Abstract                                                                                                                                                                        Original Article

The efficiency of magnetic carbon activated by iron oxide nanoparticles in removing of Cu (II) from aqueous solutions

Salehe Salehnia[1],Behnam Barikbin[2], Hadighe Dorri[3]

Background and Aim: Copper ions, due to forming complexes with organic and mineral compounds, can have worrying effects on health and environment. In the present study, the effect of powdered magnetic carbon activated by iron-oxide nanoparticles in removing of CU (V; II) from aqueous solutions was assessed.

Materials and Methods: This experimental study aimed at determining the effect of powdered magnetic carbon activated  by iron-oxide nanoparticles  parameters including PH, contact time, absorbing dose, and initial concentration on copper(II) removal .from aqueous solutions; through an indirect current. In order to assess the qualities of the synthetized adsorbent, TGA, FT-IR and SEM tests were applied. Residual concentration of copper was measured at 324nm wavelength by means of atomic absorption spectrometry flame. The obtained data was analyzed using Langmuir and Freundlich isotherm model.

Result: It was found that synthetic nanoparticles(PH=10), with the adsorbent dosage of 1gr/l, can remove more than 96% of copper ions from aqueous solutions at 2 minutes. Also, the results showed that copper absorption pattern is more in accord with Langmuir model. 

Conclusion: Based on the current findings, magnetic synthesized nanoparticles coated with carbon. are in sporadic form in aqueous solutions and can easily be separated using external magnetic environment. Moreover, because of existant active carbon sites absorption in iron oxide structure suferficial absorbtion capacity increases and and these nanoparticles reveal to have a high performance in the removing process of copper pollutants from aqueous solutions.

Key Words: Activated carbon, Magnetic nanoparticles, Copper, Iron oxide.

Journal of Birjand University of Medical Sciences. 2016; 23 (1): 44-55.

Received: August 3, 2015                Accepted: January 6, 2016

مقاله اصیل پژوهشی

بررسی کارآیی کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن
 در حذف مس (II) از محلول‌های آبی

صالحه صالح‌نیا[4]، بهنام باریک‌بین[5]، حدیقه درّی[6]

چکیده

زمینه و هدف: یون‌های مس می‌توانند به‌واسطه تشکیل کمپلکس با ترکیبات آلی و معدنی، اثرات نگران‌کننده‌ای بر سلامتی و محیط زیست داشته باشد. در این مطالعه، اثر کربن فعّال پودری مغناطیسی‌شده توسط نانوذرّات اکسید آهن بر حذف یون مس (II) از محلول‌های آبی، مورد بررسی قرار گرفت.

روش تحقیق: این مطالعه تجربی، در مقیاس آزمایشگاهی و در رژیم جریان ناپیوسته با هدف بررسی اثر پارامترهای مختلفی از جمله: pH، زمان تماس، دوز جاذب و غلظت اولیه بر فرآیند جذب مس (II) توسط کربن فعال پودری مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن، انجام شد. برای بررسی خصوصیات جاذب سنتزشده، از عکس‌ها و طیف‌های SEM، TGA و FT-IR استفاده شد. غلظت باقیمانده مس (II)، توسط دستگاه جذب اتمی شعله‌ای در طول موج 8/324 نانومتر قرائت گردید. داده‌های به‌دست آمده، با استفاده از مدل‌های ایزوترمی فروندلیچ و لانگمویر تشریح شد.

یافته‌ها: یافته‌های این مطالعه نشان داد که نانوذرّات سنتزشده می‌توانند بیش از 96% درصد از یون‌های مس را در 10=pH و مدّت‌زمان 2 دقیقه، با دوز جاذب یک‌گرم در لیتر حذف کنند. همچنین نتایج این مطالعه نشان داد که الگوی جذب مس (II)، با مدل لانگمویر انطباق بیشتری دارد.

نتیجه‌گیری: بر اساس یافته‌ها، نانوذرّات سنتزشده مغناطیسی پوشیده‌شده با کربن فعال، در محیط آبی به‌صورت پراکنده بوده و به‌راحتی توسط میدان مغناطیسی خارجی قابل جداسازی هستند. از طرفی به‌دلیل وجود کربن فعال و سایت‌های فعال جذب موجود در ساختار اکسید آهن، قابلیّت جذب سطحی افزایش یافته و این نانوذرّات کارایی بالایی در حذف آلاینده مس از محیط‌های آبی از خود نشان می‌دهند.

