بخشی از مقاله
مقدمه
توسعه واحدهاي صنعتی جهان در طول سالهاي گذشته موجب ورود مقادیر زیادي از فلزات سنگین به محیط زیست شده است، که به دنبال آن مشکلات زیادي براي موجودات زنده به ویژه آبزیان به وجود آمد. کادمیوم و سرب که کاربرد هاي متفاوتی در صنایع دارند در غلظتهاي کم، سمی و براي موجودات خطرناك هستند(.(11 سرب و کادمیوم در صنایع مختلفی از جمله صنایع رنگ سازي، تولید پلاستیک و آلیاژهاي فلزي، سرامیک و باتریهاي
کادمیوم، صنایع پالایش و ذوب سرب به کار می رود و به همین علت مقدار زیادي از آن از طریق پسابهاي واحد هاي صنعتی به محیط زیست وارد می شوند(.(14 فلزات سنگین به دلیل ویژگی بزرگنمایی زیستی خود می تواند به آسانی در اکوسیستمهاي مختلف به پله هاي بالاتر زنجیره غذایی و در نهایت به بافتهاي موجودات زنده از جمله انسان انتقال یابد. به همین دلیل وجود این ترکیبات شیمیایی خطرناك در محیط زیست همواره تهدید جدي
23
Cystoseira indica
مجله پژوهشهاي گیاهی (مجله زیست شناسی ایران) جلد 27، شماره 1، 1393
براي سلامتی موجودات زنده و انسان به شمار می رود(.(14 امروزه بهره برداري از جلبکها در ابعاد صنعتی، کشاورزي، دارویی و غذایی بسیار توسعه یافته و تکنولوژي مدرن براي تولید و بهره برداري از جلبکها در کشور هاي صنعتی و پیشرفته جهان مورد استفاده قرار می گیرد. در کشور ایران علی رغم وجود منابع عظیم جلبکی در دریاي عمان، خلیج فارس، دریاي مازندران و دیگر منابع آب شیرین بایستی اذعان نمود که دانش جلبک شناسی و نیز جنبه هاي اقتصادي، صنعتی و کاربردهاي اکولوژیکی و زیستی محیطی آنها ناشناخته مانده و تاکنون پژوهشهاي جامع و کاربردي در خصوص این موجودات انجام نگرفته است.
در حال حاضر حذف زیستی فلزات سنگین از فاضلابها و منابع آبی یکی از مهم ترین پژوهشهاي جهانی در بخش محیط زیست می باشد که یک مکانیسم بسیار مؤثر در حذف آلاینده ها از محلولهاي آبی است و از مهم ترین فواید تکنولوژي نوین جذب بیولوژیکی، می توان به کم هزینه بودن فرآیند، امکان تولید جاذب در مقادیر زیاد، کارآیی بالا، عدم تولید لجن و کاربري آن در شرایط مختلف محیطی و امکان بازیافت فلزات، اشاره نمود .(16)
فرآیند تصفیه زیستی آلاینده ها توسط موجودات مختلفی، از جمله جلبکها، باکتریها، قارچها، تک سلولیها و پروتوزوآها انجام می گیرد 7) و (10 اما به دلیل وجود ترکیبات پلی ساکاریدي مانند آلژینات و کاراژینتات در دیواره سلولی جلبکهاي دریایی، آنها در مقایسه با سایر موجودات توانایی بالاتري در جذب بسیاري از فلزات دارند به همین علت در سالهاي اخیر استفاده از جلبکها در فرآیند جذب زیستی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است
.(8)
هدف از این تحقیق، جداسازي یونهاي کادمیوم (II) و
سرب (II) توسط جلبک قهوه اي Cystoseira indica و
تأثیر پارامترهاي مختلف در میزان جذب می باشد. سینتیک
جذب با استفاده از معادلات سرعت درجه اول و درجه دوم مطالعه و همچنین چهار نوع از مدلهاي جذب دو پارامتري براي مدل سازي مقدار جذب کادمیوم و سرب در جرمهاي 1 و 2/5 گرم جلبک سیستوسرا ایندیکا استفاده گردید.
مواد و روشها
مواد شیمیایی و آماده سازي جلبک: براي تهیه محلولهاي حاوي یون کادمیوم (II) و سرب (II)، از نمکهاي
Cd(NO3)2.2H2O و Pb(NO3)2 شرکت مرك MERCK
استفاده شد. که براي تهیه محلول فلزي Cd(II) و Pb(II) به صورت 1000 PPM، یک مقدار وزن شده از نمکها در آب مقطر دیونیزه حل گردید و براي تعیین غلظت دقیق محلولهاي نمکی از دستگاه جذب اتمی استفاده شده است.
