Abstract Original Article
The efficiency of biosynthesis silica nanoparticles at removal of heavy metals Cr and Cu from aqueous solutions
Mohammad Hossein Sayadi[1], Masoumeh Siami
[2], Mohsen Esmaeilpour
[3], Mahmoud Hajiani
2
Background and Aim: Nanotechnology considered as one of the main management strategy in reducing negative effects of water pollution, which leads to treating of water inexpensive and more effective. This study aimed to investigate the removal of Cr and Cu from aqueous solutions using nano-silicate which is synthesized by rice husk.
Materials and Methods: In the present study, functionalized nano-silica with rice husk was fabricated and characterized by FT-IR
، TEM, SEM and XRD. The effect of adsorbent dosage, initial concentration and equilibrium of chromium and copper and contact time in removal of mentioned heavy metals were investigated. Finally, the adsorption isotherms were analyzed.
Results: The silica nanoparticles had nearly spherical morphology with a uniform size of about 80 nm. However, the obtained functionalized silica nanoparticles were spherical (about 90 nm in diameter). Results showed that optimum adsorption of Cr and Cu contaminant obtained at 100 minutes, while the optimum amount of adsorbent for Cr and Cu were 125 and 100 mg respectively. The optimal concentration of Cr and Cu was 2 mg/l. The correlation coefficients of adsorption isotherms of Cr (R
2Langmuir =0.9946) and Cu (R
2Langmuir =0.999) showed the good agreement between the adsorption data and Langmuir model.
Conclusion: The study showed that the silica nanoparticles can be produced using agricultural waste as a inexpensive and environmentally friendly method and can be used to removing of contaminants from the aquatic environment.
Key Words: Nano-silicate, Heavy metals, Adsorption isotherms, Rice husk.
Journal of Birjand University of Medical Sciences. 2017; 24 (1): 36-49.
Received: September 29, 2016 Accepted: February 19, 2017
مقاله اصیل پژوهشی
بررسی کارآیی نانوذرّات سیلیکا بیوسنتزشده در حذف فلزات
سنگین کروم و مس از محلولهای آبی
محمدحسین صیادی[4]، معصومه صیامی[5]، محسن اسماعیلپور[6]، محمود حاجیانی2
چکیده
زمینه و هدف: فناوری نانو در کاهش اثرات منفی آلودگیهای آب، بهعنوان یکی از راهکارهای مدیریتی مطرح میباشد که به تصفیه آب ارزانقیمتتر، بادوامتر و مؤثّرتری منجر میشود
. هدف از انجام این تحقیق، بررسی حذف کروم و مس از محلولهای آبی و پارامترهای مؤثّر بر آن، با استفاده از نانوسیلیکات سنتزشده از پوسته برنج بود.
روش تحقیق: در این مطالعه، نانوسیلیکات عاملدارشده با پوسته برنج ساخته شد و مشخصات نانوذرّات شامل: ساختار ذرّات و اندازه آن، با استفاده از دستگاههای
FT-IR،
TEM,SEM و
XRD بررسی گردید. تأثیر عوامل مقدار جاذب، غلظت اولیه و تعادلی کروم و مس و زمان تماس بر حذف فلزات سنگین مس و کروم مورد آزمایش قرار گرفت و تجزیه و تحلیلهای ایزوترمهای جذبی نیز انجام شد.
یافتهها: نانوذرّات سیلیکا ساختهشده دارای ساختار و مورفولوژی تقریباً کروی با اندازه ذرّات یکنواخت حدود 80 نانومتر بود؛ هر چند که نانوذرّات سیلیکا عاملدارشده، بهصورت کروی با قطر حدود 90 نانومتر بودند. نتایج حذف آلایندهها نشان داد که حداکثر جذب کروم و مس در زمان بهینه 100 دقیقه بود؛ درحالی که مقدار بهینه جاذب برای کروم و مس بهترتیب: 125 و 100 میلیگرم بود. شرایط بهینه بیشترین مقدار جذب کروم و مس در غلظت 2 میلیگرم بر لیتر بود؛ همچنین حداکثر جذب در زمان 100 دقیقه و مقدار 125 میلیگرم بر گرم جاذب صورت گرفت. ایزوترمهای جذب کروم (9946/0=لانگمویر
R2) و مس (999/0=لانگمویر
R2) بیشتر از مدل لانگمیر تبعیت میکنند.
نتیجهگیری: این تحقیق نشان داد که نانوذرّات سیلیکا میتواند با استفاده از پسماندهای کشاورزی تولید شود که بهعنوان روشی ارزانقیمت و دوستدار محیط زیست میباشد و میتواند برای حذف آلودگیها از محیطهای آبی مورد استفاده قرار گیرد.
واژههای کلیدی: نانوسیلیکات، فلزات سنگین، ایزوترمهای جذب، پوسته برنج
مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 1396؛ 24 (1): 36-49.
دریافت: 08/07/1395 پذیرش: 01/12/1395
مقدمه
با افزایش جمعیت، مدرنیزهشدن و افزایش رفاه؛ آلایندههای زیادی به محیط زیست وارد میشوند که آثار سمّی بر روی اکوسیستمها دارند (1، 2). از جمله این آلایندهها، فلزات سنگین هستند که به لحاظ اثرات زیانباری که بر در محیط زیست، بهداشت و سلامت انسانها دارند، از مسائل مهم محسوب میگردند (3).