واژه‌های کلیدی: کربن فعال، نانوذرّات مغناطیسی، مس، اکسید آهن

مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 1395؛ دوره 23 (1):  44-55.

دریافت:  12/05/1394                        پذیرش: 16/10/1394

مقدمه

امروزه یکی از نگرانی‌های زیست‌محیطی، وجود فلزات سنگین در آب‌های زیرزمینی و فاضلاب‌های صنعتی است.
با توجه به اینکه مقادیر ناچیز این یون‌ها، با مواد آلی طبیعی تشکیل کمپلکس داده و حتی مقادیر کم آنها دارای اثرات سمّی می‌باشد؛ بنابراین حذف آنها از آب آشامیدنی ضروری است (1).

مس یکی از این فلزات سنگین است که به‌طور وسیعی در تعداد زیادی از صنایع مثل: آبکاری، رنگ‌آمیزی، برق، کود، تولید چوب، رنگدانه (1)، کارخانجات تولید مقوّا و خمیر کاغذ (2) و صنایع نساجی و ساخت باتری (3) به‌کار می‌رود. گسترش سریع این صنایع منجر به تجمع مس (II) در محیط زیست می‌گردد (1). یون فلزی مس برخلاف آلاینده‌های آلی، غیرقابل تجزیه بیولوژیکی می‌باشد؛ در غلظت بالا سمّی است و می‌تواند مشکلات جدّی زیست‌محیطی و بهداشت عمومی از جمله عوارضی مثل: کم‌‌خونی (4)، تغییرات در استخوان‌ها، افزایش کلسترول، سبز رنگ‌شدن موها (5)، ناراحتی‌های معده و روده (4)، مشکلات تنفسی، کبدی و کلیوی (3)، استفراغ، گرفتگی عضلات، تشنّج و حتی مرگ را ایجاد نماید (6، 7)؛ همچنین احتمال ابتلا به سرطان ریه را افزایش می‌دهد (4). در بین انواع یون‌های مس، یون مس (II) اثرات نگران‌کننده‌ای بر محلول‌های آبی دارد (8).

فنّاوری‌هایی که بیشتر برای حذف یون مس  (II)از فاضلاب صنعتی، توسعه یافته‌اند شامل: ترسیب شیمیایی، تبادل یونی، انعقاد، الکترولیز، اسمز معکوس و جذب هستند (9). امروزه استفاده از روش جذب برای تصفیه فاضلاب‌های غنی از مس، مورد توجه زیادی قرار گرفته است (1). اما مشکل اساسی برای استفاده انواع مختلف جاذب‌ها، جداسازی جاذب‌ها بعد از جذب آلاینده است. در سال‌‌های اخیر فنّاوری جذب مغناطیسی، با توجه به راندمان بالا و سهولت جداسازی بعد از تصفیه، به یکی از فنّاوری‌های نوظهور در حلّ مشکلات زیست‌محیطی تبدیل شده است (10). این فنّاوری در زمینه تصفیه آب، توجه زیادی را به‌خود جلب کرده است. بعد از استفاده از جاذب مغناطیسی، می‌توان آن را به آسانی از طریق نیروی مغناطیسی، جداسازی نمود.

اکسید آهن به‌صورت موفقیت‌آمیزی به‌عنوان مواد کامپوزیت با مواد میزبان (انواع جاذب‌ها)، در ساخت جاذب مغناطیسی استفاده می‌شود (10- 12). مزایای اصلی استفاده از اکسید آهن در ترکیب با جاذب‌های مختلف؛ تخلخل بالا، خاصیت مغناطیسی و گاهی‌اوقات ته‌نشینی خوب می‌باشد. زئولیت، آلژینات، کیتوزان، خاک رس و کربن فعّال، قابلیّت استفاده به‌عنوان بستر جاذب را دارند (10). از میان این جاذب‌ها، کربن فعّال مغناطیسی (Magnetic Activated Carbon) دارای خاصیت منحصر به فردی است؛ به‌طوری‌که نانوذرّات مغناطیسی پوشیده‌شده با کربن فعال (ACMNPs^[7])، به‌آسانی با یک میدان مغناطیسی خارجی قابل جداسازی بوده و مواد مضر همراه با ذرّات مغناطیسی، به کمک این میدان مغناطیسی، از محیط جدا می‌شوند. بعد از جداسازی مغناطیسی، ترکیبات مضر به‌آسانی از ذرّات مغناطیسی حذف شده و ذرّات مغناطیسی بازیابی‌شده، قابل استفاده مجدّد خواهند بود (13)؛ ضمن اینکه وجود کربن فعال، خود نیز می‌تواند عمل جذب را افزایش دهد.

