Abstract Original Article
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
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)
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)، Ce 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: