ارزیابی تمایل جذب فلزات نیکل و کادمیم توسط توده زیستی حاصل از لجن فاضلاب در مقایسه با دیگر جاذب ها

علوم و تکنولوژی محیط زیست ، دوره شانزدهم، شماره سه، پاییز 93

ارزیابی تمایل جذب فلزات نیکل و کادمیم توسط توده زیستی حاصل از لجن فاضلاب در مقایسه با دیگر جاذب ها

رضا فولادی فرد[1]^*

rezafd@yahoo.com

علی اکبر عظیمی[2]

چکیده

زمینه و هدف:  فلزات سنگین از آلاینده های مهم محیط زیست بوده و به علت ویژگی  سمیّت و تجمع پذیری از لحاظ بهداشتی بسیار مورد توجه قراردارند. امروزه استفاده از جاذب های بیولوژیک جهت تصفیه این مواد  به علت اقتصادی بودن و سازگاری با محیط زیست،  بسیار مورد توجه قرار گرفته است. هدف این تحقیق سنجش میزان جذب دو فلز سنگین نیکل و کادمیم توسط توده زیستی حاصل از لجن فاضلاب (بایوسالید) و مقایسه نتایج با دیگر تحقیقات مشابه جهت بررسی تمابل جذب آن ها می باشد.

روش کار: پودر بایوسالید با استفاده از لجن دفعی فاضلاب شهری در طی مراحل خشک سازی، خرد سازی و دانه بندی تهیه گردید. محلول های 25/0 و 75/0 میلی مولار  فلزات نیکل و کادمیم  با 5/0، 1، 2 و 4 گرم از این بیوسالید در pH چهار و میزان اختلاط 200 دور بر دقیقه و دمای 26-24 درجه سلسیوس به مدت دو ساعت (در مطالعات سینتیک در زمان های متوالی5 تا 420 دقیقه) مورد تماس واقع شده و نمونه های حاصل توسط دستگاه  جذب اتمی اسپکتروفتومتری جهت مطالعات سینتیک و  مدل سازی ایزوترم جذب و مقایسه با دیگر مطالعات مورد آنالیز قرارگرفت.

یافته ها : نتایج نشان می دهد که زمان تعادل جذب فلزات در حدود دو ساعت بوده و افزایش pH  تا چهار باعث افزایش چشمگیر میزان جذب می شود.  جذب هر دو فلز از مدل لانگمویر تبعیت کرده و میزان حداکثر ظرفیت جذب(q_max) کادمیم و نیکل توسط بیوسالید به ترتیب  37/0 و 195/0 میلی‌مول بر گرم بیوسالید خشک تحت مدل لانگمویر می‌باشد.

نتیجه گیری: تمایل جذب بیوسالید برای کادمیم همچون دیگر مطالعات انجام شده در حوزه جذب بیولوژیکی بیش تر از نیکل برآورد گردید. به صورت کلی می توان تمایل جذب جلبک ها و قارچ ها را در جذب فلزات بیش از لجن ها و باکتری ها دانست که این موضوع بیش تر ناشی از خصوصیات دیواره سلولی آن ها می باشد.

واژه های کلیدی: جذب بیولوژیکی، نیکل، کادمیم، ایزوترم جذب، زیست توده.

مقدمه

یکی از مهم ترین مسایل دنیای امروز، آلــــودگــی محیط زیست  به فلزات سنگین سمی و خطرناک می باشد (1-3).

استخراج معادن و کاربرد گسترده فلزات سنگین در صنایع باعث شده است که غلظت این فلزات در آب، هوا و خاک به بیشتر از مقادیر زمینه ای افزایش پیدا کند(4). سازوکار اثر سمیت فلزات سنگین، ناشی از تمایل شدید کاتیون های این فلزات به گوگرد و بدین طریق مختل کردن فعالیت آنزیم های حیاتی در موجودات زنده می باشد(5 و 6). علاوه بر سمیت این فلزات، خاصیت تجمع پذیری آن ها در موجودات زنده اهمیت بهداشتی آن ها را بیش تر نموده است(3 و5).

