تعداد نشریات | 50 |
تعداد شمارهها | 2,232 |
تعداد مقالات | 20,476 |
تعداد مشاهده مقاله | 25,358,077 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 23,010,570 |
بررسی تاثیر بیوچارهای حاصل از بقایای گندم و ذرت بر جذب روی در محلولهای آبی | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
علوم و تکنولوژی محیط زیست | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
مقاله 10، دوره 22، شماره 6 - شماره پیاپی 97، شهریور 1399، صفحه 129-146 اصل مقاله (776.82 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22034/jest.2018.19726.2863 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نویسندگان | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
حمیدرضا بوستانی 1؛ هانیه عسکری2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1دانشیار گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی داراب، دانشگاه شیراز، داراب، ایران *(مسئول مکاتبات). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2دانش آموخته کارشناسی ارشد شیمی، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
چکیده | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
زمینه و هدف: در سالهای اخیر، برای کنترل آلودگی محلولهای آبی حاوی فلزات سنگین، استفاده از بیوچار به عنوان جاذب، مورد توجه پژوهشگران قرارگرفتهاست. در این مطالعه کارایی بیوچار کاهگندم و کاهذرت درجهت حذف روی از محلولهای آبی تحت تاثیر فاکتورهای مختلف مانند pH ، زمانتماس، مقدار جاذب و غلظت ماده جذبشونده مورد بررسی قرارگرفت. روش بررسی: جهت توصیف ایزوترم جذب از مدلهای لانگمویر و فروندلیچ استفاده شد و مدلهای سینتیکی شبهدرجهاول و شبهدرجهدوم جهت توصیف سینتیک جذب به کار برده شدند. یافتهها: pH بهینه جذب روی توسط هر دو بیوچار، pH 5 بود. با افزایش زمان تماس، بازده جذب روی توسط دو جاذب افزایش یافت و در زمان بیستوچهار ساعت به حالت تعادل رسید. با افزایش سطح دو جاذب تا 20 گرم در لیتر (8/0 گرم) درصد حذف روی از محلول افزایش یافت درحالیکه سطوح بالاتر سبب کاهش کارایی جذب شد. نتایج نشان داد که مدل لانگمویر نسبت به مدل فروندلیچ برازش بهتری را بر دادههای جذب روی نشان داد. بر این اساس، ظرفیت جذب روی توسط بیوچار کاهذرت (60/9 میلیگرم بر گرم) از بیوچار کاه گندم (77/6 میلیگرم بر گرم) بیشتر بود. دادههای سینتیکی جذب، توسط مدل شبه درجه دوم نسبت به مدل شبه درجه اول بهتر توصیف شدند، بنابراین به نظر میرسد که روند غالب جذب روی توسط بیوچار از نوع جذب شیمیایی باشد. بحث و نتیجهگیری: نتایج نشان داد که بیوچارهای مورد استفاده در این آزمایش میتوانند به عنوان یک جاذب موثر، ارزان قیمت و دردسترس جهت حذف روی از محلولهای آبی استفاده شوند. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
کلیدواژهها | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
بیوچار کاهذرت؛ بیوچار کاهگندم؛ مدل لانگمویر؛ مدل سینتیکی شبه درجه دوم؛ جذب شیمیایی | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
اصل مقاله | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره شش، شهریور ماه 99 بررسی تاثیر بیوچارهای حاصل از بقایای گندم و ذرت بر جذب روی در محلولهای آبی
حمیدرضا بوستانی[1]* هانیه عسکری[2]
چکیده: زمینه و هدف: در سالهای اخیر، برای کنترل آلودگی محلولهای آبی حاوی فلزات سنگین، استفاده از بیوچار به عنوان جاذب، مورد توجه پژوهشگران قرارگرفتهاست. در این مطالعه کارایی بیوچار کاهگندم و کاهذرت درجهت حذف روی از محلولهای آبی تحت تاثیر فاکتورهای مختلف مانند pH ، زمانتماس، مقدار جاذب و غلظت ماده جذبشونده مورد بررسی قرارگرفت. روش بررسی: جهت توصیف ایزوترم جذب از مدلهای لانگمویر و فروندلیچ استفاده شد و مدلهای سینتیکی شبهدرجهاول و شبهدرجهدوم جهت توصیف سینتیک جذب به کار برده شدند. یافتهها: pH بهینه جذب روی توسط هر دو بیوچار، pH 5 بود. با افزایش زمان تماس، بازده جذب روی توسط دو جاذب افزایش یافت و در زمان بیستوچهار ساعت به حالت تعادل رسید. با افزایش سطح دو جاذب تا 20 گرم در لیتر (8/0 گرم) درصد حذف روی از محلول افزایش یافت درحالیکه سطوح بالاتر سبب کاهش کارایی جذب شد. نتایج نشان داد که مدل لانگمویر نسبت به مدل فروندلیچ برازش بهتری را بر دادههای جذب روی نشان داد. بر این اساس، ظرفیت جذب روی توسط بیوچار کاهذرت (60/9 میلیگرم بر گرم) از بیوچار کاه گندم (77/6 میلیگرم بر گرم) بیشتر بود. دادههای سینتیکی جذب، توسط مدل شبه درجه دوم نسبت به مدل شبه درجه اول بهتر توصیف شدند، بنابراین به نظر میرسد که روند غالب جذب روی توسط بیوچار از نوع جذب شیمیایی باشد. بحث و نتیجهگیری: نتایج نشان داد که بیوچارهای مورد استفاده در این آزمایش میتوانند به عنوان یک جاذب موثر، ارزان قیمت و دردسترس جهت حذف روی از محلولهای آبی استفاده شوند. واژههای کلیدی: بیوچار کاهذرت، بیوچار کاهگندم، مدل لانگمویر، مدل سینتیکی شبه درجه دوم ، جذب شیمیایی
