Abstract Original Article
Fatemeh Alsadat Arghavan[1], Rasoul Khosravi[2], Ali Akbar Taghizadeh3, Mahmoud Taghavi4,
Athar Entezari1, Monireh Khazaei1, Reza Ali Fallahzadeh5
Background and Aim: Activated carbon is a most common adsorbent. By emerging of new technologies, the activated carbon production methods need to be improved. The aim of this study was producing powdered activated carbon from Peganum Harmala seed under ultrasound waves for activation and its application for chromium removal from aqueous solutions.
Materials and Methods: This experimental study was conducted in a batch reactor. The Peganum Harmala seeds were used for activated carbon production and Ultrasonic waves were used to activation. The BET test was done in order to determine of the specific surface area of produced activated carbon. The most important variables affecting the adsorption process were examined. For Cr(VI) determining UV/VIS Spectrophotometer T80+ at a wavelength of 540 nm was used. Data analysis was performed by Excel software.
Results: The BET test results showed that the specific surface area of produced activated carbon is 442m2/g. The optimum pH of solution to adsorption process by both raw powder of Peganum Harmala seeds and produced powdered activated carbon adsorbents was equal 2. Adsorption data for both adsorbents were best fitted to the pseudo-second order kinetic and parameter of K2 for the produced powdered activated carbon was obtained two times more than K2 for raw powdered Peganum Harmala seed.
Conclusion: The results showed that ultrasound is very effective in activation of carbon and produced activated carbon have high adsorption rate and specific surface area, it and can be used as an appropriate adsorbent for removal of hexavalent chromium.
Key Words: Activated carbon, Peganum Harmala seed, Ultrasonic, Chromium
Journal of Birjand University of Medical Sciences. 2016; 23 (3): 235-245.
Received: February 8, 2016 Accepted: April 13, 2016
فاطمهالسادات ارغوان[3]، رسول خسروی[4]، علیاکبر تقیزاده3، محمود تقوی4،
اطهر انتظاری1، منیره خزاعی1، رضاعلی فلاحزاده5
چکیده
زمینه و هدف: کربن فعال، پرکاربردترین جاذب برای حذف آلایندهها میباشد. با ظهور تکنولوژیهای جدید، روش تولید کربن فعال نیاز به اصلاح داشته تا علاوه بر کاهش هزینههای تولید و پیچیدگی فرآیند تولید، اثربخشی فرآیند نیز بهبود یابد. بنابراین هدف از انجام این مطالعه، تولید کربن فعال پودری تحت تأثیر امواج فراصوتی از دانه اسپند و کاربرد آن در حذف کروم از محلولهای آبی بود.
روش تحقیق: این مطالعه بهصورت تجربی بهصورت ناپیوسته انجام شد. برای تولید کربن فعال، از دانه پودرشده اسپند استفاده شد و سطح ویژه کربن فعال با آزمایش BET تعیین گردید. مهمترین متغیرهای اثرگذار بر فرآیند جذب مورد بررسی قرار گرفت. برای اندازهگیری کروم ششظرفیتی، از روش رنگسنجی با استفاده از UV/VIS SpectrometerT80+ استفاده گردید. تجزیه و تحلیل دادهها توسط نرم افزار Excel انجام شد.
یافتهها: pH بهینه برای فرآیند جذب با استفاده از هر دو نوع کربن فعال تولیدی برابر با 2 بهدست آمد. نتایج جذب برای هر دو جاذب از سینتیک درجه دوم کاذب تبیعت کرده و K2 برای کربن فعال پودری تولیدی در مقایسه با پودر خام دانه اسپند بیش از دو برابر بهدست آمد.
نتیجهگیری: نتایج نشان میدهد که امواج فراصوتی برای فعالسازی کربن بسیار مؤثّر میباشد و کربن فعال تولیدی دارای سرعت جذب و سطح ویژه بسیار بالا بوده و میتواند بهعنوان جاذب مناسب در حذف کروم ششظرفیتی استفاده شود.