کروم و مس از فلزات سنگین بوده که بهدلیل عدم تجزیهپذیری و خاصیت تجمعپذیری و انتقال در زنجیره غذایی، مشکلات زیستمحیطی فراوانی ایجاد کردهاند. آبها با غلظت بالای کروم و مس، علاوه بر مشکلات زیستمحیطی باعث تشدید سمیّت و مشکلات سرطانزایی و کمهوشی در انسان میشوند
. بنابراین، حذف مقادیر مازاد این فلزات از منابع آب ضروری است (3). معمولترین روشهای حذف کروم و مس شامل فرآیندهای الکترودیالیز، ترسیب شیمیایی، اسمز معکوس و تبادل یون میباشد (4، 5) که برای دیگر فلزات سنگین نیز کاربرد دارند. اینگونه فرآیندها به دلیل هزینه به نسبت بالا، عدم حذف کامل و همچنین دفع مواد زائد ناشی از آنها، دارای محدودیتهای خاص خود میباشند؛ از طرفی روش جذب سطحی با توجه به کارآیی و کاربرد آسان، یکی از پرکاربردترین روشها معرفی شده است (6، 7).
امروزه توسعه سنتزهای سریع و غیرسمّی سیستمهای مرتبط با شیمی سبز و کمهزینه از پسماندهای کشاورزی و زیست تودهها، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. خاکستر پوسته برنج، یک مادّه دور ریز از آسیابکردن صنعتی برنج میباشد و محتوای سیلیکای موجود در آن حدود 94% میباشد (8). سیلیکات تولیدشده از خاکستر پوسته برنج بهطور موفقیتآمیزی بهعنوان بسترهای عاملدارشده برای فرآیندهای گوناگون در صنایع شیمی و زیستشیمی مورد استفاده قرار میگیرد (9).
در پروژههای کوچک تصفیه پساب، از سبوس برنج استفاده شده است (10). در مطالعه
Ajma و همکاران، حذف کادمیوم از فاضلاب با استفاده از پوسته شلتوک برنج مورد مطالعه قرار گرفت (11).
Abdel ghani و
Hefny نیز در مطالعه خود، با استفاده از جاذبهای ارزانقیمت (شلتوک برنج)، یون فلزی سرب را از محلولهای آبی حذف کردند. آنها تأثیر پارامترهای
pH، زمان تماس و غلظت فلز را مورد مطالعه قرار دادند. در مطالعه آنها، میزان جذب سرب با افزایش
pH از 5/2 تا 5/6 افزایش یافت و حداکثر جذب در 120دقیقه اختلاط رخ داد (12). از آنجایی که
نانوذرّات توانایی بیشتری در جذب سطحی دارند، بنابراین تهیه
نانوذرّات سیلیکا با بهکارگیری روشهای اقتصادی، سودمند و مفید از پوسته برنج قابل توجه میباشد. هدف از این مطالعه، سنتز نانوذرّات سیلیکای عاملدارشده با استفاده از پوسته برنج و بهینهسازی شرایط جذب سطحی از جمله: زمان، مقدار جذبشونده و جاذب بود.
روش تحقیق
3مواد شیمیایی
همه مواد شیمیایی مورد استفاده در آزمایشها، با درجه خلوص بالا از شرکت مرک خریداری شد. همه حلالها، تقطیر و توسط روش استاندارد، خشک و خالص گردید. پوسته برنج از آسیاب برنج در شیراز بهدست آمد.
3 تهیه جاذب
تهیه سدیم سیلیکات از پوسته برنج:
در ابتدا پوسته برنج چندینبار با آب و اتانول بهمنظور حذف آلودگیها شسته شد؛ سپس در دمای 100 درجه سانتیگراد بهمدت 6 ساعت خشک گردید. پوسته برنج بهمدّت یک ساعت در دمای 400 درجه سانتیگراد و سپس بهمدّت 2ساعت در دمای 700درجه سانتیگراد در کوره حرارت داده شد. بهمنظور استخراج سیلیکا از خاکستر پوسته برنج (
RHA)، 2 گرم
RHA به 250 میلیلیتر از محلول یکمولار
HNO3 اضافه و بهمدّت 6ساعت در دمای اتاق بهم زده شد. پودر سفید بهدست آمده، فیلتر و چندینبار با اتانول شسته شد و در نهایت در دمای 80درجه سانتیگراد بهمدّت 4ساعت خشک گردید. سپس 5/1 گرم از سیلیکات (
SiO2) استخراجشده با یکگرم
NaOH مخلوط و در دمای 600درجه سانتیگراد بهمدّت 2ساعت حرارت داده شد. پودر بهدستآمده در 250میلیلیتر آب حل و محلول سدیم سیلیکات فیلتر گردید. برای تهیه نانوذرّات سیلیکات، 300میلیگرم پلیاستیرن (
PS 35000) به 10 میلیلیتر از محلول سدیمسیلیکات اضافه و محلول بهدستآمده با دستگاه فراصوت با قدرت بالا مورد تابشدهی قرار گرفت. سپس محلول یکمولار
HCl قطره به قطره همراه با همزدن شدید توسط دستگاه
Heilscher (ساخت کشور آلمان)، در مدّت 45دقیقه به آن اضافه و سپس سانتریفیوژ گردید. پودر بهدستآمده بهمدت 2 ساعت در دمای 80درجه سانتیگراد تحت خلأ خشک و سپس در دمای 750 درجه سانتیگراد بهمدت یکساعت حرارت داده شد (13).
3تهیه نانوذرّات
![AWT IMAGE](file:///C:DOCUME~1563926~1LOCALS~1Tempmsohtmlclip1)