بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
حذف پني سيلين G از محلول هاي آبي با استفاده از پوسته ميوه بلوط اصلاح شده با اسيد سولفوريک : بررسي ايزوترم و سينتيک جذب
چکيده
زمينه و هدف : آنتي بيوتيک ها آلاينده هاي بالقوه خطرناکي هستند که به دليل اثرات سمي آنها بر روي زنجيره غذايي وجريان هاي آبي مشکلات زيست محيطي عديده اي را بر روي انسان و ساير موجودات زنده ايجاد مي نمايند. اين مطالعه با هدف بررسي امکان استفاده از پوسته ميوه بلوط به عنوان يک جاذب ارزان قيمت درحذف پني سيلين G از محلول هاي آبي صورت گرفته است . روش بررسي : آزمايشات در مقياس آزمايشگاهي و به صورت ناپيوسته انجام شد. تاثير متغيرهاي موثر درفرايند حذف پني سيلين G، از جمله pH، مقدار جاذب ، غلظت اوليه پني سيلين و زمان تماس ، منحني شکست بررسي شد. علاوه بر اين فرايند واجذب نيز جهت استفاده مجدد از جاذب مورد مطالعه قرار گرفت . خصوصيات سطحي پوسته بلوط با استفاده از تبديل فوريه مادون قرمز و ميکروسکوپ الکتروني پويشي ارزيابي گرديد ايزوترم (لانگمير و فروندليچ و دابينين - رادشکويچ ) وسينتيک جذب (درجه اول کاذب ، درجه دوم کاذب و نفوذ داخل ذره اي ) براي ارزيابي داده ها مطالعه شدند.
يافته ها: حداکثر راندمان حذف پني سيلين در 3=pH، دوز جاذب زمان تعادل min ١٢٠، به دست آمد. نتايج نشان داد که جذب سطحي پني سيلين بر روي پوسته ميوه بلوط ازايزوترم فروندليچ پيروي مي کند. هم چنين مطالعات سينتيکي هم بستگي بيشتري را با معادله درجه دوم کاذب نشان داد.
نتيجه گيري : بر مبناي نتايج حاصل از اين مطالعه مي توان اظهار نمود که پوسته ميوه بلوط مي تواند به عنوان يک جاذب ارزان قيمت و مناسب در حذف پني سيلين G مورد استفاده قرار گيرد.
واژگان کليدي : جذب ، پني سيلين G، محلول هاي آبي ، ايزوترم ، سينتيک
مقدمه
آنتي بيوتيکها گروه بزرگي از مواد دارويي هستند که به طور گسترده در درمان عفونت هاي پزشکي ، دامپزشکي و غيره مورد استفاده قرار مي گيرند ( حدود ١۵٪ مصرف کل داروها مربوط به آنهاست ). حضور آنتي بيوتيک ها در آب هاي سطحي وپساب تصفيه خانه هاي فاضلاب حاکي از افزايش نگراني هاي زيادي در ارتباط با محيط زيست است . آنتي بيوتيک ها داراي اثرات پايدار در محيط زيست است . ورود آنتي بيوتيکها و متابوليت هاي حاصل ازآنها در محيط هاي آبي در سال هاي اخير نگراني هاي زيادي را به دنبال داشته است (۱). آنتي بيوتيک ها ممکن است از راه هاي مختلف مثل کارخانجات توليد مواد دارويي و کاربردهاي درماني براي انسان وحيوانات وارد محيط زيست شوند. نکته مهم درمورد مصرف مواد دارويي آنست که فقط کمتر از ۱۰٪ مواد دارويي دربدن تغيير شکل مي يابند و بقيه بدون هيچ تغييري از بدن انسان دفع مي گردد(۲و۳). آنها هم چنين ممکن است به عنوان کود مايع يا لجن فاضلاب به عنوان بارورکننده مورد استفاده قرار گرفته ودرنتيجه به آب هاي آشاميدني ، محيط هاي آبي ، خاک و زنجيره غذايي راه يابند و سبب ايجاد مقاومت دارويي در افراد گردند، در نتيجه بدن انسان به دليل مصرف مداوم اين داروها از طريق آب آشاميدني و مواد غذايي ، نسبت به اين مواد مقاوم گرديده و به دليل مقاومت پاتوژن ها نسبت به آنتي يوتيک ها، در صورت بروز هر گونه عفونت در بدن ، آنتي بيوتيک هاي متداول نمي توانند در مقابل ميکروب ها ازخود واکنش نشان دهند (4-7).
