جلد 18، شماره 12 - ( 12-1398 )                   جلد 18 شماره 12 صفحات 1253-1269 | برگشت به فهرست نسخه ها

XML English Abstract Print


Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:

Hamidianfar N, Abolhasani M H, Ataabadi M. Investigation of the Effect of Using Iron Oxide Nanoparticles in Removing Cadmium from Aqueous Media: A Laboratory Study. JRUMS. 2020; 18 (12) :1253-1269
URL: http://journal.rums.ac.ir/article-1-4574-fa.html
حمیدیان فر نجلا، ابوالحسنی محمد هادی، عطاآبادی میترا. مطالعه اثر استفاده از نانو ذره اکسید آهن در حذف فلز کادمیوم از محیط‌های آبی: یک مطالعه آزمایشگاهی. مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان. 1398; 18 (12) :1253-1269

URL: http://journal.rums.ac.ir/article-1-4574-fa.html


دانشگاه ازاد اسلامی
متن کامل [PDF 1054 kb]   (142 دریافت)     |   چکیده (HTML)  (483 مشاهده)
متن کامل:   (179 مشاهده)
مقاله پژوهشی
مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان
دوره 18، اسفند 1398، 1269-1253
 
 
مطالعه اثر استفاده از نانو ذره اکسید آهن در حذف فلز کادمیوم از محیط­های آبی: یک مطالعه آزمایشگاهی
 
نجلا حمیدیان­فر[1]، محمد هادی ابوالحسنی[2]، میترا عطاآبادی[3]
 
 
دریافت مقاله: 22/10/97 ارسال مقاله به نویسنده جهت اصلاح: 20/12/97  دریافت اصلاحیه از نویسنده: 27/6/98         پذیرش مقاله: 30/6/98
 
 
 
 
چکیده
زمینه و هدف: کادمیوم یکی از فلزات سنگین است، که دارای سمیت بالا و خاصیت تجمع پذیری بالا در بافت زنده است. هدف از انجام این پژوهش تعیین کارآیی نانو­ذره اکسید آهن در جذب کادمیوم از محیط­های آبی بود.
مواد و روش: این مطالعه آزمایشگاهی در تابستان سال 1397 انجام شد. برای تعیین خصوصیات جاذب  XRD (X-ray powder diffraction) و SEM (Scanning electron microscope) و برای بررسی گروه­های عملکردی جاذب از آنالیز  FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) استفاده شد. فاکتورهای مختلف از قبیل pH، غلظت کادمیوم، زمان تماس و مقدار جاذب در حذف کادمیوم بررسی شد. ایزوترم‌های جذب لانگمویر و فروندلیچ  برای توصیف داده‌های جذب استفاده شدند. جهت پردازش داده­های حاصل از طرح بلوک کاملاً تصادفی استفاده شد.
یافته­ها: میزان جذب بعد از 20 دقیقه به­صورت ثابت در آمد (61%، 032/0P=). بیش­ترین میزان جذب در 7pH= حاصل شد (99%، 043/0 P=) و کم­ترین مقدار جذب با اختلاف معنی­داری در 3pH= دیده شد (%68، 048/0 P=). میزان جذب فلز با اختلاف معنی­داری نسبت به سایرین در غلظت 20 میلی­گرم در لیتر بیش­ترین و در غلظت 90 میلی­گرم در لیتر کم­ترین بود (97 درصد و 5/70 درصد)(039/0P=). در ارتباط با تأثیر مقدار جاذب اکسید­آهن بیش­ترین جذب در 2 گرم در لیتر و کم­ترین درصد جذب در 5/0 گرم در لیتر با اختلاف معنی­داری مشاهده شد (96/97 درصد و 75 درصد)(047/0P=). جذب کادمیوم توسط اکسید­آهن با مدل لانگمویر مطابقت داشت (4888/0=R2).
نتیجه­گیری: با توجه به نتایج پیشنهاد می­شود از پوشش نانوذرات برای افزایش راندمان جذب کادمیوم استفاده کرد و می­توان آن را به عنوان روش مؤثری در حذف کادمیوم برشمرد.
واژه­های کلیدی: نانو ذره اکسید آهن، کادمیوم، جذب، ایزوترم­
 
