاذب از محلول، نمونهها از کاغذ صافی عبور داده و غلظت نمونههای حاصله از آزمایش با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر اندازه گردید.
تعیین زمان بهینه
برای انجام سینتیک جذب، مقدار 0/1 گرم جاذب مورد مطالعه به 10 میلیگرم بر لیتر محلول با غلظت 5 میلیگرم بر لیتر اضافه شد. PH محلول روی مقدار بهینه - PH=7 - تنظیم و سپس بر روی شیکر با سرعت 120 دور بر دقیقه برای مدت زمانهای 2، 5، 10، 15، 20، 30، 45، 60، 120، 180 دقیقه گذاشته شدند. و بعد از گذشت زمانهای مذکور، نمونهها از کاغذ صافی عبور داده و غلظت نمونهها با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر اندازهگیری گردید. سپس از مدلهای سینتیک جذب برای توصیف دادهها استفاده شد.
تعیین جرم جاذب بهینه
برای آزمایشهای تعیین جرم جاذب بهینه، مقدار 0/03، 0,05، 0,1، 0,2 ،0,3 گرم جاذب مورد مطالعه به 10 میلی گرم بر لیتر محلول با غلظت 10 میلیگرم بر لیتر اضافه شد. pH آنها روی مقدار بهینه جذب - pH=7 - تنظیم و سپس با دور اختلاط 120 دور بر دقیقه روی شیکر قرار داده شد. غلظت محلول با دستگاه اسپکتروفوتومتر خوانده و راندمان جذب تعیین گردید.
آزمایشهای جذب ناپیوسته
آزمایشهای جذب نیترات از محلول تعادلی با استفاده از جاذب خاکستر شلتوک برنج اصلاح شده تحت شرایط زمان تماس، جرم جاذب، PH ، غلظت اولیه نیترات، جرم جاذب و دما مورد بررسی قرار گرفت. نمونهها به مدت 180 دقیقه با سرعت 120 دور بر دقیقه با هم مخلوط شده سپس از صافی عبور داده شده و توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر مورد آنالیز قرار گرفتند. درصد بازدهی حذف نیترات و میزان جذب نیترات به ترتیب از روابط - 1 - و - 2 - تعیین گردید:
که در آن q میزان جذب ماده حل شده بر حسب میلی گرم بر گرم، Ci غلظت اولیه ماده حل شونده بر حسب میلیگرم بر لیتر، Cf غلظت باقی مانده حل شونده بر حسب میلیگرم بر لیتر، m مقدار جاذب بر حسب گرم، v حجم محلول در تماس بر حسب لیتر. به منظور مطالعه مکانیزمهای کنترل کننده فرآیندهای جذب، معادلات غیر تعادلی یا سینتیک جذب - مدل سینتیک مرتبه اول لاگرگرن، سینتیک مرتبه دوم هو، توانی و الوویچ - و معادلات تعادلی یا ایزوترم جذب - ایزوترم فرندلیچ ، لانگمویر، فرندلیچ-لانگمویر و ریدلیچ-پترسون - مورد بررسی قرار گرفتند - جدول . - 1
تعیین PH بهینه
شکل - - 1 تاثیر pH بر جذب نیترات را نشان میدهد. همانطور که قبلا ذکر شد دامنه pH مورد بررسی 1 تا 12 میباشد . با توجه به شکل، در جاذب مورد بررسی با تغییر pH محلو ل راندمان حذف تغییر چندانی نیافته است، بنابراین میتوان گفت نسبت به تغییرات pH خیلی حساس نبوده است، شکل نشان میدهد که حداکثر راندمان مقدار جذب نیترات - %79 - در PH=9 میباشد.
