جلد 18، شماره 12 - ( 12-1398 )
جلد 18 شماره 12 صفحات 1269-1253 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
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
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
دانشگاه ازاد اسلامی
متن کامل [PDF 1054 kb]
(1143 دریافت)
| چکیده (HTML) (2268 مشاهده)
شکل 1- نمودار حاصل از پراش پرتو ایکس به جاذب مورد آزمایش
ب الف
شکل2- تصاویر SEM تهیه شده از جاذب
(الف) جاذب قبل از جذب کادمیوم، (ب) جاذب بعد از جذب کادمیوم
نمودار 1- نمودار تغییرات pH بعد از گذشت مدت زمان 24 ساعت نسبت به مقدار اولیه pH
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
References
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
[4]- MSc in Environmental Science, Isfahan Islamic Azad University (Khorasgan), Isfahan, Iran, ORCID: 0000-0001-7973-7053
متن کامل: (3358 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
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.
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).
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.
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)
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).
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 | kf (L/g) | فروندلیچ Log qe= Log kf+1/n Log Ce |
| 2681/0 | 1/n | |
| 8022/0 | R2 | |
| 048/1 | KL (L/mg) | لانگمویر c/x/m= 1/kb+ c/b |
| 27/116 | B (µg/g) | |
| 4888/0 | R2 | |
| 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.
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.
[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]
[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
[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
(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
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
