مستخرج از پایان نامه

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و پنجم، شماره چهار، تیر ماه 1402(91-102)

بررسی پارامترهای موثر بر  جذب نشاسته از محلول‌‌های آبی با  نانوذرات آهن – کیتوزان

خشایار محمدبیگی[1]

 امیرحسام حسنی[2]

سیده هدی رحمتی[3] ^*

rahmati@srbiau.ac.ir

امیر حسین جاوید²

چکیده

زمینه و هدف: نشاسته به طور گسترده ای در صنایع غذایی، دارویی، کاغذسازی و منسوجات استفاده می‌شود پساب این واحدها دارای میزان اکسیژن بیولوژیکی بالایی است که لازم است تصفیه شود. در این پژوهش، قابلیت جذب نشاسته از محلول آبی با استفاده از نانو ذرات فلزی پوشش داده شده با کیتوزان، مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. با توجه به این که کیتوزان بیوپلیمری، غیر سمی، زیست سازگار و قابل تجزیه بیولوژیکی است و همچنین دارای ظرفیت جذب بالا، تجزیه پذیری، پایداری، سهولت تولید و هزینه کم می‌باشد، لذا امکان استفاده از این نانو ذرات در سیستم‌های تصفیه پساب، می‌تواند مد نظر قرار گیرد.

روش بررسی: ابتدا نانو ذرات مگنتیتی کیتوزان تهیه گردید و مشخصات ساختار و ریخت شناسی این نانو جاذب بررسی شد. سپس عملکرد نانو جاذب و تاثیر پارامترهای موثر بر میزان جذب نشاسته، نظیر: زمان تماس، میزان جاذب، غلظت اولیه جذب شونده، دما و pH محلول، مطالعه شد.

یافته‌ها: نتایج نشان داد که امکان جذب نشاسته با نانو ذرات فلزی پوشش داده شده با کیتوزان میسر است و ماکزیمم درصد جذب در شرایط pH معادل 5 و مدت زمان تماس 60 دقیقه برابر 84 درصد بود. مطابق داده‌‌های آزمایشی انطباق بالاتری با ایزوترم لانگمیر نسبت ایزوترم فروندولیچ دارند. همچنین نتایج نشان داد که این داده‌‌ها از مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم  تبعیت می​کند.

بحث و نتیجه گیری: با توجه به نتایج اگرچه امکان کاهش میزان نشاسته با استفاده از نانو جاذب مغناطیسی کیتوزان میسر است ولی لازم است مطالعات پایلوتی و بررسی فنی و اقتصادی جهت امکان استفاده هیبریدی با روش‌‌های متداول دیگر در تصفیه پساب  واحد‌های فرآورش نشاسته نیز انجام شود.

واژه ‌های کلیدی: نانو ذرات، کیتوزان،  نشاسته، جذب، ایزوترم.

Investigation of Effective Parameters on Starch Adsorption from Aqueous Solutions by Iron-Chitosan Nanoparticles

Khashayar Mohamadbeigy[4]

Amir Hessam Hassani [5]

Seyedeh Hoda Rahmati [6] ^*

rahmati@srbiau.ac.ir

Amir Hossein Javid ²

Abstract

Background and Objective: Starch is widely used in food, pharmaceutical, paper & textile industry in large quantities. The wastewater of these units have high biological oxygen demand (BOD). In this study, the adsorption capacity of starch from aqueous solution was investigated using metal nanoparticles coated with chitosan. Due to the fact that chitosan biopolymer is non-toxic, biocompatible and biodegradable and also high adsorption capacity, degradability, stability, easily production and low cost, so the possibility of this nanoparticle can be considered in starch wastewater treatment.

Material and Methodology: First, magnetic nanoparticles was and the structure characteristics and morphology of this nano particle were investigated. Then, the performance of nano-adsorbent and the effect of effective parameters on starch uptake, such as contact time, adsorbent, initial adsorbent concentration, temperature and pH of the solution, were studied.

Finding: The results showed that it is possible the adsorption of starch with metal nanoparticles coated with chitosan. The maximum adsorption 84 present of starch is obtained at pH 5, contact time: 60 minutes and the dosage 2 mg of adsorbent per liter. According on experimental data are more compatible with the Langmuir isotherm than the Freundlich isotherm. The results also showed that these data follow a pseudo-second order kinetic model.