بر اي بررسی اثرات pH، زمان، دما و غلظت اولیه محلول
40)، 80 و 120 میلی گرم بر لیتر)، 100 سی سی محلول 100 ppm از هر فلز در یک ارلن 250 سی سی آماده شده
و مقادیر مختلف بیومس خشک جلبک 1) و 2/5 گرم) به آن اضافه و روي شیکر قرار می گیرد. بعد از عمل اختلاط
و جذب مخلوط از کاغذ صافی عبور داده می شود. براي
تعیین مقدار فلز جذب شده از دستگاه جذب اتمی GBS
مدل Plus 932 استفاده شده است.
جلبک قهوه اي که از سواحل دریاي
عمان جمع آوري شده بود، در محل، با آب آشامیدنی شسته شده و به مدت چهل و هشت ساعت در معرض نور آفتاب، خشک شد .این جلبک ، در آزمایشگاه به کمک آسیاب، خرد شده و با الک ( RETSCH AS -200) به ذراتی با اندازه متوسط 0/5- 1 mm دانه بندي شد. سپس با آب دوباره تقطیر شده، شسته و مدت بیست و چهار ساعت در دماي 80 درجه خشک شد. پس از خشک شدن، جلبک به هم می چسبد و ذرات بزرگتري ایجاد می شود که این امر به دلیل وجود اسیدهاي آلژینات در جلبک و خاصیت چسبندگی اش است. بنابراین، لازم است جلبکها بعد از
24
مجله پژوهشهاي گیاهی (مجله زیست شناسی ایران)
خشک شدن کامل، دوباره با دستگاه الک، به همان اندازه قبل، دانه بندي شوند. در این تحقیق از دستگاه اسپکتروفوتومتري جذب اتمی (AAS) مدل SpectrAA.20
از شرکت Varian جهت تعیین غلظت کادمیوم و سرب در محلولها و براي تعیین مقدار pH محلول از دستگاه Metrohm استفاده شده است.
مطالعه مدلهاي سینتیکی: سینتیک جذب، براي بررسی فرآیند کنترل کننده در سیستم جذب زیستی مانند انتقال جرم و پیشرفت واکنشهاي شیمیایی به کار می رود. این مدلها شامل معادلات درجه اول و دوم می باشد که به صورت زیر است 2) و .(3
»1« dq / dt K1(qe qt )
که در این معادله K1 ثابت سرعت جذب بیولوژیکی بر حسب min-1 و qe و qt به ترتیب میزان جذب فلز در زمان تعادل و زمان t بر حسب mg/g بوده، با لگاریتم گیري از رابطه فوق معادله زیر به دست می آید:
«2» Kadt log(qe qt ) logqe
2.303
از برازش خطی این معادله بر داده هاي آزمایشی، می توان مقدار qe و K1 را به دست آورد. براي به دست آوردن نقاط، حداکثر مقدارqe از داده هاي تجربی براي کادمیوم و سرب به ترتیب برابر 14/32 mg/g و 10/51 در جرمهاي
2/5 گرم جلبک به دست آمد.
در مدل شبه درجه دوم که آن را به شکل زیر نشان می دهند:
»3« dqt / dt K2 (qe qt )
که در این معادله K2 ثابت سرعت واکنش درجه دوم بر حسب g/mg.min است. qe و qt همانند معادله شبه درجه اول هستند. با انتگرال گیري از معادله 3، رابطه زیر به دست می آید.
جلد 27، شماره 1، 1393
t «4» 1 1 t
qe K2qe2 q t
که مقدار K2 و qe از محاسبه شیب و عرض از مبدا نمودار
به دست می آید.
مدلهاي ایزوترم جذب زیستی: مدلهاي ایزوترم، نتایج آزمایشی را در قالب فرمولهاي کاربردي با پارامترهاي مفید در می آورد، به طوري که در طراحیها به راحتی قابل استفاده باشند. به عبارت دیگر، ایزوترم جذب نموداري از میزان جذب (qe) و غلظت تعادلی فلز (Ce) است. مدلهاي ایزوترم جذب تعادلی دو پارامتري، شامل ایزوترمهاي لانگمویر، فرویندلیش، تمکین و دوبینین- رادوشکویچ در این مطالعه استفاده شده است.
