Abstract Original Article
Faezeh Sajadi[1], Mohammad Hossein Sayadi[2], Mahmud Hajiani1
Background and Aim: Cadmium (Cd) is one of the most toxic heavy metals in water that mostly enters the water cycle through industrial waste water. Silver nanoparticles have the capacity to remove heavy metals from the water resources through the mechanism of adsorption. The present study aimed at producing silver bio-nanoparticles and optimizing . Cd removal from aquatic solutions.
Materials and Methods: Silver bio-nanoparticles were extracted via a micro-algae Chlorella vulgaris extract and silver nitrate synthesis. Then, the characteristics of the particles were determined using FT-IR, XRD, SEM devices. In order to optimize Cadmium adsorption by means of silver nanoparticles, parameters including pH, reaction time, initial concentration of Cd and concentrations of nanoparticles were studied under different conditions.
Results: The resulting nanoparticles were spherical, single and crystalline, whose sizes were 10-45 nm. Under the condition of PH = 8, the initial concentration of cadmium 0.5 mg/L, adsorbent dosage of 0.5 mg, reaction time of 10 min, temperature of 300C and mixing speed of 200 rpm, 99% of cadmium was removed. Isotherm of Cadmium-ion adsorption followed Langmuir (R2> 0/96 (and Freundlich (R2> 0/94) models.
Conclusion: Under optimal conditions, silver bio-nanoparticles had the capacity of quick and effective adsorption of cadmium. Thus, with a cheap, non-toxic and environmentally friendly method can remove heavy metals in a short time.
Key Words: Adsorption, Cadmium, Silver Nanoparticles
Journal of Birjand University of Medical Sciences. 2016; 23(2): 119-129.
Received: April 17, 2016 Accepted: June 14, 2016
فائزه سجادی[3]، محمد حسین صیادی[4]، محمود حاجیانی1
چکیده
زمینه و هدف: کادمیوم یکی از سمّیترین فلزات سنگین موجود در آب است که بیشتر از طریق فاضلاب صنایع وارد منابع آبی میشود. نانوذرّات نقره توانایی حذف فلزات سنگین از منابع آبی را از طریق مکانیسم جذب سطحی دارند. هدف از این مطالعه، ساخت نانوذرّات زیستی نقره و مطالعه بهینهسازی حذف کادمیوم در محلولهای آبی بود.
روش تحقیق: نانوذرّات زیستی نقره، از طریق ترکیب عصاره میکروجلبک کلرلا ولگاریس و نیترات نقره سنتز گردید و مشخصات نانوذرّات شامل ساختار ذرّات و اندازه آن، با استفاده از دستگاههای FT-IR، SEM و XRD مشخص شد. برای بهینهسازی فرآیند جذب سطحی کادمیوم با نانوذرّات زیستی نقره؛ پارامترهای pH، زمان تماس، غلظت اولیه کادمیوم و غلظت نانوذرّات، تحت شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفت.
یافتهها: نانوذرّات بهدستآمده بهصورت کروی، منفرد و کریستالی و با اندازه ذرّات 10-45 نانومتر حاصل شد. شرایط 8pH=، غلظت اولیه کادمیوم 5/0میلیگرم در لیتر، مقدار جاذب 5/0میلیگرم، زمان تماس 10دقیقه، میزان بهینه پارامترهای مؤثّر در جذب سطحی کادمیوم در دمای 30 درجه سانتیگراد و سرعت همزن 200 دور در دقیقه بهدست آمد. ایزوترم جذب یون کادمیوم از مدل لانگمویر (96/0R2>) و فرندلیچ (94/0R2>) تبعیت نمود.
نتیجهگیری: در شرایط بهینه، نانوذرات زیستی نقره، توانایی جذب سریع و مؤثّر فلز کادمیوم را دارند؛ بنابراین این نانوذرّات میتوانند بهعنوان روشی ارزانقیمت، غیرسمّی و دوستدار محیط زیست، برای حذف فلزات سنگین در مدت زمان کوتاه مورد استفاده قرار گیرند.
واژههای کلیدی: جذب سطحی، کادمیوم، نانوذرّات نقره
مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 1395؛ 23(2): 119-129.
