حذف سرب با استفاده از پوست گلابی به روش جذب سطحی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره4، بهار1396

حذف سرب با استفاده از پوست گلابی به روش جذب سطحی          

مریم سعید فرجی[1]*

faraji83@gmail.com

علی محمدی ثانی[2]

فائزه تجلی [3]

حسین علیزاده گلستانی[4]

چکیده

زمینه و هدف: سرب فلزی خطرناک برای سلامتی انسان و محیط زیست محسوب می شود، بنابراین حذف آن از فاضلاب ها و ممانعت از ورود آن به محیط زیست به روشی ارزان و مناسب اهمیت زیادی دارد. در این پژوهش اثر سه پارامترpH،غلظت اولیه یون­های فلزی و مدت زمان تماس به روش ناپیوسته برای حذف یون سرب از محلول آبی به روش جذب­سطحی توسط پوست گلابی (Pyrus pyrifolia) به عنوان یک بیوجاذب مورد مطالعه قرار گرفت.

روش بررسی: بدین منظور چهار غلظت100،50،10و250 میلی گرم بر لیتر،چهار زمان تماس 60،30،15 و120 دقیقه و سه pH در مقادیر 3، 4 و 5 در نظر گرفته شد. مدل های هم دمای لانگمیر و فرندلیچ که عاملی بسیار مهم برای تعیین ظرفیت جذب جاذب و طراحی فرآیندهای جذب سطحی می‌باشد نیز بررسی شدند.

یافته‌ها: پوست گلابی به عنوان یکی از ضایعات کشاورزی که می توان آن را از کارخانجات تولید کننده کمپوت و آبمیوه تهیه کرد، بیوجاذبی ارزان و در دسترس است که توانایی مناسبی برای  حذف فلز سرب از محلول آبی آن دارا می باشد.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که pH اپتیمم برای جذب یون سرب برابر 5 بود. ظرفیت جذب یون سرب با افزایش غلظت اولیه یون های فلزی افزایش یافت به طوریکه بیشترین میزان حذف سرب در غلظت 250 میلی گرم بر لیتر تعیین شد. حداکثر ظرفیت جذب برای یون سرب بعد از60 دقیقه بود. همچنین نتایج نشان داد که مدل هم دمای لانگمیر،مدلی بود که جذب فلز توسط پوست میوه گلابی از آن تبعیت می کند.

واژه­های کلیدی: پوست گلابی، سرب(II) ، جذب سطحی، معادلات لانگمیر و فرندلیچ.

Elimination of lead using adsorption by pear peel                        

Maryam Saeed Faraji[5]*

faraji83@gmail.com

Ali Mohamadi Sani [6]

Faezeh Tajalli[7]

Hosein Alizadeh Golestani [8]

Abstract

Background and Objective: The aim of this study was to investigate the effects of pH, initial metal ions concentration and contact times in batch experiments to remove lead ion from aqueous solution by adsorption using pear peel (Pyrus pyrifolia) as a natural biosorbent.

Method: For this purpose, four concentrations of 10, 50,100 and 250 mg/L, four times of 15, 30, 60 and 120 minutes and three pH values of 3, 4 and 5 were considered. Langmuir and Freundlich isotherm models, the critical factor determining the adsorption capacity of adsorbents and adsorption processes of design were evaluated in this study.

Findings: The optimal pH value for Pb adsorption onto the pear peel was found to be 5. Metal uptake capacity of Pb increased by increasing the initial metal ion concentrations,so that the maximum amount of lead was determined at a concentration of 250 mg/L. Maximum adsorption capacity for lead was estimated after 60 minutes. The equilibrium process was described well by the Langmuir isotherm model.

Keywords: Pear peel, Pb, adsorption, Langmuir and Freundlich isotherms.