عادلی و همکاران (2012) برای حذف مس، نیکل و روی از نمونه فاضلاب ایران خودرو، از سدیم دو دسیل‌سولفات پوشیده‌شده با نانوذرّات مغناطیسی استفاده نمودند که نتیجه کاربرد این ترکیب برای حذف یون‌های فلزی، رضایت‌بخش بود (14). Ozmen و همکاران (2010) نیز برای جذب مس (II) از محلول‌های آبی، از نانوذرّات مغناطیسی Fe₃O₄ اصلاح‌شده استفاده نمودند. نتایج مطالعه آنها نشان داد، ماکزیمم حذف مس (II)، در pH بین 4  تا 3/5 رخ داد (15). Hao و همکاران (2010)، نانوذرّات مغناطیسی عامل‌دار آمینی (MNP-NH₂) را برای حذف مؤثّر یون Cu (II) از محلول‌های آبی مورد استفاده قرار دادند. مطابق ایزوترم لانگمویر، در مطالعه آنها حداکثر ظرفیت جذب mgg^-177/25 در 6pH= و K298 بود (1). احرام‌پوش و همکاران (1391) از نانوذرّات آهن‌ اکسید برای حذف نیکل از آب خنک‌کننده مصنوعی نیروگاه اتمی، استفاده نمودند. نتایج مطالعه آنها نشان داد، با افزایش pH در محیط قلیایی، راندمان حذف افزایش می‌یابد؛ زیرا وقتی‌که pH محلول، بالای نقطه‌ ایزوالکتریک باشد، سطح اکسید به‌طور منفی شارژ می‌شود و می‌تواند با کاتیون (مثلا یون‌های فلزی) تشکیل کمپلکس‌های سطحی دهد (16).

با توجه به مطالب ذکرشده، در مطالعه حاضر به بررسی نقش کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن در حذف مس (II) از محلول‌های آبی پرداخته شد.

روش تحقیق

مطالعه حاضر یک مطالعه تجربی در مقیاس آزمایشگاهی است که در سیستم جریان ناپیوسته در محیط آزمایشگاهی انجام شد. در این مطالعه، سنتز و آماده‌سازی نانوذرّات، با استفاده از روش هم‌رسوبی شیمیایی، با افزودن نمک‌های آهن دوظرفیتی و سه‌ظرفیتی، در محیط قلیایی و با دمیده‌شدن گاز ازت به‌منظور اکسیژن‌زدایی انجام گردید. برای سنتز و آماده‌سازی جاذب مورد استفاده، به طریق زیر عمل شد: (15)

• ابتدا یک‌گرم کربن فعال پودری، با 100میلی‌لیتر سدیم‌هیدروکسید به‌مدت 2ساعت روی شیکر با دور rpm300 همزده شد.
• در مرحله دوم، 300 میلی‌لیتر آب مقطر داخل بالن دو دهانه ریخته و بر روی میکسر به‌مدت 30دقیقه در حضور گاز ازت به‌دمای 60 تا 70 درجه سانتی‌گراد رسانده شد.
•  در مرحله سوم به آب مقطر روی میکسر 1/4 گرم نمک آهن (II ) و 2/6 گرم نمک آهن (III) اضافه گردید.
• در مرحله چهارم، مواد آماده‌شده در مرحله اول به‌ مواد روی میکسر اضافه شد و در دمای 60درجه سانتی‌گراد و دور 1000 دور در دقیقه، به‌مدت یک‌ساعت روی میکسر قرار گرفت. در این مرحله، تزریق گاز ازت که از طریق مجرای بالن دو دهانه انجام می‌شد، متوقف گردید.
• در مرحله آخر، مواد به‌دست آمده که دارای pH قلیایی بود، توسط آب مقطر شستشو داده شد؛ تا حدّی که pH آن در محدوده خنثی قرار گرفت.