Investigation of Effects of Bio Chars Derived from Wheat and Corn Straw on Zinc Adsorption in Aqueous Solutions
Hamid Reza Boostani*[3] Hanieh Askari[4]
Abstract Introduction: In recent years, use of bio char as bio sorbent for pollution control of aqueous solutions containing heavy metals, has been considered by researchers. In the present study, the efficiency of wheat straw bio char and corn straw bio char for the removal of Zinc from aqueous solutions had been investigated under the influence of various factors such as pH, contact time, adsorbent dose and adsorbent concentration. Material and Methods: Langmuir and Freundlich models were used to describe the adsorption isotherm and Pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models were applied for description of adsorption kinetics. Results: The optimum pH for Zn adsorption was found to be 5 by two bio chars. With increasing contact time, Zn adsorption efficiency was increased by two adsorbents and at 24 hours reached to equilibrium. The increase of bio char dosage until 20 g.L-1, the percentage of Zn removal in solutions was enhanced by tow adsorbents; however, the upper dosage of adsorbent caused a decrease in removal efficiency. The results indicate that the Langmuir model better fits on adsorption data than Freundlich model. Accordingly, Zn adsorption capacity by corn straw bio char (9.60 mg. g-1) was higher than the wheat straw bio char (6.77 mg.g-1). The kinetic data were better represented by the pseudo-second-order than the pseudo-first-order kinetic model, so it seems that the dominant process of Zn adsorption to be a chemisorption. Conclusion: The results showed that the bio chars which used in this experiment can be applied as a low-cost, effective and available adsorbent for removal of Zn from aqueous solutions. Key words: Corn Straw Bio char, Wheat Straw Bio char, Langmuir Model, Pseudo-Second Order Kinetic Models, Chemical Adsorption
مقدمه
با توجه به توسعه سریع فعالیتهای صنعتی، مقدار زیادی از پسابهای صنعتی حاوی عناصر سنگین به آبهای سطحی و زیرزمینی منتشر شده که منجر به مشکلات فراوان زیست محیطی میشوند (1). فلزات سنگین مانند سرب، کادمیم، روی و مس سمی بوده و میتوانند برای مدت زمان طولانی در محیط زیست بدون اینکه تخریب شوند، پایدار بمانند. این فلزات میتوانند در بدن موجودات زنده تجمع یابند و ممکن است سلامتی انسانها را به مخاطره بیندازند (2). بنابراین بسیار مهم است که تکنولوژیهای مؤثری را در جهت رفع آلودگی عناصر سنگین از پسابها بکار برده، قبل از اینکه به محیط زیست وارد شوند. عنصر روی در محیط زیست جزء عناصر ریزمغذی و مورد نیاز گیاهان جهت بسیاری از فعالیتهای حیاتی خود میباشد، اما اگر غلظت آن در محیط به بیش از حد مجاز خود رسد، مشکلات جدی زیست محیطی را برای موجودات زنده ایجاد میکند (3). حداکثر غلظت قابل قبول روی در آب آشامیدنی که توسط سازمان بهداشت جهانی ارایه شده است، 5 میلیگرم در لیتر میباشد (4). روشهای سنتی جهت حذف فلزات سنگین از محلولهای آبی شامل انعقاد، رسوبشیمیایی، تبادل یونی و فرایندهای جداسازی غشایی میباشند. با این حال، با توجه به هزینههای بالا و مقدار قابل توجهی از لجن باقی مانده از این روشهای سنتی، جذبسطحی به عنوان یک انتخاب بهتر و ارزانتر، بهخصوص در غلظتهای پایین و متوسط آلودگی عناصر سنگین، در نظر گرفته شده است (5). بسیاری از مطالعات نشان داده است که جاذبهای زیستی که از پسماند تودههای زنده حاصل میشوند، مانند ضایعات و بقایای محصولات کشاورزی، میتوانند به عنوان یک جاذب ارزان قیمت و امیدوارکننده جهت حذف فلزات سنگین از محلولهای آبی بکار روند (6). بیوچار، ماده کربنی گرمادیده حاصل از تودههای زنده در شرایط اکسیژن محدود، یکی از جاذبهای زیستی سازگار با محیط زیست به شمار میآید که اخیراً بهدلیل میل ترکیبی قوی خود برای آلایندههای مختلف در آب و خاک و همچنین قیمت ارزان، از سوی پژوهشگران مورد توجه زیادی قرارگرفتهاست (7). بیوچار حاصل از پسماندهای کشاورزی و جنگلداری توانایی بالایی را از خود برای جذب انواع فلزات سنگین در محلولهای آبی نشاندادهاند (8). ظرفیت جذب سطحی عناصر سنگین از محلولهای آبی و مکانیسم آن توسط بیوچار، بستگی به خصوصیات جذبسطحی بیوچار مانند سطحویژه و گروههای عاملی آن دارد که به طور قوی وابسته به نوع ماده آلی