• صفحه اصلی
  • بررسی کارایی پوست انار در حذف نیکل و کروم از پساب صنعتی و طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : JFTN-2308-11273 (R3) بازدید : 245 صفحه: 71 - 86

نوع مقاله: پژوهشی

بررسی کارایی پوست انار در حذف نیکل و کروم از پساب صنعتی و طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ

محورهای موضوعی : میکروبیولوژی مواد غذایی

نسرین هاشمی 1 , مسعود هنرور 2 * , الهه قره خانی 3

1 - دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی علوم و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسالمی، تهران، ایران
2 - دانشیار گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسالمی، تهران، ایران
3 - استادیار گروه شیمی، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، استان مرکزی، ایران

تاریخ دریافت : 1402/06/05 تاریخ پذیرش : 1402/12/23 تاریخ انتشار : 1403/03/30

کلید واژه: واژه های کلیدی: آلودگی, فلزات سنگین, پوست انار, فاضلاب, جذب,

چکیده مقاله :

چکیده آلودگی آب با فلزات سنگین سمی در اثر تخلیه فاضلاب صنعتی یک مشکل زیست محیطی در سراسر جهان است. حذف فلزات سنگین از پساب صنعتی موضوعی قابل توجه در زمینه آلودگی آب است که یک معضل جدی در کاهش کیفیت آب می باشد. فلزات متعددی مانند نیکل، کادمیوم، کروم، کبالت، مس، سرب، جیوه و روی به میزان قابل توجهی سمی می باشند. هدف از این مطالعه بررسی تاثیر پوست انار به عنوان یک جاذب ارزان قیمت در حذف فلزات نیکل و کروم می باشد. پوست های انار ابتدا با محلول سود 1/0 نرمال اصلاح شد و توانایی جذب بررسی گردید. تاثیر سود بر روی جاذب توسط تکنیک های CHN، FT-IR، و SEM مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که اصلاح جاذب با سود در حذف یون‌های کروم و نیکل از پساب صنعتی موثر بوده است. آزمایشات جذب در غلظت های مختلف جاذب، زمان، دما و pH های مختلف انجام گرفت. تجزیه و تحلیل داده‎ها نشان می‎دهد که شرایط بهینه برای یون نیکل (II) g/L 4.5 از جاذب، 6pH=، دما308.15 K و زمان 60 دقیقه و شرایط بهینه برای یون کروم (VI)، g/L 4 از جاذب، 5.5pH= ، دمای300.65K و زمان 100 دقیقه می باشد. تحقیقات صورت گرفته و نتایج حاصل از آن با توجه به مزایای بالقوه، استفاده از این جاذب به عنوان جاذب زیستی جهت حذف نیکل و کروم در پساب صنعتی را به عنوان چشم اندازی امیدوار کننده و دوستدار محیط زیست پیشنهاد می کند. واژه های کلیدی: آلودگی، فلزات سنگین، پوست انار، فاضلاب، جذب

چکیده انگلیسی:

Abstract Water pollution with toxic heavy metals due to industrial wastewater discharge is a global environmental issue. The removal of heavy metals from industrial effluents is a significant concern in the field of water pollution and a serious challenge in reducing water quality. Multiple metals such as nickel, cadmium, chromium, cobalt, copper, lead, mercury, and zinc are notably toxic. The aim of this study is to investigate the impact of pomegranate peel as a cost-effective adsorbent in removing nickel and chromium metals. Pomegranate peels were initially treated with a 0.1 N sulfuric acid solution, and their adsorption capacity was examined. The effect of sulfuric acid on the adsorbent was assessed using CHN, FT-IR, and SEM techniques. The results indicated that the modification of the adsorbent with sulfuric acid was effective in removing chromium and nickel ions from industrial wastewater. Adsorption experiments were carried out at various adsorbent concentrations, times, temperatures, and pH levels. Data analysis revealed that the optimal conditions for nickel ions (II) are a concentration of 4.5 g/L of the adsorbent, pH 6, a temperature of 308.15 K, and a time of 60 minutes. The optimal conditions for chromium ions (VI) are a concentration of 4 g/L of the adsorbent, pH 5.5, a temperature of 300.65 K, and a time of 100 minutes. The research conducted and the results obtained suggest that, considering the potential benefits, the use of this adsorbent for the removal of nickel and chromium in industrial wastewater is a promising and environmentally friendly approach.

منابع و مأخذ:

Abbasi, Z., Alikarami, M. & Homafar, A. )2009(. Adsorption study on pomegranate peel: removal of Ni 2+ from aqueous solution and Co2+. Inorganic Chemistry, 3, 3-6.
Abdul, K. S. M., Jayasinghe, S. S., Chandana, E. P., Jayasumana, C. & De Silva, P. M. C. (2015). Arsenic and human health effects: A review. Environmental toxicology and pharmacology, 40, 828-846. http://doi.org/10.1016/j.etap.2015.09.016.
Abdullah, N., Yusof, N., Lau, W., Jaafar, J. & Ismail, A. (2019). Recent trends of heavy metal removal from water/wastewater by membrane technologies. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 76, 17-38. http://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.03.029
Akkari, I., Graba, Z., Bezzi, N., Merzeg, F. A., Bait, N. & Ferhati, A. (2021). Raw pomegranate peel as promise efficient biosorbent for the removal of Basic Red 46 dye: equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies. Biomass Conversion and Biorefinery, 1-14. http://doi.org/10.1007/s13399-021-01620-9
Ayyoubi, B., Jamshidi Zanjani, A. & Khodadadi Darban, A. (2018). Removal of hexavalent chromium ions by adsorption on manganese ferrite adsorbents: A study on kinetics and thermodynamics. Modares Civil Engineering Journal, 18, 119-132. [In Persian]
Badillo-camacho, J., Orozco-guareño, E., Carbajal-arizaga, G. G., Manríquez-gonzalez, R., Barcelo-quintal, I. D. & Gomez-salazar, S. (2020). Cr (VI) adsorption from aqueous streams on eggshell membranes of different birds used as biosorbents. Adsorption Science & Technology, 38, 413-434. http://doi.org/10.1177/0263617420956893
Ben-ali, S. (2021). Application of raw and modified pomegranate peel for wastewater treatment: a literature overview and analysis. International Journal of Chemical Engineering. http://doi.org/10.1155/2021/8840907
Bhatnagar, A. & Minocha, A. (2010). Biosorption optimization of nickel removal from water using Punica granatum peel waste. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 76, 544-548. http://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2009.12.016.
Chelladurai, S. J. S., Murugan, K., Ray, A. P., Upadhyaya, M., Narasimharaj, V. & Gnanasekaran, S. (2021). Optimization of process parameters using response surface methodology: A review. Materials Today: Proceedings, 37, 1301-1304.


