حذف آرسنیک از محلول آبی با استفاده از نانولوله‌های کربنی تک دیواره اصلاح شده با پلی آلیل‌آمین هیدروکلرید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده محیط‌زیست، واحد علوم وتحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، واحد ورامین- پیشوا، دانشگاه آزاد اسلامی، ورامین، ایران

3 استاد، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران- مرکز، تهران، ایران

4 استادیار، گروه منابع آب، دانشکده محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

چکیده

آرسنیک موجود در آب یکی از عناصر بسیار سمّی است که اثرات زیان‌باری بر سلامت انسان و اکوسیستم می‌گذارد. برای رفع این مشکل، در این پژوهش کامپوزیت نانولوله‌های کربنی تک دیواره اصلاح شده با پلی آلیل‌آمین هیدروکلرید (PAH/Ox-SWCNT) سنتز شد و به‌عنوان جاذب برای حذف آرسنیک از محلول آبی به‌کار رفت. ویژگی‌های نانوکامپوزیت با آنالیزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی، آنالیز گرویمتری، طیف‌بینی تبدیل فوریه مادون قرمز و الگوی پراش پرتو x شناسایی شد. آزمایش‌های جذب سطحی برای تعیین کارایی PAH/Ox-SWCNT در جذب سطحی آرسنیک از محلول در شرایط عملیاتی مختلف انجام شد. داده‌های تجربی با مدل‌های سینتیکی شبه‌مرتبه اول و دوم به روش رگرسیون غیرخطی با استفاده از نرم‌افزار Mathematica برازش شد. مدل‌های لانگمیر و فروندلیچ برای توصیف هم‌دماهای تعادلی جذب به‌کار برده شدند. درصد حذف As با افزایش pH اولیه محلول از 2 تا 7 افزایش یافت، در صورتی که با افزایش غلظت اولیه As کاهش پیدا کرد. به‌علاوه، افزایش زمان تماس موجب بازده بیشتر جذب سطحی شد. درصد حذف As با استفاده از 10 میلی‌گرم از نانوکامپوزیت سنتزی، در pH برابر 7 و زمان تماس 30 دقیقه بیش از 90 درصد بود. حداکثر ظرفیت جذب سطحی در دمای298 درجه سلسیوس، 07/275 میلی‌گرم بر گرم به‌دست آمد. فرایند جذب از مدل سینتیکی شبه‌مرتبه دوم و مدل هم‌دمای فروندلیچ پیروی کرد. همچنین، درصد حذف As پس از هشت چرخه جذب-واجذب بیش از 65 درصد بود. نتایج نشان داد که PAH/Ox-SWCNT سنتزی احتمالاً می‌تواند جاذب نویدبخشی برای پاک‌سازی آب آلوده به آرسنیک باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Removal of Arsenic from Aqueous Solution Using Single-Walled Carbon Nanotubes Modified with Poly Allylamine Hydrochloride

نویسندگان [English]

  • Morteza Kazemabadi 1
  • Mahsasadat Miralinaghi 2
  • Homayon Ahmad Panahi 3
  • Reza Haji Seyed Mohammad Shirazi 4
1 MSc Student, Dept. of Environmental Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Assist. Prof., Dept. of Chemistry, Vramin-Pishva Branch, Islamic Azad University, Varamin, Iran
3 Prof., Dept. of Chemistry, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
4 Assist. Prof., Dept. of Environmental Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Arsenic in water is one of the highly toxic elements which has harmful influences on the human health and ecosystems. To address this problem, single-walled carbon nanotubes modified with poly (allylamine hydrochloride) (PAH/Ox-SWCNT) composite were synthesized and applied as an adsorbent for arsenic removal from aqueous solution in this study. The properties of PAH/Ox-SWCNT nanocomposite were characterized using scanning electron microscopy, Thermogravimetric, Fourier-transform infrared spectroscopy, and X-ray powder diffraction analysis. Batch experiments were executed to determine the ability of PAH/Ox-SWCNT to adsorb As from solution under various operational conditions. The experimental data were fitted by pseudo-first-order kinetic and pseudo-second-order kinetic models by nonlinear regression analysis using Mathematica software. Langmuir and Freundlich models were employed to describe the adsorption equilibrium isotherms. The removal percentage of As increased with initial solution pH from 3 to 7 while it decreased with the initial concentration of As. Moreover, the enhancement of contact time caused better adsorption efficiencies. The percentage removal of As using 10 mg of synthesized nanocomposite was more than 90% at pH=7 and contact time of 30 min. The adsorption experimental data had better agreement with pseudo-second-order kinetic and the Freundlich isotherm models. The maximum adsorption capacity of PAH/Ox-SWCNT was 275.07 mg/g at 298 K. The As removal percentage after eight adsorption-desorption cycles was higher than 65%. All results implied that the synthesized PAH/Ox-SWCNT could potentially be a promising adsorbent in arsenic water remediation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polymer composite
  • ARSENIC
  • Adsorption
  • Nonlinear method
Ahamad, T., Naushad, M., Eldesoky, G. E., Al-Saeedi, S. I., Nafady, A., Al-Kadhi, N. S., et al. 2019. Effective and fast adsorptive removal of toxic cationic dye (MB) from aqueous medium using amino-functionalized magnetic multiwall carbon nanotubes. Journal of Molecular Liquids, 282, 154-161.
Ansari, H., Miralinaghi, M. & Azizinezhad, F. 2019. CoFe2O4/chitosan magnetic nanocomposite: synthesis, characterization and application for adsorption of acidic yellow dye from aqueous solutions. Cellulose Chemistry and Technology, 53, 191-204.
Chowdhury, T., Zhang, L., Zhang, J. & Aggarwal, S. 2018. Removal of arsenic (III) from aqueous solution using metal organic framework-graphene oxide nanocomposite. Nanomaterials, 8, 1062.
Farzan, M. & Miralinaghi, M. 2018. Optimization of removal efficiency of an anionic dye onto magnetic Fe3O4-activated carbon nanocomposite using artificial neural network. Journal of Environmental Health Enginering, 6, 42-66.
Gupta, V. K., Kumar, R., Nayak, A., Saleh, T. A. & Barakat, M. 2013. Adsorptive removal of dyes from aqueous solution onto carbon nanotubes: a review. Advances in Colloid and Interface Science, 193, 24-34.
Ho, Y. S. & Mckay, G. 1999. Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochemistry, 34, 451-465.
Homayonfard, A., Miralinaghi, M., Shirazi, R. H. S. M. & Moniri, E. 2018. Efficient removal of cadmium (II) ions from aqueous solution by CoFe2O4/chitosan and NiFe2O4/chitosan composites as adsorbents. Water Science and Technology, 78, 2297-2307.
Karimidost, S., Moniri, E. & Miralinaghi, M. 2019. Thermodynamic and kinetic studies sorption of 5-fluorouracil onto single walled carbon nanotubes modified by chitosan. Korean Journal of Chemical Engineering, 36, 1115-1123.
Khorshidi, P., Shirazi, R. H. S. M., Miralinaghi, M., Moniri, E. & Saadi, S. 2020. Adsorptive removal of mercury (II), copper (II), and lead (II) ions from aqueous solutions using glutathione‑functionalized NiFe2O4/graphene oxide composite. Research on Chemical Intermediates, 46, 3607-3627.
Kong, S., Wang, Y., Hu, Q. & Olusegun, A. K. 2014. Magnetic nanoscale Fe–Mn binary oxides loaded zeolite for arsenic removal from synthetic groundwater. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 457, 220-227.
Koohzad, E., Jafari, D. & Esmaeili, H. 2019. Adsorption of lead and arsenic ions from aqueous solution by activated carbon prepared from tamarix leaves. Chemistry Select, 4, 12356-12367.
Kumar, S., Nair, R. R., Pillai, P. B., Gupta, S. N., Iyengar, M. A. R.&  Sood, A. K. 2014. Graphene oxide-MnFe2O4 magnetic nanohybrids for efficient removal of lead and arsenic from water. ACS Applied Materials and Interfaces, 6, 17426–17436.
Lagergren, S. K. 1898. About the theory of so-called adsorption of soluble substances. Sven. Vetenskapsakad. Handingarl, 24, 1-39.
Miralinaghi, P., Kashani, P., Moniri, E. & Miralinaghi, M. 2019. Non-linear kinetic, equilibrium, and thermodynamic studies of 5-fluorouracil adsorption onto chitosan–functionalized graphene oxide. Materials Research Express, 6, 065305.
Rokni, S., Shirazi, R. H. S. M., Miralinaghi, M. & Moniri, E. 2020. Efficient adsorption of anionic dyes onto magnetic graphene oxide coated with polyethylenimine: kinetic, isotherm, and thermodynamic studies. Research on Chemical Intermediates, 1-28.
Siddiqui, S. I., Naushad, M. & Chaudhry, S. A. 2019. Promising prospects of nanomaterials for arsenic water remediation: a comprehensive review. Process Safety and Environmental Protection, 126, 60-97.
Saha, S. & Sarkar, P. 2012. Arsenic remediation from drinking water by synthesized nano-alumina dispersed in chitosan-grafted polyacrylamide. Journal of Hazardous Materials, 227–228, 68-78.
Tabatabaiee Bafrooee, A. A., Ahmad Panahi, H., Moniri, E., Miralinaghi, M. & Hasani, A. H. 2020. Removal of Hg2+ by carboxyl-terminated hyperbranched poly (amidoamine) dendrimers grafted superparamagnetic nanoparticles as an efficient adsorbent. Environmental Science and Pollution Research, 27, 9547-9567.
Urbano, B. F., Villenas, I., Rivas, B. L. & Campos, C. H. 2015. Cationic polymer-TiO2 nanocomposite sorbent for arsenate removal. Chemical Engineering Journal, 268, 362-370.
Xing, H. T., Chen, J. H., Sun, X., Huang, Y. H., Su, Z. B., Hu, S. R., et al. 2015. NH2-rich polymer/graphene oxide use as a novel adsorbent for removal of Cu (II) from aqueous solution. Chemical Engineering Journal, 263, 280-289.
Xu, J., Cao, Z., Zhang,Y., Yuan, Z., Lou, Z., Xu, X., et al. 2018. A review of functionalized carbon nanotubes and graphene for heavy metal adsorption from water: preparation, application, and mechanism. Chemosphere, 195, 351-364.
Zhang, Y. X. & Jia, Y. 2018. Synthesis of MgO/TiO2/Ag composites with good adsorption combined with photodegradation properties. Materials Science and Engineering: B, 228, 123-131.