بخشی از مقاله
چکیده
یافتن راهکاری برای حذف مواد آلاینده از پساب کشاورزی میتواند نقش مهمی را در استفاده مجدد از این پسابها در عملیات کشاورزیو کاهش هزینهها داشته باشد. در این پژوهش اثر جاذب اصلاح شده ی کاه برنج به منظور حذف نیترات بررسی شد. پارامترهای مختلفی از جمله زمان تعادل، pH، جرم جاذب و غلظت ورودی نیترات مورد آزمایش قرار گرفت. برای جاذب اصلاح شده برنج زمان تعادل برابر 2ساعت، pH بهینه برابر6 و جرم بهینه برابر 0/5 گرم به دست آمد. با افزایش غلظت اولیه نیترات 5-120 - میلی گرم بر لیتر - ، بازدهی حذف از 53 به 32 درصد کاهش یافته است. نتایج حاصل از آزمایش های جذب ایزوترم با مدلهای لانگمیر و فروندلیچ مطابقت داده شدند. نتایج نشان داد که مدل لانگمیر دادهها را بهتر توصیف مینماید - . - R2 =0/99 نتایج این مطالعه نشان داد که جاذب کاه برنج اصلاح شده قابلیت حذف یون های نیترات را دارا میباشد.
واژههای کلیدی:آبهای آلوده به نیترات، حذف نیترات، جاذب برنج
مقدمه
در چند دههی گذشته، حضور غلظت بالای نیترات در آب آشامیدنی به یک نگرانی جدی در سرار جهان تبدیل شده است. یکی از عوامل عمده افزایش نیترات در آبهای سطحی و زیرزمینی کاربرد فراوان آن در بخش کشاورزی است. نیتروژن یکی از عناصر اصلی برای فعالیتهای کشاورزی محسوب میشود و از آنجایی که این عنصر به حد کافی در خاک وجود ندارد لذا کشاورزان برای تأمین نیاز گیاهان، مجبور به استفاده از کودهای ازته می باشند. بدین صورت به علت حلالیت بالای نیترات در آب، در صورت کاربرد زیاد و همچنین آبیاری بیش از حد امکان گسترش آن در آبهای زیرزمینی و سطحی وجود دارد 1]و[2؛ که این موضوع یک تهدید جدی در منابع آبی بوده و باعث ایجاد اختلال و مشکلات زیست محیطی میگردد 3]و.[4 همچنین افزایش غلظت نیترات در آب آشامیدنی باعث ایجاد دو عارضه بهداشتی میشود که شامل سندرم آبی کودک - متهوموگلوبینما - به صورت اختصاصی در کودکان و تشکیل بالقوه مواد سرطان زای نیتروزآمین میباشد 5]و.[6
مطالعات مختلف نشان دادهاند که سطح غلظت نیترات در آب بدون ایجاد اثر سوء قابل مشاهده حدود10 mg N/L میباشد. استاندارد اروپا مقدار مجاز نیترات در آب آشامیدنی را برابر50 mg NO3/L در نظر گرفته و در ایالات متحده آمریکا نیز حد استاندارد 10 mg N/L یا 45 mg N-NO3/L وضع شده است 7]و.[8 مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران و سازمان جهانی بهداشت حد مجاز نیترات در آب آشامیدنی را 50 mg N-NO3/L درنظرگرفته است 9]و.[10روشهای مختلف حذف نیترات از آبهای آلوده شامل دنیتریفیکاسون شیمیایی 11]،12و[13، تبادل یونی [14]، اسمز معکوس [15]، الکترودیالیز [16]، دنیتروفیکاسیون بیولوژیکی [17] میباشد. با این حال تکنولوژیهای رایج که برای حذف نیترات یافت میشود گران بوده، کارایی کافی نداشته و تولید محصولات جانبی می نماید. بر اساس مطالعات صورت گرفته حداکثر راندمان حذف نیترات قابل حصول توسط تعویض یون %90، اسمز معکوس %97، الکترودیالیز %65 ، دنیتریفیکاسیون شیمیایی %70 و دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی %100 میباشد 18]و.[19
تاکنون مطالعات زیادی در زمینه ی حذف آلاینده ها با استفاده از ضایعات ارزان قیمت کشاورزی و جاذب های گیاهی از جمله خاک اره درخت سدر [20]، پوست نارگیل [21]، پوست عدس و پوست گندم [22] ، باگاس چغندرقند [23]، پوشال نیشکر، توت، انجیر و گردو [24] صورت گرفته است. نتایج تحقیقات نشان داده است که جاذبهای گیاهی قابلیت بالایی در حذف آلایندهها دارند .[25]بررسی گزارشها نشان میدهد تاکنون از کاه اصلاح شده برنج برای حذف نیترات استفاده نشدهاست. لذا این مطالعه با هدف بررسی میزان حذف این آلاینده از محلولهای آبی با استفاده از جاذب اصلاح شده کاه برنج انجام شده است. نتایج آزمایشات حاکی از آن است که این جاذب قابلیت حذف یونهای نیترات را دارا میباشد.
