بررسی جذب بیولوژیکی یون (II) Ni برای تصفیه پساب های صنعتی توسط جلبک Sargassum sp. به‌صورت کربن اکتیو

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی ومهندسی دانشکده فنی ومهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال*(مسوول مکاتبات).

2 گروه شیمی دریا، دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال

3 گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات.

4 - گروه شیمی دریا، دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال

چکیده

حذف انواع آلایند ها بخصوص فلزات سنگین از آب‌ها و پساب ها به‌وسیله جاذب‌های بیولوژیک، به علت دارا بودن مزیت‌هایی نظیر ارزان بودن بیوماس‌ها، امکان دستیابی به راندمان‌های بالای حذف با وجود متفاوت بودن غلظت‌های اولیه آلاینده‌ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می‌باشد. به این منظور جلبک قهوه ای Sargassum برای حذف کاتیون+2 Ni در سیستم ناپیوسته  (Batch) استفاده  گردید. کربن اکتیو یکی از جاذب های بسیار مفید برای حذف فلزات سنگین می باشد، اما از آنجایی که قیمت تمام شده این ماده بالا است و توجیه اقتصادی ندارد، بر آن شدیم که از جلبک دریایی این ماده را تهیه نماییم. در این پژوهش جلبک توسط اسید تجزیه گردید و طی مراحلی به کربن اکتیو تبدیل شد . در این آزمایش پارامترهایی از جمله : غلظت اولیه محلول (ppm 70-30 ) ، pH ، مقادیر مختلف جاذب (2/0، 4/0 ، 6/0 و8/0 گرم ) و زمان ماندگاری (15 ، 60 و 120 دقیقه ) در دمای ثابت ( آزمایشگاه ) مورد بررسی قرار گرفت. غلظت نهایی یون‌ها در هر نمونه توسط دستگاه جذب اتمی ((GBC-932 اندازه گیری شد. بیشترین میزان جذب یون‌های نیکل  در 5pH=  ،  80/97% مشاهده گردید.  سرعت جذب با افزایش زمان بیشترسپس کند می‌شود.  نتایج حاصله از این جذب پیروی از مدل سینتیکی درجه دوم رابه خوبی نشان می‌دهد و داده‌های تعادلی هم از مدل جذبی فرندلیچ به خوبی پیروی می‌کند. 

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست ، دورهشانزدهم، شماره ویژه 93

 

بررسی جذب بیولوژیکی یون (II)Ni  برای تصفیه پساب های صنعتی توسط جلبک Sargassum sp.   به‌صورت کربن اکتیو

 

اکبر اسماعیلی[1]*

akbaresmaeili@yahoo.com

 سمیرا قاسمی[2]

 پری بیرامی2

 عبدالحسین روستائیان[3]

 فرناز رفیعی2

 

تاریخ دریافت:10/10/87

تاریخ پذیرش:27/2/88

 

چکیده

حذف انواع آلایند ها بخصوص فلزات سنگین از آب‌ها و پساب ها به‌وسیله جاذب‌های بیولوژیک، به علت دارا بودن مزیت‌هایی نظیر ارزان بودن بیوماس‌ها، امکان دستیابی به راندمان‌های بالای حذف با وجود متفاوت بودن غلظت‌های اولیه آلاینده‌ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می‌باشد. به این منظور جلبک قهوه ای Sargassum برای حذف کاتیون+2 Ni در سیستم ناپیوسته  (Batch) استفاده  گردید. کربن اکتیو یکی از جاذب های بسیار مفید برای حذف فلزات سنگین می باشد، اما از آنجایی که قیمت تمام شده این ماده بالا است و توجیه اقتصادی ندارد، بر آن شدیم که از جلبک دریایی این ماده را تهیه نماییم. در این پژوهش جلبک توسط اسید تجزیه گردید و طی مراحلی به کربن اکتیو تبدیل شد . در این آزمایش پارامترهایی از جمله : غلظت اولیه محلول (ppm 70-30 ) ، pH ، مقادیر مختلف جاذب (2/0، 4/0 ، 6/0 و8/0 گرم ) و زمان ماندگاری (15 ، 60 و 120 دقیقه ) در دمای ثابت ( آزمایشگاه ) مورد بررسی قرار گرفت. غلظت نهایی یون‌ها در هر نمونه توسط دستگاه جذب اتمی ((GBC-932 اندازه گیری شد. بیشترین میزان جذب یون‌های نیکل  در 5pH=  ،  80/97% مشاهده گردید.  سرعت جذب با افزایش زمان بیشترسپس کند می‌شود.  نتایج حاصله از این جذب پیروی از مدل سینتیکی درجه دوم رابه خوبی نشان می‌دهد و داده‌های تعادلی هم از مدل جذبی فرندلیچ به خوبی پیروی می‌کند.