همه مواد مورد استفاده در آزمایش، ساخت شرکت Merek آلمان بود. دستگاه‌های مورد استفاده شامل: دستگاه جذب اتمی شعله‌ای مدلVARIAN AA240  ساخت کشور استرالیا، دستگاهpH متر مدل Knick 765 ساخت آلمان و دستگاه شیکر مدل IKA KS260 ساخت ایتالیا، بودند.

جذب مس (II) به‌وسیله‌ کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن از محلول‌های آبی:

آزمایش‌های جذب در یک سیستم ناپیوسته (Batch) در دمای آزمایشگاه و با دوبار تکرار بر روی نمونه‌های سنتتیک انجام گرفت. تأثیر پارامترهای pH در دامنه 2 تا 12، دوز جاذب در محدوده‌ 1/0 ،3/0، 5/0 ،1 ،3 و 5 ‌گرم در لیتر، زمان واکنش در محدوده‌ 2-5-10-15-30-60 و 120 دقیقه، غلظت‌های اولیه‌ مس با توجه به‌میزان حضور و آلودگی آن در محیط‌های آبی برابر 1، 3، 5، 7 و 10 میلی‌گرم در لیتر بر کارآیی حذف و ظرفیت جذب مس (II) توسط کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن مورد بررسی قرار گرفت. متغیّرهای مورد نظر در هر مرحله بهینه گردید که با توجه به آزمایشات انجام‌شده، بهترین کارآیی حذف مس توسط این جاذب در محلول‌های آبی در شرایط بهینه 10pH= و مدت ‌زمان 2دقیقه، با دوز جاذب یک‌گرم در لیتر به‌دست آمد. در هر مرحله، جاذب به‌کاررفته توسط آهنربای مغناطیسی N42 جدا شده و غلظت باقیمانده مس در محلول، توسط دستگاه جذب اتمی در طول موج 8/324 نانومتر بر اساس کتاب استاندارد آزمایش‌های آب و فاضلاب، سنجش شد. در نهایت مقدار مس جذب‌شده در حالت تعادل و راندمان حذف، توسط معادله‌های 1 و 2 تعیین شد (17).

معادله (1):

معادله (2):

در معادله یک، V حجم محلول (لیتر)، C_e و C₀ غلظت اولیه و تعادلی در فاز مایع (میلی‌گرم در لیتر) و m مقدار جاذب مورد استفاده (گرم) است. در معادله 2، R راندمان حذف (%) است. برای بررسی مدل‌های جذب از مدل ایزوترم‌های لانگمویر و فروندلیچ استفاده گردید.

یافته‌ها

بررسی ساختار نانوذرّات اکسید آهن:

در شکل‌‌های 1، 2 و 3 ساختار نانوذرّات اکسیدآهن نشان داده شده است. برای شناسایی گروه‌های عاملی موجود در ساختار مولکولی نانوذرّات تولیدشده، از آزمایش FTIR با طول موج بین cm^-1 400 تا cm^-1 4000 استفاده شد. همچنین آنالیز گرما وزن‌سنجی (TGA)، برای اندازه‏گیری جرم نمونه به‌عنوان تابعی از دما به‌کار رفت.

آنالیز طیف FT-IR مربوط به ACMNPs:

در بررسی طیفی FT-IR، وجود پیک نوار جذبی نانوذرّات اکسید آهن پایین‌تر از cm-1600، مربوط به پیوندهای Fe2+↔O و Fe3+↔O بود که نشان‌دهنده تشکیل نانوساختارهای Fe2O4 یا Fe3O4 است. وجود پیک‌ها در بازه 1000 تا cm-11300 و 2000 تا
cm-13000، مربوط به وجود گروه‌های C=H و C-O کششی بوده و بالاتر از cm-13000 مربوط به وجود گروه‌های O-H ارتعاشی در ترکیب بود که همگی تأییدکننده وجود گروه‌های عاملی در ساختار نانوذرّه است. این تغییرات در طیف IR نشان داد که نانوذرّات موردنظر، با موفقیت سنتز شدند.

آنالیز تست TGA مربوط به ACMNPs:

مطابق شکل 2، نانوذرّه از دمای صفر تا 700 درجه مادّه، با یک شیب (مقدار شیب نانوذرّه به‌وسیله خط مماس بر آن، که محور ایکس‌ها را قطع می‌کند، مشخص می‌‌شود که به نظر 45 درجه می‌باشد) شروع به از دست‌دادن جرم کرد که این جرم معمولاً مربوط به موادّ عالی می‌باشد.