روش
برای رسیدن به اهداف این تحقیق آزمایشها در دانشکدهی مهندسی زراعی - گروه مهندسی آب - ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری و در سطح ناپیوسته انجام گردید. برای آماده سازی ماده اولیه، کاه برنج از مزارع شالیزاری منطقه دودانگه ساری تهیه شد وپس از شست و شو با آب مقطر، در هوای آزاد خشک گردید. این مواد پس از خشک شدن توسط آسیاب گلوله ای - لس آنجلس - خرد گردیدند و در نهایت دانه بندی جاذب با استفاده از الکهای استاندارد ASTM با مش 60 و 100 صورت گرفت. سپس به منظور ایجاد خاصیت تبادل آنیونی، جاذب در دو مرحله اصلاح شد. در مرحلهی اول 72 میلی لیتر اپی کلروهیدرین، 140میلی لیتر تری اتیل آمین، و 138میلی لیتر محلول متانول با هم ترکیب گردید و در دمای 55 درجهی سانتی گراد به مدت 5 ساعت قرار داده شد تا با هم واکنش دهند.
سپس در مرحلهی دوم، 50 گرم از جاذب را با مادهی به دست آمده از مرحلهی اول و 50 میلی لیتر پیریدین، در یک بالن 500 میلی لیتری ریخته و به مدت 3 ساعت در دمای 55 درجه قرار داده شد. در نهایت محصول تولید شده را با آب مقطر فراوان شست و شو داده تا باقی مانده مواد شیمیایی روی جاذبها و ناخالصیها حذف گردد. سپس جاذب در دمای 60 درجه سانتی گراد به مدت 12 ساعت خشک گردید .[26]نیترات مورد استفاده در این مطالعه از شرکت مرک آلمان به صورت جامد و با درجه خلوص 99/9 درصد و جرم مولکولی g/mol 101/11 خریداری گردید. برای تهیه محلول نیترات مادر، 0/815 گرم نیترات پتاسیم جامد در بالن 500 میلی لیتری ریخته و با آب مقطر به حجم رسانده شد.