Discussion and Conclusion: According to the results, although it is possible to reduce the amount of starch by using magnetic chitosan nanosorbent, but it is necessary to pilot and techno- economical study to investigate hybrid use with other conventional methods in treatment system of starch processing units.

Key words: Nanoparticles, Chitosan, Starch, Adsorption, Isotherm.

مقدمه

پساب واحد‌های تولید و فرآورش نشاسته،  حاوی مقادیر مختلفی نشاسته محلول، مقدار کمی پروتئین، اسید‌های آلی، مواد معدنی و مقدار کمی روغن و چربی است که دارای میزان اکسیژن بیولوژیکی بالایی می‌باشد، بنابراین از روش‌‌های فیزیکی نظیر جذب، شناور سازی، حرارت دهی، فیلتراسیون، روش‌های فیزیکی-شیمیایی و روش‌های بیولوژیکی جهت تصفیه این پساب استفاده می‌شود. پساب نشاسته حاوی سلولز و گرانول نشاسته و سلولز است که مولکول‌های فیبر خطی هستند، لذا گروه‌های هیدروکسیل زیادی در آن وجود دارد که این گروه‌های می‌توانند پیوند‌های هیدروژنی ایجاد کنند و جذب مواد جاذب مناسب شوند(1). در تحقیقی از کربن فعال با اندازه مش 40، برای پساب نشاسته سیب زمینی غلظت کم استفاده شد که نشان داد 5 گرم جاذب کربن فعال می‌تواند در مدت تماس یکساعت و دمای  27 درجه سانتی‌گراد وpH  معادل 5،  راندمان جذبی حدود 48درصد داشته باشد (2 ). روش جداسازی با شناور سازی، دارای مزایایی نظیر زمان جداسازی کم، سادگی تجهیزات، ظرفیت تصفیه زیاد می‌باشد، به طوری که مو و همکارانش، شرایط عملیاتی بهینه تصفیه در یک کارخانه نشاسته سازی، برابر میزان هوای 120 لیتر در ساعت، حجم تغذیه 100 میلی لیتر بر دقیقه و سطح مایع 127 سانتی‌متر گزارش کردند (3). مطالعه ای بر روی لخته سازی نشاسته سیب زمینی با پلی فریک سیلیکات انجام شد که امکان کاهش میزان COD پساب نشاسته از 5642 میلی​گرم در لیتر تا 87%  را نشان داد که پسماند تولیدی می‌تواند به عنوان کود استفاده گردد(4). در سال‌های اخیر، استفاده از بیو پلیمر‌ها جهت تصفیه پساب نشاسته توسعه  یافته است که این بیوپلیمر‌ها با مکانیسم ایجاد پل، موجب تشکیل لخته​‌های بزرگ و متراکم می‌شوند، لذا عملیات تصفیه بهبود می​یابد(6- 5). در تصفیه پساب نشاسته، استفاده از لخته سازی میکروبی، امکان کاهش کدورت را میسر می​کند، ضمن آنکه رسوب ته نشین شده، غیرسمی و بدون آلودگی ثانویه است،​ بنابراین می​تواند برای خوراک پروتئینی دام استفاده شود (7-8). در روش تصفیه بیولوژیکی بی هوازی، میکروارگانیسم‌ها موجب تجزیه مواد آلی کمپلکس در پساب نشاسته می‌شوندو بر این اساس، پژوهشگرانی با استفاده از راکتور بی هوازی پتو لجن با جریان بالا رونده، امکان کاهش میزان COD  تا میزان بالایی را گزارش دادند (13-9). روش تصفیه بیولوژیکی هوازی در مقایسه با روش بیولوژیکی بی هوازی، دارای مزایایی نظیر ظرفیت تصفیه بالا، کیفیت پساب مناسب و فضای نصب مورد نیاز کمتری