Cheyad, M. S. & Salman, T. A. (2017). Characterization and study the inhibition activity of pomegranate peel extract for α-brass corrosion in H2SO4 solution. Oriental Journal of Chemistry, 33, 1241. http://dx.doi.org/10.13005/ojc/330323
Gnaiger, E. & Bitterlich, G. (1984). Proximate biochemical composition and caloric content calculated from elemental CHN analysis: A stoichiometric concept. Oecologia, 62, 289-298.
Ghaneian, M. T., Jamshidi, B., Amrollahi, M., dehvari, M. & Taghavi, M. (2013). Application of biosorption process by pomegranate seed powder in the removal of hexavalent chromium fromaqueous environment. Koomesh; 15 (2), 206-211. [In Persian]
Giri, R., Kumari, N., Behera, M., Sharma, A., Kumar, S., Kumar, N. & Singh, R. (2021). Adsorption of hexavalent chromium from aqueous solution using pomegranate peel as low-cost biosorbent. Environmental Sustainability, 4, 401-417. http://doi.org/10.1007/s42398-021-00192-8
Hadigol, N., Fahim Danesh, M. & Hosseini, S. (2019). Exploration of the Potential of Activated Carbon Produced from Pomegranate Peel as a Two- and Three-Component Adsorbent for Color and Metal Removal in Liquid Environments. Research in Iranian Food Science and Industries. 15 (2), 369-380. [In Persian]
Hong, S. J., Mun, H. J., Kim, B. J. & Kim, Y. S. (2021). Characterization of nickel oxide adsorbents synthesized under low temperature. Micromachines, 12, 1168. https://doi.org/10.3390/mi12101168
Khajeh Mahriza, M. & Shahi, Z. (2019). Study of factors influencing the removal of heavy metals from wastewater using adsorbent materials (Biological- Natural), Journal of studies in the world of Color, 3(9), pp. 15-26. [In Persian].
Lefebvre, D. D. & Edwards, C. (2010). Decontaminating heavy metals from water using photosynthetic microbes. Emerging Environmental Technologies, Volume II. Springer.
Msaadi, R., Sassi, W., Hihn, J. Y., Ammar, S. & Chehimi, M. M. (2021). Valorization of pomegranate peel balls as bioadsorbents of methylene blue in aqueous media. Emergent Materials, 1-10. https://doi.org/10.1007/s42247-021-00174-w
Najim, T. S. & Yassin, S. A. (2009). Removal of Cr (VI) from aqueous solution using modified pomegranate peel: equilibrium and kinetic studies. E-journal of chemistry, 6, S129-S142. https://doi.org/10.1155/2009/936541
Ngo, Y. L. T. & Hur, S. H. (2016). Low-temperature NO2 gas sensor fabricated with NiO and reduced graphene oxide hybrid structure. Materials Research Bulletin, 84, 168-176. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2016.08.004
Pashaei, H., Ghaemi, A., Nasiri, M. & Karami, B. (2020). Experimental modeling and optimization of CO2 absorption into piperazine solutions using RSM-CCD methodology. ACS omega, 5, 8432-8448. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03363
Raji, C., Manju, G. & Anirudhan, T. (1997). Removal of heavy metal ions from water using sawdust-based activated carbon.
Reddy, K., Al Shoaibi, A. & Srinivasakannan, C. (2015). Preparation of porous carbon from date palm seeds and process optimization. International journal of environmental science and technology, 12, 959-966. https://doi.org/10.1007/s13762-013-0468-9
Rezaei, A. & Hosseini, H. (2012). Chromium, environmental-health effects, and purification strategies. International Journal of Water Engineering [In Persian].
Romero-Cano, L. A., Gonzalez Gutierrez, L. V. & Baldenegro Perez, L. A. (2016). Biosorbents prepared from orange peels using Instant Controlled Pressure Drop for Cu (II) and phenol removal. Industrial Crops and Products, 84, 344-349.
Saeed, M. O., Azizli, K., Isa, M. H. & Bashir, M. J. (2015). Application of CCD in RSM to obtain optimize treatment of POME using Fenton oxidation process. Journal of Water Process Engineering, 8, e7-e16. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2014.11.001
Shouman, M. A. H. & Khedr, S. A. A. (2015). Removal of cationic dye from aqueous solutions by modified acid-treated pomegranate peels (Punica granatum): Equilibrium and kinetic studies. Asian Journal of Applied Sciences, 3.
Sud, D., Mahajan, G. & Kaur, M. (2008). Agricultural waste material as potential adsorbent for sequestering heavy metal ions from aqueous solutions–A review. Bioresource technology, 99, 6017-6027. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.11.064
Taheriyoun, A. P. (2019). Evaluation of coagulation and flocculation processes for the removal of heavy metals from the chemical wastewater of Mobarakeh Steel Complex. Environmental Science and Technology, 21(6), 46-60. [In Persian]
Tavakoli, M. (2020). Assessment of Natural Adsorbents in Water and Wastewater Treatment. Research and Environmental Technology, 7, 39-54. [In Persian]
Vardin, H., Tay, A., Ozen, B. & Mauer, L. (2008). Authentication of pomegranate juice concentrate using FTIR spectroscopy and chemometrics. Food Chemistry, 108, 742-748. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2007.11.027
Weckhuysen, B. M., Wachs, I. E. & Schoonheydt, R. A. (1996). Surface chemistry and spectroscopy of chromium in inorganic oxides. Chemical Reviews, 96, 3327-3350.


متن کامل:
عوامل موثر بر کیفت روابط ایجاد شده میان

 علوم غذايي و تغذيه/ بهار 1403 / سال بیست و یکم / شماره 2                                                                                                                              Food Technology & Nutrition / Spring 2024 / Vol. 21 / No. 2 

نسرین هاشمی و همكاران

 

بررسی کارایی پوست انار در حذف نیکل و کروم از پساب صنعت آبمیوه

 

نسرین هاشمیa، مسعود هنرورb *، الهه قره خانیc 

 

a دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی علوم و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

b دانشیار گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

c استادیار گروه شیمی، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، استان مرکزی، ایران

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخ دریافت مقاله: 05/06/1402                        تاریخ پذیرش مقاله: 23/12/1402

 

چکيده

مقدمه: آلودگی آب با فلزات سنگین سمی در اثر تخلیه فاضلاب صنعتی یک مشکل زیست محیطی در سراسر جهان است. حذف فلزات سنگین از پساب صنعتی موضوعی قابل توجه در زمینه آلودگی آب است که یک مشکل جدی در کاهش کیفیت آب می‏باشد. فلزات متعددی مانند نیکل، كادمیوم، كروم، كبالت، مس، سرب، جیوه و روی به میزان قابل توجهی سمی می‏باشند. هدف از این مطالعه بررسی تاثیر پوست انار به عنوان یک جاذب ارزان قیمت در حذف فلزات نیکل و کروم می‏باشد.

مواد و روش‏ها: پوست‏ انار ابتدا با محلول سود 1/0 نرمال اصلاح شد و توانایی جذب بررسی گردید. تاثیر سود بر روی جاذب توسط تکنیک‏های CHN، FT-IR و SEM مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت.

یافته ها: نتایج نشان داد که اصلاح جاذب با سود در حذف یون‏های کروم و نیکل از پساب صنعتی موثر بوده است. آزمایشات جذب در غلظت‏های مختلف جاذب، زمان، دما و‏pH‏های مختلف انجام گرفت. تجزیه و تحلیل داده‎ها نشان داد که شرایط بهینه برای یون نیکل (II) g/L 5/4 از جاذب، 6pH=، دما308.15 K  و زمان 60 دقیقه و شرایط بهینه برای یون کروم (VI)، g/L 4 از جاذب، 5/5pH= ، دمای300.65K  و زمان 100 دقیقه می‏باشد.

نتیجه‏گیری: تحقیقات صورت گرفته و نتایج حاصل از آن با توجه به مزایای بالقوه، استفاده از این جاذب به‏عنوان جاذب زیستی جهت حذف نیکل و کروم در پساب صنعتی را به‎عنوان چشم اندازی امیدوار کننده و دوستدار محیط زیست پیشنهاد می‏کند.

 

واژه‏های کلیدی: آلودگی، پوست انار، جذب، فلزات سنگین، فاضلاب.

 

* نويسنده مسئول مكاتبات                                                                                                              email: M.honarvar@srbiau.ac.ir

 

مقدمه

آب همواره يكي از منابع راهبردي و حياتي بوده كه توجه زيادي در هر عصري به خود معطوف كرده است. در زمان حاضر با توجه به توسعه صنايع و گسترش شهرنشيني از يك طرف، محدود بودن منابع آب از طرف ديگر ضروری است كه از منابع آب موجود به نحو احسن استفاده نمود. با توجه به اینکه آب می‏بایستی عاری از آلودگی شیمیایی و میکروبی باشد تا باعث بروز مشکل در مصارف صنعتی و خانگی نگردد برای تصفیه آب گاهی روش‏های علمی و پیچیده مورد نیاز می‏باشد (Hoseini et al., 2012). رشد سریع جمعيت شهري، وجود حجم زیادی از فاضلاب مراكز صنعتي، شهري و نگراني‏هاي زيست- محيطي از سويي و كمبود منابع آب شيرين از سوي ديگر، ضرورت بهره‏برداري مطلوب از پساب‏هاي شهري و صنعتي را دو چندان مي‏كند. با بیشتر شدن فعاليت‏هاي صنعتي و تخليه فاضلاب‏هاي تصفيه نشده به محيط‏هاي آبي که شامل آلاینده‏های مختلف محیط زیستی هستند، مشكلات زیادی برای انسان و سایر موجودات زنده ایجاد شده است و آلودگی منابع آبی به یک مشکل جدی محیط زیست جهانی تبدیل شده است .(Romero-Cano et al., 2016)

