مطالعه سینتیک و هم‌دمای جذب یون‎های سرب از محلول‌های آبی توسط رس مونتموریلونیت و منونتموریلونیت اصلاح شده با هگزادسیل تری متیل آمونیوم بروماید

محورهای موضوعی : مدیریت منابع آب

محبوبه ابوالحسنی زراعتکار ¹ , حمیدرضا رفیعی سربیژن ²

1 - استادیار، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.
2 - دانشجوی دکتری، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/03/12 تاریخ پذیرش : 1402/05/21 تاریخ انتشار : 1402/04/01

کلید واژه: پخشیدگی درون ذره‌ای, جذب سطحی سرب, لانگمویر, رس آلی, رس مونتموریلونیت,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: مونتموریلونیت به دلیل سطح ویژه و ظرفیت تبادل کاتیونی زیاد، در دسترس بودن و قیمت پایین به‌عنوان ماده جاذب برای طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها از جمله فلزات سنگین و ترکیبات آلی استفاده می‌شود؛ اما ساختار این نوع رس‌های طبیعی پایدار نیست و معمولا در فاضلاب‌ها در طی فرایند نفوذ، توسط مواد مضر موجود تخریب می‌شوند. در راستای حل این مشکل از سورفکتانت آلی هگزا دسیل تری‌متیل‌آمونیوم بروماید (HDTMA) جهت اصلاح رس مونتموریلونیت استفاده شد. در مرحله بعدی حذف سرب با استفاده از رس مونتموریلونیت اصلاح شده (Mt-H) بررسی شد. روش پژوهش: در این مطالعه مونتموریلونیت سدیم‌دار با سورفکتانت کاتیونی هگزا دسیل تری‌متیل آمونیوم بروماید معادل 2 برابر ظرفیت تبادل کاتیونی رس اصلاح شد (رس آلی) و با استفاده از آنالیزهای پراش پرتو ایکس، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه و میکروسکوپ الکترونی روبشی انتشار میدانی شناسایی شد. تاثیر غلظت اولیه‌ سرب بر جذب آن از محلول آبی توسط دو جاذب (رس مونتموریلونیت و رس مونتموریلونیت اصلاح شده) بررسی شد. از دو مدل هم‌دمای جذب لانگمویر و فروندلیچ به‌منظور درک فرآیند جذب سرب استفاده شد. مکانیسم‌های جذب سرب با استفاده از مدل‌های سینتیکی شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، الوویچ و پخشیدگی درون ذره‌ای مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. یافته‌ها: نتایج حاصل نشان داد که رس مونتموریلونیت با موفقیت با سورفکتانت آلی هگزا دسیل تری متیل آمونیوم بروماید اصلاح و رس آلی(Mt-H) ساخته شد. فاصله بین لایه‌ای پیک رده اول رس مونتموریلونیت بعد از اصلاح از 11 به 7/19 آنگستروم افزایش یافت. با افزایش غلظت اولیه سرب، مقدار جذب سرب (Qi) هر دو جاذب، رس مونتموریلونیت سدیم‌دار (Mt) و رس مونتموریلونیت اصلاح شده (Mt-H) افزایش یافت. بررسی مدل‌های هم‌دمای جذب نشان داد که جذب سطحی سرب در رس مونتموریلونیت (Mt) با مدل لانگمویر و جذب سطحی در رس مونتموریلونیت اصلاح شده (Mt-H) با مدل فروندلیچ مطابقت خوبی با داده‌های تجربی نشان دادند. بر اساس نتایج، حدود 40 % از یون‌های سرب در 80 دقیقه نخست واکنش توسط رس مونتموریلونیت (Mt) جذب شد، اما جذب سطحی سرب توسط رس مونتموریلونیت اصلاح شده (Mt-H) پس از 1280 دقیقه به حدود 40 % رسید. حداکثر ظرفیت جذب تک‌لایه‌ محاسبه‌شده از مدل لانگمویر در دمای 30 درجه سلسیوس در رس مونتموریلونیت اصلاح شده (Mt-H) برابر با 54/32 میلی‌گرم بر گرم بود که حدود 34 درصد کمتر از مقدار حاصل در رس مونتموریلونیت (Mt) بود، که نشان دهنده ظرفیت جذب کمتر سرب توسط رس اصلاح شده (Mt-H) است. بررسی مدل‌های سینتیک جذب نشان داد که جذب سطحی در رس مونتموریلونیت (Mt) بهترین برازش را با مدل سینتیکی الوویچ و در رس مونتموریلونیت اصلاح شده (Mt-H) بهترین برازش را با مدل سینتیکی پخشیدگی درون ذره‌ای نشان داد. نتیجه گیری: نتایج نشان داد که اصلاح رس مونتموریلونیت سدیم‌دار با سورفکتانت آلی هگزا دسیل تری متیل آمونیوم باعث کاهش ظرفیت جذب آن‌ برای سرب می‌شود؛ اما رس اصلاح شده (Mt-H) سرب را با قدرت بیشتری نگه می‌دارد.