        روش های معمول برای حذف فلزات سنگین از پساب ها، رسوب دهی شیمیایی به صورت هیدروکسید و یا سولفید و تعویض یونی می‌باشد که این روش ها علاوه بر هزینه بالا که سبب خودداری صاحبان صنایع از کاربرد چنین روش هایی می‌شود، مشکل تولید لجن حاصل از رسوبات شیمیایی را نیز به دنبال دارد، چرا که مشکل موجود در محیط آبی تبدیل به یک مشکل جدید در قسمت مواد زاید شده که سازگار با محیط زیست نمی باشد (7-9). چنین مشکلاتی سبب شده است که روش حذف بیولوژیکی به عنوان گزینه‌ای که هم اقتصادی بوده و هم سازگار با محیط زیست است، مورد توجه قرار گیرد (10). 

جذب بیولوژیکی[3]، جذب فیزیکوشیمیایی فلزات سنگین توسط میکرو ارگانیزم های غیرزنده است که بستگی به وجود ساختار مولکولی ویژه در دیواره سلولی آن ها دارد (4).  در مقابل تجمع بیولوژیکی[4] حذف فعال و وابسته به متابولیسم فلزات سنگین در میکرو ارگانیزم های مقاوم و قـادر به تجمع آن ها می باشد (4). جذب فعال فلزات سنگین به وسیله میکروارگانیزم‌ها به شرایط محیطی (دما، pH و...) حساس می‌باشد. همچنین تجمع بیولوژیکی نیازمند مواد مغذی برای ادامه حیات میکروارگانیزم‌ها است. به علاوه ظرفیت جذب فعال فلزات سنگین توسط میکرو ارگانیزم ها نسبتا ناچیز می باشد، در نتیجه تجمع بیولوژیکی قابلیت پایینی برای رقابت با فناوری های متداول حذف فلزات سنگین از محیط آبی دارد (4 و 11). بدین ترتیب، برای حذف موثر فلزات سنگین از آب و فاضلاب نیاز مبرمی به توسعه روشی جدید، ارزان قیمت و اقتصادی وجود دارد. برای پاسخ گویی به این نیاز در سال های اخیر مطالعات در زمینه جذب بیولوژیکی شدت گرفته است.

   در سال های اخیر جذب فلزات سنگین توسط سایر اجرام آلی (مانند خاک اره، سبوس برنج، پوست میوه، برگ و پوست درختان و...) نیز جذب بیولوژیکی نامیده شده است (11). مطالعات صورت گرفته در زمینه جذب بیولوژیکی نشان می دهد که بعضی از اجرام آلی ظرفیت جذب بالایی برای فلزات سنگین دارند، به طوری که با فناوری های متداول حذف فلزات سنگین از فاضلاب قابل رقابت هستند. معرفی این اجرام آلی به صنعت منجر به تولید برخی محصولات تجاری گردیده که از آن ها در مقیاس واقعی برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب استفاده می شود(4).

مکانیزم های اثبات شده فعال در فرآیند جذب بیولوژیکی شامل کمپلکس با سطح سلول و جذب سطحی، تعویض یونی، چیلاته کردن[5]، رسوب های ریز (در حد میکرون)[6] و واکنش های اکسیداسیون و احیاء می‌باشد. باتوجه به نوع جاذب بیولوژیکی چند سازوکار به طور همزمان در فرآیند جذب بیولوژیکی عمل حذف فلزات را به انجام می‌رسانند (8،9 و 12-14).     