مطالعات اخير نيز نشان مي دهد که مواد دارويي به طور کامل در تصفيه خانه هاي فاضلاب حذف نمي شوند و به محيط هاي آبي راه مي يابند، هم چنين مواد دارويي در لجن تصفيه خانه هاي فاضلاب اثبات شده است . بنابراين لزوم حذف مواد دارويي قبل از ورود آنها به تصفيه خانه هاي فاضلاب (به دليل آسيب به ميکروب هاي فعال در تصفيه و در نتيجه عدم تصفيه مناسب ) ضروريست (۸و۹). يکي از طبقه بندي هاي مهم آنتي بيوتيک ها براساس وجود حلقه بتا لاکتامي در ساختمان آنها است ، بر اين اساس آنتي بيوتيکها را به دو دسته بتا لاکتام و غير بتا لاکتام تقسيم بندي مي کنند. پني سيلين G جزو آنتي بيوتيک هاي داراي حلقه بتا لاکتامي تقسيم بندي مي گردد که از قارچي بنام پني سيليوم توليد مي گردد. اين دارو جزو اولين داروهاي توليدي
محسوب مي شود که در مقابل بيماري هاي سفليس ، عفونت هاي استافيلوککي و استرپتوککي بسيار موثر است (۱۰و۱۱). بنابراين اين دارو به دليل توليد بالا و کاربرد زياد آن در درمان بيماري ها بسيار مورد توجه مسئولين بهداشتي بوده است . خصوصيات فيزيکي و شيميايي وساختاردارو در جدول ١ آمده است . از آنجا که فرايند جذب يکي از روش هاي موثر، اقتصادي ، داراي راندمان بالا وتثبيت کننده حذف مواد آلي از فاضلاب است در نتيجه فرايند جذب شايد يکي از روش هاي موثر در حذف مواد دارويي باشد. مواد جاذب به دليل تخلخل بالا يک ظرفيت خوبي از فرايند جذب مواد آلي از فاضلاب را فراهم مي نمايند.
مکانيسم هاي مسئول براي حذف مواد آلي توسط فرايند جذب شامل فرايند الکترواستاتيک ، تعويض يون ، فرايند باند شدن و... است . از آنجايي که احياي کربن فعال گران قيمت بوده و در مراحل مختلف بخشي از آن به هدر مي رود اغلب محققين به دنبال جاذب هاي جديد و ارزان قيمت بوده و تحقيقات زيادي براي توسعه کاربرد جاذب هاي کم هزينه در حال انجام است . امروزه از جاذب هاي طبيعي از جمله الياف خرما، خاک اره ، سبوس برنج ، کيتوزان ، کاه جو وگندم و غيره براي حذف آلاينده هاي آلي و غير آلي استفاده مي شود. پوسته برخي از ميوه ها (مثل ميوه بلوط ) در صورت عدم استفاده ، به صورت يک ماده زايد دفع مي شود. بنابراين استفاده از اين جاذب در حذف مواد دارويي مي تواند بسيار مفيد باشد(١۵-١١).
Aksu براي حذف پني سيلين G، از جاذب زيستي ريزوپوس آرهيوس ، لجن فعال و کربن فعال استفاده نمود. راندمان جذب هر کدام از اين جاذب ها در C ۳۵ به ترتيب برابر ۵۷،۶۱،۷۸ بود(۱۶). Arslan Alatonanبراي حذف پني سيلين G از شاخص COD و فرايند اکسيداسيون پيشرفته استفاده نمود و راندمان ۶۶٪مشاهده شد(۳). Vazquez براي حذف سه فلز سنگين سرب و مس روي از پوسته ميوه بلوط استفاده کرد که در نهايت بالاترين حذف اين فلزات توسط پوسته بلوط به ترتيب مربوط به سرب ، مس و روي بود(۱۷). در اين تحقيق نيز از پوسته ميوه بلوط براي حذف پني سيلين G از فاضلاب سنتتيک استفاده شد.
مواد وروش ها مواد و وسايل
ميوه بلوط از درختان محلي موجود در شهرستان خرم آباد تهيه شد. آنتي بيوتيک پني سيلين G نيز از کارخانه داروسازي اکسير درشهرستان بروجرد خريداري شد. ساير مواد شيميايي مورد استفاده از شرکت Merck آلمان خريداري شدند. براي تنظيم pH، از هيدروکسيد سديم و اسيد کلريدريک N ١ استفاده شد و براي اندازه گيري pH، ازدستگاه pHمتر مدل (pp-sartorious-50) استفاده شد. براي انجام آزمايشات و تعيين غلطت پني سيلين G باقي مانده در پايان آزمايش از دستگاه اسپکتروفتومتر مدل UV/VIS در طول موج nm ۵١۵ استفاده شد. براي اختلاط محلول حاصل از دستگاه شيکر با سرعت rpm ٢٠٠استفاده شد. ذرات جاذب بعد از پايان فرايند حذف پني سيلين با استفاده از دستگاه سانتريفوژمدل Hettich EA20 از پساب جداسازي شدند.