مقدمه
در سال­های اخیر افزایش مصرف آب باعث کاهش منابع آب شده است. تخلیه انواع فاضلاب­های خانگی، فضولات حیوانی، پساب­های صنعتی، زهکش­های کشاورزی سهم عمده­ای در آلودگی منابع آبی دارد. محدودیت منابع آبی، کمبود بارندگی، خطر بحران آب در کشور و اهمیت بازیابی مجدد آب از یک سو و افزایش آلودگی آب­های سطحی و زیرزمینی به وسیله فلزات سنگین و سایر آلاینده­ها از سوی دیگر، یافتن راه­حل­های زیست محیطی را در جهت حذف این مواد از منابع آبی ضروری می­سازد. در بین آلاینده­های منابع آب، فلزات سنگین به دلیل سمی بودن این عناصر توجه محققان را به خود جلب کرده است ]1[.
کادمیوم از طریق احتراق سوخت­های فسیلی، تولید فلز، آبکاری، ساخت باطری، کودهای شیمیایی فسفات و رنگدانه­ها وارد محیط زیست می­گردد. حد مجاز استاندارد کادمیوم برای تخلیه پساب صنایع در آب­های سطحی برابر 1/0 میلی­گرم بر لیتر، مقدار تخلیه به چاه جاذب برابر 1/0 میلی­گرم بر لیتر و برای مصارف کشاورزی و آبیاری حدود 05/0 میلی­گرم بر لیتر می­باشد. حد مجاز بین المللی از نظر سازمان جهانی بهداشت برابر 3/0 میکروگرم برلیتر و طبق استاندارد  USEPA (United States Environmental Protection Agency)  برابر 5 میکروگرم بر لیتر می­باشد ]2[.
کادمیوم که از منابع گوناگون به زیست بوم، پیکره گیاه و زنجیره غذایی انسان­ها و حیوانات راه می­یابد و خسارت‌های جدی به بار می­آورد ]3[. عنصر سنگین کادمیوم منجر به بیماری­های بسیاری نظیر فشار خون، آسیب­های کلیوی، دیابت، ناهنجاری­های اسکلتی و اختلالات قلبی و عروقی می­شود، بنابراین حذف این فلز از محیط زیست اهمیت ویژه­ای دارد ]4[.
بسیاری از روش­های تصفیه شامل جذب سطحی، رسوب سازی، فیلتر کردن (فیلتر کردن بیولوژیکی و یا فیزیکی)، الکترودیالیز، جداسازی غشایی، انعقاد و اکسیداسیون برای تصفیه پساب­های حاوی فلزات سنگین مورد استفاده قرار میگیرند ]5[. شیوه­های سنتی مانند، رسوب شیمیایی و الکتروشیمیایی برای صنایع کوچک و متوسط مقیاس به لحاظ اقتصادی عملی نیستند، زیرا علاوه بر بالا بودن هزینه­های این روش­ها، مقادیر عظیمی از لجن شیمیایی سمی را نیز تولید می­نمایند ]6[. جذب سطحی یکی از مهم­ترین روش­ها برای برداشت فلزات سنگین از فاضلاب است و دارای کارآیی بالایی می­باشد ]7[.
در طول چند دهه گذشته فناوری نانو با توجه به خواص فیزیک و شیمیایی منحصر به فرد به عنوان یک بخش اقتصادی مبتنی بر دانش به سرعت در حال رشد است. نانو تکنولوژی دستکاری عمدی مواد در اندازه کمتر از 10 نانو است ]8[.
از میان نانو ذرات مغناطیسی، نانو ذرات اکسید آهن به علت سهولت ساخت، امکان عامل­دار کردن و پوشش­دار کردن این نانو ذرات و نیز در مواردی دارا بودن خواص ابرمغناطیس نسبت به حالت توده، مسیری مناسب را برای فناوری جدا‌سازی مغناطیس آلاینده­ها فراهم می­آورد ]9[. نانو ذرات اکسید آهن موقعیت و اهمیت بالایی دارند. به دلیل این­که به راحتی از محلول در یک میدان مغناطیسی برای بازیابی و استفاده مجدد جدا می‌شوند و در کاهش هزینه­ها مؤثر هستند.
نتایج نشان داده‌اند که نانو ذرات اکسید آهن جاذبی بسیار مناسب برای حذف فلزات سنگین هستند ]10[. در همین راستا مطالعه‌های زیادی صورت گرفت که از جمله آن می­توان به مطالعه­ای که توسط Karimi  و همکاران بر روی ارزیابی فرآیند جذب سطحی یون­های کادمیوم از فاضلاب سنتتیک با نانو ذرات آهن مغناطیسی سنتز شده صورت گرفت ]2[ و مطالعه­ای که توسط Bahrami و همکاران نیز بر روی حذف کادمیوم از محلول­های آبی با استفاده از نانوذرات اصلاح شده مگنتیت صورت گرفت ]3[، اشاره کرد. لذا هدف از انجام این مطالعه تعیین امکان استفاده از نانو ذره اکسید آهن به عنوان جاذب در حذف فلز کادمیوم از محیط آبی طی فرآیند جذب سطحی بود.
مواد و روش‌ها
این مطالعه از نوع آزمایشگاهی است که در تابستان سال 1397 در پژوهشکده پسماند و پساب دانشگاه آزاد اسلامی انجام شد در ضمن این مطالعه دارای کد اخلاق از دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان (خوراسگان) با کد ثبتی IR.IAU.KHUISF.REC می­باشد. در این پژوهش برای حذف فلز سنگین کادمیوم  (II)از محلول استوک 500 میلی‌گرم در لیتر کادمیوم از نمکCd(NO3)2.4H2O  در بالون 500 میلی­لیتری استفاده شد. با در نظر گرفتن 4 تیمار 1- جذب وابسته به pH 2- جذب وابسته به غلظت اولیه فلز 3- جذب وابسته به زمان تماس 4- جذب وابسته به مقدار جاذب، پژوهش طی گام­های زیر انجام شد.
در این پژوهش نـانوذرات اکـسید آهـن بـا روش هم‌رسـوبی تهیـه شـد. برای تهیه نانو ذرات از کلرید­آهن (ll) چهار آبه (FeCl2.4H2O) با خلوص 99%، کلرید آهن (lll) شش آبه (FeCl3.6H2O) با خلوص 99% و هیدروکسید سدیم (NaOH) با خلوص 97% و آب یون زدایی شده استفاده شد ]11[.
 ابتدا مقدار مناسبی از نمک­های آهن (ll) و (lll) به آب یون زدایی شده اضافه شد، سپس سورفکتانت سدیم اولئات به محلول اضافه شد. 12 میلی­لیتر از محلول نمک­ها را به صورت قطره قطره به 120 میلی­لیتر محلول سدیم هیدروکسید تحت اتمسفر نیتروژن اضافه شد. سپس محلول ابتدا از زرد به نارنجی و سپس به قهوه­ای تا سیاه تغییر رنگ داد. محلول به دست آمده به مدت 30 دقیقه به وسیله هموژینایزر مدل D 500 ساخت Dragon lab چین با سرعت 10000 دور دقیقه هم­زده شد، پس از مدت زمان 2 ساعت رسوب حاصل شستشو داده شد و در دمای 150 درجه سانتی­گراد خشک و آسیاب شد. تمامی مواد آزمایشگاهی مورد استفاده ساخت شرکت مرک آلمان بودند ]11[.
ویژگی­های ساختاری نانو ذرات اکسید آهن با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD) و (FTIR) در محدوده طول موج nm 4000-400 تعیین شد ]12[. برای تعیین ساختار کریستالی نانو ذرات از دستگاه پراش اشعه ایکس (XRD)  مدل  PW1800 ساخت کارخانه PHILIPS  کشور هلند و برای تعیین ساختار نانو ذره اکسید آهن، از دستگاه طیف­سنجی تبدیل فوریه (FTIR) مدل TENSOR 27 ساخت BRUKER OPTICS کشور آلمان و برای به دست آوردن نوع ساختار و اندازه نانو ذرات از تصویر برداری میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)  مدل MIRA3 محصول شرکت TESCAN کشور جمهوری چک استفاده شد ]13[.
مقادیر متغیر­های مختلف برای pH (3، 5، 7 و 9)، برای مقدار جاذب (5/0، 1، 5/1 و 2 گرم در لیتر)، برای زمان تماس (بازه­های زمانی 10، 20، 40 و 80 دقیقه) و برای مقدار غلظت­های مختلف کروم (غلظت­های 20، 30، 50، 70 و 90 میلی­گرم بر لیتر) بود و مقادیر پارامتر­های ثابت برای 3=pH، برای مقدار جاذب 1 گرم در لیتر، برای غلظت 30 میلی­گرم در لیتر و برای زمان 20 دقیقه در نظر گرفته شد. در تمامی مراحل نمونه­ها، به مدت زمان مشخص شده در دور  rpm 180 به ­وسیله دستگاه شیکر مدل Gfl35  ﺳﺎﺧﺖ ﮐﺸﻮر آﻟﻤﺎن مخلوط شدند. سپس از ﮐﺎﻏﺬ ﺻﺎﻓﯽ 45/0 میکرون PVDF واﺗﻤﻦ اﻧﮕﻠﺴﺘﺎن عبور داده شدند. غلظت باقی­مانده فلز در محلول توسط دستگاه جذب اتمی (Atomic Absorption Spectrophotometer) نوع PERKIN ELEMER مدل 3030 ساخت کشور آمریکا قرائت گردید. این کار با سه تکرار انجام شد ]14[. نهایتاً درصد حذف و ایزوتروم­های جذب برای تمام مراحل به ترتیب با استفاده از معادلات (1) و (2) محاسبه شد ]15[.
نهایتاً درصد حذف کادمیوم و ایزوتروم­های جذب برای تمام مراحل به ترتیب با استفاده از معادلات (3-1) و (3-2) محاسبه شد.
معادله (1)
%R =
Ce و C0 غلظت اولیه کادمیوم در محلول و غلظت کادمیوم بعد از انجام آزمایش می­باشند ]15[.
معادله (2)