در دمای بالاتر از 700، از دست‌دادن جرم تقریباً متوقف شد که نشان داد مواد عالی مثل پلیمر در ماده وجود نداشت و تنها مواد معدنی باقی ماندند.

 آنالیز تصویر SEM مربوط به ACMNPs:

شکل و اندازه نانوذرّات، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی تعیین شد. شکل 3 تصاویر SEM مربوط به این نانوذرّات را قبل و بعد از فرآیند جذب نشان می‌دهد که دارای ذرّات کروی چسبیده به سطح ذرّات با دانسیته بالا هستند. مطابق تصویر، مواد تشکیل‌شده دارای اندازه یکنواخت بوده و توزیع یکسانی داشتند که می‌تواند بیان‌کننده دمای مناسب در ساخت آنها باشد. در بعضی مناطق، ذرّات حالت کلوخه‌ای‌شده‌ای دارند که شاید به‌دلیل یکسان‌نبودن دمای محیط هنگام خشک‌شدن آنها باشد. همان‌طور که مشاهده می‌گردد، اندازه نانوذرّات سنتزشده، در محدوده
nm7/49-3/37 می‌باشد.

از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به‌صورت گسترده، برای تعیین مورفولوژی، شکل و تخمین اندازه ذرّات در ابعاد میکرو و نانو استفاده می‌شود. شکل 3، نشان‌دهنده تشکیل ساختارهای نانومقیاس بوده (با توجه به ابعاد نشان داده‌ شده در روی شکل) که دارای شکل کروی می‌باشند.

شکل 2- تست TGA مربوط به نانوذرّات Fe₃O₄

شکل 3- عکس SEM مربوط به نانوذرّات .Fe3O4     (A قبل از فرآیند جذب مس. (B بعد از فرآیند جذب مس

بررسی pH بهینه برای حذف مس:

نتیجه مطالعه نشان داد که با افزایش pH تا محدوده 8 تا 10، قابلیّت حذف آلاینده افزایش می‌یابد. بالاترین میزان حذف در 10pH= مشاهده گردید. در pHهای بالاتر از 10، یون مس به‌صورت هیدروکسید رسوب می‌کند؛ در نتیجه در pHهای بالاتر 10، فرآیند جذب سیر کاهشی پیدا می‌کند. در نمودار 1، اثر متغیّر pH بر میزان حذف یون مس II توسط کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن، نشان داده شده است.  

تأثیر دوز جاذب:

افزایش میزان دوز جاذب، تأثیر چندانی بر کارآیی حذف نداشت؛ چون سایت‌های فعال موجود در جاذب، زیاد بوده و با افزایش دوز جاذب، تعداد سایت‌های فعال بیشتری در اختیار یون‌های فلزی است؛ بنابراین تعداد یون‌های فلزی به‌دام‌افتاده در فاز جاذب، افزایش می‌یابد. میزان دوز جاذب بهینه در محدوده 1/0 تا یک گرم در لیتر بود. از آنجایی‌که کمترین مقدار جاذب با بالاترین کارآیی حذف به‌عنوان دوز بهینه انتخاب می‌گردد، در مراحل بعدی مقدار یک‌گرم در لیتر جاذب مورد استفاده قرار گرفت. در نمودار 2، اثر میزان دوز جاذب بر راندمان حذف یون مس II توسط کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن، نشان داده شده است.

نمودار 1- تأثیر تغییرات pH بر کارآیی حذف یون مس از محلول‌های آبی با استفاده از ACMNPs با دوز جاذب معادل یک‌گرم در لیتر و مدت‌زمان 2دقیقه

نمودار 2- تأثیر تغییرات دوز جاذب بر کارآیی حذف یون مس از محلول‌های آبی با استفاده از ACMNPs در pH معادل 10 و مدت‌زمان 2 دقیقه.

