پایان نامه بررسی بهره وری از ضایعات پوست لیمو به عنوان جاذب در حذف کبالت، کادمیم و نیکل

چکیده

این تحقیق به منظور بررسی مشخصات جذب فلزات کبالت، کادمیم و نیکل با استفاده از پوست لیمو انجام پذیرفته است. اثر پارامتر­های مختلف نظیرpH  محلول، میزان جاذب، زمان تماس و دما بر فرآیند جذب مورد بررسی قرار گرفت و شرایط عملیاتی بهینه جذب هر عنصر بر روی جاذب زیستی مشخص گردید. مقادیر تعادلی جذب با مدل­های ایزوترم لانگمویر، فرندلیچ، تمکین وD-R  مورد بررسی قرار گرفتند و پارامترهای هر مدل تعیین گردید. در بین ایزوترم­های جذب مشاهده شد که مناسب­ترین مدل ایزوترم برای این فرآیند جذب مدل فرندلیچ می باشد. در این تحقیق بیشترین مقدار جذب کبالت، کادمیم و نیکل با استفاده از مدل لانگمویر به ترتیب 17/42، 07/23 و 05/23 میلی گرم بر گرم به دست آمد. مدل­های مختلف سینتیک جذب برای این فرآیند مورد بررسی قرار گرفت و مدل شبه درجه دوم بهترین مدل شناخته شد. همچنین پارامترهای ترمودینامیکی فرآیند جذب توسط پوست لیمو از قبیل انرژی آزاد گیبس، تغییرات آنتالپی و تغییرات آنتروپی در چهار دمای مختلف تخمین زده شد و نتایج نشان داد که جذب کبالت، کادمیم و نیکل توسط پوست لیمو یک فرآیند خود به خودی و گرما گیر می باشد. همچنین با استفاده از آنالیزهای FTIR و SEM مکانیسم فرآیند جذب مشخص گردید.

کلید واژه ها: جذب زیستی، کبالت، کادمیم، نیکل، پوست لیمو ، ایزوترم، سینتیک 

مقدمه

همان­طور که می­دانیم آب اساسی­ترین ماده برای حیات روی کره زمین است. 97% از آب­های روی زمین را آب شور، 2% را یخچال­های طبیعی در قطب شمال و جنوب و تنها کمتر از یک درصد از آب روی زمین را آب شیرین تشکیل می­دهد که برای مصارف شرب، کشاورزی، مصرف خانگی و صنعتی است.

        در دهه­های اخیر رشد جمعیت و افزایش فعالیت­های صنعتی موجب شده مشکلات زیست محیطی بیشتر و پیچیده­تری به وجود آید. (کنز و همکاران، 2002)[1] پیشرفت شتابان در فعالیت­های صنعتی و ساخت و تشکیل کارخانه­ها و همچنین توسعه فن­آوری باعث شده است تا آلودگی­های گسترده و خطرناکی در محیط زندگی انسان به وجود آید و تبدیل به یک تهدید جدی برای سلامت انسان گردد. (ژکسیان و همکاران،  2006)[2] در واقع مقدار قابل توجهی از این آلاینده­ها در جو، خاک و آب یافت می­گردد که این فعالیت­ها مجموعاً باعث آلودگی آب­های سطحی، آب­های زیر­زمینی و دریا می­گردد. با رشد جمعیت مصرف آب افزایش می­یابد اما عرضه آن محدود است و این مقدار محدود موجود نیز توسط انواع آلاینده­ها آلوده می­شود. منابع اصلی آلودگی آب مواد زائد جامد، زباله­های رادیواکتیو، آلودگی حرارتی می­باشند. (تیاگی و مهرا؛ 1994)[3] شماری از فعالیت­های خانگی و صنعتی مانند سوزاندن سوخت­های فسیلی، سوزاندن ضایعات، فرایند­های ذوب، استخراج معدن، صنایع باتری سازی و غیره موجب تولید این آلاینده­ها  به ویژه فلزات سنگین می­شوند.