چکیده انگلیسی:

Background and Aim: Because of its high specific surface area and high cation exchange capacity (CEC), as well as its availability and low price, sodium montmorillonite (Mt) is used as an adsorbent for a wide range of pollutants, including heavy metals and organic compounds; but the structure of this type of natural clay, however, is unstable, and usually damaged by harmful substances of sewage liquid in the process of infiltration. The organic surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide (HDTMA) was used to modify montmorillonite clay to solve this problem. The next step was to investigate lead removal using modified montmorillonite clay (Mt-H). Method: In this study, sodium montmorillonite organic clays modified with hexadecyltrimethylammonium bromide with a CEC two times greater than clay (Mt-H) were prepared. These modified clays were identified using X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, and field emission scanning electron microscopy. The effect of initial lead concentration on lead adsorption from aqueous solution by two adsorbents (montmorillonite clay and modified montmorillonite clay) was investigated. The lead adsorption process was studied using Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models. The mechanisms of lead adsorption were investigated and compared using pseudo-first-order, pseudo-second-order, Elovich, and intraparticle diffusion models. Results: The results showed that the organic surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide (Mt-H) successfully modified montmorillonite clay, and the interlayer space of the first order peak in montmorillonite clay increased from 11 to 19.7 Å after modification. According to the findings of this study, increasing the initial concentration of lead increased the amount of lead adsorption (Qi) in both adsorbents, sodium montmorillonite clay (Mt) and modified montmorillonite clay (Mt-H). Surface adsorption of lead in montmorillonite clay (Mt) with the Langmuir model and adsorption in modified montmorillonite clay (Mt-H) with the Freundlich model both showed good agreement with experimental data. According to the results, montmorillonite clay (Mt) adsorbed approximately 40% of the lead ions in the first 80 minutes of the reaction, but surface adsorption of lead by modified montmorillonite clay (Mt-H) reached approximately 40% after 1280 minutes. The maximum monolayer adsorption capacity calculated from the Langmuir model at 30°C in modified montmorillonite clay (Mt-H) was 32.54 mg/g, which was approximately 34% lower than the value obtained in montmorillonite clay (Mt). Surface adsorption in montmorillonite clay (Mt) showed the best fit with the Elovich kinetic model, but modified montmorillonite clay (Mt-H) showed the best fit with the intraparticle diffusion kinetic model. Conclusion: The results showed that adding hexadecyltrimethylammonium organic surfactant to sodium montmorillonite clay reduced its lead adsorption capacity. However, modified clay (Mt-H) adsorbs lead ions more strongly.

منابع و مأخذ:

Abolhasani, M. Z., Lakzian, A., Fotovat, A., Khorassani, R. 2017. Synthesis of organo-montmorillonite and its effect on soil urease and L-glutaminase activites, Erusian Soil Science, 50, 613-619. http://doi.10.1134/S1064229317050027.