واژه های کلیدی: جذب بیولوژیکی، نیکل ، Sargassum، کربن اکتیو ، مدل سینتیکی

 

مقدمه


آلودگی‌های ناشی از یون‌های فلزات سنگین موجود در پساب های واحدهای صنعتی از مهم‌ترین و خطرناک‌ترین آلوده‌کننده‌های زیست محیطی محسوب می‌شوند. تصفیه بیولوژیکی نیز یکی از روش های استاندارد و قابل قبول در سطح جهان است که در جهت استفاده مجدد و بازیافت پساب های صنعتیاز آن استفاده می شود (3-1). امروزه تحقیقات بی‌شماری روی مواد بیولوژیکی ارزان قیمت از جمله باکتری ها، قارچ ها و جلبک‌ها به عنوان جاذب‌های بیولوژیکی جهت حذف فلزات سنگین و به طور کلی تصفیه پساب ها صورت گرفته است، اما در این میان جلبک‌ها به ویژه جلبک‌های قهوه ای ظرفیت بالاتری برای  جذب فلزات نسبت به سایر جاذب‌های بیولوژیکی نشان داده اند. علاوه بر حذف فلـزات سنگین از پساب ها  در زمینه های بسیاری کاربرد دارند، به عنوان مثال از آن ها به عنوان غذای دام و طیور، تهیه آگار (دارای مصارف بهداشتی و درمانی از جمله تهیه قرص و کپسول داروی ضد التهاب معده)، کود های بیولوژیکی، تهیه آنتی‌بیوتیک‌ها و موارد بسیار دیگری استفاده می‌شود (4). توانایی بالای جذب بیولوژیکی جلبک‌ها، اساساً مربوط به گروه‌های عاملی موجود در دیواره سلولی آن ها می باشد. به دلیل مقادیر زیادی از پلی ساکارید ها در ساختار دیواره سلولی جلبک‌های قهوه ای، دارای توانایی بسیار بالایی جهت پیوند با فلزات و در نتیجه جذب آن‌ها می‌باشند (5). گروه‌های کربوکسیلیک فراوانترین گروه عاملی در آلژینات بوده و ظرفیت جذب مستقیماً وابسته به حضور این گروه‌ها می‌باشد. جذب کاتیون‌های فلزی آزاد توسط این گروه‌ها وابستگی شدیدی به  pH محلول دارد (6).

 

 


 

شکل 1- ساختار آلژینات

 

جلبک  Sargassum در ایران در سواحل جنوبی کشور بویژه در سواحل خلیج فارس فراوان یافت می شوند. بر اساس تقسیم بندی گیاه‌شناسان از هر سه گروه جلبک‌های سبز یا کلروفیت، جلبک‌های قهوه ای یا فیتوفیت و جلبک‌های قرمز یا رودوفیت در این منطقه وجود دارند.

    براساس مطالعات مرکز تحقیقات شیلاتی آبهای دور، در نمونه برداری های منطقه بین جزر و مدی و زیر جزر و مدی که بصورت فصلی صورت گرفت، نتایج آماری نشان داد که بیشترین فراوانی در فصل پاییز و زمستان به جلبک قهوه‌ای Sargassum در اواسط زمستان تا اواخر آن بیشترین تنوع و فراوانی به جلبک‌های قرمز مربوط می شود، در حالی‌که بیشترین فراوانی جلبک‌های سبز در فصل بهار می باشد. با توجه به نتایج آماری گفته شده به دلیل ارزان و دسترس بودن زیاد جلبکSargassumمطالعات و انجام تحقیقات بر روی آن ازلحاظ اقتصادی بسیار مقرون به‌صرفه می‌باشد.