فاضلاب‏های صنعتی حاوی مواد آلاینده متنوعی هستند که می‏توانند به طور جدی به محیط زیست آسیب برسانند. این فاضلاب‏ها معمولاً شامل مواد آلی، شیمیایی، فلزات سنگین، ترکیبات نفتی، رنگ‏ها، مواد رادیواکتیو و میکروارگانیسم‏ها هستند. تخلیه پساب‏های غیر استاندارد صنعتی، استفاده از آنها در کشاورزی و تخلیه به آب‏های سطحی، مخاطرات بهداشتی و زیست محیطی زیادی را به دنبال خواهد داشت. به منظور جلوگیری از تهدید بهداشت عمومی، آلوده شدن خاک، ورود آلاینده‏ها به منابع آب و آلودگی محصولات کشاورزی، کنترل کیفی پساب و شناسایی ترکیبات آن به منظور انتخاب روش مناسب تصفیه، اهمیت بسیار زیادی دارد (معری‏پور و همکاران، 2019). اکثر صنایع بزرگ دارای امکانات تصفیه فاضلاب‏های صنعتی هستند اما این موضوع در مورد صنایع کوچک وجود ندارد، زیرا سود آن‏ها بسیار کم است و نمی‏توانند سرمایه‏گذاری عظیمی در تجهیزات کنترل آلودگی داشته باشند. فلزات سنگین دسته مهمی از آلاینده‏ها هستند که برای محیط‏زیست و سلامت انسان‏ها خطر جدی محسوب می‏شوند. حذف فلزات سنگین از فاضلاب، یکی از مهم‏ترین مراحل تصفیه فاضلاب‏های صنعتی می‏باشد چرا که آلودگی فلزات سنگین توسط فعالیت‏های صنعتی و توسعه تکنولوژیکی به علت سمیت این آلاینده‏ها، غیرقابل تجزیه بیولوژیکی بودن آن‏ها و تجمع زیستی تهدیدهای جدی برای محیط زیست و بهداشت عمومی ایجاد نموده است. هنگامی که فلزات سنگین در حالت عنصر و یا مواد آلی فلزی در می‏آیند، می‏توانند تاثیرات قابل توجهی بر سلامت جوامع بشری داشته باشند. تماس با فلزات سنگین می‏تواند سبب اختلالات عصبی، پیر سلولی، نارسایی کبدی و کلیوی و سرطان‏زایی شود. (Lefebvre and Edwards, 2010). فلزات سنگین به علت سمیت، تجمع در زنجیره غذایي و تجزیه ناپذیر بودن و پایداری آنها در طبیعت یك تهدید جدی برای محیط زیست و سلامت عمومي می‏باشند. (Abdullah et al., 2019).

یکی از فلزات سنگین که در اغلب پساب‏های صنعتی مانند کارخانجات فرآوری و آبکاری فلزات، نساجی، کشاورزی، داروسازی، رنگرزی، پالایشگاه‏ها و کارخانجات صنایع غذایی وجود دارد، کروم است. کروم شش‏ظرفیتی در مقایسه با کروم سه‏ظرفیتی حلالیت کمتری دارد، بسیار خطرناک و سرطان‏زا بوده و در آب‏های آلوده به‏صورت محلول یافت می‏شود. خاصیت بالای تجمع‏پذیری کروم در بافت‏های حیوانی و گیاهی باعث ایجاد مشکلات جدی شده و موجب اختلال در کار کبد و کلیه‏ها می‏شود.

نیکل به‏‏عنوان یکي از فلزات سنگین مهم و تجزیه ناپذیر بوده و غلظت بیش از حد مجاز آن نیز مي‏تواند برای انسان و سایر موجودات زنده خطرناك باشد، هر چند وجود آن برای انجام برخي از واكنش‏های آنزیمي و فعالیت‏های متابولیکي بدن انسان ضروری است. ممکن است نیکل در محیط‏هاي آبی تجمع پیدا کند. مقادیر کم نیکل براي تولید سلول‏هاي گلبول‏هاي قرمز نیاز است ولی در مقادیر متوسط، نیکل به طور خفیف می‏تواند باعث مسمومیت شود اما مقادیر زیاد آن در بدن می‏تواند باعث کاهش وزن بدن، آسیب به قلب و کبد و سوزش پوست گرددKhajeh) Mahrizi and Shahi, 2019).

روش‏های مختلفی برای حذف آلاینده‏ها از پساب وجود دارد که در این میان، فرآیند جذب سطحی به‏‏عنوان جایگزینی مناسب نسبت به روش‏های گران‏قیمت تصفیه پساب (ته‏نشینی شیمیایی، تبادل یونی، فرآیندهای غشایی و روش‏های الکتروشیمیایی) شناخته ‏شده است (Tavakoli, 2020). نجیم1 و همکارانش در مطالعه‏ای از پوست انار اصلاح شده با فرمالدئید به‏عنوان جاذب برای حذف کروم (VI) از محلول آبی استفاده کردند. یک سری آزمایش برای ارزیابی اثر متغیرها انجام شد. اثر pH، غلظت اولیه کروم (VI)، زمان تماس، مقدار جاذب و دما در نظر گرفته شد. مقادیر pH بهینه حذف کروم (VI) 0/2 بود. زمان مورد نیاز برای تعادل حدود 100 دقیقه بود. غلظت اولیه کروم (VI) و مقدار جاذب تأثیر زیادی بر جذب کروم (VI) دارد. حداکثر ظرفیت جذب 28/22 میلی‏گرم کروم (VI) در هر گرم جاذب بود (Najim and Yassin, 2009). جذب نیکل بر روی پوست انار اصلاح شده مورد مطالعه قرار گرفت. پوست انار ابتدا با آب دوبار تقطیر شسته شد و در آون با دمای 2±80 درجه سانتیگراد به مدت یک شبانه روز خشک شد. پوست‏‏های خشک شده از نظر حرارتی در دمای 5±600 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت در حضور هوا فعال شدند و سپس با آب مقطر شسته شده تا محتویات خاکستر خارج شود و در نهایت در آون با دمای 5±110 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک شدند. مواد به ‏دست‏آمده به اندازه ذرات 104-75 میلی‏متر الک شدند. مدل‏های سینتیکی تحلیل‏شده و مدل مرتبه دوم جذب بهتر یون‏های نیکل را ثبت کرد. مدل ایزوترم لانگمویر داده‏های تجربی را پوشش داد و حداکثر ظرفیت جذب برای یون‏های نیکل52/2 میلی‏گرم بر گرم بود. پارامترهای ترمودینامیکی نشان داد که ماهیت فرآیند جذب گرماگیر و خودبخودی است .(Bhatnagar and Minocha, 2010)

در تحقیقی پتانسیل استفاده از پوست انار به‏عنوان یک جاذب زیستی اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای حذف کروم (VI) از محلول آبی توسط Giri و همکاران (2021) بررسی شد و ویژگی‏های جذب آن مورد مطالعه قرار گرفت. جاذب تهیه شده با استفاده از طیف‏سنجی قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و میکروسکوپ الکترونی روبشی با آنالیز پراش انرژی پرتو ایکس (SEM-EDX) مشخص شد. راندمان حذف پوست انار و تأثیر پارامترهای تجربی بر جذب کروم (VI) از طریق آزمایش‏های پیوسته ارزیابی شد. راندمان حذف توسط پوست انار به pH محلول کروم(VI)  وابسته است که pH=2 بهینه است. علاوه بر این، مشاهده شد که حذف کروم (VI) با افزایش مقدار جاذب، دما، زمان تماس و سرعت همزدن افزایش می‏یابد در حالی که با افزایشpH، غلظت‏های اولیه و قدرت یونی کاهش می‏یابد. ظرفیت حذف (96%) در 6pH=، مقدار 300 میلی‏گرم جاذب و زمان تماس 30 دقیقه مشاهده شد. سینتیک جذب کروم (VI) به‏خوبی با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم مطابقت داشت و ظرفیت جذب محاسبه‏شده مدل مطابقت خوبی با مقادیر تجربی نشان داد. ایزوترم لانگمویر مکانیسم جذب کروم(VI)  را بر روی پوست انار توصیف کرد که نشان دهنده جذب تک لایه کروم (VI) با ظرفیت جذب (qmax) مقدار 20/87 میلی‏گرم بر گرم است. مطالعات ترمودینامیکی بیشتر جذب خود به خودی و گرماگیر بودن کروم (VI) روی سطح جاذب را نشان داد. یافته‏های این مطالعه نشان می‏دهد که پوست انار می‏تواند به‏عنوان یک جاذب زیستی کارآمد، سازگار با محیط زیست و کم هزینه برای حذف کروم (VI) از پساب آلوده استفاده شود. 2

 

یک مطالعه توسط Ben-Ali (2021) برای بررسی پتانسیل پوست انار جهت تصفیه فاضلاب انجام شده است. خواص فیزیکی و شیمیایی پوست انار اصلاح شده با خواص پوست انار خام مقایسه شده است. عملکرد پوست انار خام و اصلاح شده و ظرفیت جذب فلزات، رنگ‏ها و آلاینده‏های آلی ارزیابی ‏شده است. شرایط تجربی جذب مانند غلظت، زمان تماس، pH، دما و مقدار جاذب مورد استفاده در مقالات نشان داده شده است. مدل‏های سینتیک و ایزوترم مطالعه شده و بهترین برازش را با داده‏های تجربی و پارامترهای ترمودینامیکی مقایسه می‏کنند. اثرات فعال کردن شرایط فیزیکی و یا شیمیایی بر روی خواص پوست انار فعال ارائه شده است. این مطالعه ویژگی‏های قابل توجه پوست انار خام برای تصفیه فاضلاب را در مقایسه با این فرم فعال نشان می‏دهد. مقایسه بین مورفولوژی پوست انار فعال و خام نشان می‏دهد که فعالسازی لزوما ظرفیت جذب پوست انار را بهبود نمی‏بخشد. علیرغم تحقیقات محدودی که بر روی جاذب زیستی پوست انار خام انجام شده است، از این مطالعه به نظر می‏رسد که پوست انار دارای خواص جذب بسیار خوبی است که آن را به یک بستر تجدیدپذیر جدی و کم هزینه برای کاربردهای عملی در تصفیه فاضلاب در مقایسه با سایر زیست توده‏های زائد کشاورزی تبدیل می‏کند.

هدف از این تحقیق، حذف یون کروم و نیکل از پساب صنعتی با استفاده از پوست انار به‏عنوان یک زیست توده طبیعی با فرآیند جذب کارآمد، کم هزینه و سازگار با محیط زیست است. در این تحقیق از روش سطح پاسخ برای طراحی آزمایش و بهینه‏سازی نتایج استفاده شد.

 

مواد و روش‏ها

در این پژوهش برای حذف فلزات سنگین نیکل و کروم از پساب صنعت آبمیوه و از پوست انار به‏عنوان جاذب زیستی استفاده گردید. غلظت اولیه فلز کروم و نیکل درپساب به ترتیب 130ppm و  100ppmاست. همچنین، با روش‏های مشخصه‏یابی )1 (SEM شرکت TESCAN مدل MIRA III و (FT-IR)23 شرکت THERMO مدل AVATAR میزان قابلیت به دام اندازی فلزات سنگین و پیوندهای تشکیل شده با پوست انار بررسی شد.

به‏منظور اندازه‎گیری مقدار کربن، اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن از دستگاه CHN مدل TruSpec ساخت کمپانی LECO استفاده شد. دستگاه CHN جهت آنالیز عنصری و اندازه‏گیری كربن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد موجود در نمونه‏ها به كار می‏رود. با استفاده از آنالیز CHN می‏توان عناصر کربن (C)، نیتروژن (N) و هیدروژن (H) را شناسایی و مقدار آن‏ها را در نمونه تعیین نمود. آنالیز CHNS و CHN، روشی برگشت ناپذیر بوده و نمونه پس از تست CHN و CHNS تخریب می‏گردد. برای آزمون CHN نمونه از گازهای خالص هلیم به‏عنوان گاز حامل و گاز اکسیژن به‏عنوان اکسیدانت استفاده می‏گردد. دستگاه CHN دارای دو ستون احتراق و احیا می‏باشد. نمونه در ابتدا وارد ستون احتراق شده (1150 درجه سانتی‏گراد) و در دمای بالا و توسط گاز اکسیژن سوخته و تبدیل به گاز می‏شود. پس از آن به‏وسیله گاز حامل هلیم وارد ستون احیا شده (850 درجه سانتی‏گراد) و اکسیژن موجود جذب می‏گردد. در نهایت عناصر به‏صورت ترکیبات گازی N2، H2O، SO2 و CO2 توسط ستون‏های جاذب گرفته شده و توسط دتکتور TCD در فواصل زمانی مختلف شناسایی می‏گردند. پاسخ نهایی بر اساس درصد عناصر موجود می‏باشد (Gnaiger and Bitterlich, 1984).

برای تهیه جاذب، ابتدا پوست انار خشک را تمیز، خرد و سپس با دستگاه آسیاب گلوله‎ای ماهواره‎ای مدل NARYA-MPM-2×250 H شرکت امین آسیا فناور پارس آسیاب شد. پودر جمع آوری شده چند بار با آب مقطر تا زمان بی‏رنگ شدن محلول شسته شد و سپس در دمای اتاق خشک گردید. سپس 100 گرم از پوست انار خشک شده با 50 میلی‎لیتر محلول سدیم هیدروکسید 50/0 مولار درون یک بشر در دمای اتاق به مدت یک روز همزده شد تا سطح آن فعال شود (Giri et al., 2021).

پودر جاذب تهیه شده برای جذب آلاینده‏های سمی در شرایط مختلف دما، زمان، pH با مقادیر مختلف به پساب اضافه گردید و به‏وسیله دستگاه جذب اتمی میزان حذف فلزات سنگین از پساب بررسی شد. 4

 

به منظور بررسی میزان حذف نیکل و کروم بوسیله جاذب ابتدا 50 میلی‎لیتر پساب صنعتی حاوی فلزات سنگین نیکل و کروم به یک بشر 100 میلی‎لیتری منتقل شد. سپس دمای آن در 25 درجه سانتیگراد تنظیم و جذب آن به‎وسیله دستگاه جذب اتمی شعله‎ای اندازه‎گیری شد. اندازه‏گیری جذب فلزات نیکل و کروم تنظیم pH با استفاده از محلول هیدروکلریک‎اسید 010/0 مولار و یا محلول سدیم هیدروکسید 00010/0 مولار، pH محلول در محدوده pH=4-5-6-7-8، زمان‏های 20، 40، 60، 80، 100 دقیقه، دماهای 20، 27.5، 35، 42.5، 50 درجه سانتی‏گراد و غلظت‏های جاذب1، 5/2، 4، 5/5، 7 گرم برلیتر انجام شد. اندازه‏گیری و کنترل دما توسط دماسنج دیجیتالی شرکت TESTO مدل1113 انجام گردید. لازم به ذکر است مقدار عدم قطعیت اندازه‏گیری شده برای دما 0.1 ثبت شد. اندازه‏گیری pH، با قرار دادن الکترود شيشه‏ای در محلول انجام شد. تنظيم دستگاه با استفاده از محلول‏های تامپون، معمولا 4، 7 و 9 صورت می‏گيرد. نمونه‏های مورد نظر درون بشرهای حاوی مگنت ريخته، سپس بر روی ميکسر قرار داده (تا تمام يون‏های محلول پراکنده شوند) و الکترود دستگاه درون بشرهای حاوی نمونه گذاشته و عدد pH یادداشت گردید (Rice et al., 2012). جهت تنظیم pH در محدوده مورد نظر از اسید سیتریک و سدیم هیدروکسید استفاده گردید.

جاذب فعال‎شده با سدیم‎هیدروکسید به دقت توزین و به پساب‏های داخل بشر اضافه گردید و محلول‏ها روی همزن مغناطیسی IKA مدل C-MAG HS7 قرار داده شد. به‎منظور بررسی میزان کاهش جذب نیکل و کروم، در فواصل زمانی معینی، حدود 0/2 میلی‎لیتر از محلول به لوله سانتریفیوژ منتقل گردید. بعد از سانتریفیوژ کردن در دستگاه سانتریفیوژ شرکت بنیامین طب، جذب آن به‎وسیله دستگاه جذب اتمی شعله‎ای اندازه‎گیری شد. باقی‎مانده محلول داخل لوله سانتریفیوژ به‎همراه جاذب به محلول داخل بشر بازگردانده شد ( Abbasi et al., 2009; Hadigol et al., 2019; Ghaneian et al., 2013).

 

یافته‏ها

-       طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریهFT-IR 

آنالیز FT-IR برای درک گروه‏های عاملی مسئول در جذب نیکل و کروم از پساب به‏وسیله پوست انار استفاده شد. طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه با دستگاه FT-IR برای نیکل در طول موج 232 نانومتر و کروم 357.9 نانومتر انجام پذیرفت .نتایج طیف‏سنجی FTIR شکل 2 نشان می‏دهد که نمونه‏های پوست انار خام و اصلاح ‏شده با سدیم هیدروکسید افزوده شده به پساب حاوی کروم و نیکل تغییراتی در طیف دارند. طیف سنجی مادون قرمز یا تبدیل فوریه شکل 2 نتایج آنالیز طیف IR نمونه جاذب قبل و بعد از جذب است. نتایج طیف سنجیFT-IR نمونه‏های پوست انار خام، پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید که به پساب حاوی فلزات سنگین کروم و نیکل افزوده شده در شکل 2 نشان داده شده است.