واژههای کلیدی: کربن فعال، دانه اسپند، اولتراسونیک، کروم
مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 1395؛ 23 (3): 235-245.
دریافت: 19/11/1394 پذیرش: 25/01/1395
مقدمه
همراه با توسعه صنایع، آلایندههای نشأتگرفته از این فعالیّتها بهمیزان قابل توجهی رو به افزایش است. فلزات سنگین از جمله مهمترین آلایندههایی هستند که از طریق این فعالیتها به محیط زیست وارد میشوند (1).
کروم بهعنوان یکی از سمّیترین فلزات سمّی، توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا در گروه A عوامل سرطانزای انسان قرار گرفته است (2). گونههای کروم با قابلیّت اکسیدکنندگی قوی، بهشدّت محلول، متحرّک و سمّی میباشند (3). بدین منظور، دستورالعملهای سختگیرانه و دقیقی برای تخلیه کروم به آبهای سطحی وضع شده است و بیشتر کشورها حد مجاز آن را mg/l05/0 گزارش کردهاند (4). با این وجود، استفاده بیش از حدّ صنایع آبکاری، الکتریکی، چرم، نیروگاههای هستهای، صنایع نساجی و.. از کرومات و دیکرومات، منجر به افزایش این فلز در محیطهای آبی شده است (2). درنتیجه لازم میباشد تا غلظت کروم فاضلاب صنعتی را قبل از تخلیه به محیط زیست، به پایینتر از حدّ مجاز رساند (5).
روشهای متنوّعی برای جداسازی یونهای کروم از محلولهای آبی پیشنهاد میگردد که از آن میان میتوان به جداسازی شیمیایی، فیلتراسیون، جداسازی غشایی، تصفیه الکتروشیمیایی، تبادل یونی، ترسیب شیمیایی، تعویض یونی و اسمز معکوس اشاره کرد. این روشها اغلب دارای نواقص و محدودیتهایی نظیر: راندمان پایین، نیاز به انرژی بالا، نیاز به مواد شیمیایی خاص، تولید مقادیر زیاد لجن و مشکلات مربوط به دفع لجن دارای آلاینده میباشند (6).
در سالهای اخیر، فرآیند جذب بهعنوان یکی از بهترین روشهای حذف یونهای فلزی استفاده گردیده است که به علت کاربرد آسان، بهرهوری و کارآیی بالا و هزینه کم نسبت به سایر روشها، ترجیح داده میشود (7). کربنهای فعال، نشاندهنده یکسری از مواد جذبکننده سطحی میباشند که در ساختار داخلی آنها منافذ بسیاری وجود دارد. کربنهای فعالشده، بهدلیل مساحت گسترده، سطح و ساختار منفذی پیشرفته که شامل منافذ میکرو، مزو و ماکرو است، بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند (8). از جمله کاربردهای کربن در جذب از محیطهای آبی میتوان به حذف مواد آلی، رنگهای مختلف، فلزات سنگین و مواد دارویی اشاره نمود. مواد اولیه مختلفی از جمله: چوب، زغال سنگ و پوست نارگیل را میتوان بهعنوان مادّه غنی از کربن برای تولید کربن فعال استفاده نمود (9).
تولید کربن با استفاده از دو روش فعالسازی فیزیکی و شیمیایی امکانپذیر است (10). در فعالسازی فیزیکی، گرماکافت پیشماده طی مرحله اکسیداسیون صورت میگیرد. در روش فعالسازی شیمیایی که یک روش تکمرحلهای برای تولید کربن فعال بهشمار میآید، مادّه با عوامل فعالساز شیمیایی مثل: NaOH، KOH، K2CO3، ZnCl3و H3PO4، مخلوط میگردد. تولید کربن با فعالسازی فیزیکی نیاز به دماهای بالا (1000-800 درجه سانتی گراد) دارد که با مصرف بالای برق و کارایی کم کربن همراه میباشد. در مقابل در روش فعالسازی شیمیایی، دمای کربونیزاسیون بین 400 تا 600 درجه سانتیگراد میباشد؛ بنابراین بهمیزان قابل توجهی در مصرف انرژی صرفهجویی شده و کارایی فرآیند نیز بالا میرود (11).