است، بنابراین به طور گسترده​ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج مطالعه تجربی بر روی یک پساب نشاسته با غلظت کمتر از 1 گرم بر لیتر و میزان اکسیژن حدود 1115 میلی‌گرم بر لیتر نشان داد که با استفاده از راکتور ناپیوسته متوالی، امکان تصفیه مناسب می‌باشد (14). همچنین پژوهشی در زمینه استفاده از راکتور بی هوازی پتو لجن با جریان بالا رونده بی هوازی همراه با مخزن هوادهی  لجن فعال و مخزن اکسیداسیون، شده است که راکتور UASB در بخش اصلی تاسیسات فرآیند تصفیه و سیستم هوازی فقط به عنوان تصفیه تکمیلی فرآیند بی هوازی به کار رفت تا راندمان بیشتر برای حصول به حد استاندارد پساب خروجی، امکان پذیر شود(15). از این رو، استفاده از راکتور UASB، جهت بهبود عملکرد سیستم‌های رایج واحد‌های تصفیه پساب نشاسته، پیشنهاد شده است. این راکتورها دارای دامنه عملکردی گسترده، مصرف انرژی کم، بار بالا و مقدار کم لجن باقی مانده هستند(16). در مطالعه​ای دیگری کارایی راکتور بی هوازی UASB و راکتور متوالی منقطع جهت تصفیه پساب کارخانه نشاسته سیب زمینی با COD به میزان 2000 میلی گرم بر لیتر مشخص شد (17). همچنین در پژوهش‌های مختلفی، کاربرد راکتورهای بستر لجن گرانولی منبسط در تصفیه پساب نشاسته مطالعه گردیدکه نتایج آن، راندمان حذف بالایی برای پساب آلی با غلظت زیاد و میزان حذف BOD تا بیش از 90 درصد را نشان داد (18). ژانگ در تحقیقی بر روی یک واحد تصفیه پساب نشاسته، راکتور اصلی UASB  با یک بیوراکتور بی‌هوازی با بازچرخانی داخلی جایگزین شده و بیو راکتور غشائی نیز اضافه گردید که با این سیستم تصفیه ترکیبی، امکان حذف COD  تا 82 درصد میسر شد (19). همان طور که ذکر شد پساب صنایع تولید و فرآورش نشاسته، غلظت بالایی از آلاینده‌ها دارند که به طور متداول از روش‌های بیوشیمیایی، لخته سازی و ترسیب جهت تصفیه آن است. با توسعه رویکرد صنایع سبز، بهینه سازی و استفاده مجدد از منابع آب، به کار گرفتن تصفیه ترکیبی پساب در صنایع مطرح شده​اند مثلا با استفاده از جاذب‌های طبیعی جهت بازیافت مواد معلق موجود در پساب و تولید خوراک پروتئین دامی مطرح می باشد (20-23). همچنین باید توجه داشت که علاوه بر کارخانه​‌های تولید نشاسته و گلوکز، پساب صنایع فرآورش نشاسته نظیر کارخانه‌های مواد غذایی نظیر تولید چیپس و صنایع دیگر مثل کاغذ سازی و همچنین واحد‌های تولید چرم هم حاوی نشاسته است ( 24). در تحقیقی پالانیکومار و همکارانش بر روی جداسازی  نشاسته در سه pH مختلف با نانو ذره هیبرید اسید فولیک -فریت، سرعت رسوب نشاسته تحت تأثیر نانو هیبرید در محیط اسیدی افزایش یافت (25). با توجه به این که در واحدهای فرآورش نشاسته، میزان بالایی پساب  تولید می‌شود، لذا مطالعه و تحقیق بر روی روش‌های بازیابی نشاسته و امکان استفاده از نانو ذرات جهت جذب نشاسته، حائز اهمیت است که این امر موجب کاهش میزان مواد آلی و امکان استفاده مجدد از پساب می‌گردد.