         امروزه به حداقل رساندن تولید زباله­های خطرناک و فلزات سنگین به عنوان یکی از مهمترین چالش­های زیست محیطی است که جهان امروز با آن مواجه است. فلزات سنگین، مواد غیر قابل تجزیه خطر­ناک هستند که می­توانند در عناصر محیط پیرامون انسان از جمله مواد غذایی تجمع کنند و سلامتی انسان را به خطر بیاندازند. (کاوسارن و یو، 2001 ؛ یان و ویراگاوان 2001)[4] روش­های مختلفی برای از بین بردن فلزات سنگین از جمله رسوب شیمیایی، فیلتراسیون غشایی، تبادل یون، استخراج مایع و الکترودیالیز و غیره وجود دارد. (اقبال و همکاران، 2002)[5] این روش­ها به دلیل هزینه بالا برای صنایع در مقیاس­های بزرگ مورد استفاده قرار نمی­گیرند. در حال حاضر استفاده گسترده صنعتی از جاذب­های کم هزینه با توجه به در دسترس بودن برای تصفیه فاضلاب­ها توصیه می­شود. (العاشه و همکاران، 2000؛ بیلی و همکاران، 1999)[6]

 انواع مختلفی از جاذب­ها برای جذب فلزات سنگین وجود دارد که مناسب­ترین آنها ضایعات کشاورزی و محصولات جانبی می باشد. ( ساری و همکاران، 2008)[7]

      هدف از انجام این پروژه بررسی بهره­وری از ضایعات پوست لیمو  به عنوان جاذب در حذف کبالت، کادمیم و نیکل از محلول­­های آبی بوده و مطالعات تعادل و سینتیک برای توصیف فرآیند جذب انجام شده است. همچنین مدل­های مختلفی برای تعیین نرخ و مکانیسم فرآیند جذب مورد آزمایش قرار گرفتند.

1-1 فلزات سنگین

آلاینده­های عمده محیط زیست ممکن است شامل فلزات سنگین و آلاینده­های آلی پایدار مانند مواد شیمیایی، بی­فنیل­های پلی­کلرینه، دیوکسین و فوران باشد. این ضایعات ممکن است عفونی، سمی و یا رادیواکتیو باشند. (انجورج، 2007)[8]سه نوع از فلزات سنگین نگران­کننده عبارتند از : 1- فلزات سمی(سرب، مس، نیکل، کبالت ، کادمیم، روی ، قلع و .­.­.) 2- فلزات گران­بها (پلاتین ، نقره، طلا، پالادیم و .­.­.) 3- پرتوزا ( توریم و .­.­.) (وانگ و چن، 2006)[9]

       یون­های فلزات سنگین سمی مختلف از طریق فعالیت­های صنعتی فلزی از جمله آبکاری، استخراج معدن، کلر­آلکالی، تولید رادیاتور، ذوب فلزات، صنایع آلیاژی، صنایع برق و الکترونیک، پتروشیمی، الکترولیز، الکترو اسمز و .­.­. و یا فعالیت­های صنعتی غیر­فلزی مانند چاپ، صنایع عکاسی، پالایشگاه­های نفت، صنایع کاغذ، چرم، فاضلاب­ها، کود­ها و آفت­کش­ها، هوا فضا، نیروگاه­های انرژی هسته­ای و غیره تشکیل می­شوند و یکی از علل عمده آلودگی آب به شمار می­آیند. (خالفو و منیا،2012)[10] باقی مانده یون­های فلزات سنگین ممکن است در میکروارگانیسم­ها، گیاهان و جانوران تجمع یابد که به نوبه خود به زنجیره غذایی انسان وارد و منجر به مشکلات سلامتی- بهداشتی عدیده­ای می­شود. (ارزکو، 2008)[11]