تعیین زمان بهینه برای حذف مس:

نمودار 3، زمان بهینه برای حذف یون مس II توسط کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن، در سرعت اختلاط 400 دور در دقیقه، دوز جاذب یک‌گرم در لیتر و 10pH= را نشان می‌دهد. از آنجایی که حتی با گذشت زمان تا 2ساعت، همچنان راندمان حذف بالاست و هیچ‌گونه فرآیند واجذبی یون‌های فلزی از روی جاذب در این زمان صورت نمی‌گیرد؛ بنابراین کمترین زمان ممکن برای حذف یون مس II، 2دقیقه در نظر گرفته شد که در این مدت‌زمان، راندمان حذف حدود 8/95% می‌باشد.

تأثیر غلظت اولیه مس:

نمودار 4، تأثیر غلظت‌های اولیه مس، بر راندمان حذف را نشان می‌دهد. ظرفیت جذب یون‌های فلزی مس با افزایش غلظت افزایش می‌یابد؛ به‌طوری‌که بالاترین ظرفیت جذب در حدود mg/g8 در غلظت ppm8 حاصل گردید. با افزایش غلظت یون‌های مس، شاهد بالابودن راندمان حذف هستیم؛ این امر نشان‌دهنده بالابودن سایت‌های فعال جذب و کارآیی بالای نانوذرّات سنتزشده در حذف یون‌های فلزی مس می‌باشد.

نمودار 3- تأثیر تغییرات زمان بر کارآیی حذف یون مس از محلول‌های آبی با استفاده از ACMNPs در pH معادل 10 و دوز جاذب معادل یک‌گرم در لیتر

مطالعه ایزوترم‌های جذب

نتایج حاصل از ترسیم ایزوترم‌های مدل جذب لانگمویر و فروندلیچ در نمودارهای 5 و 6 نمایش داده شده است. همچنین ضرایب مربوط به این ایزوترم‌ها در جدول یک ارائه گردیده است. بر این اساس مشاهده می‌شود که داده‌های حاصل از مطالعه حاضر، تناسب بیشتری با معادله جذب لانگمویر دارد؛ به نحوی که ضریب رگرسیون (R²) برای ایزوترم لانگمویر برابر 9992/0 و برای ایزوترم فروندلیچ برابر 999/0 می‌باشد.

نمودار 5- ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب سطحی یون مس (II) بر روی کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن

نمودار 6- ایزوترم جذب فروندلیچ برای جذب سطحی یون مس (II) بر روی کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن

جدول 1- پارامترهای ایزوترم جذب برای جذب سطحی یون مس (II) بر روی کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن

بحث

بررسی pH بهینه:

در نمودار 1، اثر متغیّر pH بر میزان حذف یون مس II از محیط آبی توسط کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن، نشان داده شده است. با بررسی نتایج حاصل از تأثیر pH بر میزان حذف مس و با توجه به شکل، مشخص می‌شود که با ثابت‌بودن غلظت یون مس و تغییر pH از 2 تا 10، میزان راندمان حذف با افزایش pH تا 10 افزایش یافته و پس از آن کاهش می‌یابد. این نتایج (افزایش راندمان حذف با افزایش pH محیط تا محدوده 8) همچنین با نتایج مطالعاتی که در رابطه با حذف یون مس توسط جاذب‌های مختلف انجام شده است، همخوانی دارد (3، 11، 13).

pH، یکی از عوامل تأثیرگذار در حذف یون‌های فلزی از محیط‌های آبی می‌باشد. pH مناسب برای جذب یون هر فلزی، به دو عامل خواص شیمیایی فلز در محلول و وضعیت یونیزاسیون گروه‌های عاملی که محل‌های اتصال را تحت تأثیر قرار می‌دهند، بستگی دارد (18، 19).

بررسی تأثیر دوز جاذب:

در نمودار 2، اثر میزان دوز جاذب بر راندمان حذف یون مس II توسط کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن، نشان داده شده است. در این مطالعه، افزایش میزان دوز جاذب، تأثیر چندانی بر کارآیی حذف نداشت و میزان دوز جاذب بهینه، در محدوده 1/0 تا یک‌گرم در لیتر بود. همچنین از آنجایی که کمترین مقدار جاذب با بالاترین کارآیی حذف به‌عنوان دوز بهینه انتخاب می‌گردد، در مراحل بعدی مقدار یک‌گرم در لیتر جاذب مورد استفاده قرار گرفت. سعیدی و همکاران نیز در مطالعه خود با عنوان «جذب کادمیوم محلول از آب توسط زغال ساخته‌شده از پوست گردو و بادام و مقایسه آن با کربن فعال گرانولی»(1388) به نتایج مشابه دست یافتند (20).