روش تجربی

1- مواد  شیمیایی و روش‌ها

در این مطالعه، کیتوزان آزمایشگاهی با وزن مولکولی بالا از شرکت سیگما و بقیه مواد آزمایشگاهی از شرکت مرک تهیه گردید. برای بررسی میزان جذب، محلول نشاسته با غلظت‌های معینی تهیه شد و سپس با تغییر پارامتر‌های آزمایش نظیر pH محلول، زمان تماس، دما، شرایط اختلاط، غلظت اولیه نشاسته و مقدار جاذب مصرفی، میزان بازیابی نشاسته بر روی نانو جذب از محلول تعیین گردید.

برای بررسی و ارزیابی سرعت جذب، مطالعه بر روی ایزوترم جذب بر مبنای  ایزوترم فروندلیچ و لانگمویر و سینتیک فرآیند جذب بر اساس مدل‌های سینتیک شبه درجه اول و شبه درجه دوم انجام شد. ریخت شناسی و اندازه  نانو ذرات کیتوزان مغناطیسی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری انجام گردید. جهت شناسایی ساختار نانو مواد سنتزی با پراش (تفرق) اشعه ایکس و از روش طیف‌ سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز جهت تشخیص گونه ترکیبات و گروه‌های عاملی نانو ذرات و همچنین ارزیابی خصوصیات مغناطیسی و میزان اشباع مغناطش نانو ذره، دستگاه سنجش مغناطیس نمونه ارتعاشی استفاده شد.By D8 Advance, Bruker ASX, using CuKα radiation (λ = 40 1.5406)

2- روش تهیه نانو ذرات مغناطیسی کیتوزان

سنتز نانو ذرات آهن مغناطیسیFe₃O₄  به روش همرسوبی شیمیایی انجام شد که بدین منظور ابتدا درون یک بالن سه دهانه تحت جو نیتروژن، 400 میلی لیتر آب مقطر ریخته و سپس مقدار 48/8 گرم کلرید آهن سه ظرفیتی FeCl₃.6H₂O و 25/2 گرم کلرید آهن دو ظرفیتی FeCl₂.4H₂O اضافه گردید و تحت جو نیتروژن، اختلاط مخلوط به مدت 30 دقیقه انجام شد. سپس 20 میلی لیتر محلول آمونیاک 5/1 مولار به آن  اضافه گردید و دمای محلول در 80 درجه سانتی‌گراد حفظ شد. بعد از پایان واکنش، رسوب نانو ذرات آهن مغناطیسی با یک آهنربا از محیط واکنش جدا گردید و چهار مرتبه با آب مقطر شستشو داده شد. سرانجام این رسوب در شرایط خلاء خشک شد. برای پوشش دهی با بیوپلیمر کیتوزان، ابتدا یک گرم کیتوزان در 150 میلی لیتر محلول اسید استیک دو درصد حل شده و سپس 3 گرم نانو ذره مغناطیسی سنتز شده به آن اضافه گردید و pH نمونه با هیدروکسید سدیم معادل 6 تنظیم شده و در دمای 65 درجه سانتی‌گراد و تحت رفلاکس بمدت چهار ساعت، اختلاط انجام شد. سپس رسوب تشکیل شده، سه بار با آب مقطر و بعد از آن با اتانول شستشو داده شد و سرانجام این نمونه در کوره خلا خشک گردید.

3- تعیین میزان جذب نشاسته

مقدار نشاسته جذب شده بر روی نانو جاذب و راندمان جذب با استفاده از روابط ذیل، تعیین شد:

 (1)             

(2)           

  غلظت اولیه نشاسته در محلول

غلظت تعادلی نشاسته

 ظرفیت جذب تعادلی نشاسته جذب شده بر روی جاذب

   جرم جاذب

  راندمان جذب یا راندمان بر حسب درصد

  حجم محلول

یافته ‌ها و بحث

1-  مشخصات نانو ذرات

ویژگی‌های سطحی نانو ذرات آهن و نانو ذرات مغناطیسی با پوشش کیتوزان در شکل 1 نمایش داده شده است.

همان طور که مشاهده می‌شود این نانو ذرات کروی شکل و با اندازه حدود 30 نانومتر هستند. الگوی XRD  نانو ذرات کیتوزان مغناطیسی، شش پیک  برای Fe₃O₄ منطبق با 220، 311، 400، 422، 511 و 440 است ( شکل 2).

شکل2- XRD  نانو ذرات مغناطیسی کیتوزان

Figure 2. XRD pattern of Magnetic Chitosan Nano Particles

ترکیب خطوط پراکنش ضعیف بیانگر آنست که ذرات مگنیت Fe₃O₄  با کیتوزان پوشش شده است و نانو ترکیب اکسید آهن مغناطیسی با کیتوزان بدون آسیب به ساختار کریستالی هسته با موفقیت تهیه شده است. در شکل 3 طیف مادون قرمز نانو ذرات مگنتیت (اکسید آهن مغناطیسی) و همچنین نانو ذرات مگنتیت پوشش داده شده با کیتوزان نشان داده شده است.

