بخشی از مقاله
چکیده
فلزات سنگین از جمله آلایندههای مهم در منابع آب محسوب می شوند. هدف این پژوهش بررسی تأثیر کیتوزان در جذب سرب از محلولهای آبی با استفاده از روش سطح پاسخ بر مبنای مدل باکس بنکن میباشد. آزمایشات جذب به منظور ارزیابی اثر متغیرهای مستقل شامل pH، قدرت یونی و غلظت با استفاده از روش ذکر شده برای ارزیابی اثرات این متغیرها انجام گردید.
نتایج نشان داد میزان جذب سرب با افزایش غلظت اولیه فلز، pH و با کاهش قدرت یونی افزایش مییابد. شرایط بهینه برای جذب حداکثر سرب از محلولهای آبی در 5/33 pH ، غلظت 199/80 و قدرت یونی 0/03 مولار بدست آمد. مقادیر پیش بینی شده جذب برای شرایط بهینه ذکر شده - mg/g - 80/22 شد. با توجه به نتایج آزمایشات بدست آمده و در دسترس بودن دیاتومیت ایرانی و ارزانی آن میتوان از این ماده به عنوان یک ماده کاربردی جهت حذف سرب از منابع آب آلوده استفاده نمود.
مقدمه
فلزات سنگین از جمله آلاینده های زیست محیطی هستند که مواجهه انسان با آنها از طریق آب و موادغذایی میتواند مسمومیتهای مزمن و خطرناکی ایجاد نماید. سرب جزء عناصر حیاتی و مورد نیاز بدن نبوده و فلزی فوق العاده سمی می-باشد و تجمع آن در بدن موجودات زنده باعث بیماریهای خطرناکی میگردد - شوکتی و همکاران، . - 1387 این عنصر فلزی به طور طبیعی در محیط زیست وجود دارد ولی در اکثر موارد حاصل فعالیتهای بشری از جمله باطریسازی، صنایع سرامیک و کاشی، ساخت لاستیکها و حشرهکشها و ... میباشد. متابولیسم سرب از نظر ذخیره و انتقال در استخوانها شبیه کلسیم میباشد. مطالعات نشان میدهد استخوانها، کبد و کلیه ها دارای بیشترین مقدار سرب هستند. بنابراین حذف سرب از آب-های آلوده، قبل از ورود به محیط زیست امری ضروری میباشد.
فرایندهای مختلفی همچون ترسیب شیمیایی، انعقاد و شناورسازی الکتریکی، تعویض یون و اسمز معکوس به منظور حذف فلزات سنگین از محیطهای آبی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است؛ اما هر یک از این فرایندها محدودیتهایی از نظر فنی دارد
از بین تمام این روشها، جذب به ویژه با استفاده از جاذبهای ارزان قیمت، تاثیر بالا و سهولت اجرایی داشته و از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه است . - Chiban et al. 2011 - کیتوسان یکی از بیوپلیمرهای فراوان و ارزان جهان است که دارای ویژگیهای زیادی به عنوان یک جاذب ایدهآل برای حذف آلودگیها از آبهای آلوده است
کیتوسان مشتقی از گلوکان با واحدهای تکرار شونده کیتین است. کیتین پس از سلولز فراوانترین پلیمرهای موجود در طبیعت به شمار میآید که در پوست حشرات، دیواره سلولی قارچها و همچنین پوست سخت پوستان و یا اسکلت موجودات دریایی ازجمله ماهی، میگو، خرچنگ، لابستر، گاماروس یافت میشود . - Gavhane et al. 2013 - کیتوسان پلیمری آب دوست و کاتیونی است که از حذف گروههای استیل کیتین در محیطهای بازی به دست میآید
کیتوسان به واسطه جذب، تبادل یونی و کیلیت شدن قادر به ترکیب با یونهای فلزی است. به همین خاطر به طور گسترده برای جذب یونهای فلزات سنگین استفاده شده است . - Krajewska, 2004 - از مدلهای آماری مورد استفاده در طراحی آزمایشات روش سطح پاسخ رویه - RSM - میباشد که روشی ساده، موثر، کم هزینه و اسلوبمند برای بهینه کردن فرایندهای مختلف میباشد. RSM تنها شرایط بهینه را مشخص نمیکند بلکه مدل رگرسیونی مناسب را نیز پیشنهاد مینماید
هدف این مطالعه مدلسازی ظرفیت کیتوزان در جذب فلز سنگین سرب از محلولهای آبی با استفاده از روش سطح پاسخ بر مبنای مدل باکس بنکن و اثر متقابل متغیرهای مستقل موثر بر فرایند جذب شامل pH، غلظت و قدرت یونی در وضعیت ناپیوسته میباشد.