اولیه و رژیم حرارتی تولید آن میباشد (9). مکانیسمهای عمدهای که بیوچار در جهت حذف عناصر سنگین به کار میگیرد عبارتند از: الف) تشکیل هیدرواکسید فلز، کربنات و یا رسوبفسفات (10)، ب) تبادل یونی که منجر به رهاسازی یون هیدروژن و دیگر یونهای فلزی کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم میشود (11)، ج) کمپلکس با گروههای عاملی مانند گروه کربوکسیل و یا هیدروکسیل (12). پارک و همکاران (13) حذف عناصر سنگین را توسط بیوچار کاهکنجد تهیه شده در دمای 700 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت از محلول آبی را مورد بررسی قرار داده و مشاهده کردند که حداکثر ظرفیت جذب بیوچار بر حسب میلیگرم در کیلوگرم برای عناصر مختلف به ترتیب بهصورت سرب (102) < کادمیم (86) < کروم (65) < مس (55) < روی (34) بود. همچنین نتیجهگرفتند که مدلهای ایزوترم جذب لانگمویر و فروندلیچ، برازش خوبی را از دادههای جذب برای عناصر مختلف ارایه کردند. مانتوناناکی و همکاران (14) استفاده از بیوچار تفاله قهوه را در حذف روی از محلول آبی مورد بررسی قرار دادند و بیان کردند که pH بهینه محلول جهت جذب روی توسط بیوچار 5 و بهترین دمای تشکیل بیوچار 600 درجه سانتیگراد بود. همچنین بهترین مدل سینتیکی جذب روی از محلول را معادله شبه درجه دوم معرفی نمودند. آنان نتیجه گرفتند که بهترین مدل توصیف کننده ایزوترم جذب روی به دمای تشکیل بیوچار بستگی داشت. ژو و همکاران (15) گزارش کردند که استفاده از بیوچار کود دامی و سبوس برنج بدست آمده در دمای 350 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت، سبب حذف قابل توجهی از عناصر سنگین کادمیم، روی، سرب و مس از محلولهای آبی شد به طوری که حداکثر میزان جذب هر عنصر توسط بیوچار کود دامی 484 میلیگرم بر کیلوگرم بود درحالی که برای بیوچار سبوس برنج بین 5/65 تا 140 میلیگرم بر کیلوگرم برای عناصر مختلف بود. چن و همکاران (16) با کاربرد بیوچار چوب سخت (400 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت) در حذف روی از محلول آبی، بیان کردند که ایزوترم جذب لانگمویر بهترین مدل توصیف کننده جذب روی بود و حداکثر میزان جذب روی برآورد شده توسط این مدل به صورت تک لایهای 54/4 میلیگرم در گرم بود. با توجه به اینکه در مورد تاثیر متغیرهای مختلف در فرایند جذب روی در محلول آبی توسط بیوچارهای حاصل از کاهگندم و ذرت بهعنوان جاذبهای زیستی سازگار با محیطزیست، قابل دسترس و ارزان قیمت، مطالعات زیادی صورتنگرفته است، لذا در پژوهش حاضر بهبررسی استفاده از این دو نوع بیوچار و مقایسه آنها در حذف روی از محلولهای آبی در سیستم ناپیوسته و تحت شرایط مختلف از جمله تغییرات pH ، غلظت اولیه روی در محلول، مقدار جاذب و زمان تماس پرداخته شده است. روش بررسی تولید بیوچار و تعیین خصوصیات آن بیوچارهای مورد استفاده حاصل دو نوع ماده آلی مختلف شامل کاهگندم و کاه ذرت بود که از طریق روش گرماکافت آهسته در شرایط اکسیژن محدود تهیه شد (17). روش کار به این صورت بود که مواد آلی مورد نظر را آسیاب کرده و در یک کوره الکتریکی در شرایط اکسیژن محدود در دمای 500 درجه سانتیگراد حرارت داده شدند. دمای گرماکافت به صورت تدریجی بالا برده شد به طوری که از دمای اتاق شروع شد و در هر یک دقیقه پنج درجه دمای کوره افزایش یافت تا دما به 500 درجه (دمای نهایی) رسید و سپس نمونهها به مدت 4 ساعت در ایندما نگهداری شدند. پس از آن، بیوچارهای تولیدی در دمای اتاق به تدریج سرد شدند و قبل از استفاده از الک 5/0 میلیمتری عبور داده شدند (18). برخی از خصوصیات شیمیایی بیوچارهای تولیدی توسط روشهای استاندار آزمایشگاهی اندازهگیری شدند (جدول 1). pH توسط روش سان و همکاران (19) با استفاده از سوسپانسیون 1 : 20 بیوچار به آب مقطر، قابلیت هدایت الکتریکی در عصاره 10:1 بیوچار به آب مقطر (20) و درصد کربن و نیتروژن توسط دستگاه CHN Analyzer (ThermoFinnigan Flash EA 1112 Series) اندازهگیری شد. ظرفیتتبادلکاتیونی نیز از طریق روش مجموع کاتیونهای بازی با استفاده از عصارهگیر استاتآمونیوم 1 مولار با pH 7 اندازهگیریشد (21). جهت تعیین غلظت کل عنصر روی از عصاره حاصل از روش خشکسوزانی و حل خاکستر حاصل در اسید کلریدریک 2 نرمال استفادهشد (22). در عصاره حاصل، غلظت روی توسط دستگاه جذب اتمی (AAS; PG 990, PG Instruments Ltd. UK) تعیین شد. بهمنظور شناسایی گروههای عاملی سطحی بیوچار، از دستگاه اسپکتروسکوپ FTIR (Shimadzu DR-8001) استفاده شد، به این صورت که مقدار بسیار ناچیزی از نمونه بیوچار (حدود 1 میلیگرم) را که کاملاً پودر شده با نسبت 1 به 100 با پتاسیم برمید کاملاً خشک، مخلوط کرده و سپس مقداری از آن را در قالب فلزی مخصوص ریخته و با دستگاه پرس هیدرولیک تحت فشار قرار میدهیم تا یک قرص شفاف بدستآید و سپس با استفاده از دستگاه اسپکتروسکوپ FTIR اقدام به گرفتن طیف از بیوچار شد.