شکل 3- FTIR  (الف) نانو ذرات مگنتیت،  (ب)  نانو ذرات مگنتیت کیتوزان

Figure 3. FTIR Spectra (a) Magnetic Nano particle (b) Magnetic Nano Particle Chitosan

2-بررسی ﻋﻮاﻣﻞ ﻣﺆﺛﺮ ﺑﺮ ﺟﺬب نشاسته

شکل 4 نمودار میزان جذب نشاسته برحسب pH را برای ﻏﻠﻈﺖ اوﻟﯿﻪ نشاسته 10 ﮔﺮم بر لیتر، میزان نانوذره 2 میلیﮔﺮم ﺑﺮ ﻟﯿﺘﺮ، دما 25 درﺟﻪ ﺳﺎﻧﺘﯽﮔﺮاد و زﻣﺎن ﺗﻤﺎس 60  دقیقه نشان می‌دﻫﺪ.

مشاهده می‌شود که بیوپلیمر  کیتوزان در ﻣﺤﯿﻂ اﺳﯿﺪی ﻋﻤﻠﮑﺮد جذب بالاتری دارد و راندمان جذب نشاسته با افزایش pH کاهش می‌یابد، به طوری که بیشترین راندمان جذب در pH معادل 5 حدود 85 درصد است. در pH اسیدی ﺑﺎر ﺟﺎذب ﻣﺜﺒﺖ ﺑﻮده و ﺗﺒﺎدل اﻟﮑﺘﺮونی ﺑﯿﻦ ﺟﺎذب و نشاسته از طریق پیوند هیدروژنی رخ می‌دﻫﺪ که ﺳﺒﺐ اﻓﺰاﯾﺶ ﻧﯿﺮوی ﺟﺬب ﺑﯿﻦ ﺟﺎذب و ﺟﺬب ﺷﻮﻧﺪه می‌گردد.

3-  بررسی اثر زمان تماس بر میزان جذب

شکل 5 تاثیر  تغییر زﻣﺎن ﺗﻤﺎس  از 5 دقیقه تا 120 دقیقه ﺑﺮ روی میزان جذب نشاسته در pH برابر5، غلظت اولیه نشاسته 5/1 درصد، میزان نانو جاذب 5 میلیﮔﺮم بر لیتر، دﻣﺎی 25 درﺟﻪ سانتی‌گراد نمایش می​دهد.

مطابق این نتایج،  بعد از زمانی حدود60 دقیقه، تغییر محسوسی در میزان جذب مشاهده نمی‌شود، لذا زمان تماس را می‌توان یک ساعت در نظر گرفت.

4-  بررسی اثر تغییر غلظت نشاسته بر میزان جذب

همچنین تاثیر ﻏﻠﻈﺖ اوﻟﯿﻪ نشاسته  بر روی جذب، در محدوده 5/0 تا 10 ​گرم بر لیتر  برای شرایط آزمایشی  pH  معادل 5، میزان تزریق نانوﺟﺎذب 5 میلیﮔﺮم ﺑﺮ ﻟﯿﺘﺮ، دمای 25 درﺟﻪ ﺳﺎﻧﺘﯽگراد و مدت زﻣﺎن تماس 60  دﻗﯿﻘﻪ بررسی شد که نتایج در شکل 6 مشخص است.

مشاهده می‌شود که ﺑﺎ اﻓﺰاﯾﺶ ﻏﻠﻈﺖ نشاسته و ثابت ماندن میزان تزریق جاذب، راندمان حذف نشاسته کاهش می​یابد، به عبارت دیگر میزان جذب به علت کاهش سایت‌های فعال جاذب، کم شده است.

5-  بررسی اثر مقدار نانو جاذب بر میزان جذب

در دمای  25 درﺟﻪ ﺳﺎﻧﺘﯽگراد، pH معادل 5 و با زﻣﺎن تماس دﻗﯿﻘﻪ 60، میزان تزریق  ﻧﺎﻧﻮ جاذب از 2/0 تا 5/2 میلیﮔﺮم تغییر داده شد تا اﺛﺮ مقدار نانو ﺟﺎذب بر روی ﻣﯿﺰان ﺟﺬب نشاسته بررسی شود که در شکل 7 نتایج نشان  داده شده است.