نتایج و بحث
اثر :pH یکی از پارامترهاي مهم که در جذب زیستی فلزات سنگین تأثیر قابل ملاحظه اي می گذارد، pH اولیه محلول است. اثر pH روي جذب فلزات توسط جلبک مورد مطالعه گرفت و نتایج حاصل حاکی از آن است که
pH هاي خیلی پایین و خیلی بالا منجر به کاهش میزان جذب می شوند .(14) شکل1 نشان می دهد حداکثر حذف فلز(Cd(II و Pb(II) از محلول توسط بیومس درحد فاصل
6 pH تا 7 می باشد که براي فلز کادمیوم حداکثر حذف در این حد فاصل براي مقادیر جاذب 1 و 2/5 گرم به ترتیب
79/1 درصد و 89/2 درصد و براي فلز سرب 73/2 درصد و 69 درصد به دست آمده است. در مقادیر pH پایین تر، بین یونهاي مثبت H و یون فلزي براي اتصال به سطح جاذب رقابت به وجود می آید. در نتیجه میزان حذف فلز در pH هاي پایین کم است. به عبارت بهتر، در pHهاي پایین یونهاي مثبت H بر روي سایتهاي جذب، غلبه کرده و دسترسی کاتیونها به این سایتها در نتیجه نیروي دافعه محدود و سبب کاهش درصد جذب می شود. با افزایش
pH، جذب نیز افزایش می یابد که می توان گفت در این محدوده (خنثی و اسیدي ضعیف) اکثر فلزات، به صورت
25
مجله پژوهشهاي گیاهی (مجله زیست شناسی ایران) جلد 27، شماره 1، 1393
کاتیونهاي محلول و آزاد براي جذب در دسترس قرار دارند
.(5)
شکل -1 اثر pH بر میزان درصد حذف Cd(II) و Pb(II) توسط مقادیر مختلف جلبک Cystoseira indica
می دهد با افزایش زمان، میزان جذب به طور قابل ملاحظه اي زیاد می شود .(1)
اثر دما در جذب: شکل 3 نشان می دهد که با افزایش دما مقدار جذب افزایش می یابد. زیرا با افزایش دما تعداد برخوردها بین ذرات و سطح جاذب زیاد شده و میزان جذب افزایش می یابد .(9)
ایزوترمهاي جذب سطحی: مدلهاي ایزوترم دو پارامتري با داده هاي به دست آمده از آزمایشها همخوانی دارد و محاسبات ریاضی نشان می دهد جذب از هر چهار مدل پیروي می کند.
مدل لانگمویر(:(Langmuir جدول 1 ایزوترم جذب سطحی Langmuir را براي هر دو فلز نشان می دهد.
معادلات Langmuir بدین صورت می باشد:
»5« 1 bCe qe qmaxbCe
شکل -2 اثر زمان بر میزان درصد حذف Cd(II) و Pb(II) درpH=7 توسط مقادیر مختلف جلبک Cystoseira indica
اثر زمان تماس در جذب: شکل 2 نشان می دهد در 40
دقیقه اول تماس، میزان جذب افزایش چشمگیري با گذشت زمان دارد و بعد از گذشت زمان بیش از 50 دقیقه میزان جذب تغییر قابل ملاحظه اي با گذشت زمان ندارد.
در این تحقیق نتایج کاملاً مشابهی در جذب هر دو فلز بر حسب زمان مشاهده گردید. مطالعات گذشته نشان می دهد که سرعت بیولوژیکی و زمان جذب به میزان غلظت اولیه بستگی ندارد 12) و .(15 برخی از تحقیقات انجام شده در مورد جذب فلز کبالت توسط Gracilaria corticota نشان
در این مدل، Ce غلظت تعادلی فلز در محلول (mg/l)، qe
میزان فلز جذب شده از محلول (mg/g) در حالت تعادل، qmax بیانگر تعداد کل سایتهاي جاذب زیستی است که براي پیوند با فلزات در دسترس هستند. b ثابت تعادل جذب و نشان دهنده میل ترکیبی جاذب با جذب شونده است.
معادله لانگمویر به صورت زیر به شکل خطی در می آید:
«6» 1 1 1
qm qmbCe qe
مدل فریندلیچ :(Freundlich) جدول 1 ایزوترم جذب سطحی Freundlich را براي هر دو فلز نشان می دهد.
معادله Freundlich به شکل زیر است:
