کارایی نانوکامپوزیت مونت موریلونیت کیتوسان بعنوان جاذب در جذب سطحی
رنگ Orange II از پساب صنعتی
نویسندگان :
سیمین عربی، سروش زیارتی، رضا خیرمندی ۱- استادیار گروه علوم پایه ، دانشکده شیمی ، دانشگاه آزاد واحد صفادشت ، تهران ، ایران ۲- دانشجوی شیمی کاربردی، دانشکده شیمی دارویی، دانشگاه آزاد واحد علوم پزشکی تهران ، تهران، ایران
خلاصه
رنگ ها مواد آلی با ساختار پیچیده، غالبأ سمی، سرطان زا، جهش زا و غیرقابل تجزیه بیولوژیک و یکی از مهمترین آلاینده های فاضلاب صنایع نساجی و رنگرزی هستند، این مطالعه با هدف کلی بررسی امکان سنجی استفاده از نانوکامپوزیت کیتوسان امونت موریلونیت به عنوان جاذب در حذف رنگ Orange II از پساب صنعتی انجام شد. کانی رسی مونت موریلونیت با کیتوسان جهت تهیه بیونانوکامپوزیت کیتوسان امونت موریلونیت (CTS/MIMT ) اصلاح شد که در آن یون های سدیم در لایه های مونت موریلونیت به وسیله بیوپلیمر کیتوسان جایگزین می شوند، جهت تعیین مشخصات ساختاری نانوکامپوزیت از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد. آزمایشات جذب در دمای اتاق در سیستم ناپیوسته (Batchi) انجام شد و اثرات pH محلول، غلظت اولیه رنگ، زمان تماس و مقدار جاذب بررسی شدند. بهینه سازی پارامترهای مؤثر بر فرایند جذب شامل pH در گستره (۱۱-۳)، غلظت اولیه رنگ (۲۰-۶۰) میلی گرم بر لیتر، مقدار جاذب (۰/۷ – ۰/۱) گرم بر لیتر زمان تماس (۳/۵-۱) ساعت انجام شد. تحت این شرایط، مقادیر بهینه pH غلظت اولیه رنگ، مقدار جاذب و زمان تماس به ترتیب که ۵۰ میلی گرم بر لیتر۰/۷گرم بر لیتر و ۳ ساعت بدست آمد، مطالعه نتایج حاصل از برازش داده های ثابت تعادل بر روی مدل های ایزوترمی لانگموئیر و فروندلیچ نشان داد که جذب رنگ Orange II بر روی نانوجاذب MMT -CTS با هر دو مدل ایزوترمی فوق الذکر مطابقت دارد. ضریب همبستگی در هر دو مدل فروندلیچ و لانگموئیر بیشترین مقدار را داشته (۹۹%) که این امر بیانگر تناسب بهتر هر دو مدل جهت توصیف تعادل جذب رنگ Orange II بر روی نانوجاذبCTS-MMT می باشد. همچنین، نتایج نشان داد که داده های آزمایش از مدل سینتیکی شبه درجه دوم تبعیت می کند 
۱. مقدمه
حفظ محیط زیست از آلودگی هایی که به وسیله صنایع و فناوری های مدرن ایجاد می شود، یکی از نگرانی های امروزی به دلیل به خطر انداختن سلامت و بهداشت عمومی جامعه است. تخلیه پساب های رنگی و غیر رنگی صنایع مختلف مانند نساجی، کاغذ، آرایشی و بهداشتی، کشاورزی، پلاستیک و چرم معضلات زیست محیطی شدیدی را به وجود می آورد زیرا سمی بودن برخی از رنگزاها فقط سبب آسیب دیدن مناظر زیبای طبیعی نمی شوند، بلکه به اکوسیستم های آبی نیز ضرر می رسانند. برای مثال از نفوذ نور به داخل آب جلوگیری کرده و باعث اختلال در فرایند فتوسنتز می شوند [1]. از این رو یافتن روش های مؤثر تصفیه امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. در طی سالیان متمادی، روش های شیمیایی مختلف مانند نانوکاتالیزورهای نوری، فتوفنتون و ازوناسیون، صاف کردن و غیره برای تصفیه پساب های نساجی جهت حذف مواد رنگزا و غیره مورد استفاده قرار گرفته است. تصفیه شیمیایی و بیولوژیکی پساب های حاوی این مواد به دلیل سطح پائین جذب و پایداری شیمیایی مواد رنگی دشوار است و اغلب نتایج رضایت بخشی ندارند. بنابراین برای تصفیه پساب های حاوی ترکیبات رنگی عمدتا از روش های غیر معمول، مثل جذب این ترکیبات بر روی جاذب های مختلف استفاده می شود. بهترین و بیشترین جذب را در این زمینه کربن فعال دارد و برای انواع آلاینده ها مناسب است، ولی به دلیل قیمت زیاد و مشکلات بازیابی مجدد آن محققان در پی یافتن جاذب های ارزان قیمت و کارآمدی هستند [6].
