بخشی از مقاله
چکیده
افزایش غلظت نیتروژن نیتراتی در منابع آبی به یک مشکل جهانی تبدیل شده است. امروزه از ضایعات کشاورزی به عنوان جاذبهای زیستی جهت حذف آلایندهها از محلولها استفاده میشود. هدف از این تحقیق بررسی همدمای جذب نیتروژن نیتراتی از محلولهای آبی با استفاده از پوسته چوبی اصلاح شده گردو - تبدیل شده به مبادله کننده آنیونی - ،پس از بهدست آوردن اسیدیته بهینه و غلظت بهینه جاذب،میباشد.غلظت بهینه جاذب و اسیدیته بهینه به ترتیب 6 g/l و 6 بهدست آمد.دادههای همدمای جذب سطحی نیتروژن نیتراتی، بخوبی بر مدل غیر خطی فروندلیچ - R2=0/96 - برازش یافت. مقدار n وkf مدل فروندلیچ بهترتیب، 1/58 و 0/91l/g بهدست آمد. حداکثر ظرفیت جذب سطحی نیتروژن نیتراتی توسط جاذب /33mg/g 25بدست آمد. نتایج این تحقیق نشان داد پوسته چوبی گردو اصلاح شده میتواند برای حذف نیتروژن نیتراتی از محلول آبی مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: جاذب زیستی، همدمای جذب، پوسته گردو اصلاح شده، مبادله کننده آنیونی
مقدمه
امروزه محدودیت منابع آبی و خطر بحران آب در کشور به همراه افزایش آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی به وسیله فلزات سنگین و سایر آلایندههای حاصل از فاضلابها و فعالیت کشاورزی، اهمیت بازیابی مجدد آب و یافتن راهحلهای مؤثر و اقتصادی در جهت حذف این مواد از منابع آبی را ضروری میسازد - نیکنام و همکاران، . - 1393 استفاده بیش از اندازه و در زمان نامناسب از کودهای شیمیایی نیتروژنی و آلی و مدیریت نامناسب این کودها موجب افزایش غلظت یون نیترات در آبها شده است . - Camargo & Alonso, 2006 - آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا مقدار مجاز نیتروژن نیتراتی را در آب آشامیدنی 10 میلیگرم بر لیتر اعلام نموده است .
- EPA, 2016 - آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی با نیترات مشکلات اساسی برای انسان، حیوان و محیط زیست ایجاد مینماید . - Camargo & Alonso, 2006 - غلظت بالای نیترات در آب آشامیدنی باعث بیماری مت هموگلوبین در نوزادان - Fewtrell, 2004 - ، سرطان معده در بزرگسالان - Pennington, 1998 - و مسمومیت در چهارپایان - Canter, - 1997میشود. حذف نیترات از آب و فاضلابهای صنعتی توجه پژوهشگران زیادی را به خود جلب نموده است. روشهای مختلفی مانند جذب سطحی - Batnagar & Sillanpaa, 2011 - ، تبادل یون - Bektash & Ozturk, 2004 - ، اسمز معکوس، الکترودیالیز - - Abou-Shady et al, 2012،استفاده از کربن فعال - Namasivayan & Muniasamy, 1999 - ، دنیتریفیکاسیون - Soares, 2000 - برای حذف آنیون نیترات از محلولهای آبی استفاده شده است.
از میان این روشها روش جذب سطحی به دلیل اینکه روشی ساده، کمهزینه و مؤثر برای حذف آنیون نیترات است، مورد توجه پژوهشگران آب و خاک قرار گرفته است - حسینی و همکاران، . - 1391 محققان مختلف از پسماندهای کشاورزی مانند پوست موز و الیاف نارگیل - Anirudhan et al, - 2006 و کاه گندم - Wang &Gao , 2007 - به عنوانجاذبهای ارزان قیمت و مؤثری برای حذف آنیون نیترات از محلولهای آبی استفاده نمودهاند. در مطالعات انجام شده محققین گزارش نمودند که با تبدیل پسماندهای کشاورزی به مبادله کنندههای آنیونی، این ترکیبات آلی توانایی بالایی در جذب آلایندههای آنیونی معدنی مانند یون فسفات - Xing et al, 2010; Mathan& - Ammberger, 1975, و یون نیترات Katal et al, 2012 - ، ، - Keranen et al, 2013 از محلولهای آبی دارند.