مواد شیمیایی جهت ساخت محلول استاندارد روی از سولفاتروی (ZnSO4, 7H2O) محصول شرکت مرک آلمان استفاده شد بهطوریکه در ابتدا یکمحلول 1000 میلیگرم در لیتر آن با استفاده از آبمقطر یک بار تقطیر ساختهشد و سپس محلولهای مورد نیاز با غلظتهای مشخص از آن تهیه گردید. جهت تنظیم pH اولیه محلولها در این آزمایش از اسیدکلریدریک و سدیم هیدرواکسید 01/0 مولار استفاده شد. آزمایشهای جذب اثر pH اولیه محلول جهت تعیین pH بهینه جذب، مقدار 2/0 گرم از هر جاذب را در لوله سانتریفوژ 50 میلیلیتری قرار داده و به آنها 40 میلیلیتر محلول 100 میلیگرم بر لیتر روی با pH های 2، 3، 4، 5 و 6 افزوده و برای مدت 24 ساعت در دمای اتاق بر روی شیکر تکان داده شد. سپس نمونهها بهمدت 15 دقیقه در 4000 دور سانتریفیوژ و بلافاصله محلول زلال روئی توسط کاغذ صافی واتمن 42 صاف شدند و مقدار روی موجود در محلول صاف شده توسط دستگاه جذب اتمی قرائت شد. برای هر تیمار سه تکرار در نظر گرفته شد.
اثر زمان تماس و سینتیک جذب جهت مطالعه اثر زمان تماس محلول فلزی روی با جاذب بر راندمان جذب مقدار 2/0 گرم از هر جاذب را به 40 میلیلیتر محلول 100 میلیگرم در لیتر روی با pH بهینه (که از مرحله قبل بدست میآید) افزوده و برای مدت زمان های 5، 10، 20، 50، 120، 200، 600، 1440 و 2880 دقیقه در دمای اتاق بر روی دستگاه تکان دهنده با دور 125، نگهداری شد. پس از آن بلافاصله به مدت 15 دقیقه سانتریفیوژ، صاف و مقدار روی آن توسط دستگاه جذب اتمی اندازهگیری شد. اندازهگیری ایزوترم جذب روی به منظور مطالعه اثر غلظت اولیه روی بر راندمان جذب روی توسط جاذب، مقدار 40 میلیلیتر محلول روی با غلظتهای اولیه 10، 30، 50، 100، 150، 200 و 300 میلیگرم در لیتر با pH بهینه جذب به 2/0 گرم از هر جاذب افزوده شد و برای مدت زمان بهینه (بدست آمده از مرحله قبل) در دمای اتاق تکان داده شدند. پس از آن بلافاصله به مدت 15 دقیقه سانتریفیوژ ، صاف و غلظت روی در عصاره حاصل توسط دستگاه جذب اتمی تعیینشد. جهت محاسبه درصد حذف عنصر توسط جاذب از محلول فلزی (بازده جذب) (Ea) (رابطه 1) و ظرفیت جذبتعادلی (qe) (رابطه 2) از روابط زیر استفاده شد: 16Ea=(C0-Ce)C0"> × 100 رابطه (1) رابطه (2) 16qe=C0-Ce×vm"> که در این معادلات، Eaبازده جذب برحسب درصد، qe مقدار یون جذب سطحی شده توسط جاذب (میلیگرم بر گرم)، C0 غلظت اولیه روی در محلول (میلیگرم در لیتر)، Ceغلظت تعادلی یون روی در محلول (میلیگرم در لیتر)، m جرم جاذب (گرم)، و v حجم محلول (لیتر) است. جهت بررسی ایزوترم جذب روی از دو مدل لانگمویر (رابطه 4) و فرونلیچ (رابطه 3) استفاده شد. شکل خطی معادلات به صورت زیر می باشد: Log Qe = Log Kf + 1/n Log Ce رابطه (3) 1/Qe = 1/Qm + 1/Ce(1/klQm) رابطه (4) که در این معادلات Kf و n ثابتهای معادله فرونلیچ، kl ثابت معادله لانگمویر در ارتباط با انرژی جذب (L.mg-1) و Qm (mg.g-1) حداکثر جذب سطحی روی به صورت تک لایهای میباشد. اثر مقدار جاذب به منظور بررسی اثر مقدار جاذب بر میزان حذف روی از محلول آبی، پنج سطح جاذب شامل 05/0، 1/0، 2/0، 4/0، 8/0 و 6/1 گرم از هرجاذب در نظر گرفته شد و به آنها مقدار 40 میلیلیتر محلول 100 میلیگرم در لیتر روی با pH بهینه افزوده و برای مدت زمان بهینه (بدست آمده از مرحله قبل) در دمای اتاق شیک شد. پس از آن بلافاصله به مدت 15 دقیقه سانتریفیوژ ، صاف و غلظت روی در عصاره حاصل توسط دستگاه جذب اتمی تعیینشد. تعیین مدلهای سینتیکی جذب سینتیک جذب روی توسط معادلات سینتیکی شبه درجه یک (23)، (رابطه 5) و شبه درجه دوم (24)، (رابطه 6) مورد ارزیابی قرار گرفت. اینمعادلات از لحاظ ریاضی به صورت زیر بیان میشوند: Ln(Qf – Qt) = Ln Qf – K1t رابطه (5) t/Qt = 1/k2Qf2 + t/Qf رابطه (6) که در این معادلات Qt و Qfبه ترتیب بیانگر مقدار یون جذب سطحی شده (mg g-1) بر روی جاذب در زمان های t و در حال تعادل میباشند. همچنین k1(min-1) ثابت سرعت معادله کاذب درجه یک و k2 (g.mg-1min-1) ثابت سرعت معادله سینتیکی کاذب درجه دو میباشد.جهت ارزیابی مدلهای سینتیکی و ایزوترمهای جذب در این پژوهش، از ضرییب تبیین (r2) که از طریق رگرسیون خطی بدست آمد، استفاده شد. محاسبات آماری و برازش مدلها توسط نرم افزار SPSS 17.0 و رسم گرافها با استفاده از نرم افزار Excel 2007 انجام شد. یافتهها و بحث مشخصات گروههای عاملی موجود در سطوح بیوچارها در بررسی گروههای عاملی سطحی بیوچارهای مورد مطالعه با FTIR (در شکل 1 طیف بیوچار کاه گندم و ذرت آورده شده است)، پیکهای با عدد موجی cm-1 3433، 3416، 3431، 3414 و 3420 مربوط به گروههای عاملی الکلها و فنولها، آمینهای نوع اول و دوم و همچنین آمیدها، 2872، 2939، 2931 و 2877 مربوط به گروههای کربونیل و همچنین پیوند کربن-هیدروژن کششی موجود در آلکانها، 1585، 1581، 1588، 1571 و 1590 مربوط به پیوند دوگانه کربن-کربن کششی در آلکنها، 1430، 1424، 1408 و 1421 مربوط به پیوند کربن-هیدروژن خمشی موجود در آلکانها، 1113، 1247، 1096، 1027 و 1024 مربوط به گروههای عاملی کربوکسیل، الکلها، آمینهای آلیفاتیک، استرها و اترهای با پیوند دوگانه، 873، 876 و 870 مربوط به پیوند هیدروژن-کربن خمشی موجود در آلکنها است. پیکهای یادشده در بالا در هر دو بیوچار کاربردی مشترک بود. پیک با عدد موجی 3033 در بیوچار کاهگندم مربوط به پیوند کربن-هیدروژن کششی موجود در آلکنها است (25).