       فلزات سنگین آلودگی­های زیست محیطی جدی و در نتیجه تهدیدی برای سلامت انسان و اکوسیستم را به همراه دارد. حضور فلزات سنگین در آب آشامیدنی اثرات سوء و گسترده­ای بر سلامت بدن انسان خواهد گذاشت که می توان به چند نمونه از آن اشاره کرد. بطور مثال این فلزات کبد، کلیه­ها ریه و مغز استخوان را هدف قرار می­دهند. (سالم و همکاران، 2000)[12] ضایعات و سرطان پوستی، آلرژی­ها، فشار خون بالا، بیماری­های قلبی و عروقی، بیماری­های ریوی (اسمیت و همکاران، 2000)[13] ضعف، بی­حالی، صدمه به دستگاه گوارش، درد شکم، گرفتگی عضلات، بی­اشتهایی، بیماری­های عصبی، تغیرات رفتاری، مشکلات زبان و گفتار و نقص در رشد از دیگر مشکلات ایجاد شده از این مسئله می­باشند. (کاپور و همکاران، 1999)[14]

        برای مثال توریم یکی از عناصر رادیواکتیو است که بطور گسترده­ای بر روی پوسته زمین توزیع شده است. این یون رادیونوکلوئید سمی و خطرناک بوده و حتی در مقادیر بسیار کم برای فیزیولوژی انسانی و دیگر سیستم­های بیولوژیکی بسیار مضر است و می­تواند باعث بیماری­های مختلفی شود. برخی از فعالیت­های انسانی از جمله فرآوری سوخت هسته­ای و بهره برداری از سنگ معدن می­تواند باعث آزاد شدن این رادیونوکلوئید شود. (ون هورن و هوانگ، 2006)[15]

       در بین فلزات سنگین سرب یکی از سمی­ترین آن ها به شمار می­رود که از طریق کشت در خاک­های آلوده، تنفس هوا در محیط­های صنعتی مثل کارخانه­های باتری­سازی و نوشیدن آب­های آلوده، وارد بدن انسان می­شود و ایجاد مشکلات جدی مانند تهوع، سرطان، تشنج و انحطاط سیستم مرکزی عصبی را پدید می­آورد. (لی و همکاران، 2005)[16]

آرسنیک، از دیگر فلزات سنگین است که در آب­های آشامیدنی یافت می­شود. اختلالات عصبی، کاهش اشتها، سرطان مثانه و کلیه، تغیر و ضخیم شدن پوست، تحلیل عضلات از جمله مشکلات بوجود آمده از این سم می باشد. (جین و علی، 2000)[17]

در ذیل به شرح 3 نمونه از فلزات سنگین که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته­اند می­پردازیم.

1-1-1 کبالت

کبالت عنصر فرومغناطیس سخت با علامت شیمیایی Co که داری رنگ خاکستری براق می‌‌باشد. کبالت دارای وزن مخصوص ۷۵۶/۸ گرم بر مترمکعب، نقطه ذوبی برابر ۱۴۹۳ درجه سانتی­گراد، رسانایی الکتریکی آن حدود ۱۶ درصد مس است. این عنصر اغلب با نیکل همراه است و هر دوی آنها از اجزای مشخص فلز شهاب سنگ می‌باشند. پستانداران، نیازمند مقدار بسیار کمی از نمک­های کبالت هستند. کبالت 60 که ایزوتوپ رادیواکتیو و مصنوعی کبالت است،  یک منبع مهم گاما،  ردیاب رادیواکتیو و عامل رادیوتراپی و معالجه سرطان به‌شمار می­آ‌ید. البته بلع کبالت 60 منجر به ورود مقداری کبالت درون بافت­های بدن می‌شود که به‌کندی از بدن خارج می‌شود.

         نفوذ­پذیری نسبی کبالت، دو سوم آهن است. حالات اکسیداسیون عادی کبالت، شامل 2+ و3+ است، گرچه 1+ نیز دیده شده است. کبالت نسبتا دارای فراوانی کمی در پوسته زمین است و در آب­های طبیعی، به عنوان سولفین کبالت (COS) غیر قابل حل، رسوب می­کند. اگرچه سطح میانگین کبالت در خاک معمولی حدود 8 ppm است، ولی خاک­هایی با مقدار کبالت به اندکیppm  1/0  و یا به بزرگی بیش از  70 ppm نیز وجود دارد.