اصلاح سطح با روشهای شیمیایی مناسب و روشهای اشباع، نهتنها موجب افزایش ظرفیت جذب میگردد، بلکه جذب انتخابی کربن را زیاد میکند (12)؛ همچنین یک روش مؤثّر برای بهبود ظرفیت جذب کربن فعال، آمادهسازی مواد با سطحی بیشتر از طریق کاهش اندازه ذرّات میباشد (13). کربن فعال پودری دارای اندازه کوچک میباشد؛ درنتیجه نسبت سطح به حجم زیاد آن، منجر به افزایش ظرفیت جذب جاذب میگردد (14).
اسپند یک گیاه خودرو است که فراوانی آن در مناطق اطراف شهرستان بیرجند بسیار زیاد میباشد. دانه اسپند نیز به راحتی و با قیمت مناسب میتواند تهیه گردد. در این مطالعه تولید کربن فعال پودری از دانه اسپند با استفاده از فرآیند شیمیایی- فیزیکی با استفاده از فرآیند اولتراسونیک انجام شد؛ سپس برای حذف کروم ششظرفیتی از محلولهای آبی مورد استفاده قرار گرفت. در نهایت، کارآیی کربن فعال تولیدی با پودر اسپند مورد مقایسه قرار گرفت.
روش تحقیق
الف) آمادهسازی پودر دانه اسپند (PPS)
در فصل خشکشدن اسپند، دانههای اسپند بههمراه غلاف آنها، از مناطق اطراف شهرستان بیرجند جمعآوری شد. دانههای اسپند پس از کوبیدن آرام، با استفاده از الک، جداسازی و تمیزسازی شد. پس از آن دانههای تمیزشده بهمدت 3روز در زیر آفتاب نگهداری شد تا کاملاً رطوبت آن گرفته شود؛ سپس دانههای گرانولی با استفاده از آسیاب به خوبی پودر گردید. پودرهای با مش 60 جداسازی شد و برای استفادههای بعدی در ظرف پلیاتیلن به دور از رطوبت ذخیره گردید.
ب ) تولید کربن فعال پودری اسپند (PPAC)
برای تولید کربن فعال، از روش شیمیایی- فیزیکی جدید با استفاده از تکنولوژی اولتراسوند برای فعالسازی استفاده شد. در این تکنیک بهجای استفاده از روشهای فعالسازی کاملاً سنتی، پرهزینه و خطرناک، از روشی سادهتر و مقرون به صرفهتر استفاده شد.
در این روش، پودر خام اسپند ابتدا به اسید فسفریک 50% حجمی کاملاً آغشته و بهمدت 48ساعت در دمای محیط قرار داده شد (15). پس از آن به داخل راکتور استیل دربدار استوانهایشکل انتقال داده شد تا اکسیژن به داخل آن نفوذ نکند. راکتور استیل به داخل کوره با مدل HL40P controller قابل برنامهریزی منتقل شد و دمای کوره با سرعت 5درجه بر دقیقه به 500درجه سانتیگراد رسانده شد؛ سپس بهمدت 2 ساعت در این دما باقی ماند. پس از سردشدن کوره، راکتور برداشته شد؛ سپس کربن پودری حاصل بهمنظور فعالسازی در اسیدکلریدریک 3 نرمال در داخل یک بشر 500 میلیلیتری غوطهور شده و بهداخل اولتراسونیک مدل Elmasonic E 30H با فرکانس KHz37 انتقال داده شد و بهمدت یک ساعت تحت امواج اولتراسوند قرار گرفت.