تعیین زمان بهینه برای حذف مس:

به‌منظور تعیین زمان بهینه با بالاترین راندمان حذف مس از محیط آبی، مقدار مشخص جاذب (1 گرم در لیتر) در زمان تماس‌های مختلف، در تماس با محلول قرار گرفت؛ سپس آزمایش‌های جذب برای تعیین زمان به‌طور مجدد تکرار گردید. با توجه به نمودار 3، زمان بهینه حذف یون مس از محیط آبی به‌روش جذب سطحی روی جاذب، برابر 2 دقیقه و درصد حذف یون مس در این مدت‌زمان 8/95درصد بود. عادلی و همکاران (2012)، در مطالعه خود با عنوان «حذف مس، نیکل و روی به‌وسیله سدیم دو دسیل سولفات پوشیده‌شده با نانوذرّات مغناطیسی از نمونه‌های آب و فاضلاب» نشان دادند که استفاده از جاذب مغناطیسی‌شده با نانوذرّات مغناطیسی، برای حذف مس و نیکل کارآیی بالایی دارد و مدت‌زمان لازم برای جذب یون‌های فلزی بسیار کم و در حد یک‌دقیقه می‌باشد (14).

تأثیر غلظت اولیه مس:

نمودار 4، تأثیر غلظت‌های اولیه مس بر راندمان حذف را نشان می‌دهد. ظرفیت جذب یون‌های فلزی مس با افزایش غلظت افزایش می‌یابد؛ به‌طوری‌که بالاترین ظرفیت جذب در حدود mg/g8 در غلظت حدود mg/l8 حاصل گردید. با افزایش غلظت یون‌های مس، شاهد بالابودن راندمان حذف هستیم که نشان‌دهنده بالابودن سایت‌های فعال جذب و کارآیی بالای نانوذرّات سنتزشده در حذف یون‌های فلزی مس می‌باشد. غلظت اولیه، نیروی محرّکه مهمی برای غلبه بر مقاومت یون مس II برای انتقال بین فاز آبی و جامد می‌باشد؛ از این رو غلظت اولیه بالاتر از یون مس II می‌تواند باعث افزایش ظرفیت جذب شود (20). Ozmen و همکاران (2010) در مطالعه‌ای با عنوان «جذب مس (II) از محلول‌های آبی با استفاده از نانوذرّات مغناطیسی Fe₃O₄ اصلاح‌شده» نیز به نتایج مشابهی دست یافتند (15).

ایزوترم جذب:

با توجه به نتایج حاصل از این مطالعه و ضریب R² به‌دست آمده در محاسبه ایزوترم، مشخص شد فرآیند جذب از مدل لانگمویر تبعیت می‌نماید. احرام‌پوش و همکاران (2012) در مطالعه خود با عنوان «حذف نیکل از آب خنک‌کننده مصنوعی نیروگاه اتمی با استفاده از نانوذرّات اکسیدآهن» به نتایج مشابهی دست یافتند (16).

نتیجه‌گیری

حضور مس به‌عنوان یک آلاینده زیست‌محیطی در محیط‌های آبی، اثرات نامطلوبی بر سلامت و محیط زیست دارد. مطالعه حاضر با هدف بررسی کارآیی حذف مس (II) به‌وسیله‌ کربن فعال مغناطیسی‌شده با نانوذرّات اکسید آهن از محلول‌های آبی، انجام شد. این نانوذرّات توانستند بیش از 95درصد از یون‌های مس را در 10=pH و مدت‌زمان 2دقیقه، با دوز جاذب یک‌گرم در لیتر حذف نمایند و فرآیند جذب نیز از مدل لانگمویر تبعیت نمود. این نتایج نشان‌دهنده کارآیی بالای این نانوذرّات در حذف این آلاینده از محیط‌های آبی می‌باشد.

منابع:

1- Hao YM, Man C, Hu ZB. Effective removal of Cu (II) ions from aqueous solution by amino-functionalized magnetic nanoparticles. J Hazard Mater. 2010; 184(1-4): 392-9.

2- Dai J, Yan H, Yang H, Cheng R. Simple method for preparation of chitosan/poly (acrylic acid) blending hydrogel beads and adsorption of copper (II) from aqueous solutions, Chemical Engineering Journal. 2010; 165(1): 240-9.