=Qt   مقدار فلز جذب شده در واحد جرم جاذب،Ci  = غلظت اولیه فلز،Ct  = غلظت ثانویه فلز در زمان  t،= جرم جاذب
V = حجم محلول ]16[.
معادله لانگمویر به صورت زیر است:
معادله (3)
x/m = Kcb/ )1+ kc(
x/m : جرم جذب شونده در واحد جرم جاذب. همان  qe،K : عدد ثابت مربوط به انرژی جذب،b : حداکثر مقدار جذب شونده­ ای که می تواند جذب گردد (یک لایه مولکولی کامل)، :C غلظت تعادلی جذب شونده
فرم خطی معادله لانگمویر:
معادله (4)
c/x/m= 1/kb+ c/b
ماهیت مناسب جذب و خصوصیات ویژه هم دمای جذب لانگمویر را می­توان به کمک یک ثابت بدون واحد به نام فاکتور جداسازی (separation factor) یا پارامتر تعادلی (equilibrium parameter) که درسال 1966 توسط Hall و همکاران معرفی شد، تشریح نمود ]17[.
معادله (5)
RL=1/(1+bC0(
KL=b =ثابت لانگمویر،C0 =غلظت اولیه جذب شونده در محلول (میلی‌گرم بر لیتر) اگر مقدار RL برابر صفر شود، نشان دهنده جذب غیر قابل برگشت، 0>Rl>1 بیان­گر جذب مطلوب، 1RL= بیان­گر جذب خطی و 1< RL بیان­گر جذب نامطلوب است ]18[.
یکی دیگر از فاکتورهای مؤثر در ساختار جاذب، تعیین نقطه بار صفر(pHZPC) جاذب است. برای این منظور تغییرات pH جاذب در محلول­هایی با pH برابر 1، 3، 5، 7، 9، 11و 13 بررسی شد. برای هر آزمایش مقدار 2/0 گرم از جاذب به محلول­های 20 میلی­لیتری سدیم کلرید 01/0 مولار با pH‌های اولیه ذکر شده افزوده شد. جهت تنظیم pH از محلول­های 1/0 نرمال HCl و NaOH استفاده گردید. نمونه‌ها داخل شیکر (مدلGfl35،  ﺳﺎﺧﺖ ﮐﺸﻮر آﻟﻤﺎن) با دور 150 قرار داده شد و بعد از گذشت 48 ساعت pH ثانویه آن­ها اندازه گیری شد ]19[.
داده­های به دست آمده توسط نرم افزارهای Excel نسخه 2016 و SAS نسخه 4/9 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. برای رسم نمودار­های تأثیر pH، مقدار جاذب، غلظت و زمان تماس بر جذب کل کادمیوم از محلول ساختگی از نرم‌افزارهای Excel نسخه 2016 و جهت پردازش داده­های حاصل در قالب طرح بلوک کاملا تصادفی در نرم افزار SAS نسخه 4/9 استفاده شد. سپس ایزوترم لانگمویر و فروندویچ فلز سنگین کادمیوم از محلول ساختگی توسط مدل­های لانگمویر و فروندلیچ مورد بررسی قرار گرفت. سطح معنی‌داری در آزمون‌ها 05/0 بود.
نتایج
تحقیق حاضر با هدف تعیین جذب کادمیوم با استفاده از نانو ذره اکسید آهن سنتز شده از محلول آبی صورت گرفت. نتایج این تحقیق در بخش­های زیر ارائه شد.
برای تعیین ویژگی­های جاذب مورد آزمایش از دستگاه پراش اشعه ایکس استفاده شد (شکل 1). نتایج نشان داد که این جاذب به صورت غیرمتبلور بود.
 

شکل 1- نمودار حاصل از پراش پرتو ایکس به جاذب مورد آزمایش
 
شکل (2) تصاویر SEM تهیه شده توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی تصاویر رویشی از جاذب اکسید آهن و جاذب بعد از جذب را نشان داد (هر دو تصویر با بزرگ­نمایی یکسان x 500 بود).
 

                               ب                                                       الف
شکل2- تصاویر SEM تهیه شده از جاذب
(الف) جاذب قبل از جذب کادمیوم، (ب) جاذب بعد از جذب کادمیوم
 
 
تغییر محل و شکل باندهای طیف FTIR همراه با تغییرات محیط مولکولی می­تواند راهنمای مناسبی راجع به ساختمان مولکولی یک ترکیب باشد و انطباق کامل تمام پیک­های طیف یک ماده بر طیف ماده دیگر بیان­گر یک­سان بودن ترکیب آن دو ماده بود ]18[. نتایج آنالیز FTIR در شکل (3) نشان داده شد.
 
 
واحد جذب
طول موج
COO
OH

           شکل3- طیف سنجی FTIR نانو ذره اکسید آهن           
 
 
pH نقطه صفر الکتریکی (pHZPC) جاذب مقدار 3/5 بود. نمودار تغییرات pH بعد از گذشت مدت زمان 48 ساعت نسبت
به مقدار اولیه
pH را نشان داده شده است (شکل 1)
 

نمودار 1- نمودار تغییرات pH بعد از گذشت مدت زمان 24 ساعت نسبت به مقدار اولیه pH
 
 
طبق جدول (1) در میزان جذب کادمیوم توسط اکسید آهن از 7=pH به بعد اختلاف معنی­داری دیده نشد و کم‌ترین مقدار آن با اختلاف معنی­داری در 3=pH دیده شد (05/0>p).
 
جدول 1- مقایسه میانگین درصد جذب Fe3O4 در pHهای مختلف
pH 3 5                                     7 9
درصد جذب 071/7 ± 00/68 707/0 ± 5/92           0 ± 00/99 00±0 /99
 
 
طبق جدول 2 میزان جذب اکسید آهن در 5/1 و 2 گرم در لیتر با اختلاف معنی­داری بیش­تر از دیگر مقدارهای این جاذب بود و کم­ترین مقدار آن با اختلاف معنی­داری در 5/0 گرم در لیتر دیده شد (05/0P<).
 
جدول2- مقایسه میانگین درصد جذب جاذب در مقدارهای مختلف جاذب
مقدار جاذب 5/0 1                                 5/1 2
درصد جذب 75/2 ± 75 37/1 ± 86/83             19/1 ± 89/93 26/0 ± 97/96
 
 
طبق جدول (3) در میزان جذب کادمیوم بین زمان­های مختلف اختلاف معنی­داری دیده نشد و بعد از زمان 20 دقیقه
میزان جذب تقریباً به­ صورت ثابت درآمد (05/0>
p).
 
جدول3- جدول مقایسه میانگین درصد جذب کادمیوم در زمان­های مختلف
زمان تماس 10 20                                40 80
میانگین درصد جذب ±0  00/61 0 ±  00/61           0 ± 00/61 0 ± 00/54
 
 
طبق جدول (4) میزان جذب کادمیوم در 20 میلی­گرم بر لیتر با اختلاف معنی­داری بیش­تر از دیگر غلظت­ها بود و کمترین مقدار آن با اختلاف معنی­داری در 90 میلی­گرم در لیتر دیده شد (046/0=P).
 
جدول4- جدول مقایسه میانگین درصد جذب اکسید آهن در غلظت­های مختلف
غلظت آلودگی 20 30                                50 70 90
درصد جذب 0 ± 00/97 53/30 ± 5/92             82/2 ± 00/70 65/ 5 ± 00/76 53/3 ± 50/70
 
 
به منظور برازش مدل­های جذبی بر روی هم­دماهای جذب باید به این نکته اشاره کرد که این هم­ دماها در اصل جذب سطحی مواد حل شونده بر روی مواد جامد را در دمای ثابت بر اساس واحدهای کمی توصیف کردند. هم ­دماهای جذب سطحی نشان دهنده مقدار جذب به عنوان تابعی از غلظت تعادلی جذب شونده بودند ]19[. به­این منظور برازش نتایج به­دست آمده با مدل­های جذبی لانگمویر و فروندلیچ برای فلز کادمیوم در نمودارهای 2 و 3 نشان داده شد. پارامترهای این مدل­ها در جدول 5 ارائه شد.
 
 
 
غلظت تعادلی
جرم جذب شونده در واحد جرم جاذب همان
8/0
7/0
6/0
5/0
4/0
2/0
3/0

نمودار 2- هم دمای جذبی لانگمویر جذب کادمیوم به وسیله اکسید آهن
 
 


نمودار [j1] 3- هم دمای جذبی فروندلیچ جذب کادمیوم به وسیله اکسید آهن­
 
 
پس از مقایسه ضرایب تبیین هم دماهای خطی در جذب سطحی، مدل لانگمویر به خاطر R2 بالاتر برای فلز کادمیوم انتخاب شد. جذب کادمیوم به وسیله اکسید آهن از مدل لانگمویر به علت داشتن R2 بالاتر (میزان4888/0)، تبعیت کرد. ضریب Kf نیز که معیاری از قدرت جذب می­باشد که برابر 115/17 لیتر بر گرم بود.
 