مشاهده می​شود که ﺑﺎ اﻓﺰاﯾﺶ غلظت جاذب، میزان جذب افزایش یافته و سپس راندمان جذب ثابت باقی می‌ماند به طوری که بیشترﯾﻦ ﻣﯿﺰان درﺻﺪ ﺣﺬف نشاسته با غلظت اولیه g/l 5 حدود 84 درصد و با تزریق  mg/l 2/1 جاذب، می‌باشد. ﻋﻠﺖ آن که ﻣﯿﺰان ﺟﺬب  با اﻓﺰاﯾﺶ دوز ﺟﺎذب، افزایش نمیﯾﺎﺑﺪ آن است ﮐﻪ با افزایش ﻏﻠظت ﺟﺎذب، از طرفی رﻗﺎﺑﺖ ﺑﯿﻦ مولکول‌های نشاسته ﺟﻬﺖ دﺳﺘﯿﺎﺑﯽ ﺑﻪ ﻧﻘﺎط ﻓﻌﺎل ﺳﻄﺤﯽ اﻓﺰاﯾﺶ می‌یابد و از ﻃﺮف دیگر، این امر ﻣﻨﺠﺮ ﺑﻪ ﻫﻤﭙﻮﺷﺎﻧﯽ ﺳﻄﺢ ﺟﺎذب و ﺗﺠﻤﻊ آن‌ها می‌شود ﮐﻪ ﺑﺮآﯾﻨﺪ آن‌ها، موجب ﮐﺎﻫﺶ ﺳﻄﺢ ﮐﻞ جذب در دﺳﺘﺮس شده و  لذا موجب ﮐﺎﻫﺶ ﻣﯿﺰان ﺟﺬب می‌شود.

6- ایزوترم‌های جذب

در جدول 1، ضرایب مربوط به مدل‌های ایزوترم فروندلیچ و لانگمویر را نشان می‌دهد.

جدول 1 - ضرایب استخراج شده از مدل‌های ایزوترم

Table 1. Isotherms constants

7- سینتیک جذب

در جدول 2، ضرایب مربوط به معادله سینتیک جذب شبه درجه اول و دوم را نشان می‌دهد.

جدول 2 - ضرایب سینتیکی جذب

Table 2. Adsorption kinetic constant

تحلیل و بررسی نتایج

1- بررسی تاثیر pH

با توجه به این که نقطه ایزو الکتریک نانوذره آهن-کیتوزان در محدوده اسیدی است، بنابراین در زیر نقطه ایزوالکتریک سطوح جاذب دارای بار مثبت هستند و در این نقاط pH، آنیون‌های غالب نشاسته حضور دارند. بنابراین نیروی جذب الکترواستاتیک بین بار مثبت سطح جاذب و بار منفی آنیون‌های غالب نشاسته ناشی از هیدرولیز در محیط آبی افزایش می‌یابد. به طوری که بیشترین راندمان حذف در pH معادل 5 به دست آمد.

2-  بررسی زمان تماس

با افزایش زمان تماس راندمان جذب نشاسته  بهبود می​یابد که به دلیل امکان دسترسی به سطوح جذب  است، اما بعد از رسیدن به حالت تعادل، با افزایش زمان تغییر محسوسی در راندمان رخ نمی​دهد.

3-  بررسی غلظت اولیه

با افزایش غلظت اولیه نشاسته، راندمان و ظرفیت جذب توسط جاذب کاهش پیدا کرد که علت این پدیده کاهش مقدارسطوح باقیمانده و اشباع شدن سطح جاذب با افزایش میزان غلظت نشاسته است.

4- بررسی تاثیر میزان تزریق  نانو جاذب

با افزایش میزان جاذب در ابتدا، راندمان جذب افزایش می‌یابد که به دلیل افزایش سطح آزاد جاذب و یا افزایش دسترسی مولکول‌های نشاسته به منافذ و سطوح نانو جاذب کیتوزان است، ولی بعد از رسیدن به راندمان جذب تعادل، مقدار جاذب‌ها بیش از حد می​شود و تاثیری بر میزان جذب نشاسته ندارد.

