مدل سازی حذف مس از پساب صنایع آبکاری فلزات با استفاده از نانو جاذب اکسید روی تثبیت شده بر اکسید گرافن

محورهای موضوعی : مسائل زیست محیطی مرتبط با سامانه های آبی

مهین مرادی ¹ , سرور صادقی ² , سارا شریفی ³

1 - گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران.
2 - گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران.
3 - گروه زیست شناسی، دانشکده علوم پایه، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/06/12 تاریخ پذیرش : 1402/07/16 تاریخ انتشار : 1402/07/22

کلید واژه: اکسید گرافن, نانو اکسید روی, مس, نانوجاذب, پساب آبکاری فلزات,

چکیده مقاله :

یک نانوجاذب جدید با استفاده از نانوذرات اکسید روی تثبیت شده بر اکسید گرافن جهت جداسازی مس از پساب صنعت آبکاری تهیه شد. اکسید گرافن با روش اصلاح شده هامر تهیه شد و مورفولوژی سطح آن با طیف‌سنجی FTIR و میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM مشخص شد. یک مطالعه سیستماتیک از فرآیند جذب با تغییر pH، غلظت اولیه مس، زمان تماس، دوز جاذب و دما انجام شد. نتایج تجربی نشان داد که حداکثر ظرفیت جذب با راندمان 77/89 درصد در pHبرابر با 7 زمانی بدست آمده است که 5/0 گرم جاذب به مدت 30 دقیقه درتماس با 200 میلی گرم در لیتر محلول مس در دمای 20 درجه سانتیگراد بوده است. نانوجاذب ظرفیت جذب بالایی در نمونه‌های پساب صنعتی شبیه‌سازی‌شده و واقعی نشان داد و در حذف تا 99 درصد مس از نمونه‌های صنعتی مؤثر بود. مطالعات ایزوترم، جنبشی و ترمودینامیکی جذب برای توضیح مکانیسم جذب انجام شد. فرآیند جذب مطابق با مدل‌های مرتبه دوم شبه و ایزوترم فروندلیخ است. بررسی‌های ترمودینامیکی نشان داد که جذب یون‌های مس روی ZnO/GO یک واکنش خودبه‌خودی و گرمازا با مقدار انتالپی برابر باJ mol -1 21/6361- بوده است. این مطالعه نشان داد که نانو ZnO/GO می تواند به عنوان یک نانوجاذب موثر، کم هزینه و سازگار با محیط زیست برای تصفیه پسابهای آبکاری استفاده شود.

چکیده انگلیسی:

A new nano adsorbent was prepared using zinc oxide nanoparticles supported on graphene oxide to separate copper from electroplating industry wastewater. Graphene oxide was synthesized via Hummer's modified method, and its surface morphology was characterized through FTIR spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). A systematic study of the adsorption process was conducted, varying pH, initial copper concentration, contact time, adsorbent dosage, and temperature. The experimental results revealed that the maximum adsorption capacity, with 89.77% efficiency, was achieved at a pH of 7 when 0.5 g of adsorbent was in contact with a 200 mg/L copper solution at 20°C for 30 minutes. The nano adsorbent exhibited a high adsorption capacity in both simulated and real industrial wastewater samples, effectively removing up to 99% of copper from industrial samples. Adsorption isotherm, kinetic, and thermodynamic studies were performed to elucidate the adsorption mechanism. The adsorption process followed pseudo-second-order models and the Freundlich isotherm. Thermodynamic studies indicated that the adsorption of copper ions on ZnO/GO was a spontaneous and exothermic reaction with an enthalpy of -6361.21 J/mol. This study demonstrates that nano ZnO/GO can be utilized as an effective, low-cost, and environmentally friendly nano adsorbent for electroplating wastewater treatment.

منابع و مأخذ:

Aydın, H., Bulut, Y., & Yerlikaya, Ç. (2008). Removal of copper (II) from aqueous solution by adsorption onto low-cost adsorbents. J. Environ. Manag. 87(1), 37-45. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2007.01.005
Balandin, A. A., Ghosh, S., Bao, W., Calizo, I., Teweldebrhan, D., Miao, F. & Lau, C. N. (2008). Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Lett., 8(3), 902-907. https://doi.org/10.1021/nl0731872
Barakat, M. A. (2011). New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arab. J. Chem., 4(4), 361-377. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2010.07.019
Bertram, M., Graedel, T.E., Rechberger, H. & Spatari, S. (2002). The contemporary European copper cycle: waste management subsystem. Ecol. Econ., 42(1), 43-57. https://doi.org/10.1016/S0921-8009(02)00100-3
Chandra, V. & Kim, K. S. (2011). Highly selective adsorption of Hg 2+ by a polypyrrole–reduced graphene oxide composite. Chem. Commun., 47(13), 3942-3944. https://doi.org/10.1039/C1CC00005E
Deng, X., Lü, L., Li, H. & Luo, F. (2010). The adsorption properties of Pb (II) and Cd (II) on functionalized graphene prepared by electrolysis method. J. Hazard. Mater.,183(1), 923-930. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.07.117
Fiyadh, S.S., AlSaadi, M.A., Jaafar, W.Z., AlOmar, M.K., Fayaed, S.S., Mohd, N.S., & El-Shafie, A. (2019). Review on heavy metal adsorption processes by carbon nanotubes. J Clean Prod 230, 783–793. https://doi.org/10.1016/J.JCLEPRO.2019.05.154
Fu, F., & Wang, Q. (2011). Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review. J. Environ. Manag., 92, 407-18. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.11.011
Gong, J. L., Wang, B., Zeng, G. M., Yang, C. P., Niu, C. G., Niu, Q. Y., , Zhou, W.J. & Liang, Y. (2009). Removal of cationic dyes from aqueous solution using magnetic multi-wall carbon nanotube nanocomposite as adsorbent. J. Hazard. Mater., 164(2), 1517-1522. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.09.072
Hu, J., Song, Z., Chen, L., Yang, H., Li, J. & Richards, R. (2010). Adsorption properties of MgO (111) nanoplates for the dye pollutants from wastewater. J. Chem. Eng. Data, 55(9), 3742-3748. https://doi.org/10.1021/je100274e
Humers, W. S. and Offeman, R. E. (1958). Preparation of graphitic oxide [J]. J. Am. Chem. Soc. 80(6), 1339. https://doi.org/10.1021/ja01539a017
Kaniyoor, A., Baby, T. T. & Ramaprabhu, S. (2010). Graphene synthesis via hydrogen induced low-temperature exfoliation of graphite oxide. J. Mater.Chem., 20(39), 8467-8469. https://doi.org/10.1039/C0JM01876G
Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W. & Hone, J. (2008). Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Sci., 321(5887), 385-388. https://doi.org/10.1126/science.1157996
Li, Y., Du, Q., Liu, T., Qi, Y., Zhang, P., Wang, Z., & Xia, Y. (2011). Preparation of activated carbon from Enteromorpha prolifera and its use on cationic red X-GRL removal. Appl. Surf. Sci., 257(24), 10621-10627. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.07.060
Li, Y., Liu, F., Xia, B., Du, Q., Zhang, P., Wang, D., Wang, Z. & Xia, Y. (2010). Removal of copper from aqueous solution by carbon nanotube/calcium alginate composites. J. Hazard. Mater., 177(1), 876-880. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.12.114
Malamis, S., Katsou, E. & Haralambous, K.J. (2011). Study of Ni (II), Cu (II), Pb (II), and Zn (II) removal using sludge and minerals followed by MF/UF. Water, Air, & Soil Pollut., 218(1-4), 81-92. https://doi.org/10.1007/s11270-010-0625-4
Mattevi, C., Eda, G., Agnoli, S., Miller, S., Mkhoyan, K. A., Celik, O., Mastrogiovanni, D., Granozzi, G., Garfunkel, E. & Chhowalla, M. (2009). Evolution of electrical, chemical, and structural properties of transparent and conducting chemically derived graphene thin films. Adv. Funct. Mater., 19(16), 2577-2583. https://doi.org/10.1002/adfm.200900166
Nassar, N. N. (2010). Rapid removal and recovery of Pb (II) from wastewater by magnetic nano adsorbents. J. Hazard. Mater., 184(1), 538-546. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.08.069
Rafiq, Z., Nazir, R., Shah, M.R. & Ali, S. (2014). Utilization of magnesium and zinc oxide nano-adsorbents as potential materials for treatment of copper electroplating industry wastewater. J. Environ. Chem. Eng., 2(1), 642-651. https://doi.org/10.1016/j.jece.2013.11.004
Rao, C. E. E., Sood, A. E., Subrahmanyam, K. E. & Govindaraj, A. (2009). Graphene: the new two‐dimensional nanomaterial. Angew. Chem. Int. Ed., 48(42), 7752-7777. https://doi.org/10.1002/anie.200901678
Serag, E., El Nemr, A., & El-Maghraby, A. (2017). Synthesis of highly effective novel graphene oxide-polyethylene glycol-polyvinyl alcohol nanocomposite hydrogel for copper removal. J. Water Environ. Nanotechnol. 2, 223–234. https://doi.org/10.22090/JWENT.2017.04.001
Sulaiman, S., Azis, R.S., Ismail, I., et al. (2021). Adsorptive Removal of Copper (II) Ions from Aqueous Solution Using a Magnetite Nano-Adsorbent from Mill Scale Waste: Synthesis, Characterization, Adsorption and Kinetic Modelling Studies. Nanoscale Res Lett 16, 168. https://doi.org/10.1186/s11671-021-03622-y
Sreeprasad, T. S., Maliyekkal, S. M., Lisha, K. P. & Pradeep, T. (2011). Reduced graphene oxide–metal/metal oxide composites: facile synthesis and application in water purification. J. Hazard. Mater., 186(1), 921-931. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.11.100
Vasudevan, S. & Lakshmi, J. (2012). The adsorption of phosphate by graphene from aqueous solution. Rsc Adv., 2(12), 5234-5242. https://doi.org/10.1039/C2RA20270K
Zhang, N., Qiu, H., Si, Y., Wang, W. & Gao, J. (2011). Fabrication of highly porous biodegradable monoliths strengthened by graphene oxide and their adsorption of metal ions. Carbon., 49(3), 827-837. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.024
Zhang, J., Lin, S., Han, M., Qing, Su., Xia, L., & Hui, Z. (2020). Adsorption Properties of Magnetic Magnetite Nanoparticle for Coexistent Cr (VI) and Cu (II) in Mixed Solution. Water, 12, 446–459. https://doi.org/10.3390/w12020446