مقدمه

فلزات سنگین برای گیاهان و جانوران آبزی و انسان ها حتی در غلظت های پایین نیز سمی و خطرناک  هستند. این مواد زیست تخریب ناپذیرند و می توانند در بافت های موجودات زنده تجمع کنند، اغلب سرطان زا می باشند و مدت طولانی در طبیعت باقی می مانند. ورود فلزات سنگین به زنجیره ی مواد غذایی باعث ایجاد تغییرات فیزیولوژیکی در آنها می شود و در نهایت با وارد شدن این مواد از طریق مواد غذایی به بدن انسان ها و تجمع باعث به خطر افتادن سلامتی می شوند(3-1). فلزات سنگین سمی ای که در فاضلاب ها و پساب های کارخانجات و صنایع یافت می شوند شامل روی، مس، نیکل، جیوه، کادمیوم، سرب، کروم، آرسنیک و کبالت می باشند. فلزات سنگین از طریق  صنایعی مانند آبکاری فلزات، روکش دادن فلزات، استخراج معدن، سرامیک سازی، باتری سازی، رنگ سازی، نساجی، کاغذ سازی، تولید آفت کش ها، تولید کودهای شیمیایی، دباغی و ..... وارد فاضلاب ها و پساب ها شده و در نهایت وارد چرخه اکوسیستم می شوند(7-4).

سرب(Pb) یکی از فلزات سنگین و خطرناک محسوب می شود. فلز سرب در رسوب گذاری، مانند کلسیم (Ca) عمل می کند. به سیستم اعصاب مرکزی صدمه وارد می کند، همچنین می تواند به کلیه ها، کبد، سلول های پایه مغزی آسیب وارد کرده و در کارکرد مغز اخلال ایجاد کند. این عنصر باعث ایجاد تومورهای کلیوی و سرطان های مختلف می شود. همچنین تمایل زیادی به ترکیب با گلبول های قرمز خون نیز دارد بنابراین باعث کم خونی می شود. سرب می تواند باعث آنسفالیت و هپاتیت نیز شود. از آنجا که مقدار سرب در بدن انسان بستگی به عوامل گوناگون دارد، کودکان و نوجوانان بیشتر در معرض آلودگی با سرب قرار دارند و در این میان کودکان حساس ترین افراد از حیث بدنی و تاثیر پذیری می باشند. از نشانه های مسمومیت با سرب می توان کم خونی، بی خوابی، سردردهای شدید، سرگیجه، بی حوصلگی، ضعف عضلانی و توهم را نام برد. علایم و نشانه های مسمومیت با سرب در کودکان و بزرگسالان متفاوت است. تغییرات خلقی و رفتاری و کم شدن رشد ذهنی و ایجاد خطوط کدر بر روی دندان ها از جمله نشانه های مسمومیت با سرب در کودکان است. علایمی چون تجمع سرب در استخوان ها، تجمع در گلبول های قرمز خون، خستگی مزمن، پیری زودرس، سردرد،افسردگی،پوکی استخوان زودرس، تغییرات روانی و رفتاری چون عصبانیت و پرخاشگری نیز اغلب در میان بزرگسالان شایع است.سرب جزء سمومی است که در بدن تجمع پیدا می کند(8و9).

    به دلیل خطرات و مشکلات زیست محیطی که فلزات سنگین ایجاد می کنند باید از فاضلاب ها و پساب ها حذف شده و مانع از ورود آنها به محیط زیست و منابع آبی شد. روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین وجود دارد که شامل رسوب دهی شیمیایی، تبادل یونی، جذب سطحی، فیلتراسیون غشایی، الکتروشیمیایی، تجمع، خنثی سازی و الکترودیالیز می باشد. هر کدام از این روش ها محدودیت ها یی مانند هزینه های بالا، تولید لجن ثانویه و نیاز به فن آوری پیچیده دارند (13-10). روش جذب سطحی روشی موثر و اقتصادی برای حذف فلزات سنگین می باشد.

   در این روش از بیوجاذب هایی مانند بیومس میکروارگانیسم ها(باکتری،کپک، مخمر، جلبک)، کربن فعال و ضایعات کشاورزی  استفاده می‌شود(14و15).    