دریافت: 29/01/1395 پذیرش: 25/03/1395
مقدمه
بحران آب در دهههای اخیر به یکی از معضلات جوامع بشری تبدیل شده است. بنابراین نیاز به تأمین و توسعه منابع آب و در نتیجه گسترش تکنولوژیهای نوین برای حفظ و گسترش منابع آبی، امری ضروری است (1). روند صنعتیشدن و استفاده زیاد از فلزات سنگین در سالهای اخیر بهطور اجتنابناپذیری منجر به افزایش این فلزات در محیطهای آبی شده است (2). وجود فلزات سنگین سمّی در آبهای سطحی و زیرزمینی، موجب بهخطر افتادن سلامتی موجودات زنده شده است. میزان سمیّت فلزات در شرایط مختلف متفاوت است و تابع عواملی چون: غلظت، شرایط محیطی، زمان تماس و سایر عوامل فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است. این آلایندهها بهدلیل سمیّت زیاد، غیر قابل تجزیهبودن و اثرات تجمعی، مورد توجه قرار گرفتهاند (3). در مناطقی که آب شیرین کمیاب است، نیاز مبرمی برای استفاده از آب با کیفیّت پایین وجود دارد. به همین دلیل، آبهایی از قبیل: زهآبهای کشاورزی و پسابهای شهری و صنعتی، از منابع با ارزش محسوب میشوند (4).
کادمیوم یک فلز سنگین با سمیّت بسیار بالا است که توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا و آژانس بینالمللی تحقیقات سرطان بهعنوان مادّهای سرطانزا شناخته شده است. طبق جدیدترین استانداردهای سازمان بهداشت جهانی، حداکثر غلظت مجاز کادمیوم در آب آشامیدنی 005/0 میلیگرم در لیتر است (5).
روشهای گوناگونی برای حذف فلزات از آب وجود دارد که شامل رسوبدهی شیمیایی، تعویض یونی، جذب سطحی، فیلتر غشایی و انعقاد شیمیایی میباشند. یکی از بهترین روشها برای حذف غلظتهای پایین فلزات سنگین از آب، فرآیند جذب میباشد. این فرآیند بهدلیل کارایی بالای حذف، ظرفیت بالای تصفیه و نرخ واکنش بالا، مورد توجه میباشد (6). از میان جاذبها، جاذبهای زیستی بهدلیل سهولت دسترسی، استفاده آسان، بهرهگیری از موادّ زیستی و طبیعی، قیمت مناسب و امکان استفاده مجدّد از آنها، مورد توجه بیشتری قرار گرفتهاند (7).
نانوتکنولوژی و بهخصوص نانومواد در سالهای اخیر اثر مهمی در توسعه زمینههای مختلف مهندسی محیط زیست داشتهاند. نانوذرّات بهعلّت سطح مخصوص بیشتری که نسبت به سایر موادّ جاذب دارند، کارایی بیشتری دارند. نانوذرّات بهعلّت داشتن ساختار منحصر به فرد و خواص الکترونی ویژه، به جاذبهای بسیار قوی تبدیل شدهاند. از دیگر فواید نانوذرّات نسبت به سایر جاذبها؛ حجم مصرفی کم در مقایسه با جاذبهای دیگر، تولید لجن کمتر، قابلیّت بازیافت راحتتر فلزات سنگین جذبشده، امکان تولید ارزانتر و بیشتر نانوذرّات با توجه به روشهای تولیدی جدید میباشد (8).
بررسیهای مختلف نشان میدهد که یکی از کاربردهای فناوری نانو، در حوزه تصفیه صنعت آب است که با استفاده مناسب از این فناوری، هزینههای تصفیه آب بهمیزان زیادی کاهش خواهد یافت (9،10). مطالعات زیادی به بررسی تولید، تعیین مشخصات و بررسی جذب فلزات سنگین از محلولهای آبی پرداختهاند (11). هدف از این مطالعه، ساخت نانوذرّات زیستی نقره و بهینهسازی فاکتورهای pH، زمان واکنش، غلظت نانوذرّه جاذب و غلظت اولیه عنصر کادمیوم در جذب سطحی کادمیوم از محلولهای آبی بود.