تمام مراحل ذکرشده، بهینهسازی شد و بهترین حالت برای تولید و فعالسازی کربن انتخاب شد؛. سپس کربن فعال بهدستآمده با استفاده از آب مقطر دو بار تقطیر شستشو داده شد تا pH آن به حدود 6 برسد. سپس کربن فعال پودری بهمدت 2 ساعت در آون با دمای 110 درجه قرار داده شد تا کاملاً خشک گردد. کربن حاصل در ظرفی پلیاتیلنی به دور از رطوبت برای استفادههای بعدی ذخیره گردید. برای بررسی اثر روش تولید و نقش فعالسازی فرآیند مورد بررسی، سطح ویژه پودر خام، کربن حاصل بعد خروج از کوره و کربن فعال نهایی اندازهگیری گردید.
ج) آزمایش جذب
این مطالعه یک مطالعه تجربی بود و بهصورت ناپیوسته در ارلنهایی به حجم cc100 بر روی شیکر انجام شد. برای تهیه غلظتهای مختلف کروم، از محلول استوک mg/l1000 استفاده شد. برای ساخت محلول استوک، از دیکرومات پتاسیم استفاده گردید.
برای انجام آزمایشها ابتدا مقدار cc50 نمونه با غلظت مشخص توسط استوانه مدرّج برداشته و داخل ارلن ریخته شد. در صورت نیاز به تنظیم pH، با استفاده از HCl و NaOH یک نرمال، pH محلول تنظیم شد. سپس دوز مشخصی از جاذب (در این آزمایش برای مشخصکردن تفاوت کارآیی و ظرفیت جذب کربن فعال با پودر خام اسپند، جاذب پودر خام اسپند نیز مورد استفاده قرار گرفت)، وزن شده و به نمونه داخل ارلن اضافه گردید و بیدرنگ بر روی شیکر گذاشته و سرعت همزدن تنظیم شد. پس از زمان تماس مورد نظر، نمونه از روی شیکر برداشته و از کاغذ صافی واتمن 45/0 میکرون عبور داده شد.
نمونه صاف شده برای سنجش مقدار کروم ششظرفیتی باقیمانده، مورد استفاده قرار گرفت. مهمترین متغیّرهای مورد بررسی در این آزمایش، pH اولیه محلول با دامنه 8-2 (8 و 7-6-5-4-3-2)، دوز جاذب gr/L10-1 (gr/L10 و 9-8-7-6-5-4-3-2-1)، زمان واکنش 80-5 دقیقه (دقیقه 80 و 60 -40-30-20-15-10-5)، و غلظت اولیه کروم mg/L100-25 (mg/L 100 و75-50-25-10) و سرعت همزدن 300-0 دور بر دقیقه (rpm 300 و 200-150-100-50-0) بود. برای اطمینان از تکرار نتایج، هر مرحله از آزمایش دو بار تکرار و میانگین نتایج گزارش شد.
د) روش آنالیز
در این آزمایش برای سنجش مقدار کروم ششظرفیتی از روش رنگسنجی با استفاده از اسپکتروفتومترUV/VIS Spectrometer T80+ در طول موج 540 نانومتر بر اساس روشهای ارائهشده در کتاب استاندارد آزمایشهای آب و فاضلاب (16) استفاده شد. تمام موادّ مورد استفاده در این آزمایش، محصول شرکت مرک بود. تجزیه و تحلیل دادهها توسط نرمافزار Excel انجام شد. برای تعیین سطح ویژه جاذبها، از آزمایش BET استفاده شد.
یافتهها
اثر pH:
همانطور که در نمودار یک نشان داده شده است، فرآیند جذب کروم بهشدّت وابسته به pH میباشد. با افزایش pH از 2 به 8، توانایی جذب کروم کاهش یافت؛ به طوری که در pH برابر 2، راندمان حذف کروم توسط پودر اسپند خام و پودر کربن فعال بهترتیب: 75% و 99% بود؛ در حالی که در pH برابر 8، این مقدار بهترتیب به 23% و 20% کاهش یافت. همچنین با توجه به نمودار مشخص میشود که در 2=pH، با شرایط یکسان، راندمان حذف کروم توسط پودر کربن فعال 34% بالاتر از پودر خام اسپند بود.