جدول 5- ثابت­های هم حرارت های جذبی لانگمویر، فروندلیچ برای جاذب اکسید آهن
مقدار ضریب مدل
115/17 k(L/g) فروندلیچ
Log q­e= Log kf+1/n Log Ce
2681/0 1/n
8022/0 2
048/1 KL (L/mg) لانگمویر
c/x/m= 1/kb+ c/b
27/116 B (µg/g)
4888/0 2
029/0 RL
 
 
بحث
نتایج حاصل از باندهای جذبی طیف سنجی FTIR نانو ذره اکسید آهن نشان داد که در طیف FTIR نمونه­ها چند پیک جذبی مربوط به گروه OH ظاهر شد. در نمونه­ مگنتیک سنتز شده ، در محدود  cm-1 56/3433 یک پیک  مشاهده می­شود که دلیل آن جذب -OH توسط Fe3O4 است. پیک ظاهر شده در cm-1 04/589 به پیوند ارتعاشی Fe-O در Fe3O4 نسبت داده می­شود. هم­چنین نتایج حاصل از آنالیز XRD نشان دهنده­ غیرمتبلور بودن جاذب بود.
نتایج حاصل از تحقیق نشان داد که جذب کادمیوم توسط نانو ذرات اکسید آهن سریع بوده و در همان 20 دقیقه اول اتفاق افتاد و افزایش زمان تماس در افزایش میزان جذب تأثیر زیادی نداشت. مطالعات انجام شده در این راستا نشان داد که با افزایش زمان تماس در ابتدا میزان حذف سیر صعودی داشت، چرا که مکان­های فعال زیاد و خالی در سطح جاذب، با گذشت زمان اشغال شد و به همین علت روند افزایش جذب در زمان­های اولیه بیش­تر و در زمان­های نهایی به علت کاهش ظرفیت جذب، میزان جذب کم­تر بود. در تحقیقی انجام شده توسط Karimi و همکاران حذف مواد آلی طبیعی توسط نانو ذره اکسید آهن پوشش داده شده با سلیس تا زمان 90 دقیقه افزایش و پس از آن میزان حذف ثابت شد ]20[. در مطالعه­ای که توسط Salehnia و همکاران بر روی حذف یون مس (II) با استفاده از کربن فعال مغناطیسی شده با نانو ذرات اکسید آهن انجام شد، بیش­ترین میزان جذب در زمان 2 ساعت به میزان 95% بود ]21[.  
طبق آزمایشات و تجزیه و تحلیل­های صورت گرفته، جذب کادمیوم با استفاده از اکسید آهن در 7=pH به بعد اختلاف معنی­داری دیده نشد. یکی از پارامتر­های مهم در فرآیند جذبpH  اولیه محلول بود. افــزایش  pHســبب افزایش بارهای منفی روی سطح جاذب شد و منجر به تشدید نیرو­های الکتروستاتیکی در فرآیند جذب و در نتیجه حذف بیش­تر یون­های­ فلزی شد ]22[. در مطالعه­ای انجام شده توسط Rozaini و همکاران تاثیر pH در دامنه 10-2 برای حذف نیکل مورد بررسی قرار گرفت و به نتیجه رسیدند که افزایش pH سبب افزایش جذب شد در ادامه تا 7pH= شیب نمودار جذب ثابت شد و افزایش pH تأثیری بر میزان جذب نداشت. در مطالعه­ای که از نانو ذرات اکسید آهن برای حذف مواد آلی از محیط آبی استفاده شد، نتایج نشان داد کهpH  10 تا 11 محدوده مناسب برای عملکرد بهتر بود. در تحقیقی تأثیر pH بر راندمان جذب کادمیوم توسط نانوکامپوزیت نیکل فریت-اکسید تیتانیوم نشان داد با افزایش pH محلول، روند جذب کادمیوم توسط جاذب افزایش پیدا کرد. بیش­ترین میزان جذب در 6pH= اتفاق افتاد ]23[.
با افزایش میزان دز جاذب، درصد حذف فلز کادمیوم افزایش یافت، علت این امر افزایش مکان­های در دسترس برای جذب فلزات بود که با افزایش مقدار جاذب صورت گرفت ]25-24[. Meng  و همکاران در پژوهشی به منظور جذب سرب با استفاده از ذرات دی اکسید منگنز آب­دار انجام شد، به این نتیجه رسیدند که با افزایش میزان جاذب درصد حذف افزایش یافت. هم­چنین نتایج مشابهی برای فلز کروم به دست آمد. به طوری­که با افزایش مقدار جاذب از 1/0 به 20 گرم در لیتر، راندمان جذب از 13/18% به 08/62% افزایش یافت ]26[. Azari و همکاران در مطالعه خود بر روی جذب کروم (VI) از محیط­های آبی توسط کربن فعال مغناطیسی شده با نانو ذرات آهن صفر (CMFeO) انجام شد به نتیجه مشابهی رسیدند که با افزایش میزان جاذب از 1/0 به 2 گرم در لیتر کارآیی جذب کروم از 60/71 به 56/91 درصد افزایش یافت ]27[. در مطالعه­ای که توسط DivbandHafshejani و همکاران بر روی سینتیک و الگوهای هم دمای جذب کروم شش ظرفیتی از محیط­های آبی توسط نانو ذرات خاکستر برگ درخت کنار انجام شد، مقدار بهینه جاذب برای جذب کروم با غلظت اولیه 10 میلی­گرم بر لیتر برابر 5 گرم بر لیتر به دست آمد ]28[. در مطالعه دیگری که توسط Hosseini Fard و همکاران بر روی حذف مس از محلول­های آبی با استفاده از نانو ذرات دی اکسید منگنز منتشر شد، این نتیجه حاصل شد که با افزایش میزان جاذب از 15/0 گرم در لیتر به 5/0 گرم در لیتر، درصد جذب افزایش یافت ]29[.