Alabarse, F. G., Conceicao, R. V., Balzaretti, N. M., Schenato, F., & Xavier, A. M. (2011). In-situ FTIR analyses of bentonite under high-pressure. Applied Clay Science, 51, 202–208. http://doi.10.1016/j.clay.2010.11.017.

Ali, S. A., Kazi, I. W., & Ullah, N. (2015). New chelating ion-exchange resin synthesized via the cyclopolymerization protocol and its uptake performance for metal ion removal. Industrial and Engineering Chemistry Research, 54, 9689–9698. http://doi.10.1021/acs.iecr.5b02267.

Boparai, H. K., Joseph, M., & O’Carroll, D. M. (2011). Kinetics and thermodynamics of cadmium ion removal by adsorption onto nano zerovalent iron particles. Journal of Hazardous Materials, 186, 458–465. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.11.029.

Boskabady, M., Marefati, N., Farkhondeh, T., Shakeri, F., Farshbaf, A., & Boskabady, M. H. (2018). The effect of environmental lead exposure on human health and the contribution of inflammatory mechanisms, a review. Environment International, 120, 404–420. http://doi.10.1016/j.envint.2018.08.013.

Bourliva, A., Michailidis, K., Sikalidis, C., & Filippidis, A. (2013). Spectroscopic and thermal study of bentonites from Milos Island, Greece. Bulletin of the Geological Society of Greece, 47, 2020–2029. http://doi.10.12681/bgsg.11030.

Burham, N., & Sayed, M., (2016). Adsorption behavior of Cd²⁺ and Zn²⁺ onto natural Egyptian bentonitic clay. Minerals, 6, 129. https://doi.org/10.3390/min6040129.

Chen, Y. G., Liao, R. P., Yu, C., & Yu, X. (2020). Sorption of Pb (II) on sodium polyacrylate modified bentonite. Advanced Powder Technology, 31, 3274–3286. https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.06.011.

Cruz-Guzman, M., Celis, R., Hermosın, M. C., Koskinen, W. C., Nater, E. A., & Cornejo, J. (2006). Heavy Metal Adsorption by Montmorillonites Modified with Natural Organic Cations. Soil Science Society of America Journal, 70, 215–221. https://doi.org/10.2136/sssaj2005.0131.

Dehmani, Y., Alrashdi, A. A., Lgaz, H., Lamhasni, T., Abouarnadasse, S., & Chung, I. M. (2020). Removal of phenol from aqueous solution by adsorption onto hematite (α-Fe₂O₃): mechanism exploration from both experimental and theoretical studies. Arabian Journal of Chemistry, 13, 5474–5486. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2020.03.026.

Dinh, V. P., Le, N. C., Tuyen, L. A., Hung, N. Q., Nguyen, V. D., & Nguyen, N. T. (2018). Insight into adsorption mechanism of lead (II) from aqueous solution by chitosan loaded MnO₂ nanoparticles. Materials Chemistry and Physics, 207, 294–302. http://doi.10.1016/j.matchemphys.2017.12.071.

Dinh, V. P., Tran, N. Q., Le, N. Q. T., Tran, Q. H., Nguyen, T. D., & Le, V. T. (2019). Facile synthesis of FeFe2O4 magnetic nanomaterial for removing methylene blue from aqueous solution. Progress in Natural Science: Materials International, 29, 648–654. http://doi.10.1016/j.pnsc.2019.11.009.

Dinh, V. P., Xuan, T. D., Hung, N. Q., Luu, T. T., Do, T. T. T., Nguyen, T. D., Nguyen, V. D., Anh, T. T. K., Tran, N. Q. (2021). Primary biosorption mechanism of lead (II) and cadmium (II) cations from aqueous solution by pomelo (Citrus maxima) fruit peels. Environmental Science and Pollution Research, 28, 63504-63515. http://doi.10.1007/s11356-020-10176-6.

Du, S., Wang, L., Xue, N., Pei, M., Sui, W., & Guo, W. (2017). Polyethyleneimine modified bentonite for the adsorption of amino black 10B. Journal of Solid State Chemistry, 252, 152–157. http://doi.10.1016/j.jssc.2017.04.034.