    ضایعات کشاورزی در بین این بیو جاذب ها بیشترین کاربرد را دارند. مزایای این ترکیبات شامل هزینه پایین، کارآیی مناسب، حداقل ضایعات و مواد باقی مانده و قابلیت بازیافت می باشد(16و17).

    در این پژوهش توانایی پوست گلابی (Pyrus pyrifolia)  به عنوان یک بیوجاذب برای حذف یون های سرب(II) از محلول آبی به روش جذب سطحی مورد بررسی قرار گرفت. سه پارامتر pH  ، غلظت اولیه یون های سرب(II) و مدت زمان تماس بین جاذب و یون های سرب(II) در نظر گرفته شدند.

مواد و روش ها

1- آماده سازی جاذب

میوه گلابی( Pyrus pyrofolia ) از مغازه های شهر مشهد خریداری شد. میوه ها زیر شیر آب شستشو داده شدند و پس از خشک شدن پوست گیری شدند. پوست ها در آون در دمای 60 درجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت خشک شدند.

   سپس پوست های خشک شده توسط آسیاب سایشی آسیاب شده و از الک با شماره 70 (212/0 میلی متر) عبور داده شدند و در ظروف دربسته دور از نور و رطوبت نگهداری شدند.

2- آماده سازی محلول ها

مقدار 59/1 گرم نمک  سرب نیترات توزین و در یک لیتر آب مقطر حل شد. سپس از محلول مادر با غلظت 1000 میلی گرم در لیتر، محلول هایی با غلظت های  10، 50 ، 100 و 250 میلی گرم در لیتر تهیه گردید.

3- فرآیند جذب

از محلول های با غلظت 10، 50 ، 100 و 250 میلی گرم بر لیتر که pH آن ها در عددهای 3 ، 4 و 5 با کمک نیتریک اسید 1/0 نرمال و سود 1/0 نرمال تنظیم شده بود، 20 میلی لیتر برداشته مقدار 2/0 گرم جاذب اضافه کرده و در مدت زمان های 15 ، 30 ، 60 و 120 دقیقه با سرعت 200 دور در دقیقه با همزن مگنت دار در دمای 25 درجه سانتی گراد همزده و سپس با کاغذ صافی مارک Whatman شماره 41 صاف کرده، سپس به هریک از محلول های صاف شده معرف دی تیزون اضافه کرده و میزان جذب با کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر UV – VISIBLE مدل CAMSPEC M550 ، در طول موج 520  نانومتر برای سرب اندازه گیری شد.

بحث و نتیجه گیری

1- اثر pH اولیه

یکی از پارامترهای مهم در میزان جذب فلزات سنگین توسط جاذب ها، pH محلول‌های آبی حاوی فلزات سنگین می‌باشد. تنظیم pH نه تنها بر میزان جذب فلزات سنگین بلکه بر جایگاه های فعال و ترکیبات تشکیل دهنده‌ دیواره سلولی پوست میوه نیز اثر می‌گذارد (18و19).

     با توجه به شکل های (1تا3)مشخص می شود که با افزایش pH از 3 تا 5  میزان جذب سرب توسط جاذب افزایش یافته است. دلیل این مساله این است که در pH های اسیدی با بالا رفتن غلظت یون های H⁺ رقابتی بین یون های H⁺ و یون های فلزات سنگین برای جذب سطحی بر روی جاذب رخ داده و در این بین یون های H⁺تمامی جایگاه های فعال در سطح جاذب را اشغال می نمایند . همچنین در pH های قلیایی به دلیل افزایش غلظت یون های هیدروکسیل ( OH^- ) و واکنش آنها با فلزات سنگین، هیدروکسیدهای فلزی تشکیل شده که رسوب می‌کنند و دیگر جاذب توانایی جذب این گونه ها را نخواهد داشت و به این ترتیب میزان جذب کاهش می‌یابد.