(الف) (a)
(ب) (b) نمودار 1- طیف FTIR بیوچار کاه گندم (الف) و کاه ذرت (ب) Figure 1- FTIR spectra of wheat straw biochar (a) and corn straw biochar (b)
اثر pH بر بازده جذب روی اثر pH اولیه بر راندمان جذب روی در شکل 2 نشان داده شده است. با افزایش pH از 2 به 5، راندمان جذب روی توسط هر دو نوع بیوچار افزایش یافت و بیشترین میزان حذف روی از محلول در pH 5 مشاهده شد که به ترتیب توسط بیوچار کاهگندم و کاهذرت به میزان 2/74 و 2/82 درصد بود. با افزایش pH از 5 به 6 راندمان جذب روی توسط هر دو جاذب کاهشیافت بهطوری که میزان آن به ترتیب در بیوچار کاهگندم و ذرت به 1/70 و 8/78 درصد رسید. یکی از مهمترین عوامل موثر بر فرآیند جذب، pH محیط است، زیرا از یک سو یونهای هیدروژن به شدت با یونهای فلزی برای سایت های جذب رقابت میکنند و از سوی دیگر تعیینکننده شکل شیمیایی یونی فلز و درجهیونیزاسیون جاذب در طول واکنش است (26). کم بودن بازده جذب روی در pH های پایین میتواند بهاین دلیل باشد که در pH پایین گروههای عاملی سطحی بیوچار پروتونه شده و به صورت بار مثبت وجود دارند. در این حالت بیشتر تمایل جاذب به جذب آنیون است (21). علاوه بر این در pH پایین مقدار زیادی H+ و H3O+ در محلول وجود داشته که ممکن است با کاتیون روی برای جذب بر روی سایتهایفعال جاذب رقابتکنند (27). با افزایش pH بار منفی سطح جاذب در اثر تفکیک گروههای عاملی هیدروکسیل و کربوکسیل افزایش مییابد و واکنش روی با سایتهای جذب افزایش مییابد. همچنین میزان یون هیدروژن محلول کاهش یافته و رقابت کمتری را با یون روی برای جذب بر روی سایتهایفعال جاذب دارد. علت کاهش کارایی راندمان حذف روی در pH بالای 5، احتمالاً حاصل تشکیل کمپلکسهای هیدروکسیلی روی به صورت محلول (M(OH)+) و نامحلول (M(OH)2) و رقابت آن با سایتهای فعال جذب است، بنابراین میزان نگهداری یون روی بر روی سایتهای جذب کاهش مییابد (28). بنابراین در طول تمام آزمایشهای جذب در این پژوهش از pH بهینه جذب (5) استفاده شد. چن و همکاران (16) با کاربرد بیوچارهای کاه ذرت (تولید شده در دمای 600 درجه سانتیگراد) و چوب سخت (تولید شده در دمای 450 درجه سانتیگراد) در حذف روی و مس از محلولهای آبی مشاهده کردند که با افزایش pH میزان راندمان حذف روی توسط دوجاذب افزایشیافته و pH بهینه جذب روی را pH 5 گزارش کردند. آنان بیان کردند که در pH بالای 5 راندمان جذب روی، احتمالاً در نتیجه تشکیل کمپلکسهای هیدروکسیلی، کاهش یافت. ژیانگ و همکاران (29) با کاربرد دو نوع بیوچار (چوب نرم و سخت تهیه شده در دمای 700 درجه سانتیگراد) در حذف روی و مس از محلولهای آبی، نتیجه گرفتند که با افزایش pH اولیه محلول درصد حذف روی از محلول بالا رفته و بیشترین مقدار راندمان جذب روی توسط دو جاذب در pH 5/5 مشاهده شد.
اثر زمان تماس بر میزان جذب روی و سینتیک جذب
بررسی الگوی جذب روی با زمان نشان داد که هر چه زمان تماس جاذب با محلول آبی ییشتر شود، میزان جذب روی از محلول توسط هر دوجاذب افزایش مییابد. الگوی جذب روی به این صورت بود که در ابتدا با یک شیب تند تا زمان 360 دقیقه پیش رفته و سپس با یکشیبملایم تا زمان 2880 دقیقه ادامه یافت (شکل 3). درصد نسبت مقدار جذب روی توسط بیوچار کاهذرت و گندم در زمان 360 دقیقه به زمان 2880 دقیقه به ترتیب 1/77 و 5/84 بود که در واقع نشان دهنده این است که قسمت عمده روی در همان 6 ساعت اول توسط هر دو جاذب، از محلول خارج شده است. این الگوی جذب روی بر روی بیوچار (در ابتدا با شیب تند و سپس ملایم) توسط پژوهشگران دیگر نیز با استفاده از بیوچارهای مختلف گزارش شده است (16: 31). تفاوت مقدار روی جذب شده در زمانهای 1440 و 2880 دقیقه توسط هر دوجاذب از لحاظآماری در سطح پنج درصد معنیدار نبود، بنابراین میتوان گفت که جذب روی توسط هر دو جاذب در زمان 24 ساعت بهحالت تعادل رسیدهاست.
سینتیک جذب یک ویژگی مهم جهت توصیف کارایی جذب میباشد و اطلاعات مفیدی را درباره مکانیسم جذب عنصر بر روی جاذب در اختیار قرار میدهد (30). جهت بررسی مکانیسم جذب و پارامترهای سینتیکی جذب، دادههای جذب روی توسط هر دو جاذب در مدت زمانهای مختلف، به مدلهای سینتیکی شبه درجه یک و شبه درجه دو برازش داده شدند که اطلاعات مربوط به هر دو مدل در جدول شماره 2 آورده شده است. نتایج نشان داد که هر دو مدل سینتیکی برازش خوبی را بر دادههای جذب روی توسط هر دو جاذب داشتند اما مدل سینتیکی شبهدرجهدوم بهدلیل داشتن ضریب همبستگی بیشتر و همچنین اختلاف کمتر میان مقدار جذب روی تعادلی محاسبهشده توسط مدل (Qft) و مقدار اندازهگیریشده در آزمایش (Qfe)، مدل مناسبتری جهت توصیف جذب روی توسط این دو جاذب میباشد که با نتایج چن و همکاران (16) (استفاده از بیوچار چوب سخت جهت حذف روی) و کوئی و همکاران (31) (استفاده از بیوچار گیاهان مختلف در حذف روی) مطابقت دارد. بنابراین با توجه به این نتیجه احتمالاً فرایند جذب روی توسط بیوچارهای مورد استفاده در این آزمایش از نوع جذبشیمیایی میباشد، که در این نوع فرآیند جذب ممکن است واکنشهای تبادل کاتیونی، کمپلکس شدن و رسوب دخالت داشته باشند (7).