 

-       SEM

این آنالیز یک روش میکروسکوپی با قابلیت بزرگنمایی بالا می‏باشد که به بررسی مورفولوژی، ترکیب و ساختار سطح جاذب در ابعاد نانومتر می‏پردازد. جاذب در این مطالعه از مواد آلی و غیرآلی تشکیل شده است، که ساختار نامنظم و حاوی خلل و فرج دارد. مورفولوژی سطح دو نمونه پوست انار خام و پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید توسط آنالیز SEM مورد بررسی قرار گرفته است.

 

-       آنالیز عنصری CHN

از نتایج جدول 1 مشخص است که بالاترین درصد وزنی در ساختار جاذب به عناصر کربن و اکسیژن و مقادیر کمتر نیتروژن و هیدروژن تعلق دارد.

 

[1]  Najim

[2] 1 Najim

[3] 2 Fourier Transform Infrared Spectrometer 

[4] 1 Scanning Electron Microscope

 

pe ak 

 

Figure 1- FT-IR Spectrum of Raw Pomegranate Peel and Modified Pomegranate peel with Sodium Hydroxide.

شکل 1- طیف FT-IR مربوط به پوست انار خام و پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید.

img0img0 

 

Figure 2- Comparison of FTIR Spectroscopy Results for (a) Raw Pomegranate Peel, (b) Washed Pomegranate Peel Treated with Sodium Hydroxide, and (c) Washed Pomegranate Peel Treated with Sodium Hydroxide Containing Heavy Metals Chromium and Nickel.

شکل 2- مقایسه نتایج طیف سنجی FTIR نمونه‏های پوست انار خام، پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید و پوست انار شست وشو داده شده با سدیم هیدروکسید حاوی فلزات سنگین کروم و نیکل.

 

img0 

Figure 3- FE-SEM Images of (a) Raw Pomegranate Peel, (b) Washed Pomegranate Peel Treated with NaOH.

شکل 3- تصاویر FE-SEM (a) نمونه پوست انار خام و (b) نمونه پوست انار اصلاح شده توسط NaOH.

 

جدول 1- عناصر در پوست انار خام و اصلاح شده با سود (%)

Table 1- Percentage Composition of Elements in Raw and Washed Pomegranate Peel

 

Percentage Composition of Elements

Carbon %

Oxygen %

Hydrogen %

Nitrogen %

 

Raw Pomegranate Peel

49.78

43.99

6.01

0.216

 

NaOH Washed Pomegranate Peel

50.51

45.39

3.92

0.173

 

 

 

طراحی آزمایش در نرم افزار دیزاین اکسپرت ورژن 13 (DESIGN EXPERT 13/0 USA) به روش سطح پاسخ انجام شد. نتایج آزمون‏ها با استفاده از روش تحلیل آماری anova آنالیز و تحلیل شدند.

در این پژوهش، طراحی مرکب مرکزی (CCD)، برای مطالعه تاثیر متغیرهای pH، دما، زمان و غلظت مورد استفاده قرار گرفت. بازه متغیرها مطابق با جدول 2 تعیین شد.

 

 

 

جدول 2- سطوح و بازه متغیرها

Table 2- Levels and Ranges of Variables

 

Parameter

Symbol

Scale

Levels of Independent Variables

(-20)

-1

0

+1

(+20)

pH

A

-

4

5

6

7

8

Time

B

min

20

40

60

80

100

Temperature

C

°C

20

27.5

35

42.5

50

Adsorbent concentration

D

g/lit

1

2.5

4

5.5

7

 

جدول 3- آزمایش‌های طراحی شده با چهار متغیر مستقل در پنج سطح و شش تکرار در نقطه مرکزی توسط روش CCD

Table 3- Designed Experiments with Four Independent Variables at Five Levels and Six Replicates at Central Point Using CCD Method

Test number

variables

Responses

pH

Time

Temperature

Adsorbent concentration

efficiency Ni2+

efficiency Cr6+

-

min

°C

g/lit

%

%

1

6

60

20

4

84.94

94.05

2

4

60

35

4

85.1

93.2

3

7

80

42.5

2.5

65.1

95.3

4

5

80

27.5

2.5

64.1

93.4

5

6

60

35

4

93.1

94.7

6

7

40

27.5

5.5

93.5

87

7

6

60

35

5

96.5

96

8

5

40

42.5

2.5

59.82

88.61

9

5

40

27.5

2.5

54.88

88.1

10

6

60

50

4

88.3

93.21

11

5

40

27.5

5.5

89.1

90

12

7

40

27.5

2.5

55.3

84.01

13

5

80

42.5

2.5

67.1

91.6

14

6

60

35

4

94.7

95.23

15

6

60

35

4

94.65

95.42

16

6

60

35

4

68.94

95.3

17

5

40

42.5

5.5

90.5

86.7

18

7

40

42.5

2.5

57.8

86

19

7

80

42.5

5.5

91.22

82.3

20

8

80

35

4

89.88

91.81

21

6

60

35

4

91.6

94.3

22

7

80

27.5

5.5

89.8

87.1

23

5

80

42.5

5.5

87.8

79.1

24

6

20

35

4

85.3

91.01

25

6

60

35

1

20.56

73.3

26

7

80

27.5

2.5

65.3

92.4

27

5

80

27.5

5.5

84.01

82.5

28

7

40

42.5

5.5

95.1

84.44

29

6

60

35

7

80.1

63.3

30

6

100

35

4

89.1

95.7

 

 

بحث

مورفولوژی سطح دو نمونه پوست انار خام و نمونه پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید توسط آنالیز SEM با بزرگنمایی 20 میکرومتر در شکل 3 نشان داده شده است. در این تصاویر ساختار جذب، ساختار حفره‏ها و تغییرات ساختاری بعد از اصلاح را می‏توان مشاهده نمود. همانطور که در شکل 3 قابل مشاهده است، تصویر (a) سطح نمونه پوست انار خام را نشان می‌دهد که دارای ساختار نامنظم است که بر روی آن تخلخل و حفره‏های گسترده با اندازه مشابه ظاهر شده‏اند (Reddy et al., 2015; Abdel-Galil et al., 2021).

مورفولوژی سطح نمونه پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید در شکل (b) نشان داده شده است. نشان‏دهنده این است که در آن حفرات و منافذ موجود در نمونه پوست انار خام پس از اصلاح با سدیم هیدروکسید افزایش یافته و سطح کاملا متخلخل و ناهموار را به‏وجود آورده است که این می‏تواند به این دلیل باشد که استفاده از سدیم هیدروکسید، گروه‌های کربوکسیلیک موجود در پوست انار خام را فعال کرده است و موجب افزایش خلل و فرج شده است که این امر باعث افزایش جذب سطحی یون‏های نیکل و کروم شده است(Akkari et al., 2021). 