2- اثر غلظت اولیه یون های فلزات سنگین

یکی دیگر از پارامترهای مهم و تاثیرگذار بر میزان جذب فلزات سنگین توسط جاذب، غلظت اولیه یون های فلز سنگین می باشد

(20-18). با توجه به شکل های (1تا3) مشخص می شود که به ترتیب با افزایش غلظت یون سرب از 10 تا 250  میلی گرم بر لیتر میزان جذب افزایش می یابد. دلیل این امر را می توان به این صورت توضیح داد که به طور کلی در غلظت های پایینی مانند غلظت های در نظر گرفته شده ی 10، 50، 100 و250  میلی گرم بر لیتر، سایت های خاصی مسوولیت جذب فلز را بر عهده دارند که در غلظت های بالا این سایت ها اشباع می شوند و جذب کاهش می یابد. در غلظت های کم سایت های جذب یونی اشغال می شوند ولی با افزایش غلظت سایت های تعویض یونی هم پر می شوند.

3- اثر مدت زمان تماس

یک پارامتر مهم دیگر در جذب فلز سنگین توسط جاذب، مدت زمان تماس جاذب با یون های فلز سنگین می باشد(20-18).  با توجه به شکل های (1تا3) و طبق نتایج به دست آمده با افزایش زمان تماس بین جاذب(پوست گلابی ) و یون سرب از 15 دقیقه تا 60 دقیقه میزان جذب افزایش یافته و سپس در 120 دقیقه کاهش می یابد. دلیل این امر به زیاد بودن جایگاه های فعال جذب در سطح پوست گلابی( Pyrus pyrofolia ) در زمان های ابتدایی  مربوط می شود، ولی به تدریج و با گذشت زمان و به دلیل کاهش تعداد جایگاه های فعال و افزایش رقابت جهت اشغال جایگاه ها توسط یون ها روند صعودی رو به کاهش می گذارد.

شکل1- بررسی تاثیر متقابل زمان تماس و غلظت اولیه در حذف سرب در pH 3

  Figure1-Interactive effects of contact time and initial concentration on the removal of Pb (II) at pH 3  

شکل2-بررسی تاثیر متقابل زمان تماس و غلظت اولیه در حذف سرب در pH 4

Figure2-Interactive effects of contact time and initial concentration on the removal of Pb (II) at pH 4

شکل3- بررسی تاثیر متقابل زمان تماس و غلظت اولیه در حذف سرب در pH 5

Figure3-Interactive effects of contact time and initial concentration on the removal of Pb (II) at pH5 

4- هم دماهای جذب سطحی

داده‌های تجربی در این مطالعه با دو هم دمای لانگمیر و فرندلیچ (معادلات (1) و (2)) بررسی گردید. با توجه به شکل (4) که معادلات لانگمیر و فرندلیچ را نشان می دهد مشخص می شود که مدل لانگمیر نسبت به مدل فرندلیچ، جذب سطحی سرب را بر روی پوست گلابی بهتر توصیف می کند همچنین با بررسی این شکل ها معلوم می‌شود که جذب های انجام گرفته برای سرب تا حدی از معادله لانگمیر پیروی می کند.

C _eq / q _eq = 1 / bq_max + C _eq / q_max (1)

ln q _eq = ln K_F + 1/n ln C _eq                 (2)

در معادله 1 :

q _eq   و q_max  : به ترتیب نشان دهنده غلظت در حال تعادل و بیشترین مقدار ممکن آن mgg^-1) )

 C _eq: غلظت تعادلی یون فلزی mgL^-1 ))

   b : ثابت تعادل توزیع یون فلزی بین دو فاز جامد و مایع

در معادله 2 :

K_F و 1/n : به ترتیب ثابت های فرندلیچ هستند که به ظرفیت جاذب و توانایی جذب شدن فلز مربوط می شود.