آماده سازي جاذب و محلول پني سيلين G
بعد از تهيه ميوه بلوط پوسته هاي آن جداسازي شد و چندين بار با آب مقطر براي حذف ناخالصي هاي موجود شسته شد.
بخشي از آن جداسازي شد و بعد از قرار گرفتن داخل اسيد سولفوريک به مدت h ٢۴ در C ١۵ در داخل آون قرار گرفت .
سپس بعد از طي زمان مورد نظر، مواد خنک شدند و براي حذف باقي مانده اسيد مواد مورد نظر در بي کربنات سديم ١٪ قرار گرفتند. سپس مواد در داخل آون در دماي C ١٠۵ براي مدت h ٢۴ قرار گرفتند. بعد از طي زمان مورد نظر مواد توسط الک هاي استانداردASTM با مش ۳۵ تا۵۰ جداسازي شدند.
براي تهيه فاضلاب سنتتيک ، ابتدا يک محلول استوک g/L ۱ از پني سيلين G ساخته شدوسپس براي ساخت محلول هاي با غلظت هاي متفاوت از محلول استوک استفاده شد.
اندازه گيري پتانسيل زتا
براي تعيين pH نقطه ايزوالکتريک ، mL ۵۰ از نيترات پتاسيم (M)به ظروف شيشه اي اضافه شد. سپس pH محلول اوليه در محدوده ۱۲-۲ به وسيله اسيد کلردريک و هيدروکسيد سديم تنظيم شد. سپس g ۰.۲ از جاذب به هر کدام از ظروف مورد نظر اضافه شدو براي h ۲۴ به هم زده شد. سپس pH نهايي محلول با استفاده از pH متر اندازه گيري شد. نمودار pH اوليه در مقابل pH نهايي رسم شد نقطه تلاقي دو منحني به عنوان pH نقطه ايزوالکتريک معرفي شد(۱۸).
روش کار
تمامي آزمايشات در مقياس آزمايشگاهي و به صورت ناپيوسته انجام شد. براي انجام آزمايشات از ظروف شيشه اي باحجم مشخص (mL ۱۰۰در هر مورد) استفاده شد. اندازه گيري جذب با مخلوط کردن مقادير متفاوتي از پوسته بلوط ، در mL ۱۰۰، در بشر محتوي محلول پني سيلين با غلظت mg.L ۱۰۰ودر مقادير انجام گرفت (محلول ها با سرعت rpm ۱۵۰ برروي شيکر با درجه حرارت C۲۵ به هم زده شدند). در نهايت غلظت پني سيلين جذب نشده و يا تجزيه نشده با استفاده از اسپکتروفتومتري با کاربرد روش هيدروکسيل آمين تعيين شد. اساس اين روش بر اساس واکنش ميان پني سيلين G هيدروکسيل آمين يون هاي فريک است که توليد اسيد هيدروکساميد مي نمايد که توليد اين اسيد همراه با توليد کمپلکس رنگي زردـ نارنجي است (۱۶و۱۹). جذب رنگ در طول موج nm ۵۱۵ خوانش شد.
براي اطمينان از تکرارپذيري نتايج , هر آزمايش دو بار تکرار و ميانگين اعداد گزارش شد. براي ارزيابي ميزان راندمان حذف از فرمول زير استفاده شد
غلظت تعادلي محلول است . C0 غلظت اوليه محلول و Ce RE درصد راندمان حذف ، مطالعات ايزوترم جذب براي ارزيابي مدل هاي ايزوترمي ، مقدار ثابث جاذب محلول با غلظت هاي متفاوت پني سيلين براي h ۷۲ مخلوط شد. در اين تحقيق از مدل هاي ايزوترمي لانگمير، فروندليچ و دابينين ـ رادشکويچ براي بررسي تعادل جذب استفاده شد. شکل خطي معادله لانگمير به صورت معادله ۲ است . در اين رابطه qe مقدار جزء جذب شده در جرم جاذب بر حسب نشان دهنده ظرفيت جذب ، Ce غلظت تعادلي ماده جذب شده در محلول بعد از جذب سطحي بر حسب mg/L و b ثابت لانگمير که از رسم نمودار Ce/qm در مقابل Ce به دست مي آيد.
يکي از ويژگي هاي معادله لانگمير، پارامتر بدون بعد ضريب جداسازي Rl است که از معادله ۳ محاسبه مي گردد. مقدار Rlمحاسبه شده اگر بيشتر از ۱ باشد جذب غير مطلوب ، اگر برابر ۱ باشد جذب خطي ، اگر ۰ باشد جذب معکوس ناپذير واگر بين ۰و۱باشد جذب مطلوب است
معادله خطي ايزوترم فروندليچ به صورت معادله ۴ است . در اين رابطه Ceغلظت تعادلي در محلول بعد از جذب سطحي بر حسب ظرفيت جذب در زمان تعادل بر حسب ثابت هاي فروندليچ هستند.