 

روش کار

الف) آماده سازی بیوماس‌ها

      ابتدا جلبک قهوه ای Sargassum از سواحل قشم در خلیج فارس جمع آوری گردید. پس از انتقال به آزمایشگاه جلبک‌ها، ابتدا توسط آب دریا وسپس با آب شیرین شستشو داده شد تا ذرات شن و نمک  از آن جدا شوند. و بعد به مدت7 روز توسط نور خورشید خشک گردیده و جلبک‌های خشک شده توسط میکسر به ذرات ریز در آمد.

 

ب) تهیة کربن اکتیو

جلبک‌های خشک شده را با اسید سولفوریک 98% واکنش داده شد و مخلوط حاصل به مدت 24 ساعت در دمای آزمایشگاه قرارگرفت. پس از گذشت زمان ذکر شده مخلوط حاصل را به مدت 4 ساعت رفلاکس و خنک کرده و توسط NaHCO3  ، pH   مخلوط را به6 رسانده و در انتها ترکیب‌های فوق به مدت 46 ساعت  در آونی با دمای 150 درجه سانتیگراد قرار دادیم. به‌این ترتیب کربن اکتیو از جلبک تهیه گردید (7).

 

پ) محلول های مورد استفاده

     محلول های نیکل(II) با غلظت های اولیه(30،40،50،60 و70 میلی‌گرم بر لیتر) از نمک (97%) 6H2O. NiCl2   تهیه شد. آزمایشات طی چند مرحله و تحت شرایط خاصی توسط شیکر با دور(rpm300)انجام شد. پارامترهای از جمله pH، غلظت اولیه محلول، مقادیر مختلف جاذب، زمان ماندگاری، مقادیر متفاوت جاذب و زمان ماندگاری (دردمای ثابت) مورد بررسی قرارگرفت. در هر مرحله با ثابت نگه داشتن یک یا چند پارامتر، تاثیر سایر متغیرها برمیزان جذب مورد بررسی قرارگرفت. نمونه گیری در زمان های ماندگاری 15، 60 و120 دقیقه انجام شد. و غلظت یون‌های نیکل موجود در هر نمونه توسط دستگاه جذب اتمی(GBC-932)  تعیین گردید.

 

ت) بررسی عوامل مؤثر

1 - pH

         جذب بیولوژیکی کاتیون‌های فلزی وابستگی شدیدی بهpH محلول دارد  بررسی بر روی جلبک Sargassum برای جذب نیکل (II) درغلظت ثابت30 میلی‌گرم بر لیتر در محدوده pH (8-7) صورت گرفت. بیشترین میزان جذب در5 = pH 80/97% مشاهده شد، با افزایش pH میزان جذب کاهش پیدا میکند. در pH های پایین در نتیجه رقابت بین یون‌های H+و کاتیون فلزی، یون H+ برروی سایت‌های جذب، غلبه کرده و دسترسی کاتیون‌ها به این سایت‌ها کم شده در نتیجه نیروی دافعه محدود و موجب کاهش درصد جذب می شود. اما در pH های بالاتر، لیگاندهای موجود در جاذب مانند COO-،دانسیته بار منفی را روی سطح بیومس افزایش داده، در نتیجه جاذبه الکترواستاتیکی یون‌های فلزی با بار مثبت روی سطح لیگاندها افزایش یافته و درصد جذب افزایش می یابد (8) .

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1- اثر جذبدر pH بین 9-1محلول نمک   97 %)) 6H2O. NiCl2 


2- گرم جاذب

    برای جذب نیکل (II) درغلظت متفاوت گرم جاذب و با ثابت نگه داشتن سایر عوامل مورد آزمایش قرار گرفت محلول اولیه از نمک (97%) 6H2O. NiCl2 تهیه شد. آزمایشات طی چند مرحله انجام شد. با افزایش میزان کربن اکتیو میزان جذب نیز افزایش یافت. بهترین جذب در دوز کربن اکتیو 8/0 گرم مشاهده شد.

3 - غلظت

     یکی دیگر از عوامل مؤثر برروی درصد جذب یون‌های فلزی، غلظت اولیه یون‌ها در محلول مورد آزمایش می باشد. در این بررسی پارامترهای دیگر را یعنی pH، دما، مقدار جاذب و زمان ماندگاری را ثابت نگه داشتیم.میزان کربن اکتیو 6/0 گرم، زمان 120 دقیقه اثر غلظت های مختلف بررسی شد. که با افزایش غلظت اولیه محلول، درصد جذب کاهش یافت. می‌توان نتیجه گرفت که سایت‌های جذب پر شده و دیگر قدرت جذب بیشتر فلز نیکل را ندارد.