(الف)                                                              ( ب)

شکل4- منحنی هم دمای لانگمیر(الف) و فرندلیچ(ب) سرب

Figure4- Longmuire isotherm for Pb (II) and Frendlich isotherm for Pb (II)

نتایج به دست آمده از محققانی مانند Alam و همکاران در سال 2012 (بیومس تهیه شده از ضایعات انار برای حذف سرب) ، Gönen و Selen Serin در سال 2012 (پوست پرتقال برای حذف نیکل)، در سال 2011، Gong و همکاران (کاه برنج اصلاح شده با تیوگلی کولیک اسید برای حذف سرب ) و Saikaew و همکاران در سال 2009 ( پوست میوه پوملو برای حذف کادمیوم) نیز نشان داد که با افزایش pH و افزایش غلظت اولیه یون های فلزی میزان جذب نیز افزایش یافت و همچنین در زمان های ابتدایی تماس، میزان جذب بالا بود وسپس کاهش یافت. بررسی ساز و کار جذب نیز نشان داد که مدل لانگمیر نسبت به مدل فرندلیچ، جذب سطحی سرب را بر روی پوست گلابی بهتر توصیف کرده و بیانگر تک لایه بودن فرآیند جذب سطحی می‌باشد.

یافته ها

روش جذب سطحی در مقایسه با سایر روش های جذب فلزات سنگین مانند الکترودیالیز، روش های شیمیایی، استخراج با حلال ،فیلتراسیون غشایی و سایر روش ها که گران قیمت و پیچیده هستند و نیاز به دستگاه های گران قیمتی دارند، روشی موثر و اقتصادی می باشد. این روش قابلیت انعطاف پذیری بالایی در طراحی و عمل دارد. این روش، روشی کم هزینه است که جاذب های آن در دسترس و ارزان هستند. از ضایعات کشاورزی، بیولوژیکی و دامی به عنوان جاذب می توان استفاده نمود. فن آوری ساده و راحتی دارد، ظرفیت جذب جاذب ها بالا می باشد و در محدوده گسترده ای از pH عمل جداسازی را انجام می دهد.

پوست گلابی به عنوان یکی از ضایعات کشاورزی که می توان آن را از کارخانجات تولید کننده کمپوت و آبمیوه تهیه کرد، بیوجاذبی ارزان و در دسترس می باشد که در این پژوهش  از آن به عنوان جاذب استفاده شد. نتایج نشان داد که پوست گلابی جاذبی مناسب برای  حذف فلز سرب از محلول آبی آن می باشد.

تشکر و قدردانی

با سپاس فراوان  از زحمات بی دریغ کارکنان محترم آزمایشگاه آکرودیته جهاد دانشگاهی مشهد                                                           

منابع‌

1-      Bhatnagar, A., Sillanpaa, M., 2010. Utilization of agro-industrial and municipal waste materials as potential adsorbents for water treatment—A review. Chemical Engineering Journal, vol.157, pp.277–296.

2-      Chuah, T.G., Jumasiah, A., Katayon, S., Thomas Choong, S.Y., 2005. Rice husk as a potentially low-cost biosorbent for heavy metal and dye removal: an overview. Desalination, vol.175, pp. 305–316.

3-      Wan Ngah, W.W., Hanafiah, M.A.K.M., 2008. Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: A review. Bioresource Technology, vol.99, pp. 3935–3948.

4-      Alluri, H.K ., Ronda, S.R .,Settalluri, V.S ., Bondili, J.S ., Suryanarayana, V .,Venkateshwar, P.,2007.Biosorption: An eco-friendly alternative for heavy metal removal . African Journal of Biotechnology, vol.  6(25), pp. 2924-2931.

5-      Egila, J.N., Dauda, B.E.N., Iyaka, Y.A., Jimoh, T., 2011. Agricultural Waste as a Low Cost Adsorbent for Heavy Metal Removal from Waste Water. International Journal of the Physical Sciences, vol.6 (8), pp. 2152 – 2157.