مواد و روشها
در این مطالعه با استفاده از نرم افزار Design-Expert 7.0 برای تعیین تعداد آزمایشها، مقدار پارامترها و در نهایت آنالیز دادههای به دست آمده پس از انجام فرایند مورد استفاده قرار گرفت - جدول . - 1 تعداد آزمایشات با استفاده از روش سطح پاسخ با بکارگیری مدل باکس بنکن از رابطه N=2K - K-1 - +C تعیین شد که N تعداد نمونه آزمایش، K تعداد متغیرها و C تعداد نقطه مرکزی میباشد . پارامترهای تأثیر گذار شامل pH در محدوده 3 تا 6، غلظت اولیه فلز در محدوده 0 تا 100 - mg/L - و قدرت یونی 0/01 تا 0/06 مولار - M - در سیستم ناپیوسته برای جذب سرب از محلولهای آبی با استفاده از کیتوزان - %95 - مورد بررسی قرار گرفت.
جدول -1 پارامترهای مورد استفاده در طراحی به همراه مقادیر و محدوده در نظر گرفته شده
بعد از طراحی آزمایشها، 0/05 گرم از کیتوزان در داخل لولههای سانتریفیوژ 50 میلیلیتری ریخته و به هر یک از لولهها 25 میلیلیتر محلول فلزی با شرایط آزمایشهای طراحی شده در محلول زمینه نیتراتسدیم ریخته و به مدت 3 ساعت شیک شدند. تنظیم pH با استفاده از محلولهای اسید هیدروکلریک و سدیم هیدروکسید یک نرمال انجام گردید. پس از اتمام زمان تماس، نمونهها توسط دستگاه سانتریفوژ صاف محلول رویی برای تعیین غلظت سرب باقی مانده توسط دستگاه جذب اتمی - شیمادزو، مدل - 6300 AA آنالیز شد. میزان جذب - qe - سرب توسط کیتوزان به وسیله رابطه زیر محاسبه شد:
که در آن Ci غلظت اولیه فلز - میلیگرم برلیتر - ،Ce غلظت تعادلی - میلیگرم برلیتر - ، m جرم جاذب 0/05 - گرم - و V حجم محلول 25 - میلیلیتر - میباشد. میزان جذب فلز در نرم افزار اکسل محاسبه و در پایان آزمایشات از نرم
افزار Design-Expert 7.0 استفاده شد.
نتایج و بحث
مدل سازی و آنالیز آماری با استفاده از روش RSM
پس از طراحی تعداد و مقادیر پارامترها توسط مدل باکس بنکن نتایج حاصل از مطالعات بدست آمد
جدول-2 نتایج طراحی آزمایشهای انجام شده مطابق روش باکس بنکن برای جذب سرب به وسیله کیتوزان
شماره آزمایش
به منظور یافتن بهترین مدل، مدل درجه دو Quadratic - توسط نرم افزار برای توصیف فرایند جذب پیشنهاد شد - جدول . - 3 مقدار F-value برابر 12179 و مقدار P-value کوچکتر از 0/001 برای مدل نشان میدهد که مدل پیشنهادی برای شبیه سازی فرایند جذب سرب از محلولهای آبی توسط کیتوزان دارای اهمیت است. مدل ارائه شده برای سیستم شامل سه ترم اثرات تک جزئی یا خطی - غلظت، pH ، قدرت یونی - ، سه ترم مربوط به اثرات دو گانه یا برهمکنشی و سه ترم مربوط به اثرات انحنا یا درجه دوم است. اما همه این پارامترها در مدل تأثیر معنی دار و مهم نداشته و با حذف برخی از این پارامترها مدل سادهتر میشود.
جدول -3 نتایج آنالیز واریانس برای مدل درجه 2 برای جذب Pb به وسیله کیتوزان