El-Bayaa, A. A., Badawy, N. A., & AlKhalik, E. A. (2009). Effect of ionic strength on the adsorption of copper and chromium ions by vermiculite pure clay mineral. Journal of Hazardous Materials, 170, 1204–1209. http://doi.10.1016/j.jhazmat.2009.05.100.

Esmaeili, A., & Eslami, H. (2019). Efficient removal of Pb (II) and Zn (II) ions from aqueous solutions by adsorption onto a native natural bentonite. MethodsX, 10, 1979–1985. http://doi: 10.1016/j.mex.2019.09.005.

Foo, K. Y., & Hameed, B. H. (2010). Insights into the modeling of adsorption isotherm systems. Chemical Engineering Journal, 156, 2–10. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.09.013.

Ghazi, A. M., & Millette, J. R. (1964). 4 - lead. In: Morrison, R.D., Murphy, B.L. (Eds.), Environmental Forensics. Academic Press, Burlington, pp. 55–79.

Gupta, S. S., & Bhattacharyya K. G. (2006). Removal of Cd (II) from aqueous solution by kaolinite, montmorillonite and their poly (oxo zirconium) and tetrabutylammonium derivatives. Journal of Hazardous Materials, B128, 247– 257. https://doi.10.1016/j.jhazmat.2005.08.008.

Hamidpour, M. M., Afyuni, M., Kalbasi, A. H., (2010). Mobility and plant availability of Cd (II) and Pb (II) adsorbed on zeolite and bentonite. Applied Clay Science; 48, 342-348. https://doi.10.1016/j.clay.2010.01.004.

Ho, Y. S. & Mckay, G. (2002). Application of kinetic models to the sorption of copper on to peat. Adsprption Science and Technology, 20(8), 797-815. https://doi.10.1260/026361702321104282.

Ho, Y.S., & Mckay, G. (1999). Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochemistry, 34, 451–465. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(98)00112-5.

Huang, Z., Li, Y., Chen, W., Shi, J., Zhang, N., Wang, X., Li, Z., Gao, L., & Zhang, Y. (2017). Modified bentonite adsorption of organic pollutants of dye wastewater. Materials Chemistry and Physics, 202, 266–276. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.09.028.

Humelnicu, D., Dinu, M. V., & Dragan, E. S. (2011). Adsorption characteristics of UO₂²⁺ and Th⁴⁺ ions from simulated radioactive solutions onto chitosan/clinoptilolite sorbents. Journal of Hazardous Materials, 185:447–455. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.09.053

Iriel, A., Marco-Brown, J. L., Diljkan, M., Trinelli, M. A., Santos Afonso, M., & Fernandez Cirelli, A. (2019). Arsenic adsorption on iron-modified montmorillonite: kinetic equilibrium and surface complexes. Environmental Engineering Science, 37(1). https://doi.org/10.1089/ees.2019.0220.

Jovic, J. N., Milutinovic Nikolic, A., Bankovic, P., Mojovic, Z., & Zunic, M. (2010). Organo-inorganic bentonite for simultaneous adsorption of acid Orange 10 and lead ions. Applied Clay Science, 47, 452–456. https://doi.org/10.1016/j.clay.2009.11.005.

Lagergren, S. (1898). Zur theorie der sogenannten adsorptiongeloster stoffe. Handlingar, 24, 1-39. https://doi.10.1007/BF01501332.

Ltifi, I., Ayari, F., Chehimi, D. B. H., & Ayadi, M. T. (2018). Physicochemical characteristics of organophilic clays prepared using two organo-modifiers: alkylammonium cation arrangement models. Applied Water Science, 8(3). http://doi.10.1007/s13201-018-0732-8.

May, G. J., Davidson, A., & Monahov, B. (2018). Lead batteries for utility energy storage: a review. Journal of Energy Storage, 15, 145–157. https://doi.org/10.1016/j.est.2017.11.008

Michot, L. J., & Villi, E. F. (2006). Chapter 12.9 surface area and porosity. In: Bergaya, F., Theng, B.K.G., Lagaly, G. (Eds.), Developments in Clay Science, Handbook of Clay Science. Elsevier, pp. 965–978. https://doi.org/10.1016/S1572-4352(05)01035-4.