5-  بررسی مدل ایزوترم جذب

اطلاعات تعادلی به دست آمده از جذب نشاسته روی نانو ذره مغناطیسی کیتوزان و بررسی مدل‌های ایزوترم نشان داد که ضریب همبستگی ایزوترم جذب مدل لانگمویر ( 9898/0) مقدار بالاتری نسبت به ایزوترم فروندلیچ (9397/0) دارد. لذا می‌توان گفت که امکان جذب نشاسته به صورت یک لایه​ای و یکنواخت و با انرژی یکسان بر روی تمام سطوح نانو جاذب بیشتر است .

6-  بررسی مدل سینتیک جذب

 مقادیر به دست آمده از ضریب همبستگی مدل‌های سینتیکی فرایند جذب نشاسته بر روی جاذب، بیانگر این امر است که فرآیند جذب از مدل سینتیکی شبه درجه دوم پیروی می‌نماید و مقدار R² برای نانو جاذب کیتوزان برابر 994/0 است. بنابراین مکانیسم غالب در فرایند جذب نشاسته، جذب شیمیایی است.

نتیجه گیری

مطالعات زیادی در زمینه سیستم‌های تصفیه پساب صنایع نشاسته نظیر روش‌های بیوشیمیایی و بیولوژیکی، جذب و همچنین ترکیب سیستم‌ها انجام شده است.. نتایج این مطالعه نیز نشان داد که امکان جداسازی نشاسته با استفاده از نانو ذرات مغناطیسی با پوشش کیتوزان میسر است. مدل ایزوترم جذب با  رگرسیون 9898/0 برای مدل لانگمویر انطباق بهتری نسبت به مدل فروندلیچ دارد. همچنین جذب نشاسته درمدت زمان تماس 60 دقیقه و دمای محلول 25 درجه سانتیگراد، در محیط اسیدی بهتر انجام می​شود و امکان جداسازی رسوب با ایجاد میدان مغناطیسی نیز میسر است.

پیشنهادها

در زمینه جذب نشاسته با نانو ذرات، تحقیقاتی چندانی در مقیاس صنعتی انجام نشده است. همچنین امکان استفاده ترکیبی همراه با روش‌های متداول مطرح است ولی در هر صورت نیاز به ارزیابی فنی و اقتصادی بر مبنای پارامتر‌های مختلف نظیر ظرفیت، شرایط پساب، مشخصات مورد نیاز آب تصفیه شده، استانداردهای زیست محیطی، محدودیت‌های عملیاتی و فناوری، تعیین کننده سیستم و ترکیب بندی جهت انتخاب روش مناسب برای تصفیه پساب نشاسته می‌باشد. بنابراین پیشنهاد می‌شود که امکان بسط مدلی با قابلیت توسعه و بهبود سیستم‌های تصفیه پساب نشاسته جهت تاثیر این عوامل بر میزان سرمایه‌گذاری و هزینه‌های عملیاتی مورد مطالعه قرار گیرد. همچنین ایجاد و توسعه یک سیستم پایلوتی برای بررسی عملکردی میزان جذب نانوذرات مختلف در شرایط عملیاتی برای توسعه فناوری، موثر خواهد بود.