با بررسی تغییرات غلظت اولیه کادمیوم مشخص شد که با افزایش غلظت کادمیوم، میزان جذب آن نیز کاهش یافت. با توجه به ثابت بودن میزان دز جاذب و محدود بودن تعداد سایت­های جذب موجود، کاهش درصد حذف آلاینده متناظر با افزایش غلظت آلاینده ورودی منطقی بود ]28[. در تحقیقی که توسط Karimi و همکاران، با هدف تعیین فرآیند جذب سطحی یون­های کادمیوم به این نتیجه رسیدند که با افزایش غلظت اولیه کادمیوم از فاضلاب سنتتیک با نانو ذرات آهن مغناطیسی سنتز شده میزان جذب کاهش یافت. در پژوهشی با افزایش غلظت یون­های­ کادمیوم راندمان جذب نانوکامپوزیت نیکل کاهش پیدا کرد بطوری که در غلظت 10 میلی­گرم به کم­ترین میزان خود رسید ]2[. در تحقیقی علت این پدیده را افزایش یون های در حال رقابت برای واکنش با گروه­های فعال سطحی و در نهایت با کاهش مکان­های فعال سطحی و اشباع شدن آن­ها درصد حذف کاهش یافت ]29[. طی مطالعه­ای که Akhbarzade و همکاران، بر روی توانایی نانو ذرات اکسید آهن، در حذف رقابتی و بازیابی کروم شش و نیکل دو ظرفیتی از پساب معادن انجام دادند به این نتیجه رسیدند که با افزایش غلظت اولیه فلزات کروم و نیکل میزان جذب کاهش یافت و علت آن را ثابت بودن سطح جذب نانو ذرات گزارش کرد ]30[.
نتایج به­دست آمده از هم دماهای جذب لانگمویر و فروندلیچ نشان داد که، جذب کادمیوم با استفاده از نانو ذره اکسید آهن از مدل لانگمویر به علت داشتن R2 بالاتر (میزان 4888/0)، تبعیت کرد. پس از انجام تجزیه تحلیل هم‌حرارت‌های جذب، جاذب نانو ذره اکسید آهن با ضریب Kf که معیاری از قدرت جذب بود برابر 115/17 لیتر بر گرم بود. ضریب 1/n که معیار شدت جذب است، برای این جاذب 2681/0 تعیین شد. برازش مدل هم­دمایی فروندلیچ برای جذب کادمیوم نیز نشان دهنده اشباع نشدن جذب در محدوده غلظتی به­کار برده شده بود. در این مدل ثابت Kf را می­توان یک شاخص کمی در ارتباط با ظرفیت جذب دانست به طوری‌که با افزایش این ثابت، ظرفیت جذب جاذب برای جذب ماده جذب شونده افزایش یافت. افزایش این ثابت از جاذب اکسید آهن، ظرفیت جذب بالای برای کادمیوم را نشان داد. ثابت n نیز به عنوان شاخص شدت جذب بیان شد و معیاری از انحنای معادله برازش یافته و میزان ناهمگنی سطح جاذب بود ]30[. در تحقیقی Karimi و همکاران برای برازش مدل‌های جذبی، در حذف مواد آلی از محلول­های آبی با استفاده از نانو ذرات اکسید آهن مغناطیسی پوشش داد شده با سیلیس به دلیل R2  بالاتر (مقدار 9442/0) مدل لانگمویر را انتخاب نمودند ]2[.
تعیین ترکیبات موجود در ساختار یک جاذب یکی از مهم‌ترین نکات در فرآیند جذب بوده که بایستی مورد توجه قرار گیرد ]31[. اندازه بسیار کوچک ذرات اکسید آهن باعث ایجاد سطح بسیار بزرگی شدند، گروه­های عملکردی که بر روی نانوذرات اکسید آهن قرار داشت نیز سبب افزایش میزان واکنش­ها شدند ]32[. یکی از مهم­ترین مزایای استفاده از نانوذرات مگنتیک در محیط زیست این بود که به راحتی می‌توان آن­ها را توسط یک میدان مغناطیسی بیرون از نمونه حذف نمود. نانو ذرات مگنتیک می­تواند سطح بسیار زیادی را ایجاد کند و در عین حال خاصیت مگنتیک نیز داشت.
در ادامه پیشنهاد می­گردد که برای پژوهش­های بیش­تر به بررسی میزان احیاء و واجذب این جاذب مطالعه شود و هم‌چنین با توجه به کارآمد بودن این جاذب در جذب فلز کادمیوم، توانایی جذب سایر فلزات نیز بررسی گردد. در نهایت نتایج پژوهش حاضر بیان­گر این است که نانوکامپوزیت نیکل فریت می­تواند توانایی بالایی در جذب فلز سنگین کادمیوم از محلول­های آبی داشته باشد که می­توان از آن تحت شرایط بهینه به عنوان جاذب مؤثر برای حذف کادمیوم استفاده کرد.
نتیجه­گیری
نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که با افزایشpH ، میزان جذب برای فلز افزایش می­یابد. بیش­ترین جذب در زمان 20 دقیقه اتفاق افتاد و با افزایش زمان تماس میزان جذب تقریباً ثابت ماند. با افزایش میزان جاذب میزان جذب افزایش یافت و افزایش غلظت اولیه یون­های کادمیوم در محلول ساختگی، سبب کاهش میزان جذب می­شود. در نهایت مشخص شد که جذب فلز کادمیوم توسط نانو ذرات اکسید آهن با مدل لانگمویر مطابقت داشت. در نهایت مشخص شد که نانو ذرات دی اکسید آهن می­تواند کارآیی بالایی در جذب کادمیوم از پساب داشته باشد و می­تواند در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
تشکر و قدردانی
به این وسیله نویسنده مقاله برخود لازم می­دانـد از ریاست پژوهشکده پسماند و پساب دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان (خوراسگان) و کارشناس پژوهشکده سرکار خانم مهندس پیرستانی به جهـت کمک در انجام پروژه و در اختیـار قرار دادن امکانات برای انجـام ایـن پـژوهش، کمـال تقـدیر و تشکر را نماید.
 