      کبالت به صورت فلز آزاد یافت نمی­شود و عموماً به شکل سنگ معدنی یافت می­گردد. کبالت معمولاً به تنهایی استخراج نمی­شود و به عنوان محصول جانبی در استخراج مس و نیکل تولید می­­شود. تولید­کنندگان اصلی کبالت در جهان کشورهای جمهوری دمکراتیک کنگو، چین، زامبیا، روسیه و استرالیا هستند. این فلز همچنین در فنلاند، آذربایجان و قزاقستان یافت می­شود. تولید جهانی آن 17000 تن در سال است.

        کبالت در بسیاری از آلیاژ­ها (سوپر آلیاژهای مورد استفاده در اجزاء توربین گازی موتورهای هواپیما، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی، فولادهای تندبر) در آهن­رباها و وسایل ضبط مغناطیسی، به عنوان کاتالیست برای صنایع شیمیایی و نفتی و به عنوان عامل خشک کننده برای رنگ­ها و جوهرها به کار می­رود. کبالت آبی یک بخش مهم پالت هنرمندان است و در صنعت چینی، سفال، شیشه کاری منقوش، کاشی و جواهرات مینا، استفاده می­شود. کبالت آلیاژهای مفید بسیاری را تشکیل می­دهد. این فلز با آهن، نیکل و سایر فلزات برای تشکیل آلنیکو که یک آلیاژ با استحکام مغناطیسی استثنایی است آلیاژ می­شود. کبالت، کروم و تنگستن ممکن است برای تشکیل استلایت که برای کاربردهای دما بالا، ابزار برش تندبر و قالب­­ها، استفاده می­شود، آلیاژ شوند. همچنین در فولادهای مغناطیسی و ضدزنگ نیز بکار می­رود. از این فلز برای آبکاری الکتریکی، به علت سختی و مقاومت به اکسیداسیون بالایش استفاده می­شود. محلول کلرید کبالت، برای ساختن جوهر استفاده می­شود. فلز کبالت پودر شده، خطر آتش­سوزی به همراه دارد و بهتر است همه ترکیبات کبالت را سمی در نظر گرفت، مگر اینکه خلاف آن ثابت شده باشد. کبالت شامل ترکیباتی است که در بسیاری از کاربرد­های صنعتی مانند استخراج معادن، ذوب فلزات، آبکاری و صنایع الکترونیکی استفاده می­شود. (مانوهار و همکاران، 2006)[18] کبالت در فاضلاب نیروگاه­های هسته­ای نیز موجود است. حد مجاز کبالت در آب آبیاری 0.5 و در فاضلاب مالداری­ها 1 میلی گرم بر لیتر می­باشد.

 مسمومیت با کبالت ممکن است تاثیرات جدی بر سلامتی انسان ایجاد کند به عنوان مثال باعث آسم، آلرژی، صدمه به کبد و تیروئید، نارسایی قلبی و عروقی و تغیرات ژنتیکی در سلول­های زنده می­شود. همچنین قرار گرفتن در معرض تابش­های یونیزه این فلز خطر ابتلا به سرطان را افزایش می­دهد. (رنگارج و مون، 2002)[19]

1-1-2 کادمیم

کادمیم یکی از عناصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Cd و عدد اتمی ۴۸ قرار گرفته‌است و دارای نقطه ذوب 321.18 درجه سانتی­گراد است. کادمیم عنصری نسبتا کمیاب، نرم، با رنگ سفید مایل به آبی چکش خوار، انعطاف­پذیر و فلز انتقالی سمی است و یک هادی الکتریکی بسیار عالی محسوب می­شود، در اسیدها محلول است، در هوا می‌سوزد و به فرم اکسید کادمیم (CdO) به رنگ قهوه­ای در می‌آید.