Keranen et al - 2013 - در مطالعه حذف نیترات از محلولهای آبی توسط پوست درخت کاج و صنوبر و پیت اصلاح شده، نشان دادند که جذب آنیون نیترات از مدل همدمای جذب لانگمویر پیروی مینماید. آنها حداکثر جذب سطحی را در دامنه24/2- 30/1میلیگرم درگرم و ثابت تعادل جذب لانگمویر را 0/043 لیتر بر میلیگرم بدست آوردند Katalet al.در سال 2012 از کاه برنج اصلاح شده، برای حذف نیترات از محلول آبی استفاده کردند نتایج نشان داد که با افزایش اسیدیته از 7 به 12 مقدار حذف نیترات ازمحلول به شدت کاهش یافت. آنها گزارش نمودند، مدل فروندلیچ توانست جذب را توصیف نماید و حداکثر حذف نیترات را 94/3 درصد بدست آوردند. فراستی و همکاران - 1390 - از نانو ذرات نی اصلاح شده جهت حذف نیترات از محلولهای آبی استفاده کردند.
اسیدیته بهینه را 6 و حداکثر جذب را با استفاده از مدل همدمای جذب لنگمویر 10/57 میلیگرم در گرم به دست آوردند.گلستانیفر و همکاران در سال 1390 از نانو ذرات آلومینا اصلاح نشده به منظور حذف نیترات از محلول آبی استفاده کرده و نشان دادند که اسیدیته محلول در دست یابی به حداکثر میزان جذب بسیار مؤثر است بطوریکه در اسیدیته برابر 5 بیشترین جذب نیترات توسط جاذب صورت گرفته و حداکثر ظرفیت جذب سطحی را با استفاده از همدمای جذب لنگمویر 0/24 میلیگرم در گرم به دست آوردند. هدف از این تحقیق بررسی توانایی جذب یون نیتروژن نیتراتی از محلولهای آبی، توسط پوسته چوبی اصلاح شده گردو و تبدیل شده به یک مبادله کننده آنیونی میباشد.
مواد و روشها آماده سازی و اصلاح جاذب
ابتدا جهت زدودن گردو غبار، نمونهها با آب مقطر شسته شدند. سپس 24 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد در آون قرار داده شدند، پس از خشک شدن، آسیاب شده و از الک 0/25 میلیمتری 80 - مش - عبور داده شدند. برای اصلاح پوسته چوبی گردو، از روش - 2014 - Cao et al استفاده شد. در پایان اصلاح، محصول اصلاح شده در دمای 60 درجه سانتی گراد خشک شد و در ظرف دربسته برای انجام آزمایشات جذب نگهداری شد. به جای اصطلاح پوسته چوبی اصلاح شده گردو، از این پس کلمه جاذب استفاده میشود.
تعیین غلظت بهینه جاذب
جهت تعیین غلظت بهینه جاذب، در صد نیتروژن نیتراتی جذب شده درغلظتهای 1 - 8 گرم بر لیتر از پوسته چوبی اصلاح شده گردو، در حضور30 میلیگرم بر لیتر از نیتروژن نیتراتی، بعد از گذشت 24 ساعت - زمان تعادل - در دمای 25 درجه سانتیگراد اندازهگیری شد. غلظت نیتروژن نیتراتی تعادلی با دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 400 نانومتر به روش رنگ سنجی قرائت شد . - Mulvaney, 1996 - سپس درصد جذب محاسبه و غلظت بهینه مشخص گردید - تمام آزمایشات در دو تکرار انجام شد - .