Oyanedel, C. V. A., & Smith, J.A. (2006). Effect of quaternary ammonium cation loading and pH on heavy metal sorption to Ca bentonite and two organobentonites. Journal of Hazardous Materials, B137, 1102–1114. https://doi.10.1016/j.jhazmat.2006.03.051.

Ozcan, A. S., Gok, O., & Ozcan, A. (2009). Adsorption of lead (II) ions onto 8-hydroxy quinoline-immobilized bentonite. Journal of Hazardous Materials, 161, 499–509. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.04.002.

Ozdes, D., Duran, C., & Senturk, H. B. (2011). Adsorptive removal of Cd II) and Pb (II) ions from aqueous solutions by using Turkish illitic clay. Journal of Environmental Management, 92, 3082-3090. https://doi.10.1016/j.jenvman.2011.07.022.

Paff, S. W., & Bosilovich, B. E. (1995). Use of lead reclamation in secondary lead smelters for the remediation of lead contaminated sites. Journal of Hazardous Materials, 40, 139–164. http://dx.doi.org/10.1016/0304-3894(94)00070-W.

Santhosh, C., Nivetha, R., Kollu, P., Srivastava, V., Sillanpaa, M., Grace, A. N., & Bhatnagar, A., (2017). Removal of cationic and anionic heavy metals from water by 1D and 2D-carbon structures decorated with magnetic nanoparticles. Scientific Reports, 7, 14107. https://doi.org/10.1038/s41598-017-14461-2.

Silman, H., & Fry, M. F. E. (1947). The lead plating of bronze bearing surfaces for high pressure fuel pumps. Transactions of the IMF, 23, 43–58. https://doi.org/10.1080/00202967.1947.11869486.

Silva Valenzuela, M. G., Hui, W. S., & Valenzuela-Diaz, F. R. (2016). FTIR Spectroscopy of some Brazilian clays. In: Ikhmayies, S. J., Li, B., Carpenter, J. S., Hwang, J. Y., Monteiro, S. N., Li, J., Firrao, D., Zhang, M., Peng, Z., Escobedo-Diaz, J. P., & Bai, C. (Eds.), Characterization of Minerals, Metals, and Materials 2016. Springer International Publishing, pp. 227–234. http://doi.10.1007/978-3-319-48210-1-27.

Su, J., Huang, H., Jin, X., Lu, X., & Chen, Z. (2011). Synthesis, characterization and kinetic of a surfactant-modified bentonite used to remove As(III) and As(V) from aqueous solution. Journal of Hazardous Materials, 185:63–70. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.08.122.

Wang, X. S., He, L., Hu, H. Q. & Wang, J. (2008). Effect of temperature on the Pb (II) removal from single aqueous solution by a locally natural mordenite: Equilibrium and kinetic modelling. Separation Science and Technology, 43, 908-922. https://doi.10.1080/01496390701870697.

Zbair, M., Anfar, Z., & Ahsaine, H. A. (2019). Reusable bentonite clay: modelling and optimization of hazardous lead and p-nitrophenol adsorption using a response surface methodology approach. RSC Advances, 9, 5756–5769. https://doi.org/10.1039/C9RA90016K.

Zhou, Q., He, H. P., Zhu, J. X., Shen, W., Frost, R. L., & Yuan, P. (2008). Mechanism of p-nitrophenol adsorption from aqueous solution by HDTMA⁺-pillared montmorillonite implications for water purification. Journal of Hazardous Materials, 154, 1025–1032. https://doi.10.1016/j.jhazmat.2007.11.009.

Zou, C., Jiang, W., Liang, J., Sun, X., & Guan, Y. (2019). Removal of Pb (II) from aqueous solutions by adsorption on magnetic bentonite. Environmental Science and Pollution Control Services, 26, 1315–1322. http://doi.10.1007/s11356-018-3652-0.