References

1. Weibiao Ye. (2008). Research progress on starch wastewater treatment methods. Food and oil. 10 (4-7).
2. Xia Chen, Cuiju Zhang, Shaoyan Luan. (2013). Experimental study on treatment of starch wastewater by activated carbon adsorption. Journal of anhui agricultural sciences. 41(5524-5525).
3. Jianbo Mu, Hui Ren, Yigang Ding, et al. (2002). Application research of starch wastewater treatment by air-flotation integrated device. Henan chemical industry. 8(14-15).
4. Yong Tong, Gang Yan. (2016). Preparation of polyferric zinc silicate flocculant from Zn-containing sulfuric acid wastewater and its treatment of potato starch wastewater. Science and technology bulletin, 32(194-198).
5. Youle Wang, Baorong Zhang, Zhiming Fan. (2009). Study on compound microbial flocculant treatment of potato starch wastewater. Water treatment technology. 35(79-82).
6. Chaoping Cen. (2001). Flocculation treatment of cassava starch wastewater. Shanghai environmental science. 20 (31-32).
7. Deng S, et al. (2003). Characteristics of a bioflocculant produced by bacillus mucilagihosus and its use in starch wastewater treatment. Applied Microbiology and Biotechnology. 60(588- 5930).
8. E.M.P,Mai.S.T.Vlyssides. A.G. (2005). The dynamic modeling of the ratio volatile fatty acids/ bicarbonate alkalinity in a UASB reactor for potato processing waste water treatment, Water Treatment. 110 (121-128).
9. Hui Liu, Kangqun Zhou, Jieping Liu, Yiping Zhou. (2005). Journal of zhongkai Treatment of starch wastewater with microbial flocculant. Institute of agricultural technology. 17(45-50).
10. Tianhua Xu, Haiqing Cao. (2012)Treatment of high concentration industrial wastewater in corn starch plant by UASB anaerobic reactor. Science and technology information development and economics. 22 (144-146).
11. B. K. Annachhatre. A. P. (2004). Anaerobic ponds treatment of starch wastewater. case study in Thailand. Bioresource Technology. 95(135–143).
12. P. Annachhatre, Prasanna. L. Amatya. (2000). UASB Treatment of Tapioca Starch Wastewater Journal of Environmental Engineering. 40(1149-1159).
13. Xinkai Liao, Qingbiao Li, Wenmou Chen. (2004). Research on technological conditions of SRB method for treating simulated starch wastewater. Journal of xiamen university (natural science edition). 43(376-380).
14. Rajasimman M, Karthikeyan C. (2007). Aerobic digestion of starch wastewater in a fluidized bed bioreactor with low density biomass support. J. of Hazardous materials. 143(82-86).
15. Miao Wu. (2009) Design of wastewater treatment process of huaibei guwang starch plant. Heilongjiang environmental bulletin. 33(60-62).
16. Rajasimman M, Karthikeyan C (2007). Aerobic digestion of starch wastewater in a fluidized bed bioreactor with low density biomass support. J. of Hazardous materials. 143(82-86).
17. Villaverde S, García Encina P.A. Lacalle M.L. and Fdz-Polanco F (2000). New operational strategy for SBR technology for total nitrogen removal from industrial wastewaters highly loaded with nitrogen, Water Science and Technology.41 (85-93).
18. Fakai Xu. (2012).Application of expanded granular sludge bed (EGSB) reactor in corn starch wastewater treatment, Innovation technology. 28 (55-57).
19. Genyuan Zhang. (2013). Application of EGSB anaerobic reactor to treat wheat starch wastewater and biogas by-product. Environmental engineering. 12 (80-81).
20. Yunzhi Deng. (2009). Design of starch wastewater treatment project in a starch factory in Yunnan Province. Guangxi light industry. 12(93-94).
21. Yong Chen, Gang Li, Yinping Xin. (2015) Modification and operation effect of amylase plant wastewater treatment project, China water & wastewater. 31(101-103).
22. Ping Li, Wenying Xu. (2009). Anaerobic (IC reactor) / aerobic combined treatment of starch production wastewater. China water & wastewater. 25(52-54).
23. Tongbo Cai, Hua Lin, Zhaojun Liu, Kaiwei Chen, Yi Lin, Yuan Xi, Kong Chhuond. (2019). Starch wastewater treatment technology. IOP Conf. Series. Earth and Environmental Science 358 (022054).
24. V. Nesterov, A. S. Lisyanskii, E. I. Makaroval. Ya. Bal, P. Yu. Prikhod. (2011). The thermal process diagram and equipment of the secondary coolant circuit of a nuclear power station unit based on the BREST-OD-300 reactor installation for subcritical steam conditions. Therm. Eng. 58 (478-482).
25. Palanikumar S. Kannammal L. Meenarathi B. Anbarasan R. (2014). Effect of folic acid decorated magnetic fluorescent nanoparticles on the sedimentation of starch molecules. Int Nano Lett. 4(104-108).

1- دانشجوی دکتری مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2- استاد گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

3- استادیار گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران. ^*(مسوول مکاتبات) 

1- PHD Student of Environmental Engineering, Department of Natural Resources and Environment, Science and Researc Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

2- Professor, Department of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

3- Assistant Professor, Department of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran. * (Corresponding Author)