مطابق نتایج طیف‏سنجی FT-IR شکل 1، نمونه پوست انار خام یک نوار اصلی در cm -1 3488 را نشان می‌دهد که متعلق به ارتعاش کششی OH می‏باشد و به گروه‏های عاملی هیدروکسیلیک مرتبط است (Giri et al., 2021; Shouman and Khedr, 2015) که این پیک در طیف مربوط به نمونه پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید در cm -13499 و طیف مربوط به نمونه پوست انار اصلاح شده که به محلول حاوی فلزات سنگین کروم و نیکل افزوده شده در cm -13470 ظاهر شده است که به دلیل واکنش بین مولکول‏های نمونه پوست انار خام، مولکول‏های سدیم هیدروکسید و فلزات سنگین جابجا شده است. پیک‌های مشاهده شده در cm -1 2934 و cm -1924 به ارتعاش کششی C-H اختصاص دارند(Cheyad and Salman, 2017). همچنین نوارهای جذب ظاهر شده در cm -1 1578، cm -1 1426و cm -11013 به ترتیب به ارتعاش کششی N-O ( ترکیبات نیترو)، ارتعاش خمشی
C-OH و ارتعاش کششی C=O متعلق است (Msaadi et al., 2021; Giri et al., 2021; Cheyad and Salman, 2017). پیک ظاهر شده در cm -1 1043 را می‏توان به کشش  C–O نسبت داد که این نوار ممکن است به ارتعاش کششی C-N نیز اختصاص داده شود (Giri et al., 2021; Vardin et al., 2008). در نهایت یک نوار ضعیف در cm -1620 مشاهده می‏شود که به گروه‌های آلکیل هالید ( C–Cl) تعلق دارد(Giri et al., 2021). مطابق نتایج به دست آمده از طیف‏سنجی FT-IR، پیک‏های مشترک ظاهر شده در تمامی نمونه‌ها تایید می‌کند. ساختار اصلی نمونه پوست انار پس از اصلاح با سدیم هیدروکسید و همچنین استفاده از آن در جذب فلزات سنگین حفظ شده است. همچنین در نمونه پوست انار اصلاح شده با سدیم هیدروکسید دو پیک اضافی ظاهر شده در cm -1 1741 و cm -1 1240 به ترتیب متعلق به گروه‌های C=O ( اسید کربوکسیلیک، گروه‌های استات COO، آلدهید، کتون) و پیوند C-O (گروه اترها) اختصاص دارند (Giri et al., 2021, Ben-Ali et al., 2017). همچنین دو پیک اضافه ظاهر شده در نمونه پوست انار اصلاح شده که در فرآیند جذب فلزات سنگین استفاده شده در cm -1953 و cm -1 571 به ترتیب به پیوندهای Cr-O
Badillo-Camacho et al., 2020, Weckhuysen et) al., 1996 (و Ni-O ( Ngo and Hur, 2016; Hong et al., 2021) متعلق است که نشان می‌دهد در مقایسه با نمونه پوست انار خام، نمونه استفاده شده در فرآیند جذب فلزات سنگین، دو فلز کروم و نیکل را از پساب حاوی فلزات سنگین جذب کرده است. باندهای اصلی گروه‌های عاملی هر سه نمونه در جدول 4 نشان داده شده است.

نتایج نشان می‌دهند که تغییرات در نوارهای طیفی با واکنش‌های مختلف مولکول‌ها در نمونه‌ها مرتبط است. پیک‌های مشاهده‌شده در نوارهای مختلف طیف از جمله OH، C-H، N-O، C-OH، C=O، C-O و C–Cl نشان‌دهنده واکنش‌های مولکول‌ها هستند و ساختار اصلی پوست انار پس از اصلاح با سدیم هیدروکسید و استفاده در جذب فلزات سنگین حفظ می‌شود. پیک‌های اضافی نیز نشان‌دهنده واکنش‌های مختلف در نمونه‏ها می‏باشند که به تشکیل گروه‏های C=O، COO، آلدهید، کتون و گروه‏های Cr-O و Ni-O مرتبط هستند.

 

 

 

جدول 4- جدول نوار‏های اصلی در نمونه پودر پوست انار 

Table 4- Table of main bands in the pomegranate peel powder sample 

 

No

(Cm-1) Peak Index

Bond

Functional Groups

1

3488

O–H

Hydroxylic

2

2934

C-H 

Alkanes

3

1578

N-O

Nitro compounds

4

1426

C-O-H

Aldehyd

5

1043

C–O and C–N

Amines

6

1013

C=O

Carbonyl

7

924

C-H 

Alkenes

8

767

C–Cl 

Alkyl halides

9

620

C–Cl 

Alkyl halides

10

1741

C=O 

carboxylic

11

1240

C–O 

Esters

12

953

Cr-O

-

13

571

Ni-O

-

 

 

-       CHN

با توجه به نتایج جدول 1 می‏توان نتیجه گرفت که بالاترین درصد وزنی مربوط به عناصر کربن واکسیژن است که ساختار جاذب را تشکیل می‏دهد و نیتروژن و هیدروژن در جدول، رتبه بعدی درصد وزنی را به خود اختصاص داده‏اند. همانگونه که در جدول 1 مشخص است افزایش مقادیر کربن، اکسیژن و همچنین کاهش هیدروژن در پوست انار اصلاح شده، نشانگر ورود موفقیت‌آمیز گروه‌ عاملی کربوکسیلیک (COOH) به ساختار جاذب اصلاح شده است.

PH خیلی اسیدی و یا خیلی قلیایی باعث کاهش میزان نیتروژن می‏شود. همانطور که در نتایج آنالیز عنصری در جدول 1 مشخص است نیتروژن موجود در پوست انار پس از اصلاح با سدیم هیدروکسید به دلیل ایجاد شرایط قلیایی، کاهش یافته است.

با افزایش همزمان مقادیر pH و زمان در برهمکنش حذف فلز نیکل، ابتدا یک افزایش صعودی در جذب نیکل مشاهده می‌شود که تا pH= 6 و زمان 60 دقیقه ادامه دارد و به حداکثر مقدار جذب می‌رسد. با افزایش بیشتر این پارامترها، مقدار جذب نیز به صورت نزولی کاهش می‌یابد (شکل 4). این الگو در برهمکنش‌های pH - دما و دما -زمان نیز مشاهده می‌شود، به ترتیب در pH=6، دما 35 درجه سانتی‌گراد و زمان 60 دقیقه بیشترین جذب فلز نیکل را ایجاد می‌کند (شکل 5-7). در برهمکنش مقدار پودر جاذب و pH (شکل 6)، با افزایش مقدار پودر جاذب در تمام مقادیر pH، جذب نیکل افزایش می‌یابد و این افزایش تا حدی ادامه دارد تا 4.5g/1 و سپس کاهش می‌یابد. با افزایش همزمان زمان و مقدار پودر جاذب (شکل 8)، جذب نیز افزایش می‌یابد اما تأثیر مقدار پودر جاذب بیشتر از تأثیر زمان است. در برهمکنش مقدار پودر جاذب و دما (شکل 9) نیز، افزایش دما در ابتدا اثر مثبت و سپس اثر منفی بر جذب نیکل دارد. به طور خلاصه، افزایش مقدار پودر جاذب در ابتدا باعث افزایش جذب نیکل می‌شود اما با افزایش مقدار به هم چسبیدگی پودر جاذب ایجاد می‏شود و جذب کاهش می‏یابد. کاهش حذف یون‌های فلزی نیکل در pHهای پایین به علت وجود غلظت بالای یون‌های H+ در محلول می‌باشد که با یون‌های فلزی در سطح جاذب برای محل‌های قابل جذب رقابت می‌کنند. کاهش در جذب در pHهای بالا به دلیل ایجاد گروه‌های هیدروکسیل قابل انحلال می‌باشد؛ همچنین اگر مقدار pH بیش از 6 شود، یون‌های فلزی رسوب کرده و حذف یون‌های فلزی از محلول و جداسازی آن‌ها سبب کاهش درصد حذف می‌گردد (Sud et al., 2008; Raji et al., 1997). لازم به ذکر است که اثر میزان جاذب نسبت به سایر پارامترها بیشتر می‌باشد؛ زیرا در ابتدا با افزایش غلظت جاذب، فضای بیشتری در اختیار آلاینده‌ها برای جذب وجود دارد اما با افزایش میزان پودر جاذب بیش از 4 (گرم در لیتر)، به علت تجمع ذرات جاذب در کنار یکدیگر و سطوح فعالی که در دسترس آلاینده‌ها قرار دارد کاهش یافته و در نتیجه راندمان جذب کاهش می‏یابد. کاهش حذف یون‌های فلزی در pHهای پایین به علت وجود غلظت بالای یون‌های H+ در محلول می‌باشد که با یون‌های فلزی در سطح جاذب برای محل‌های قابل جذب رقابت می‌کنند. کاهش در جذب در pHهای بالا به دلیل ایجاد گروه‌های هیدروکسیل قابل انحلال می‌باشد؛ همچنین اگر مقدار pH بیش از 6 شود، یون‌های فلزی رسوب کرده و حذف یون‌های فلزی از محلول و جداسازی آن‌ها سبب کاهش درصد حذف می‌گردد (Sud et al., 2008; Raji et al., 1997).

در بررسی برهمکنش متغیرهای pH و زمان برای حذف فلز کروم (شکل 10)، مشاهده می‌شود که با افزایش


یکی از متغیرها (به‏عنوان مثال pH=4) و افزایش زمان (از 20 تا 100 دقیقه)، درصد حذف کروم به شدت کاهش می‌یابد اما با افزایش همزمان متغیرهای مذکور به مقادیر بالاتر، این روند به صورت معکوس تغییر می‌کند، به طوری که در بیشترین مقدار pH و زمان، یک افزایش قوی در درصد حذف کروم مشاهده شد. در بررسی برهمکنش میان دما و pH (شکل 11)، مشاهده می‌شود که در تمام دماها با افزایش pH، ابتدا درصد حذف کروم به شدت افزایش می‌یابد و سپس به شدت کاهش می‌یابد؛ در مقدار دمای


 

img0img0 

Figure 4- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Duration-pH on Ni2+ Removal.

