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،M = 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).