تأثیر زمان تماس 10-240 - دقیقه - ، - 2- 10 - pH، جرم جاذب 0/1-1 - گرم - و غلظت اولیه نیترات 5 - 120 - میلی گرم در لیتر - بر راندمان حذف نیترات با دور 150دور بر دقیقه بررسی شد. در هر مرحله نمونه ها از کاغذ صافی عبور داده شده و غلظت نیترات باقی مانده توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر - SP-UV300 SRB - در طول موج 410 نانومتر قرائت گردید. لازم به ذکر است که جهت کاهش خطا هر آزمایش حداقل در 3 تکرار انجام شد.درصد بازدهی حذف و میزان جذب نیترات به ترتیب از روابط - 1 - و - 2 - تعیین گردیدند:
همچنین جهت تحلیل نتایج جذب و بررسی ایزوترمهای آن دو مدل لانگمیر - - 3 و فروندلیچ - 4 - بررسی شدند، که معادلات این مدل ها به ترتیب به صورت زیر است :
نتیجه گیری
الف - نتایج تعیین زمان تعادل : شکل.1 تغییرات بازدهی جذب را با تغییرات زمان تماس برای جاذب برنج نشان میدهد. همانگونه که مشاهده میشود، برای جاذب برنج، در زمانهای اولیه سرعت جذب بسیار بالاست. به طوری که با افزایش زمان تماس از 10تا120 دقیقه بازدهی حذف از 20 تا 70 درصد افزایش یافت. با گذشت زمان، شدت جذب نیترات کاهش یافته به طوری که بعد از 120دقیقه، بازدهی جذب به حداکثر مقدار خود رسیده و پس از آن مقدار جذب ثابت گردیدهاست. نتایج آزمایشهای تأثیر زمان تماس بر بازدهی جذب نیترات، بیانگر این نکته است که با افزایش زمان تماس و افزایش فرصت و شانس برخورد یونهای نیترات با جاذب، مقدار جذب افزایش یافتهاست. نتایج مطالعه با یافتههای بهاتناگارو همکاران مطابقت دارد، به طوریکه در مطالعه آنها مشخص گردید که کارایی حذف نیترات با افزایش زمان تماس افزایش مییابد .[27]
ب - نتایج تعیین pH بهینه : شکل.2 تغییرات بازدهی حذف pH را برای جاذب مورد مطالعه نشان میدهد. همانطوری که مشاهده میگردد با افزایش pH محلول از 2 تا 6 بازدهی حذف برای جاذب برنج از 25 تا 55 درصد افزایش یافته است. با توجه به نتایج بدست آمده، pH بهینه جذب برای جاذب مورد مطالعه، 6 بدست آمد. در pH>6 به دلیل پر شدن مکانهای جذب، دیگر جذبی صورت نگرفته و تغییرات بازدهی جذب بسیار ناچیز و تقریباً ثابت مانده است. همچنین افزایش میزان یون هیدروکسید در pHهای بالا باعث رقابت بین یون هیدروکسید با نیترات در جذب شده و مانع جذب بیشتر نیترات توسط جاذب میشود که با نتایج بدست آمده توسط حمید و ال خیاری [28] و تهرانی و همکاران [29] مطابقت داشته است.تعداد یون های جذب شده توسط جاذب کارایی حذف کاهش مییابد که با نتایج مطالعه زینگ و همکارانش مطابقت دارد.
ج - نتایج تعیین جرم بهینه جاذب : شکل.3 تغییرات بازدهی جذب نیترات را با افزایش میزان جاذب نشان می دهد. با افزایش میزان جاذب از 0/1 تا 0/5 گرم، بازدهی جذب نیترات از 14 تا 69 درصد افزایش یافته اما با افزایش0/5 تا 1 گرم جاذب تغییرات بازدهی حذف بسیار ناچیز بوده است زیرا افزایش مقدار جاذب درمحلول موجب هم پوشانی سطوح جاذب، واکنش با یکدیگر و تجمع آنها می شود که در نهایت به حالت کلوخه ای در آمده اند و منجربه کاهش سطح مفید در دسترس یون های نیترات می شود. نتایج نشان داد که تغییر در میزان جاذب، اثر معناداری بر بازدهی حذف داشته که با نتایج بدست آمده از تحقیقات اوزتورک و بکتاش [30] و گانگ و همکاران [31] مطابقت داشته است.تعیین ایزوترم جذب آلاینده توسط جاذب های مختلف یکی از پارامترهای اصلی و مهم در مطالعات جذب می باشد. بررسی داده های آزمایشگاهی با دو مدل لانگمیر و فروندلیچ و مقایسه ضریب همبستگی آن ها نشان داد که جذب نیترات توسط کاه اصلاح شده برنج از ایزوترم لانگمیر تبعیت می کند. - R2 =0/99 -