       مطالعه جذب بیولوژیکی فلزات سنگین بر روی لجن تصفیه‌خانه‌ها اعم از لجن فعال، لجن دفعی، گرانول هـوازی و بی هوازی انجام گرفته است و لجن فاضلاب به علت وجود توده ناهمگن میکروارگانیزمی و کنسرسیوم میکروبی به عنوان بیو‌مسی مناسب برای مطالعات جذب بیولوژیکی مطرح می‌باشد (15و13).

در چند سال اخیر مطالعات فراوانی در مورد جذب بیولوژیکی فلزات سنگین توسط جاذب های بیولوژیکی همچون انواع جنس و گونه های قارچ، جلبک، باکتری، مخمر لجن های هوازی و بیهوازی و همچنین اضافات و زایدات بیولوژیک همچون پوست انواع میوه ها و غیره صورت پذیرفته است که در آن میان سهم بیش تر مطالعات مربوط به جلبک ها و قارچ ها بوده و مطالعات کم تری بر روی لجن ها انجام پذیرفته بود. نتایج این مطالعات به طور اختصار در جداول 1، 2 و 3 آورده شده است. با توجه به بررسی ها، مطالعات محدودی در مورد جذب فلزات توسط بایوسالید انجام یافته ، از آن جمله  نورتون و همکاران در مطالعه جذب روی توسط بایوسالید ظرفیت جذب روی را 564/0 میلی مول بر گرم عنوان کردند (15). و بررسی جذب فلزات نیکل و کادمیوم توسط این جاذب صورت نپذیرفته بود. مقاله حاضر حاصل تحقیق در مورد جذب فلزات نیکل کادمیوم از محلول های آبی توسط لجن خشک شده (بایوسالید) حاصل از تصفیه فاضلاب شهری و مقایسه با دیگر مطالعات جهت ارزیابی تمایل جذب می باشد.

مواد و روش ها

به منظور تهیه بایوسالید، از لجن تثبیت شدة دفعی تصفیه‌خانه فاضلاب شهرک اکباتان تهران  به دلیل شهری بودن و کم بودن میزان فلزات سنگین‌ِ آن، مورد استفاده قرار گرفت. پیش تصفیه بیوسالید، شامل خشک‌سازی تحت دمای 104-103 درجه سلسیوس و خرد سازی بوده و بیوسالید توسط الک استاندارد بین مش 50 تا 120 دانه بندی گردید.  مواد شیمیایی مورد استفاده از بین مواد با درجه خلوص بالا به منظور تحقیقات آزمایشگاهی، انتخاب شد. محلول استوک فلزات با غلظت 1/0 مولار با توجه به رهنمود های کتاب استاندارد متد[7] از پودر نیترات کادمیم چهار آب[8] و پودر نیترات نیکل شش آب[9] محصول مرک آلمان با جرم های مولی[10]  47/308 و 79/290 گرم بر مول تهیه  گردید و با استفاده از 5/1 میلی لیتر اسید نیتریک در pH زیر دو و دمای یخچال نگه داری گردید. آب مقطر مورد استفاده  هدایت الکتریکی زیر سه داشته و از اسید نیتریک (1+1) برای شستشوی ظروف و وسایل استفاده گردید(16).

ابتدا در بررسی های سینتیک 800 میلی‌لیتر از محلول فلزات  با غلظت های 25/0 و 75/0  میلی مولار  با  یک گرم بایوسالید در pH اولیه چهار، دمای 26-24 درجه سلسیوس و میزان اختلاط 200دور بر دقیقه در رآکتور ناپیوسته  تماس داده شده و در زمان های  5 ، 10، 20، 30، 60، 120، 180، 300 و 420 دقیقه مورد آزمایش قرار گرفت.

در مطالعات تاثیر   pHبر جذب ، غلظت 25/0 میلی مولار نیکل و کادمیم با یک گرم بایوسالید درpH های 2، 3، 4 و 6 در دمای 26-24 درجه سلسیوس و میزان اختلاط 200 دور بر دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. 