روش تحقیق
میکروجلبک کلرلا ولگاریس، از آزمایشگاه منابع طبیعی و محیط زیست بیرجند تهیه شد. کلرلا ولگاریس با استفاده از تکنیکهای معمول در شرایط آزمایشگاهی در دمای 28 درجه سانتیگراد، در 8/16 ساعت تاریکی/روشنایی، زیر نور فلوئورسنت در محیط کشت BBM کشت داده شد. عصاره خالص جلبک، با اضافهکردن 2 گرم از پودر خشکشده به ارلنمایر 250 میلیلیتر و اضافهکردن 100 میلیلیتر آب مقطر دیونیزهشده به آن و قرار دادن آن بر روی هیتر برای ده دقیقه در دمای 60 تا 80 درجه سانتیگراد، تهیه شد. عصاره جوشیدهشده، با کاغذ صافی واتمن شماره 1 فیلتر شد و عصاره در دمای 4 درجه سانتیگراد نگهداری شد. در روش معمول سنتز نانوذرّات نقره، 10 میلیلیتر عصاره خالص به 40میلیلیتر محلول 001/0 مولار نیترات نقره با pH (3-8) ادغام شد و در دستگاه انکوباتور شیکردار، برای 1 تا 8 روز در دمای 29 درجه سانتیگراد و سرعت 120 دور در دقیقه قرار گرفت (12).
روش بررسی جذب یونهای کادمیوم:
در این مطالعه برای ساخت محلول استاندارد کادمیوم، از نمک نیترات کادمیوم استفاده شد. برای تهیه محلولهای با غلظت کمتر، از محلولهای استوک استفاده شد. تمام آزمایشها در دمای ثابت و در محدوده 2±30 درجه سانتیگراد انجام شد. ابتدا بهمنظور تعیین pH بهینه، 25میلیلیتر از محلول فلزی کادمیوم بهطور مجزا با غلظت 5/0میلیگرم بر لیتر با استفاده از محلولهای فلزی 1/0 نرمال NaOH و HCl در بازه pHهای سه تا ده تنظیم گردید. به هر کدام مقدار 01/0 گرم جاذب اضافه گردید؛ سپس نمونهها بهمدت 10دقیقه روی دستگاه لرزاننده قرار گرفتند. پس از این مرحله، قسمت مایع محلول از قسمت جامد (نانوذرات نقره) جدا و غلظت فلزات باقیمانده در محلولها توسط دستگاه جذب اتمی اندازهگیری شد.
برای تعیین زمان تعادل، محلولهای کادمیوم با غلظت 25 میلیگرم بر لیتر در شرایط pH بهینه و مقدار 01/0 گرم جاذب برای مدتزمانهای 2، 5، 10، 15، 20 و 30 دقیقه با سرعت 200 دور بر دقیقه روی دستگاه لرزاننده قرار داده شد و بعد از جداکردن فاز جامد، غلظت محلولها اندازهگیری شد.
پس از تعیین زمان تعادل، آزمایشهای جذب ایزوترم انجام گردید. این آزمایشها شامل تعیین جرم بهینه جاذب و اثر غلظتهای اولیه روی راندمان جذب کادمیوم بود. برای تعیین جرم بهینه جاذب، مقادیر مختلف از جاذب 01/0، 02/0، 04/0، 05/0، 1/0 و 5/0 گرم توزین گردید و هر کدام به 25میلیلیتر از محلول فلزی کادمیوم با غلظت 5/0 میلیگرم بر لیتر افزوده شد که این آزمایش در شرایط pH بهینه و زمان تعادل بهدست آمده انجام شد.
برای تعیین اثر غلظت اولیه، راندمان جذب غلظتهای مختلف از محلولهای فلزی با شرایط بهینه بهدست آمده در مراحل قبل (pH بهینه، زمان تعادل و جرم جاذب بهینه) مورد آزمایش قرار گرفت.
برای محاسبه درصد حذف (Up) کادمیوم، از معادله یک استفاده شد.