اثر غلظت اولیه روی بر بازده جذب و مطالعه ایزوترم جذب روی
همانطور که در شکل 4 مشخص است با افزایش غلظت روی از 10 به 100 میلی گرم در لیتر، بازده جذب روی توسط بیوچار کاه گندم از 22 به 23/74 درصد و بیوچار کاه ذرت از 41 به 13/77 درصد رسید این درحالی است که با افزایش غلظت اولیه روی از 100 به 300 میلیگرم در لیتر به تدریج بازده جذب روی کاهش پیدا کرد تا مقدار آن به ترتیب به 54/27 و 21/30 درصد توسط بیوچار کاهگندم و کاه ذرت رسید. در غلظتهای پایین روی، سطح ویژه و سایتهای تبادلی جاذب بیشتر بوده و یونهای روی
نمودار 4- تاثیر تغییر غلظت اولیه روی بر بازده جذب (مقدار جاذب 2/0 گرم و PH 5) Figure 4- Effect of initial concentration change of Zn on adsorption efficiency
شکل 5 و 6 به طور نمونه برازش مدلهای ایزوترم جذب روی (لانگمویر و فروندلیچ) توسط بیوچار کاه ذرت را نشان می دهد. همچنین جدول 3 پارامترهای محاسبه شده این دو مدل را نشان میدهد. ضریبهمبستگی مدل لانگمویر در هر دو بیوچار بهطورمحسوسی بیشتر از ضریب همبستگی مدل فروندلیچ بود. بنابراین در هر دو بیوچار مدل لانگمویر توصیف بهتری را از جذب روی در دمای یکسان ارایه کرد که با نتایج دیگر پژوهشگران در استفاده از بیوچارهای مختلف در جذب روی از محلولهای آبی مطابقت دارد (16؛ 32؛ 13). بیوچارهای مورد استفاده در این آزمایش در دمای 500 درجه سانتیگراد تهیهشدند که بهاحتمال زیاد در این دما درجه بالایی از تبلور کربن ایجاد شده که انتظار میرود درنتیجه تشکیل بلورهای توربواستارتیک باشد (33) که شاید دلیلی بر تناسب بهتر دادههای جذب روی بر مدل لانگمویر باشد. شاخص ضریبتاخیر (RL) (34) جهت بررسی قابلیت استفاده معادله لانگمویر به کار می رود. این شاخص به صورت زیر تعریف می شود:
RL= 1/1+KlC0 که Kl (لیتر بر میلیگرم) ثابت لانگمویر و C0 (میلیگرم در لیتر) غلظت اولیه ماده جذب شونده است. RL >1، مدل برای فرایند جذب غیر قابل قبول، RL=1، مدل جذب خطی، RL > 0 1>، جذب قابل قبول و مطلوب، و اگر RL برابر با صفر باشد، جذب برگشتناپذیر است. در این پژوهش در محدوده غلظتی 10 تا 300 میلیگرم روی در لیتر، برای بیوچار کاهذرت این شاخص بین 19/0 تا 87/0 و برای کاهگندم بین 23/0 تا 90/0 بود که نشاندهنده مطلوبیت جذب روی توسط مدل لانگمویر بهوسیله دو نوع بیوچار کاربردی است. به عبارتی دیگر، این دو نوع بیوچار قادرند درحد قابلقبولی عنصر روی را از محلولهای آبی حذفکنند. سیسویو و همکاران (35) نیز در بررسی حذف مس از محلولهای آبی از طریق خاکستر آتشفشانی مقدار این پارامتر را برای محدوده غلظتی 50 تا 500 میلیگرم بر لیتر بین 19/0 تا 70/0 گزارش کردند و بیانداشتند که جذب عنصر مس از محلولهای آلوده بهاین عنصر به صورت مطلوب و قابل قبول انجامگرفتهاست. پارامتر Klدر معادله لانگمویر نشان دهنده تمایل جذب یک عنصر بر روی جاذب و متناسب با انرژی جذب است. مقدار این پارامتر در بیوچار کاهذرت بیشتر از بیوچار کاهگندم بود که نشاندهنده این است که عنصر روی با انرژی بیشتری به سطوح بیوچار کاهذرت متصل است و ثابت تفکیک پایینتری دارد. همچنین با توجهبه این پارامتر میتوان گفت که تمایل روی به جذبشدن بر روی بیوچار کاهذرت بیشتر از بیوچار کاهگندم است. حداکثر ظرفیت جذب روی (Qm) توسط بیوچار کاهگندم و ذرت به صورت تک لایهای به ترتیب برابر با 77/6 و 60/9 میلیگرم بر گرم بود که در جدول 4 نتایج تحقیقات پژوهشگران دیگر در ارتباط با حداکثر ظرفیت جذب روی با استفاده از بیوچارهای مختلف با مطالعه حاضر مقایسه شده است.