      جهت مطالعات ایزوترم جذب 800 میلی‌لیتر از محلول فلزات در غلظت های 25/0 و 75/0 میلی مولار با 5/0، 1، 2 و 4 گرم بیوسالید در pH چهار و میزان اختلاط 200 دور بر دقیقه و دمای 26-24 درجه سلسیوس به مدت دو ساعت مورد تماس واقع شده و نتایج مورد مطالعه ایزوترم جذب و مدل سازی آن قرارگرفت.

       نمونه‌هایی که از سیستم به منظور بررسی میزان جذب فلزات گرفته شده توسط ممبران فیلتر میلی پور (45/0 نانومتر) صاف شده و در pH زیر دو و دمای یخچال نگه داری شدند. سنجش غلظت فلزات  نمونه‌ها توسط دستگاه جذب اتمی (UNICAM 919) انجام یافت. قابل ذکر است که رقیق سازی و تغلیظ در برخی از نمونه‌ها انجام یافته و ضرایب ترقیق و تغلیظ در محاسبه میزان فلز جذب شده مد نظر قرار گرفته است. کلیه آزمایش‌ها با حداقل دو بار تکرار انجام و میانگین داده‌ها مورد استفاده قرار گرفت.

یافته ها

       پروفیل سینتیک جــذب فلـزات نیکل و کادمیم در غلظت های 25/0 و 75/0 میلی مولار در نمودار 1 نشان داده شده است. بر این اساس زمان تعادل جذب هر دو فلز در این غلظت ها تقریباً معادل دو ساعت است. نتایج نشان می دهد که با افزایش غلظت اولیه فلزات (صرف نظر از افزایش مقدار خالص جذب)، میزان درصد جذب (نسبت به محتوای اولیه فلز) کاهش می‌یابد. یعنی در غلظت 25/0 میلی‌مولار حداکثر جذب 1/82% از کل میزان کادمیم موجود در سیستم می‌باشد. در 75/0 میلی‌مولار، 8/44% و برای فلز نیکل در غلظت 25/0 میلی‌مولار حداکثر جذب 1/42% از کل میزان نیکل موجود در سیستم می‌باشد و در غلظت 75/0 میلی‌مولار حداکثر جذب به 7/23 درصد رسیده است. در کل درصد جذب کادمیم بیش از نیکل می باشد.

نمودار 1- پروفیل سینتیک جذب فلزات در غلظت های 25/0 و 75/0 میلی‌مولار

نمودار 2 تاثیرات pH برجذب هر دو فلز را نشان داده و همان طور که مشاهده می شود با افزایش pH تا 4 میزان جذب افزایش چشمگیری داشته  ودر pH های  بالاتر تغییر چندانی بر افزایش جذب مشاهده نمی شود. همچنین  pH های زیر 2 را می توان به عنوان  pH  واجذبی مد نظر قرار داد.

نمودار 2- تاثیر pH بر میزان جذب کادمیم و نیکل

نمودار 3 نمودار تعادلی ایزوترم جذب نیکل و کادمیم را نشان می دهد.  تحدب رو به بالای این منحنی نشان دهنده مطلوب بودن این ایزوترم ها می باشد(17). با توجه به منحنی ها نتایج نشان دهنده مطلوب تر  بودن ایزوترم جذب کادمیم نسبت به نیکل می باشد.

نمودار 3- نمودار تعادلی ایزوترم جذب کادمیم و نیکل توسط بیوسالید در pH=4

         جهت مدل سازی این ایزوترم ها، از میان انواع مختلف ایزوترم های موجود، دو ایزوترم لانگمویر[11] (معادله1) و فروندلیخ[12] (معادله 2) که بیش تر در مورد مدل سازی جذب های بیولوژیکی استفاده می‌شوند، مورد بررسی واقع شد (18-20).

معادله 1                                                           معادله 2                          

که در این جا C_eq غلظت فلز باقیمانده، q_eq میزان تعادلی فلز جذب شده بر روی جاذب بیولوژیکی، K_d ثابت و q_maxحداکثر ظرفیت جذب فلز می باشد.