 
 
 
References
 
 
 
[1] Miklos DB, Remy C, Jekel M, Linden KG, Drewes JE, Hübner U. Evaluation of advanced oxidation processes for water and wastewater treatment–A critical review. Water Research 2018; 1(139):118-31.
[2] Karimi L, Farzad Kia M, Ovdi A, Esrafli A, Golshan M. Evaluation of the process of adsorption of cadmium ions from synthesized sewage with magnetic nanoparticles synthesized. Journal of Health and Environment 2014; 7(2): 171-84. [Farsi].
[3] Bahrami M, Boroumand Nasab S, Kashkoli H, Farrokhan Firouzi A, Babaee A. Cadmium removal from aqueous solutions using modified magnetite nanoparticles. Journal of Health and Environment 2013; 6 (2): 221-32. [Farsi].
[4] Sharma PR, Chattopadhyay A, Sharma SK, Geng L, Amiralian N, Martin D, Hsiao BS. Nanocellulose from spinifex as an effective adsorbent to remove cadmium (II) from water. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2018; 6(3):3279-90.
[5] Li YS, Liu CC, Chiou C. Kinetic studies of adsorption of lead(II) from aqueous solotion by wine-processing waste sludge, Water Environment Research 2006; 78(3): 263-71.
[6] Sud D, Mahajan G, Kaur MP. Agricultural waste material as potential adsorbent for sequestering heavy metal ions from aqueous solotion - A review, Bioresource Technology 2008; 99: 6017-27.
[7] Sari Y, Tuzen M, Soylak M. Adsorbtion of Pb (II) and Cr (III) from aqueous solution on Celtek clay. Journal of Hazardous Materials 2007; 144: 41-6.
[8] Samanta HS, Das R, Bhattachajee C. Influence of Nanoparticles for Wastewater Treatment- A.-Short Review. Austin Chemical Engineering 2016; 3(3): 1036-42.
[9] Kazemeinejad A, Ahmadi Zadeh. Effect of pH on removal of copper ion from aqueous environments using iron oxide nanoparticles and iron oxide/hydroxyapatite nanocomposites. Magnetic Resonance Systems Research 2013; 3 (5): 41-9.
[10] Mahdavi S, Jalali M, Afkhami A. Removal of heavy metals from aqueous solutions using Fe 3 O 4, ZnO, and CuO nanoparticles. InNanotechnology for Sustainable Development 2012;171-188.
[11] Rouhani M, Shabanian M, Kurd B. Effect of modified iron oxide nanoparticles on magnetic, thermal and mechanical-dynamic properties of nanocelulous/poly vinyl alcohol interconnect films. 1394, 6 (2): 251-63.[ Farsi].
[12] Kumar H, Rni R. Structural Characterization of Silver Nanoparticles Synthesized by Micro emulsion Route. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) 2013; 3(3): 2277-54.
[13] Nisea A.K, Babaei V, Mozaffari S. Effect of modified Clinoptilolite Zeolites with Hexadecyltrimethyl Ammonium Chloride Surfactants and n Cetyl Pyridinium Bromide in Removal of Nitrate from aqueous solutions. Scientific Journal of Rafsanjan University of Medical Sciences 2016; 15 (4): 343-54.
[14] Mobasherpour I, Salahi E, Pazouki M. Removal of nickel (II) from aqueous solutions by using nano-crystallin calcium hydroxypatite. Journal of Saudi Chemical Society 2011; 15: 105-12.
[15] Malekutan M, Khazaee A. Comparison of the efficiency of zero-iron iron nanoparticles and manganese compounds in removal of cadmium ions from aqueous environments. Journal of Ilam University of Medical Sciences 2014; 22 (2): 93-103.
[16] Hekmatzadeh A.A, Karimi-Jashni A, Talebbeydokhti N, Klove B. Adsorption kinetics of nitrate ions on ion exchange resin. Desalination 2013; 326: 125– 34.
[17] Hall, K, Eagleton, R., Acrivos, L., Vermeulen, A. Pore and solid diffiusion kinetics for fixed-bed adsorption under Constant- Pattern Condition,Industtri & Eng. chem. Fundamental 1996; 5: 212-23.
[18] Roop Ch. B, Goyal M.Activated Carbon Adsorption, CRC Press, 2005; pp.497.
[19] Wang J.L. Chen C. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae: a review, Biotechnology Advances 2006; 24(5): 427-51.
[20] KarimiPasandide A, Rezaei Kalantari R, Naseri S, Mahvi A, NabiZazadeh A, Nabizade A and Esrafili A. Investigation of the efficiency of magnetic iron oxide nanoparticles coated with silica in the removal of organic matter of water. Iranian Society of Public Health 2013; 7 (3): 289-300. [farsi]
[21] SalehNia S, Barikbin B, Dori H. Investigation of the Efficiency of Magnesium Activated Carbon with Iron Oxide Nanoparticles in Removal of Copper (II) from aqueous solutions. Journal of Birjand University of Medical Sciences 2016; 23(1). [farsi].
[22] Rastafar N, Rabi B. Removal of nickel and cadmium from synthetic wastewater using wastes of cherry orchards and beech skin. Journal of Environmental Engineering 2014; 1(2): 35-45.
[23] Shokri H, Sayyadi M, Rezaei M, Allahanesani A. Investigation of cadmium removal from aqueous solutions by nickel ferrite nanocomposite with titanium oxide coating. Journal of Rafsanjan University of Medical Sciences 2017; 16(2).
[24] Melamed R, Luz A.B. Efficiency of industrial mineral on the removal of mercury speciesfrom liquid effluents, Sci. Total Environ 2006; l368: 403-6.
[25] SantosYabe M.J, Oliveira E. Heavy metals removal in industrial effluents by sequential adsorbent treatment. Adv. Environ. Res 2003; 7: 263-72.
[26] Meng X, Hongjie W, Di L, Dan Q, Yujia Z, Yili W. 2013.“Removal of Pb(II) from aqueous solution by hydrous manganese dioxide: Adsorption behavior a mechanism. J. of Environmental Sciences 25(3): 479-86.
[27] Azari A, Gholami M, Mokhtari M, Kakavand B, Ahmadi A, Sattari Tabrizi M. Removal of six volumes of chromium from aqueous medium using activated carbon with zero iron nanoparticles (CMFeO): Study of kinetics, isotherms and thermodynamics. Journal of Health and Development 2014; 3(1).
[28] DivbandHafshejani L, Mortazavi Ghanavati P, SabzAlipour S, BoroumandNasab S. Study of kinetics and patterns of the absorption rate of six-volume chromium from aqueous media by nanoparticles of ash leaves. Irrigation Engineering Engineering Journal 2014; 36(1): 31-23. [Farsi].
[29] Hosseini Fard, et al. Synthesis of manganese dioxide nanoparticles and its performance evaluation in copper removal from aqueous solutions. Journal of Water and Sewage 2016, 27.3: 2-11. [farsi].
[30] AkhbarZade R, ShaiestefarM, DareZereshki A. 2012. Investigating the ability of iron oxide nanoparticles in competitive elimination and recovery of chromium 6 and bivalent nickel from wastewater. Ecology Journal 38 (4): 1-8.
 