شکل 4- برهمکنش زمان-pH بر حذف Ni2+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0img0 

Figure 5- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Temperature-pH on Ni2+ Removal.

شکل 5- برهمکنش دما-pH بر حذف Ni2+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0img0 

Figure 6- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Adsorbent-pH on Ni2+ Removal.

شکل 6- برهمکنش میزان جاذب-pH بر حذف Ni2+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0 img0

Figure 7- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Temperature-Duration on Ni2+ Removal.

شکل 7- برهمکنش دما-زمان بر حذف Ni2+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0    img0

Figure 8- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Adsorbent-Duration on Ni2+ Removal.

شکل 8- برهمکنش میزان جاذب- زمان بر حذف Ni2+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0   img0

 

Figure 9- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Adsorbent-Temperature on Ni2+ Removal.

شکل 9- برهمکنش میزان جاذب- دما بر حذف Ni2+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

 

27/5 درجه سانتی‌گراد و pH=5.5 بیشترین درصد حذف کروم را دارد. برهمکنش میان مقدار پودر جاذب و pH (شکل 12) نیز نشان می‌دهد که افزایش مقدار پودر جاذب در تمام مقادیر pH منجر به افزایش قابل توجه در درصد حذف کروم می‌شود، تا زمانی که مقدار پودر جاذب به حدود 4 g/lit رسیده و سپس به شدت کاهش می‌یابد. این اثر افزایش پودر جاذب نسبت به افزایش pH برای حذف کروم بیشتر است. برهمکنش میان دما و زمان (شکل 13) نشان می‌دهد که با افزایش زمان در بازه 20-35°C ، درصد حذف کروم افزایش می‌یابد و پس از آن با افزایش دما، درصد حذف کاهش می‌یابد. بیشترین درصد حذف کروم در بازه دمایی C 20-27.5º و زمان 100 دقیقه رخ می دهد.

در برهمکنش میان مقدار پودر جاذب و زمان (شکل 14) و همچنین میان مقدار پودر جاذب و دما (شکل 15)، با افزایش زمان و دما در بازه افزایشی مقدار پودر جاذب از1 تا 4 g/lit، ابتدا درصد حذف کروم به شدت افزایش یافت و سپس با همان روند کاهش یافت. اثر افزایش زمان نسبت به افزایش دما بر جذب کروم بیشتر است. (شکل 13) جهت تفسیر بهتر این مهم، گونه‌های رایج کروم شش ظرفیتی مورد ارزیابی قرار گرفت و مشخص گردید یون‌های HCrO4- گونه غالب در pHهای 1 تا 7 می‌باشد و در pHهای 7 تا 12، گونه‌های CrO42- مشاهده شده است؛ بنابراین سطح جاذب ساخته شده در pHهای کمتر از 5/6 دارای بار مثبت بوده و قادر است کاتیون‌های موجود در محلول را از طریق تبادل کاتیون‌های متعادل کننده با شبکه H+ جذب نماید؛ به عبارتی برای حذف کروم شش ظرفیتی از محلول‌ها در  pH‏های 1 تا 7، ساز و کار تبادل کاتیونی اثرگذار است (عیوضی و همکاران، 2019)؛ به همین جهت است که در این پژوهش در pHهای 4 تا 6، درصد جذب بالایی مشاهده شد.

 

 

img0   img0

 

Figure 10- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Duration-pH on Cr6+ Removal.

شکل 10- برهمکنش زمان-pH بر حذف Cr6+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0   img0

 

Figure 11- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Temperature-pH on Cr6+ Removal.

شکل 11- برهمکنش دما-pH بر حذف Cr6+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0 img0

Figure 12- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Adsorbent-pH on Cr6+ Removal.

شکل 12- برهمکنش میزان جاذب-pH بر حذف Cr6+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0 img0

Figure 13- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Temperature-Duration on Cr6+ Removal.

شکل 13- برهمکنش دما-زمان بر حذف Cr6+ به صورت سه بعدی و دو بعدی

img0   img0

 

Figure 14- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Adsorbent-Duration on Cr6+ Removal.

شکل 14- برهمکنش میزان جاذب-زمان بر حذف Cr6+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

img0    img0

Figure 15- Three-dimensional and Two-dimensional Interaction of Adsorbent-temperature on Cr6+ Removal.

شکل 15- برهمکنش میزان جاذب-دما بر حذف Cr6+ به صورت سه بعدی و دو بعدی.

 

 

-       بهینه‌یابی نتایج (بهینه‏سازی)

هدف این بخش، تعیین مقادیر بهینه برای متغیرهای pH، زمان، دما و مقدار پودر جاذب به منظور دستیابی به بالاترین درصد حذف فلزات نیکل و کروم است. برای این منظور، از تحلیل نمودارهای سه‌بعدی و دوبعدی استفاده شده و بازه‌های اثرگذاری هر متغیر تعیین شده است(جدول 5). با توجه به اهداف مورد نظر برای هر متغیر و پاسخ، نرم‌افزار نمودارها و جداول بهینه را تهیه می‌کند(جداول 6 و 7). ضریب مطلوبیت برای رسیدن به اهداف با توجه به مقادیر بهینه متغیرها 5/88 درصد است که جهت دستیابی به نتایج مناسب به کار می‌رود. با توجه به شرایط بهینه تعریف شده در جدول‌ها، آزمایش‌ها تکرار شده و نتایج تجربی با دقت حدود 2% به دست آمده است. این نشان می‌دهد که نرم‌افزار به درستی تشخیص داده‌ها را برای بهینه‌سازی تحلیل کرده است.

 

نتیجه‏گیری

نتایج پژوهش نشان می‌دهد که در شرایطی که مقدار pH برابر با 6، زمان تماس 60 دقیقه، دما 35 درجه سانتی‏گراد و مقدار جاذب 4 گرم در لیتر باشد، بالاترین درصد حذف یون نیکل (94%) دستیابی می‌شود. همچنین، در مقدار pH برابر با 6، زمان تماس 80 دقیقه، دما 27/5 درجه سانتیگراد، و مقدار جاذب 4 گرم در لیتر، 96% از یون کروم شش ظرفیتی حذف می گردد. نتایج نشان می دهد که جذب کروم و نیکل به میزان قابل توجهی به pH محلول بستگی دارد به طوری که حذف نیکل در pH کمتر از 6 از طریق تبادل کاتیونی با یون های H+انجام می شود ولی حذف نیکل در pHهای بالاتر از 6، به علت کاهش یون های H+ کاهش یافته است. همچنین، حذف کروم درpHهای کمتر از 6 توسط تبادل کاتیونی با یون‏های HCrO4- و در pHهای بالاتر از 6 ،توسط یون‏هایCrO42- انجام می‏شود. بیشترین میزان جذب کروم توسط جاذب تهیه شده در شرایطی حاصل می‏شود که pH محلول در محدوده 4 قرار گیرد. همچنین جذب یون کروم و نیکل با غلظت اولیه آن در محلول نسبت عکس دارد. میزان جذب کروم با غلظت جاذب در محلول رابطه یکنواختی دارد به گونه‌ای که با افزایش غلظت جاذب در محلول تا یک مقدار بهینه میزان جذب افزایش می‌یابد. در نتیجه، پودر جاذب پوست انار به عنوان یک جاذب ارزان و در دسترس برای حذف یون‌های فلزی، به خصوص در شرایط بهینه تعیین شده، عملکرد قابل توجهی دارد.