6-      Mesfin Yeneneh, A., Maitra, S., Eldemerdash, V ., 2011. Study on Biosorption of Heavy Metals by Modified Lignocellulosic Waste. Journal of Applied Sciencess, vol.10, pp. 1 – 8.

7-      Oliveira, F.D., Soares, A.C., Freitas, O.M., Figueiredo, S.A., 2010. Copper, Nickel and Zinc Removal by Peanut Hulls: Batch and Column Studies in Mono, Tri-Component Systems and with Real Effluent. Global NEST Journal, vol.12 (2) ,pp.206 – 214.

8-      Fu, F., Wang, Q., 2011. Removal of Heavy Metal Ions from Waste Waters: A review. Journal of Environmental Management, vol.92, pp.  407 – 418.

9-      9-Gong, R .,  Du, Y .,  Li, C .,  Zhu, S ., Qiu, Y.,  Jiang, J .,2011.  Thioglycolic acid esterifled into ricestraw for removing lead from aqueous solution .Iranian Journal of Environmental Haelth Science & Engineering ,vol.8(3),pp. 219 – 226.

10-  10-Alam, M., Nadeem, R., Jilani, M.I., 2012. Pb (II) removal from wastewater using Pomegranate   waste biomass. International Journal of Chemical and Biochemical Sciences, vol, 1, pp. 24 – 29.

11-  11- Dekhil, AB., Hannachi, Y., Ghorbel, A., Boubaker, T., 2011. Comparative Study of the Removal of Cadmium from Aqueous Solutions by Using Low–Cost Adsorbents. Journal of Environmental Science and Technology, vol.4 (5), pp. 520 – 533.

12-  12- Mulgund, M.G., Dabeer, S.P., Dhar, S., Makani, V., Jadhav, B. 2011. Equilibrium Uptake and Column Studies of Pb2+,Cu2+ and Cd2+ Using Waste Eucalyptus Charcoal . Australian Journal of Basic and Applied Sciences, vol. 5(4), pp. 135 -142.

13-  13- Sud, D., Mahajan, G., Kaur, M.P., 2008. Agricultural Waste Material as Potential Adsorbent for Sequestering Heavy Metal Ions from Aqueous Solutions – A review. Bioresource Technology, vol.99, pp.  6017 – 6027.

14-  14- Dhir, B., Kumar, R., 2010. Adsorption of Heavy Metals by Salvinia Biomass and Agricultural Residues.International  Journal of  Environmental Research ,vol.4(3),pp. 427 – 432.

15-  15- Gupta, V.K., Carrott, P.J.M., Ribeiro Carrott, M.M.L., Suhas., 2009. Low-Cost Adsorbents: Growing Approach to Wastewater Treatment-a Review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, vol.39, pp.783–842.

16-  16-Ahmad Khan, N., Ibrahim, SH., Subramaniam, P., 2004. Elimination of Heavy Metals from Wastewater Using Agricultural Wastes as Adsorbents, Review. Malaysian Journal of Science, vol. 23, pp. 43 – 51.

17-  17- Rao, KS. Mohapatra, M., Anand, S., Venkateswarlu, P., 2010. Review on Cadmium Removal from Aqueous Solutions. International Journal of Engineering, Science and Technology, vol.2 (7), pp.  81 – 103.

18-  18-Gönen, F., Selen Serin, D., 2010. Adsorption study on orange peel: Removal of Ni (II) ions from aqueous solution. African Journal of Biotechnology, vol.11 (5), pp.1250-1258.

19-  19- Saikaew, W., Kaewsarn, P., Saikaew, Wu., 2009. Pomelo Peel: Agricultural Waste for Biosorption of Cadmium Ions from Aqueous Solutions. World Academy of Science, Engineering and Technology, vol.56, pp.  287 – 291.

20-  20- Farooq, U., Kozinski, J.A., Ain Khan, M., Athar, M., 2010. Biosorption of heavy metal ions using wheat based biosorbents – A review of the recent literature .Bioresource Technology, vol.101, and pp.5043–5053.