4-  زمان

    محلول های نیکل(II) با غلظت های اولیه (30،40،50،60 و70 میلی‌گرم بر لیتر)از ر نمک(97%)6H2O. NiCl2 تهیه شد. در این مرحله pH بهینه محلول‌ها، غلظت اولیه کاتیون‌ها و مفدار جلبک را ثابت در نظر گرفتیم. آزمایشات طی چند مرحله انجام شد. در زمان‌های 15 الی120 دقیقه، میزان جذب در 15 دقیقه ماکزیمم، بعد از آن جذب به آهستگی صورت گرفت. غلظت یون‌های موجود در هر نمونه توسط دستگاه جذب اتمی(GBC-932)  تعیین گردید.

 

 

 

 

 

شکل 2-  اثر زمان نسبت به غلظت های متفاوت محلول نمک (97%)6H2O. NiCl2 در5=  pH و 6/0 گرم جاذب

 

5 - ایزوترم‌های تعادلی جذب

 

    ایزوترم جذبی لانگمور برای جذب تک‌لایه‌ای روی سطوح با تعداد محدودی از موقعیت‌های جذب یکسان، بکار می‌رود. که به‌صورت زیر بیان می‌شود (9) :

qe = b.qmax.Ce / 1+b.C →1/qe=    1/ b.qmax.Ce + 1/ qmax

qe : مقدار یون جذب شده بروزن جاذب (مقدار یون جذب شده در تعادلg/g)  (m

Ce : غلظت یون جذب نشده در محلول تعادلی (غلظت تعادلی یون در محلول) (mg/L)

qmax: ظرفیت جذب  ماکزیمم  m g/g ))

b : مقدار ثابتی است که نشان دهنده میل ترکیبی بین جاذب و جذب شونده می باشد.  ( L/mg )

 ایزوترم جذب فرندلیچ بر روی سطح ناهمگون معتبر است وبه صورت زیر بیان می‌شود (10) :

qe= Kf . Ce 1/n  → Ln qe = Ln Kf  + 1/n Ln Ce

kf و  n: مقادیرثابت

   از مطالعه مقادیرو روابط فرندلیچ و لانگمور نتایجی مطابق جدول (1) بدست می آید و همانطور که در نتایج جدول‌ها  مشاهده می‌شود ایزوترم‌ جذب برای حذف یون نیکل از فرندلیچ پیروی می کند. مقادیرqmax و b در دمای آزمایشگاه تابع مقدار جاذب است.

 

 

 

 

 

جدول  1-  بررسی مدل‌های جذبی لانگمور و فرندلیچ

06/0g

04/0 g

02/0 g

مدل‌های جذب

 

 

 

لانگمور

191/2

777/2

975/4

Qm(mg g-1)

079/3

969/0

427/0

b (L mg-1)

999/0

955/0

896/0

R

 

 

 

فرندلیچ

109/0

126!0

162!0

1/n

572/1

784/1

656/2

KF (mg g-1)

(L mg-1)1/n

916/0

996/0

954/0

R

 


6-  مدل‌های سینتیکی

 

   برای بررسی مکانیسم جذب و کنترل مراحل سرعت واکنش نظیر انتقال جرم و پیشرفت واکنش‌های شیمیایی، مدل‌های سینتیکی کاربرد دارند. این مدل‌ها شامل معادلات درجه اول و دوم می باشند که به‌صورت زیر می‌باشند .نتایج این بررسی در جدول (2) ذکر شده است (11) .

First-order kinetic model

dqt  / dt = k1 (qe - qt ) → Log (qe - qt ) = Log (qe) – (k1 /2.303) t

k1 : ثابت سرعت جذب بیولوژیکی (1/min )

qt: مقدار یون جذب شده بروزن جاذب در زمان t (mg/g)

Second-order kinetic model

dqt  / dt = k2 (qe - qt )2 → 1/(qe - qt ) = 1/(qe ) + k2t →     t/ qt = 1/ k2.qe2  + (1/ qe) t

k2 : ثابت سرعت جذب بیولوژیکی (g/mg.min)

 

 

 

 