تعیین اسیدیته بهینه
به منظور تعیین اسیدیته بهینه، درصد نیتروژن نیتراتی جذب شده توسط جاذب اصلاح شده، در غلظت بهینه بهدست آمده از مرحله قبل، در حضور 30 میلیگرم بر لیتر ازنیتروژن نیتراتی در اسیدیتههای 3، 4، 5 ، 6، 7، 8 و - Katal et al, 2012 - 9، پس از گذشت 24 ساعت - زمان تعادل - در دمای 25 درجه سانتیگراد به روش ذکر شده اندازهگیری شد. سپس درصد جذب محاسبه و اسیدیته بهینه مشخص گردید. برای تنظیم اسیدیته محلولها از 0/1 HCl مولار و 0/1 NaOH مولار استفاده شد.
مطالعه همدمای جذب نیتروژن نیتراتی
مطالعات همدمای جذب نیتروژن نیتراتی در غلظت و اسیدیته بهینه بهدست آمده از مراحل قبل، در سریهای غلظت -300 10 میلیگرم در لیتر نیتروژن نیتراتی انجام شد.آزمایشات همدمای جذب در دمای 20±2Cو زمان تعادل 24 ساعت انجام شد. همه محلولهای مورد استفاده با استفاده ازآب دیونایز به صورت روزانه تهیه شدند. برای توصیف کمی فرآیند حذف نیتروژن نیتراتی، توسط پوسته چوبی اصلاح شده گردو ، ازمدلهای همدمای جذب لانگمویر و فروندلیچ استفاده شد. مدل لانگمویر به جذب سطحی به صورت تک لایه اشاره دارد و مدل فروندلیچ به ناهمگنی سطوح جاذب اشاره دارد. رابطه لانگمویر به صورت زیربیان میشود : - Katal et al, 2012 - که در آن Ce: غلظت تعادلی نیتروژن نیتراتی درمحلول بر حسب - mg/l - ، qe: مقدار نیتروژن نیتراتی جذب شده در زمان تعادل - mg/g - ، : qmax حداکثر ظرفیت جذب سطحی بر حسب - mg/g - ، : Kl انرژی جذب - l/mg - هستند و رابطه فروندلیچ به صورت زیر بیان میشود : - Katal et al, 2012 - در این معادله Ce وqe همانند معادله لانگمویر، : n شدت جذب و :Kf ظرفیت جذب - l/mg - را بیان میکند.
نتایج و بحث تأثیر مقدار جاذب بر میزان جذب نیتروژن نیتراتی - غلظت بهینه جاذب -
یکی از پارامترهای تأثیر گذار در میزان جذب نیتروژن نیتراتی توسط جاذب، مقدار جاذب میباشد. با افزایش مقدار جاذب، مکانهای جذب قابل دسترس برای آنیون نیترات افزایش مییابد و جذب به صورت بهتری انجام میشود. شکل 1 نشان میدهد که بیشترین درصد حذف نیتروژن نیتراتی در غلظت 6 گرم در لیتر میباشد. - Katal et al - 2012 غلظت بهینه را برای کاه برنج به منظور حذف نیتروژن نیتراتی 4 گرم در لیتر ، Cao et al - 2014 - مقدار غلظت بهینه جاذب برای حذف رنگینه های آنیونی از محلول آبی با استفاده از پوسته گردو اصلاح شده را 1 گرم در لیتر به دست آوردند.
تأثیر اسیدیته بر میزان جذب نیتروژن نیتراتی - اسیدیته بهینه -
اتصال آنیون نیترات به گروههای عاملی به شدت وابسته به اسیدیته است. لذا اسیدیته محلول پارامتری بسیار مهم در فرایند جذب است. همانطور که در شکل 2 ملاحظه میگردد، با کاهش اسیدیته درصد جذب نیتروژن نیتراتی توسط جاذب افزایش مییابد. به طوری که دراسیدیته برابر با 6 به حداکثر میزان جذب یعنی 88/2 درصد میرسدکه به عنوان اسیدیته بهینه برای انجام آزمایشهای بعدی مورد استفاده قرار گرفت. Katal et al - 2012 - اسیدیته بهینه را برای جذب نیتروژن نیتراتی توسط کاه برنج 7 به دست آوردند.