3- Chen JJ, Ahmad AL, Ooi BS. Poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) hydrogels for copper ion adsorption: Equilibrium isotherms, kinetic and thermodynamic studies. J Environ Chem Eng. 2013; 1(3): 339-48.

4- Hasfalina CM, Maryam RZ, Luqman CA, Rashid M. Adsorption of Copper (II) From Aqueous Medium In Fixed-Bed Column By Kenaf Fibres. APCBEE Procedia. 2012; 3: 255-63.

5- Shahryari T, Moashery BN, Sharifzadeh GHR. Concentrations of chromium and copper in the ground water and drinking water distribution network of Birjand, 2009-2010. J Birjand Univ Med Sci. 2011; 18(1): 62-7. [Persian]

6- Peng Q, Liu Y, Zeng G, Xu W, Yang C, Zhang J. Biosorption of copper(II) by immobilizing Saccharomyces cerevisiae on the surface of chitosan-coated magnetic nanoparticles from aqueous solution. J Hazard Mater. 2010; 177(1-3): 676-82.

7- Ghaee A, Shariaty- Niassar M, Barzin J, Matsuura T. Effects of chitosan membrane morphology on copper ion adsorption. Chem Eng J. 2010; 165(1):46-55.

8- Wan MW, Kan CC, Rogel BD, Dalida ML. Adsorption of copper (II) and lead (II) ions from aqueous solution on chitosan-coated sand. Carbohydrate Polymers. 2010; 80(3): 891-9.

9- Al-Qodah Z. Biosorption of heavy metal ions from aqueous solutions by activated sludge. Desalination. 2006; 196(1-3): 164-76.

10- Lim SF, Zheng YM, Zou SW, Chen JP. Removal of copper by calcium alginate encapsulated magnetic sorbent. Chem Eng J. 2009; 152(2-3): 509-13 .

11- Oliveira LC, Rios RV, Fabris JD, Sapag K, Garg VK, Lago RM. Clay -iron oxide magnetic composites for the adsorption of contaminants in water. Applied clay Science. 2003; 22(4): 169-77.

12- Oliveira LCA, Petkowicz DI, Smaniotto A, Pergher SB. Magnetic zeolites: a new adsorbent for removal of metallic contaminants from water. Water Res. 2004; 38(17):3699-704.

13- Hu J, Lo IMC, Chen G. Comparative study of various magnetic nanoparticles for Cr(VI) removal. Sep Purif Technol. 2007; 56(3): 249-56.

14- Adeli M, Yamini Y, Faraji M. Removal of copper, nickel and zinc by sodium dodecyl sulphate coated magnetite nanoparticles from water and wastewater samples. Arabian Journal of Chemistry; 2012. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1878535212002419/ Accessed 2013

15- Ozmen M, Can K, Arslan G, Tor A, Cengeloglu Y, Ersoz M. Adsorption of Cu(II) from aqueous solution by using modified F_e3O4 magnetic nanoparticles. Desalination. 2010; 254(1-3): 162-9.

16- Ehrampoush M, salmani M, Aboueian M, Zare M, GHaneian M, Askarshahi M, et al . Nickel removal from synthetic nuclear- power- plant coolant water by Iron Oxide nanoparticles. Tolooe-e-behdasht. 2012; 11(1): 1-8. [Persian]

17- Heidari A, Younesi H, Mehraban Z. Removal of Ni(II),Cd(II), and Pb(II) from a ternary aqueous solution by amino functionalized mesoporous and nano mesoporous silica. Chem Eng J. 2009; 153(1-3): 70-9.

18- Ngomsik AF¹, Bee A, Siaugue JM, Talbot D, Cabuil V, Cote G. Co(II) removal by magnetic alginate beads containing Cyanex 272. J Hazard Mater. 2009; 166(2-3): 1043-9.

19- Özer A, Özer D, Özer A. The adsorption of copper(II) ions on to dehydrated wheat bran (DWB): determination of the equilibrium and thermodynamic parameters. Process Biochem. 2004; 39(12): 2183-91.

 20- Saeedi M, Jamshidi A, Abessi A, Bayat J. Removal of Dissolved Cadmium by Adsorption onto Walnut and Almond Shell Charcoal: Comparison with Granular Activated Carbon (GAC). Ab va Fazilab. 2009; 20(2): 16-22. [Persian]