 
Investigation of the Effect of Using Iron Oxide Nanoparticles in Removing Cadmium from Aqueous Media: A Laboratory Study
 
N[j2] . Hamidianfar[4], M. H. Abolhasani[5], M. Ataabadi[6]
 
 
Received: 12/01/2019  Sent for Revision: 11/01/2019 Received Revised Manuscript: 18/09/2019 Accepted: 21/09/2019
 
Background and Objectives: Cadmium is a heavy metal, which has high toxicity and high accumulation properties in living tissue. The purpose of this study was to determine the efficiency of iron oxide nanoparticles in the adsorption of cadmium from aqueous media.
Materials and Methods: This laboratory study was performed in the summer of 2018. XRD (X-ray powder diffraction)  and SEM (scanning electron microscope) were used to characterize the adsorbent properties and FTIR (fourier-transform infrared spectroscopy) analysis was performed to investigate the adsorbent functional groups.Various factors in cadmium  removal were investigated such as pH, cadmium concentration, contact time and adsorbent dose. Langmuir and Freundlich absorption isotherms were used to describe absorption data. For data processing, a completely randomized block design was used.
Results: Adsorption rate was fixed after 20 minutes (61%, p=0.032). The highest adsorption was achieved at pH=7 (99%, p=0.043) and the lowest adsorption was observed with a significant difference at pH=3 (68%, p=0.048). The adsorption rate of metal, significantly different compared to the others, was the most in the concentration of 20 mg / L and the lowest in the concentration of 90 mg / L (97% and 70.5%, p=0.039). In relation to the effect of iron oxide adsorption, the highest adsorption was observed at 2 grams per liter and the lowest adsorption percentage was at 0.5 grams per liter (97.96% and 75%, p=0.047). The adsorption of cadmium by iron oxide was consistent with the Langmuir model (R2=0.4888).
Conclusion: According to the results, it is recommended to use nanoparticle coatings to increase the cadmium uptake efficiency, and it can be considered as an effective way to remove cadmium.
Key words: Iron oxide nanoparticles, Cadmium, Adsorption, Isotherms
 
Funding: This study did not have any funds.
Conflict of interest: None declared.
Ethical approval: The Ethics Committee of Islamic Azad University University of Khorasgan branch approved the study (Ethical approval: IR.IAU.KHUISF.REC).
How to cite this article: Hamidianfar N, Abolhasani M H, Ataabadi M. Investigation of the Effect of Using Iron Oxide Nanoparticles in Removing Cadmium from Aqueous Media: A Laboratory Study. J Rafsanjan Univ Med Sci 2020; 18 (12): 1253-69. [Farsi]
 
 
[1] کارشناس ارشد محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
[2] (نوسینده مسئول) استادیار،  دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، مرکز تحقیقات پسماند و پساب، دانشگاه آزاد اسلامی اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران. تلفن: 09131705033، دورنگار: 35354117-031، پست الکترونیکی: hadi.mha2001@yahoo.com
[3] - استادیار، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، گروه خاکشناسی، مرکز تحقیقات پسماند و پساب، دانشگاه آزاد اسلامی اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
 
[4]- MSc in Environmental Science, Isfahan Islamic Azad University (Khorasgan), Isfahan, Iran, ORCID: 0000-0001-7973-7053
[5]- Assistant Prof., Faculty of Agriculture and Natural Resources, Waste and Wastewater Research Center, Isfehan Islamic Azad University (Khorasgan), Isfehan, Iran, ORCID: 0000-0003-0780-7256
(Corresponding Author) Tel: 09131705033. Fax: (031) 35354117, E-mail: hadi.mha2001@yahoo.com
[6]- Assistant Prof., Dept. of Soil Science, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Waste and Wastewater Research Center, Isfehan Islamic Azad University (Khorasgan), Isfehan, Iran, ORCID: 0000-0001-9591-4371

 [j1]بهتر است به جای ویرگول از ممیز / استفاده شود. این قابلیت فقط توسط نسخه اصلی توسط نویسنده امکان پذیر است.
 [j2]ORCID مربوط به نویسندگان اضافه گردد (اجباری).
نوع مطالعه: پژوهشي | موضوع مقاله: بهداشت
دریافت: 1397/10/16 | پذیرش: 1398/9/24 | انتشار: 1399/1/1

ارسال نظر درباره این مقاله : نام کاربری یا پست الکترونیک شما:
CAPTCHA

ارسال پیام به نویسنده مسئول


کلیه حقوق این وب سایت متعلق به مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان می باشد.

طراحی و برنامه نویسی : یکتاوب افزار شرق

© 2020 All Rights Reserved | Journal of Rafsanjan University of Medical Sciences

Designed & Developed by : Yektaweb