اثر مقدار جاذب بر بازده جذب روی
همانطور که در شکل 7 مشخص شده است با افزایش مقدار جاذب از 05/0 گرم به 8/0 گرم راندمان حذف روی از محلول توسط بیوچار کاه گندم از 7/23 درصد به 9/92 درصد و توسط بیوچار کاهذرت از 8/33 به 2/93 درصد رسید. این درحالی است که با افزایش مقدار هر دوجاذب از 8/0 گرم به 6/1 گرم میزان حذف روی از محلول توسط بیوچار کاه گندم به 8/82 و توسط بیوچار کاه ذرت به 1/90 درصد کاهش یافت. اینپدیده را میتوان اینطور تفسیر کرد که با افزایش مقدار جاذب تا 8/0 گرم به دلیل احتمال برخورد بیشتر جاذب با کاتیون روی، افزایش سطح جاذب و سایتهای تبادلی در دسترس، میزان راندمان جذب افزایشمییابد. همچنین دلیل کاهش راندمان جذب در اثر افزایش مقدار جاذب از 8/0 به 6/1 گرم، ممکن است بهعلت همپوشانی و تجمع مواد جاذب در کنار یکدیگر و در نتیجه کاهش مقدار کل سطح جاذب و نقاط جذب قابل دسترس باشد که در نهایت سبب کاهش راندمان جذب روی خواهد شد (36). چن و همکاران (37) بیان کردند که با افزایش مقدار جاذب (بیوچار لجن فاضلاب تهیه شده در دمای 900 درجه سانتیگراد) تا 2/0 درصد، راندمان جذب کادمیم توسط جاذب از محلول آبی افزایش و پس از آن با افزایش مقدار جاذب از 2/0 تا 1 درصد بهطور مستمر راندمان جذب کادمیم کاهشیافت.
نتیجهگیری کلی
در این مطالعه توانایی و قابلیت حذف روی به وسیله دو نوع بیوچار حاصل از بقایای کشاورزی (کاهگندم و کاهذرت) در شرایط مختلف موردارزیابیقرارگرفت. نتایج نشان داد که pH بهینه برای جذب بیشینه روی بر سطوح این دو جاذب زیستی، pH 5 بود. همچنین با افزایش مقدار کاربرد جاذبها تا سطح 8/0 گرم راندمان حذف روی افزایشیافت درحالیکه با افزایش مقدار جاذب به 6/1 گرم میزان بازده جذب روی توسط هر دو جاذب نسبت به سطح 8/0 گرم کاهش یافت که احتمالاً در اثر کاهش مقدار کل سطح جاذب در اثر همپوشانی و تجمع جاذبها و کاهش نقاط تبادلی قابلدسترس میباشد. نتایج حاکی از آن بود که با افزایش زمان تماس جاذب با محلول آبی میزان حذف روی بهطور قابلملاحظهای توسط هر دوجاذب افزایشیافت تا اینکه در زمان 24 ساعت به حالت تعادل رسید. دادههای جذب روی به وسیله هر دو بیوچار برازش بهتری را به مدل سینتیکی شبهدرجهدوم نسبت به مدل سینتیکی شبهدرجهیک داشتند که بیانگر ایناست که جذب روی توسط این دو جاذب عمدتاً از نوع شیمیایی است و فرایندهای فیزیکی در جذب روی توسط این دو جاذب کمتر نقش دارند. نتایج نشان داد که با افزایش غلظت اولیه روی در محلول آبی تا 100 میلیگرم در لیتر، راندمان حذف روی افزایش و پس از آن با افزایش غلظت تا 300 میلیگرم در لیتر، بازده جذب روی کاهشیافت که میتواند در اثر اشباع شدن سایتهای تبادلی دو جاذب در غلظتهای بالا باشد. با توجه به ضریب تبیین محاسبه شده، مدل همدمای لانگمویر فرایند جذب روی توسط هر دو جاذب را نسبت به مدل فروندلیچ بهطور قابلملاحظهای بهتر توصیف کرد. حداکثر ظرفیت جذب روی توسط بیوچار کاهگندم 77/6 میلیگرم بر گرم و برای بیوچار کاهذرت 60/9 میلیگرم بر گرم بود که بهطور متوسط نسبت به بیوچارهای مختلف کاربردی در دیگر پژوهشها، ظرفیت جذب قابل قبولی را داشت. با توجه پارامتر KL معادله لانگمویر، تمایل جذب روی توسط بیوچار کاهذرت نسبت به بیوچار کاهذرت بیشتر بود. با توجه به نتایج این تحقیق، بهنظر میرسد که بیوچارهای حاصل از کاهگندم و ذرت میتوانند به عنوان یک جاذب زیستی موثر، ارزان قیمت، فراوان، قابلدسترس و دوست با محیط زیست در حذف روی از پسابهای صنعتی و عدم انتقال آن به خاک و آبهای زیرزمینی استفاده شود. پیشنهاد میشود که در تحقیقات آتی اثر دما، یونهای رقیب و محیطهای الکترولیت بر فرایند جذب روی و دیگر عناصر سنگین توسط این دو نوع بیوچار و بیوچارهای دیگر حاصل از موادآلی طبیعی مورد ارزیابی و بررسی قرار گیرد.
References
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
مراجع | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 883 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 541 |