معمولی­ترین حالت اکسیداسیون کادمیم 2+ می­باشد، گرچه نمونه­های کمیابی از 1+ نیز می­توان پیدا کرد.  در سنگ معدن روی وجود دارد و در باتری­ها به مقدار زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

         فلز کادمیم (لاتینcadmia، یونانی kadmeia به معنی کالامین) در سال ۱۸۱۷ در آلمان توسط فردریچ استرومیر[20]  کشف شد. او متوجه شد بعضی از نمونه‌های ناخالص کالامین هنگام حرارت تغییر رنگ می‌دهند اما کالامین خالص این­گونه نیست. گرچه کادمیم وترکیبات آن به شدت سمی هستند، اما از سال 1907، مستندات دارویی بریتانیا[21] اعلام می‌دارد که یدید کادیم به عنوان دارویی برای معالجه ورم مفاصل، سل، غدد لنفاوی و سرمازدگی مورد استفاده قرار می‌گرفته ‌است. در سال ۱۹۲۷ کنفرانس بین المللی اوزان و مقادیر، متر را با توجه به یک خط طیفی قرمز کادمیم (1متر=1/553/13/164) تعریف کرد که البته هم اکنون بر اساس کریپتون تعریف می‌شود.

         سنگ­های معدن که حاوی کادمیم می‌باشند کمیاب بوده و در صورت یافت شدن به مقادیر خیلی کم وجود دارند. درنتیجه کادمیم عمدتاًً به عنوان یک محصول جانبی از استخراج، خالص­سازی و تصفیه سولفید اوره حاصل از سنگ معدن روی، همچنین به میزان کمتر از سرب و مس تولید می‌شود.

مقدار کمی از کادمیم (تقریبا ۱۰% مصرف) از منابع ثانویه که عمدتاً از خاک حاصل از بازیافت تکه‌های آهن و فولاد است به­دست می‌آید. کادمیم بطورطبیعی شامل ۶ ایزوتوپ پایدار است و ۲۷ ایزوتوپ پرتوزا[22] شناخته شده است. این عنصر دارای ۸ ایزومر هسته‌ای [23]است. تقریباً سه چهارم کادمیم در باتری­ها استفاده می­گردد و یک سوم باقی مانده عمدتاً جهت رنگ­ها، پوشش­ها، آبکاری، به عنوان مواد تثبیت کننده در پلاستیک­ها و در بعضی از آلیاژهایی که نقطه ذوب پایین دارند بکار می­رود. به علت ضریب اصطکاک پائین و مقاومت بسیار خوب در آلیاژهای بلبرینگ از آن استفاده می­شود.  بسیاری از انواع  لحیم­ها حاوی این فلز هستند. ترکیبات حاوی کادمیم در مواد درخشان تلویزیون­های سیاه و سفید و نیز در مواد درخشان آبی و سبز در لامپ تصویر تلویزیون­های رنگی به کار می­روند. کادمیم نمک­های مختلفی را بوجود می­آورد که معمول­ترین آنها سولفات کادمیم است. از این سولفید به عنوان رنگدانه زرد استفاده می­شود.

Abstract

The present study was undertaken to evaluate the specification of biosorption of Co, Cd and Ni onto lemon peel from aqueous solution. The effects of solution pH, adsorbent dosage and contact time were studied by batch technique and determined the optimum conditions for each metal. The equilibrium adsorption data are fitted to Langmuir, Frendlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich isotherm models and the model parameters are evaluated. The Frendlich model fits the equilibrium data better than the others. In this study the maximum capacity uptakes of Co, Cd and Ni are found to be 42.17, 23.07 and 23.05 mg/g respectively. Sorption kinetics followed a second-order model. The thermodynamic parameters, Gibbs free energy (DGº), change in enthalpy (DHº) and change in entropy (DSº), for biosorption of Co, Cd and Ni by lemon peel were  calculated at four( 20,30,40 and 50ºC) different temperatures. The results showed that the biosorption of this metals on lemon peel is a spontaneous and endothermic process. FTIR and SEM analysis determined the specification of adsotbent.

Keywords: Biosorption, Cobalt, Cadmium, Nikel, Lemon peel, Isotherm, Kinetic