شکل خطي معادله دابينين ـ رادشکويچ به صورت معادله ۵ است :
s
مقدار ε(پتانسيل پولاني ) از رابطه (۶)زير قابل محاسبه است :
در اين روابط ، Tدماي مطلق و R ثابت جهاني گازها ، ضريب ثابتي است که به انرژي جذب ميانگين ارتباط دارد، Qs حداکثرظرفيت جذب است . با استفاده از هم دماي دابينين ـ رادشکويچ ، ميانگين انرژي آزاد جذب (E)
برحسب KJ/mol به صورت معادله ۷ قابل محاسبه است :
مطالعات سينتيک جذب
مطالعه سينيتيک جذب نيز به وسيله اختلاط g ۰.۱ پوسته بلوط با غلظت mg/L ۱۰۰ ازمحلول پني سيلين G در3=pH وزمان تماس min ۱۲۰-۵ انجام شد. در اين تحقيق از مدل هاي سينيتيک درجه اول ودرجه دوم کاذب ونفوذ ذره اي براي توصيف داده هاي حاصل استفاده شد. مدل خطي سينتيک درجه اول به صورت معادله ۸ قابل ارايه است :
به ترتيب مقدار جذب شده درزمان تعادل وزمان t و k1 مقدار ثابت جذب معادله درجه اول کاذب است .
ثابت k1 به وسيله رسم نمودار در مقابل t تعيين شد. فرم خطي معادله درجه دو نيز به صورت معادله است :
که مقدار ثابت معادله درجه دوم کاذب که از شيب منحني T/qt در مقابل t قابل محاسبه است . ميزان جذب اوليه به صورت معادله ١٠ تعيين شد:
فرم خطي مدل نفوذ ذره اي نيز به صورت معادله ۱۱ که kd ميزان ثابت نفوذ ذره اي است و مقدار I
ايده اي را در ارتباط با ضخامت لايه بيان مي نمايد.
مطالعه واجذب
براي بررسي مطالعات واجذبي از اسيد کلردريک ، سود، اتانول يا متانول و آب با pH خنثي استفاده شد. براي اين کار ستوني تهيه شد و به مقدار ١گرم جاذب در آن قرار گرفت سپس اين ستون در تماس با mg.L ١٠٠پني سيلين G قرار گرفت وpH ستون در pH برابر ۳ تنظيم شد. سپس بعد از مشخص کردن مقدار PEN G جذب شده ، ستون در تماس با محلول هاي مورد نظربراي بررسي ميزان واجذب قرار گرفت .
بررسي منحني شکست
ابتدا ستوني مثل ستون مرحله قبل آماده شد وg ۱ از جاذب داخل ستون ريخته شد. سپس محلولي از ني سيلين G با غلظت mg.L ۱۰۰ در ۳=pH از اين ستون عبور داده شد. سرعت جريان ثابت در m.min ۲۰تنظيم شد. سپس منحني شکست (منحني تغييرات پني سيلين جذب نشده به مقدار پني سيلين اوليه به صورت تابعي از حجم خروجي رسم گرديد.
مطالعه ويژگي هاي جاذب
براي بررسي ريخت شناسي سطح جاذب ، ساختمان جاذب قبل و بعد از فرايند جذب با استفاده از آزمايش SEM (ميکروسکوپ الکتروني پوششي ) (Jeol Model Jsm-T330) استفاده شد.
در ضمن براي ارزيابي خصوصيات سطحي جاذب پوسته بلوط از دستگاه تبديل فوريه مادون قرمز(Perkin Elmer) FT-IR مدل Spectrum one، در محدوده استفاده شد.
يافته ها
تصاوير SEM و نمودار FT-IR
.....تصاوير SEM براي بررسي ريخت شناسي جاذب پوسته بلوط بسيار مفيد است . تصاوير SEM قبل و بعد از فرايند جذب در شکل ۱ نشان داده شده است . طيف هاي FT-IR جاذب پوسته بلوط براي بررسي تغييرات گروه هاي عملکردي موجود در جاذب مورد استفاده قرار مي گيرند. شکل ۲ طيف هاي IR را قبل و بعد از جذب پني سيلين G بر روي جاذب نشان مي دهد.
ايزوترم هاي جذب
شکل ۳ ايزوترم هاي جذب مربوط به جذب پني سيلين G بر روي پوسته بلوط را نشان مي دهد. پارامترهاي موثر ايزوترم هاي جذب تعادلي نيز در جدول ۲ ذکر گرديده است . مطابق با جدول ۲، جذب پني سيلين بر روي پوسته بلوط هم بستگي زيادي را با ايزوترم فروندليچ نشان مي دهد.
سينيتيک جذب