اخیرا تولید بیوپلیمرها به دلیل عدم سمیت در محیط، در دسترس بودن و ارزان بودن آنها به عنوان ابزاری برای حذف آلاینده ها مورد توجه اکثر محققان قرار گرفته است. کیتوسان بعنوان یک بیوجاذب پلیمری طبیعی برای حذف مواد رنگزای آنیونی به دلیل حضور گروههای آمینو پروتونه شده (+NH3 ) در محیط و برهم کنش تعویض یونی با رنگها، توسط محققان مورد استفاده قرار گرفته است. از جاذب های مؤثر دیگر، خاک های رسی (Clays) هستند که به واسطه هزینه پایین و فراوانی و قابل دسترس بودن ظرفیت جذب بالای آنها بسیار مورد توجه واقع شده اند. در این تحقیق نانو کامپوزیت کیتوسان / مونت موریلونیت برای بهبود کارایی ظرفیت جذب مورد بررسی قرار گرفته مدل های ایزوترمی جذب لانگموئیر و فرندلیش برای حذف رنگ با استفاده از نانو کامپوزیت CTS/MM پیش بینی و همچنین پارامترهای مدلهای ایزوترمی و ضریب همبستگی برای حذف یونها بدست خواهد آمد [4].
۲- بخش تجربی
۱-۲- مواد شیمیایی و تجهیزات:
رنگ Orange II از شرکت الوان ثابت با درجه خلوص ۹۷% و با وزن مولکولی ۳۵۰/۳۲ گرم بر مول تهیه گردید. طول موج ماکزیمم maxƛ جذب رنگ Orange II ۴۸۶ نانومتر می باشد. ساختار شیمیایی رنگ Orange II در شکل ۱ آورده شده است. کیتوسان و مونت موریلونیت نیز ساخت شرکت مرک تهیه گردید. برای اندازه گیری میزان رنگبری از دستگاه اسپکتروفتومتر Varian CARY-300)UV-Vis) استفاده شد. همچنین از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی (EM-900, Zeiss) برای تعیین ویژگی های نانو کامپوزیت استفاده شد.
۲-۲- روش کار: تهیه نمونه رنگ و نانو کامپوزیت کیتوسان امونت موریلونیت (CTS/MMT )کیتوسان (CTS) به میزان۰/۵
گرم به ۵۰ میلی لیتر استیک اسید ۵% حجمی ،حجمی افزوده شد و سل حاصل در دمای ۶۰°C به مدت ۳ ساعت بر روی همزن مغناطیسی هم زده شد. سپس مقدار۰/۵گرم مونت موریلونیت (MMT) را در ۱۰ میلی لیتر آب مقطر ریخته و تحت امواج فراصوت به مدت یک ساعت قرار داده شد. در ادامه محلول کیتوسان در حین هم زدن افزوده شد. سپس خمیر مرطوب بدست آمده در دمای ۷۰ درجه سانتی گراد جهت تبخیر حلال باقیمانده به مدت ۲۴ ساعت در آون خلا قرار داده شد. پس از خشک شدن خمیر مرطوب، ترکیب حاصل آسیاب شده و با الک با مش ۱۰۰، الک گردید و سپس جهت آزمایشات جذب نگهداری گردید. برای تهیه رنگ مورد نظر ابتدا یک میلی گرم از رنگ را در ۱۰۰۰ میلی لیتر آب مقطر حل کرده (محلول مادر) و سپس محلولهایی با غلظت ۲۰-۶۰ میلی گرم بر لیتر ساخته و در تماس با غلظت های۰/۹ – ۰/۱ از نانوجاذب در زمان های تماس۳/۵- ۱ساعت و در pH های ۱۱-۳ مورد آزمایش قرار گرفتند. کلیه نمونه ها قبل از اندازه گیری از کاغذ صافی۰/۴۵میکرون عبور داده شدند. ادامه آزمایشات با ثابت در نظر گرفتن متغیرهای بهینه و بررسی تک تک پارامترها انجام گرفت. غلظت نهایی رنگ Orange II با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومترUV-Vis(مدل 300-Varian CARY) در طول موج ۴۸۶ نانومتر سنجش شد. سپس مقدار رنگ جذب شده، (qe(mg/g ، با استفاده از معادله زیر تعیین مقدار شدکه در این معادله Ce و C°غلظت اولیه و تعادلی رنگ در فاز مایع (mg/L) می باشد. V حجم محلول (L) و M مقدار جاذب مورد استفاده (g) می باشد. درصد حذف رنگ نیز با استفاده از رابطه زیر محاسبه گردید :
که در این معادلهCf و°C به ترتیب غلظت های اولیه و نهایی رنگ (پس از جذب می باشند. تمامی آزمایشات در بررسی حاضر بصورت دو بار تکرار و در دمای آزمایشگاه انجام پذیرفت [5]
٣- نتایج و بحث:
۱-۳- مورفولوژی نانو کامپوزیت
CTS-MMTبرای تعیین ویژگی های نانو کامپوزیت از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شد (شکل ۲). همانگونه که تصویر نشان می دهد، توزیع یکنواخت کیتوسان (CTS) در بستر مونت موریلونیت (MMT) مشهود است که بیانگر پراکندگی مناسب و مطلوب ذرات کیتوسان در بستر مونت موریلونیت است [3]
۲-۳- آزمایشات جذب
نتایج تأثیر غلظت های اولیه رنگ Orange II بر کارایی حذف، نشان داد که با افزایش غلظت رنگزای اولیه، میزان حذف رنگ به وسیله نانوجاذبCTS-MMTابتدا افزایش و بتدریج کاهش یافت (شکل 3). این موضوع ناشی از این حقیقت است که در غلظت های بالاتر رنگ، به دلیل اشباع شدن مکان های جذب در مدت زمان کوتاه، میزان رنگ بیشتری در محلول تعادلی باقی ماند و درصد حذف رنگ به وسیله نانو جاذب کاهش یافت. بیشترین میزان حذف رنگ به وسیله جاذب CTS-MMTدر5 =pH مشاهده گردید (شکل ۴) که این امر به دلیل بمباران سطح نانوجاذب به وسیله یون های مثبت هیدروژن و برقراری پیوند الکترواستاتیک بین سطح مثبت جاذب با مولکول های دارای بار منفی رنگ Orange II می باشد. نتایج حاصل از سنجش زمان تماس واکنش نشان داد که با افزایش زمان تماس تحت شرایط ثابت راندمان حذف رنگ افزایش می یابد (شکل ۵). این امر می تواند ناشی از افزایش تعداد برخوردهای بین آلاینده و جاذب باشد که هر چه زمان تماس بیشتر می شود احتمال برخورد بیشتر شده و جذب آلاینده به وسیله جاذب مورد نظر افزایش می یابد. همچنین نتایج آزمایش نشان داد که افزایش میزان جاذب تأثیر مثبتی در حذف رنگ دارد و مناسب ترین مقدار وزن جاذب۰/۷ تعیین گردید (شکل ۶). در بیان توصیف این واقعیت می توان بیان نمود که علت این افزایش کارایی، مربوط به افزایش مقدار جاذب در شرایط برابر، افزایش مکانهای فعال و در دسترس برای فعل و انفعالات بين جاذب جزء جذب شونده (رنگ) از محلول و در نتیجه بیشتر شدن برخوردهای بین جاذب و آلاینده می شود . مطالعه نتایج حاصل از برازش داده های ثابت تعادل بر روی مدل های ایزوترمی لانگموئیر و فروندلیچ در جدول ۱ نشان داد که جذب رنگ Orange II بر روی نانوجاذبCTS-MMTبا هر دو مدل ایزوترمی فوق الذکر مطابقت دارد
که این امر بیانگر تناسب بهتر هر دو مدل جهت توصیف تعادل جذب رنگ Orange II بر روی نانوجاذب CTS-MMTمی باشد [2]
نتیجه گیری
در این پژوهش امکان استفاده از نانو کامپوزیت های کیتوسان امونت موریلونیت در حذف رنگ سنتزی Orange II مورد مطالعه قرار گرفت. بهینه سازی پارامترهای مؤثر بر فرایند جذب شامل pH در گستره (۱۱-۳)، غلظت اولیه رنگ (۶۰-۲۰) میلی گرم بر لیتر، مقدار جاذب (۰/۷-۰/۱) گرم بر لیتر زمان تماس (۳/۵-۱) ساعت انجام شد. تحت این شرایط، مقادیر بهینه pH، غلظت اولیه رنگ، مقدار جاذب و زمان تماس به ترتیب ۵، ۵۰ میلی گرم بر لیتر، ۰/۷گرم بر لیتر و ۳ ساعت بدست آمد. مطالعه نتایج حاصل از برازش داده های ثابت تعادل نشان داد که جذب رنگ بر روی نانوجاذبCTS-MIMTبا هر دو مدل ایزوترمی فروندلیچ و لانگموئیر مطابقت دارد.
مراجع
[1] اخلاصی، ل، یونسی، ح. (۱۳۹۲). تعیین میزان حذف کروم از محلول های آبی توسط نانوذرات زیست تخریب پذیر کیتوسان. مجله آب و فاضلاب. دوره ۲۶، شماره ۱، ۱۸-۱۰.
[2] Yang, X., & Al-Duri, B. (2005). Kinetic modeling of liquid-phase adsorption of reactive dyes on activated carbon, Journal of Colloids and Interface Science, 287, 2534
[3]Samadian, M. (1994). Textile Wastewater Treatment by mineral soils of the color of the inner, Ms thesis, tarbiat modares uni.
[4] Chen, Q., & et al. (2014). From used montmorillonite to carbon monolayermontmorillonite nanocomposites. Appl. Clay Sci. 100, 112-117.
[5] Gecol, H. & et al. (2006). Biopolymer coated clay particles for the adsorption of tungsten from water. Desalination, 197, 165-78.
[6] Walker, G. M., & Weatherley, L. R. (2000). Biodegradation and biosorption of acid antheraquinion dye. Environ Pollut, 108(2), 219-23.