       نتایج نشان می دهد که جذب هر دو فلز از مدل لانگمویر تبعیت کرده ( ضریب همبستگی نمودارکادمیم بیش از نیکل بوده است) و میزان حداکثر ظرفیت جذب(q_max) کادمیم و نیکل توسط بیوسالید به ترتیب  37/0 و 195/0 میلی‌مول بر گرم بیوسالید خشک (5/41 و 442/11 میلی‌گرم بر گرم) تحت مدل لانگمویر می‌باشد.

      به منظور مقایسه و ارزیابی نتایج به دست آمده با دیگر تحقیقات انجام یافته، جدول 1 با توجه به نتایج مقالات مربوط در حوزه جذب بیولوژیک نیکل و کادمیم توسط بیومس های مختلفی همچون قارچ، مخمر، جلبک، خزه،  باکتری و لجن تهیه شده که در آن، نوع بیومس، جنس و گونه مربوط، وضعیت بیومس در هنگام جذب، ظرفیت جذب  بر اساس میلی مول بر گرم بیومس برای فلزات مختلف همراه با ذکر منبع مشخص شده است. همچنین جداول 2 و 3  نیز عیناً از دو مقاله مرتبط(21 و22) در خصوص جذب فلزات مختلف توسط انواع جلبک و جذب فلزکادمیم توسط انواع جاذب ها جهت مقایسه بیش تر آورده شده است. 

جدول 1- خلاصه نتایج مقالات مربوط به جذب بیولوژیکی نیکل و کادمیم توسط بیومس های مختلف

جاذب های بیولوژیکی نسبت به فلزات سنگین مختلف تمایلات جذب متفاوتی دارند و لذا در ظرفیت جذب خود متفاوت عمل می‌کنند. کارآیی جاذب بیولوژیکی بستگی به حالت یونی میکروارگانیزم داشته و همانند رزین های سنتتیک این جاذب می‌بایست با فرم های یونی متفاوتی همچون حالت پروتونی (H⁺) و یا کاتیونی (Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Na⁺) اشباع شوند به همین خاطر باتوجه به نوع میکروارگانیزم و فلز سنگین به کمک اسیدهای معدنی، قلیا و یا نمک یک اصلاح اولیه‌ای بر روی جرم بیولوژیکی انجام می‌شود. از دیگر عوامل موثر در پدیده جذب نقش گروه های مختلف جرم بیولوژیکی در حذف و بازیافت فلزات سنگین توسط پدیده جذب است چرا که جرم های بیولوژیکی مختلف همچون باکتری ها، قارچ ها، مخمرها، سیانو باکتری‌ها و جلبک ها انواع گوناگونی از فلزات سنگین با مقادیر مختلف را می‌توانند جذب کنند(58، 57، 11، 7 ،56).

با توجه به  نتایج حاصله و با توجه به جداول 1 و 2 به صورت کلی می توان عنوان کرد که جلبک ها و قارچ ها تمایل جذبی بیشتری نسبت به فلزات دارند و لجن ها و باکتری ها تمایل جذب کمتری از خود نشان داده اند که خود این تمایل جذب برای فلزات مختلف نیز متفاوت خواهد بود و با توجه تحقیق انجام شده توسط بیوسالید و نیز نتایج جداول 1 و 3 مشخص می شود که میزان میلی مول جذبی کادمیم نسبت به نیکل به طور قابل ملاحظه ای بیش تر است و ظرفیت های بالای یک میلی مول به جذب این فلز اختصاص دارد که نشان دهنده تمایل جذب بالای این فلز توسط اغلب جاذب های بیولوژیکی می باشد.

جدول 2- جذب فلزکادمیم توسط انواع جاذب ها (22).

جدول 3- جذب فلزات مختلف توسط انواع جلبک(21).