 

 

جدول 5- بازه‌ها و اهمیت هر پارامتر جهت بهینه یابی

Table 5- Ranges and Importance of Each Parameter for Optimization

variables

goal

lower limit

upper limit

importance

pH

minimize

4

7

3

Time

is in range

40

80

3

Temperature

minimize

27/5

42/5

3

NPs Dosage

is in range

2/5

5/5

3

responses

goal

lower limit

upper limit

importance

Efficiency Ni2+

maximize

20.56

96.6

5

Efficiency Cr6+

maximize

63.3

96

5

 

جدول 6- نتایج بهینه یابی توسط نرم‌افزار دیزاین اکسپرت

Table 6- Optimization Results Using Design Expert Software

No.

pH

Time

Temperature

adsorbent amount

Ni2+

Cr6+

 

utility 

1

4

54.8

27.5

3.7

76.2

94.67

 

0.886

 

جدول 7-  نتایج تجربی حاصل از بهینه یابی

Table 7- Experimental Results Obtained from Optimization

No.

pH

Time

Temperature

Amount of adsorbents

Ni2+

Cr6+

 

 

 

 

 

1

4

54.8

27.5

3.7

78

95

 

 

 

 

 

 

 

 

منابع

Abbasi, Z., Alikarami, M. & Homafar, A. )2009(. Adsorption study on pomegranate peel: removal of Ni 2+ from aqueous solution and Co2+. Inorganic Chemistry, 3, 3-6.

Abdul, K. S. M., Jayasinghe, S. S., Chandana, E. P., Jayasumana, C. & De Silva, P. M. C. (2015). Arsenic and human health effects: A review. Environmental toxicology and pharmacology, 40, 828-846. http://doi.org/10.1016/j.etap.2015.09.016.

Abdullah, N., Yusof, N., Lau, W., Jaafar, J. & Ismail, A. (2019). Recent trends of heavy metal removal from water/wastewater by membrane technologies. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 76, 17-38. http://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.03.029

Akkari, I., Graba, Z., Bezzi, N., Merzeg, F. A., Bait, N. & Ferhati, A. (2021). Raw pomegranate peel as promise efficient biosorbent for the removal of Basic Red 46 dye: equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies. Biomass Conversion and Biorefinery, 1-14. http://doi.org/10.1007/s13399-021-01620-9

Ayyoubi, B., Jamshidi Zanjani, A. & Khodadadi Darban, A. (2018). Removal of hexavalent chromium ions by adsorption on manganese ferrite adsorbents: A study on kinetics and thermodynamics. Modares Civil Engineering Journal, 18, 119-132. [In Persian]

Badillo-camacho, J., Orozco-guareño, E., Carbajal-arizaga, G. G., Manríquez-gonzalez, R., Barcelo-quintal, I. D. & Gomez-salazar, S. (2020). Cr (VI) adsorption from aqueous streams on eggshell membranes of different birds used as biosorbents. Adsorption Science & Technology, 38, 413-434. http://doi.org/10.1177/0263617420956893

Ben-ali, S. (2021). Application of raw and modified pomegranate peel for wastewater treatment: a literature overview and analysis. International Journal of Chemical Engineering. http://doi.org/10.1155/2021/8840907

Bhatnagar, A. & Minocha, A. (2010). Biosorption optimization of nickel removal from water using Punica granatum peel waste. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 76, 544-548. http://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2009.12.016.

Chelladurai, S. J. S., Murugan, K., Ray, A. P., Upadhyaya, M., Narasimharaj, V. & Gnanasekaran, S. (2021). Optimization of process parameters using response surface methodology: A review. Materials Today: Proceedings, 37, 1301-1304.

 

 

Cheyad, M. S. & Salman, T. A. (2017). Characterization and study the inhibition activity of pomegranate peel extract for α-brass corrosion in H2SO4 solution. Oriental Journal of Chemistry, 33, 1241. http://dx.doi.org/10.13005/ojc/330323

Gnaiger, E. & Bitterlich, G. (1984). Proximate biochemical composition and caloric content calculated from elemental CHN analysis: A stoichiometric concept. Oecologia, 62, 289-298.

Ghaneian, M. T., Jamshidi, B., Amrollahi, M., dehvari, M. & Taghavi, M. (2013). Application of biosorption process by pomegranate seed powder in the removal of hexavalent chromium fromaqueous environment. Koomesh; 15 (2), 206-211. [In Persian]

Giri, R., Kumari, N., Behera, M., Sharma, A., Kumar, S., Kumar, N. & Singh, R. (2021). Adsorption of hexavalent chromium from aqueous solution using pomegranate peel as low-cost biosorbent. Environmental Sustainability, 4, 401-417. http://doi.org/10.1007/s42398-021-00192-8

Hadigol, N., Fahim Danesh, M. & Hosseini, S. (2019). Exploration of the Potential of Activated Carbon Produced from Pomegranate Peel as a Two- and Three-Component Adsorbent for Color and Metal Removal in Liquid Environments. Research in Iranian Food Science and Industries. 15 (2), 369-380. [In Persian]

Hong, S. J., Mun, H. J., Kim, B. J. & Kim, Y. S. (2021). Characterization of nickel oxide adsorbents synthesized under low temperature. Micromachines, 12, 1168. https://doi.org/10.3390/mi12101168

Khajeh Mahriza, M. & Shahi, Z. (2019). Study of factors influencing the removal of heavy metals from wastewater using adsorbent materials (Biological- Natural), Journal of studies in the world of Color, 3(9), pp. 15-26. [In Persian].

Lefebvre, D. D. & Edwards, C. (2010). Decontaminating heavy metals from water using photosynthetic microbes. Emerging Environmental Technologies, Volume II. Springer.

Msaadi, R., Sassi, W., Hihn, J. Y., Ammar, S. & Chehimi, M. M. (2021). Valorization of pomegranate peel balls as bioadsorbents of methylene blue in aqueous media. Emergent Materials, 1-10. https://doi.org/10.1007/s42247-021-00174-w

Najim, T. S. & Yassin, S. A. (2009). Removal of Cr (VI) from aqueous solution using modified pomegranate peel: equilibrium and kinetic studies. E-journal of chemistry, 6, S129-S142. https://doi.org/10.1155/2009/936541

Ngo, Y. L. T. & Hur, S. H. (2016). Low-temperature NO2 gas sensor fabricated with NiO and reduced graphene oxide hybrid structure. Materials Research Bulletin, 84, 168-176. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2016.08.004

Pashaei, H., Ghaemi, A., Nasiri, M. & Karami, B. (2020). Experimental modeling and optimization of CO2 absorption into piperazine solutions using RSM-CCD methodology. ACS omega, 5, 8432-8448. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03363

Raji, C., Manju, G. & Anirudhan, T. (1997). Removal of heavy metal ions from water using sawdust-based activated carbon.

Reddy, K., Al Shoaibi, A. & Srinivasakannan, C. (2015). Preparation of porous carbon from date palm seeds and process optimization. International journal of environmental science and technology, 12, 959-966. https://doi.org/10.1007/s13762-013-0468-9

Rezaei, A. & Hosseini, H. (2012). Chromium, environmental-health effects, and purification strategies. International Journal of Water Engineering [In Persian].

Romero-Cano, L. A., Gonzalez Gutierrez, L. V. & Baldenegro Perez, L. A. (2016). Biosorbents prepared from orange peels using Instant Controlled Pressure Drop for Cu (II) and phenol removal. Industrial Crops and Products, 84, 344-349.

Saeed, M. O., Azizli, K., Isa, M. H. & Bashir, M. J. (2015). Application of CCD in RSM to obtain optimize treatment of POME using Fenton oxidation process. Journal of Water Process Engineering, 8, e7-e16. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2014.11.001

Shouman, M. A. H. & Khedr, S. A. A. (2015). Removal of cationic dye from aqueous solutions by modified acid-treated pomegranate peels (Punica granatum): Equilibrium and kinetic studies. Asian Journal of Applied Sciences, 3.

Sud, D., Mahajan, G. & Kaur, M. (2008). Agricultural waste material as potential adsorbent for sequestering heavy metal ions from aqueous solutions–A review. Bioresource technology, 99, 6017-6027. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.11.064

Taheriyoun, A. P. (2019). Evaluation of coagulation and flocculation processes for the removal of heavy metals from the chemical wastewater of Mobarakeh Steel Complex. Environmental Science and Technology, 21(6), 46-60. [In Persian]

Tavakoli, M. (2020). Assessment of Natural Adsorbents in Water and Wastewater Treatment. Research and Environmental Technology, 7, 39-54. [In Persian]

Vardin, H., Tay, A., Ozen, B. & Mauer, L. (2008). Authentication of pomegranate juice concentrate using FTIR spectroscopy and chemometrics. Food Chemistry, 108, 742-748. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2007.11.027

Weckhuysen, B. M., Wachs, I. E. & Schoonheydt, R. A. (1996). Surface chemistry and spectroscopy of chromium in inorganic oxides. Chemical Reviews, 96, 3327-3350.

 

 

 

87

 


مقالات مرتبط

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات دانشگاه آزاد اسلامی است.
حق نشر © 1403-1400

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره سند| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]