جدول2-  بررسی مدل‌های سینتیکی

سینتیک درجه دوم

سینتیک درجه اول

پارامتر ها

R2

 

k2

R2

 

k1

 

غلظت ابتدایی نیکل

(mg/L )

کربن اکتیو

00/1

 

21/98

675/0

 

000/0

 

30

 

00/1

 

54/28

836/0

 

071/0

 

50

06/0 g

99/0

 

77/32

947/0

 

051/0

 

70

 

 

 

منابع

 

  1. Esmaeili A., Ghasemi S.Evaluation of the Activated Carbon Prepared of Algae Marine Gracilaria for the Biosorption of Ni (II) from Aqueous Solutions. World Applied Sciences Journal, 2009; 6 (4): 515-518.
  2. رخشائی روحان.بررسی و بهینه سازی شرایط حذف فلزات سنگین Pb, Cd, Ni, Zn از پساب ها به وسیله سرخس آبزی آزولا، پایان نامه دکترا. 1384.
  3. هرمزدیار کیان مهر. بیولوژی جلبک‌ها، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد 1384.
    1. Karthikeyan S, Balasubramanian. R. Evalurion of the marine alga ulva fasciata and sargassum sp for the biosorption of Cu (II) from aqueous solution .Bioresource Technology 2007; 98: 452-455. 
    2. Sikaily. A., Khaled. A, Nemr. A.El, Abdelwahab.O. Removal of methyllene blue from aqueous solution by marine green alga Ulva Lactuca. Chem. Ecol 2006; 22:149-157.
    3. Davis. A. T., Volesky. B, Mucci. A. A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae.
    4. Abdelwahab. O, Nemr .A.El, Sikaily.A.El, Khaled.A. Biosorption of Direct Yellow from aqueous solution by Marin green alga Ulva Lactuca. Chem.Ecol.2006; 22: 253-266.
    5. Babel .S, Kurmiawan .T.A .Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review. J.Hazard.Mater.2003; B 97: 219-243.
    6. Langmuir .I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids.     J.Am.Chem.Soc.1916; 38:  2221-2295.
    7. Freundlich. H.M.F. Uber die adsorption in losungen, Zeitschrift fur Physikalische Chemie .1906; 57: 385-470.
    8. Ho.Y.S. Mckay. G. Pesudo-second order model for sorption .Biochem1999; 34: 451-465.

 

  


 



1- گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی ومهندسی دانشکده فنی ومهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال*(مسوول مکاتبات).

2- گروه شیمی دریا،  دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال

3- گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات.

  1. Esmaeili A., Ghasemi S.Evaluation of the Activated Carbon Prepared of Algae Marine Gracilaria for the Biosorption of Ni (II) from Aqueous Solutions. World Applied Sciences Journal, 2009; 6 (4): 515-518.
  2. رخشائی روحان.بررسی و بهینه سازی شرایط حذف فلزات سنگین Pb, Cd, Ni, Zn از پساب ها به وسیله سرخس آبزی آزولا، پایان نامه دکترا. 1384.
  3. هرمزدیار کیان مهر. بیولوژی جلبک‌ها، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد 1384.
    1. Karthikeyan S, Balasubramanian. R. Evalurion of the marine alga ulva fasciata and sargassum sp for the biosorption of Cu (II) from aqueous solution .Bioresource Technology 2007; 98: 452-455. 
    2. Sikaily. A., Khaled. A, Nemr. A.El, Abdelwahab.O. Removal of methyllene blue from aqueous solution by marine green alga Ulva Lactuca. Chem. Ecol 2006; 22:149-157.
    3. Davis. A. T., Volesky. B, Mucci. A. A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae.
    4. Abdelwahab. O, Nemr .A.El, Sikaily.A.El, Khaled.A. Biosorption of Direct Yellow from aqueous solution by Marin green alga Ulva Lactuca. Chem.Ecol.2006; 22: 253-266.
    5. Babel .S, Kurmiawan .T.A .Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review. J.Hazard.Mater.2003; B 97: 219-243.
    6. Langmuir .I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids.     J.Am.Chem.Soc.1916; 38:  2221-2295.
    7. Freundlich. H.M.F. Uber die adsorption in losungen, Zeitschrift fur Physikalische Chemie .1906; 57: 385-470.
    8. Ho.Y.S. Mckay. G. Pesudo-second order model for sorption .Biochem1999; 34: 451-465.