ساخت هیبرید آلی- معدنی آمینی بر پایه ماده نانو ساختار سیلیسی SBA-15 و استفاده از‌ آن در حذف یون‌های فلزات سنگین از محلولهای آبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

2 دانشیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

3 دانشیار دانشکده شیمی، پردیس علوم پایه، دانشگاه تهران

چکیده

فلزات سنگین از نظر زیستی قابل تجزیه نیستند و به‌دلیل تجمع در بافتهای زنده، سبب بروز اختلالات عصبی و سرطان می‌شوند. بنابراین حذف این عناصر از محیط‌های آبی و پسابها از الزامات محیط‌زیستی و بهداشتی محسوب می‌گردد. در این تحقیق ابتدا مزوپور سیلیسی نانو متخلخل SBA-15 با روش هیدروترمال ساخته شد و سپس با قرار دادن گروههای آمینی 3-آمینو پروپیل‌تری اتوکسی سیلان با غلظتهای 4 (NH2(4mM)-SBA-15)، 6 (NH2(6mM)-SBA-15) و 8 (NH2(8mM)-SBA-15) میلی‌مول روی سطح آن، سطح مزوپور اصلاح و از آنها به‌عنوان جاذب فلزات سنگین سرب، مس و کادمیم استفاده گردید. ویژگی‌ جاذبهای ساخته شده از نظر ساختار کریستالی، مورفولوژی، مساحت سطح و سایر پارامترها با استفاده از آنالیزهای پراش پرتو ایکس، تصویر میکروسکوپ الکترونی و آنالیز سطح ویژه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد با افزایش غلظت آمین از 4 به 8 میلی‌مول، درصد جذب از 46/1 به 100 درصد برای سرب، از 44/2 به 79/3 درصد برای مس و از 26/8 به 67 درصد برای کادمیم رسید. بنابراین NH2(8mM)-SBA-15 به‌عنوان جاذب مطلوب انتخاب گردید و اثرات زمان تماس، دز جاذب، pH و غلظت اولیه فلزات بر کارایی جذب در سیستم ناپیوسته مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین نتایج حاصل از جذب تعادلی با استفاده از مدل‌های ایزوترمی لانگمیر و فروندلیچ بررسی گردید. بیشینه ظرفیت جذب تعادلی معادل 15/9 میلی‌گرم بر گرم برای سرب، 13/1 میلی‌گرم بر گرم برای مس و 11/2 میلی‌گرم بر گرم برای کادمیم به‌دست آمد. از آنجایی که جاذب ساخته شده از دسته مواد زیست‌سازگار بوده و از کارایی جذبی مناسبی برخوردار است لذا به‌منظور مطالعات آتی در حذف فلزات سنگین توصیه می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis of Organic-Inorganic Hybrid Amine Based on Nanostructured Silicate Materials and Its Application for Removal of Heavy Metal Ions from Aqueous Solution

نویسندگان [English]

  • Afsaneh Shahbazi 1
  • Habibollah Younesi 2
  • Alireza Badiei 3
1 Assist. Prof., Institute of Environmental Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran
2 Assoc. Prof. of Environmental, Dept. of Natural Resources, Tarbiat Modares University, Tehran
3 Assoc. Prof., Dept. of Chemistry, College of Sciences, Tehran University, Tehran
چکیده [English]

The heavy metals are nonbiodegradable that can accumulate in living tissues which cause cancers and neural problems in human. From an environmental health point of view, it is therefore necessary to remove them from aqueous solution and wastewater. In this research work, nanoporous silica SBA-15 was synthesized by hydrothermal method and then functionalized by three different concentrations of 3-aminopropyltriethoxysilane, namely 4 [(NH2(4mM)-SBA-15], 6 [NH2(6mM)-SBA-15] and 8 [NH2(8mM)-SBA-15] mM, in order to be used as adsorbent for lead, copper and cadmium ions removal. The materials have been characterized by means of X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), nitrogen adsorption-desorption, and FTIR spectroscopy. The results showed that the removal percentage was increased from 46.1 to 100 for lead, from 44.2 to 79.3 for copper and from 26.8 to 67.0 for cadmium with increasing concentration of amine groups from 4 to 8 mM. Thus, NH2(8mM)-SBA-15 was selected as an adsorbent in subsequent experiments. The effects of adsorbent dose, contact time, pH and initial concentration of metal ions on adsorption efficiency in batch system were studied. The experimental data were analyzed using the Langmuir and Freundlich isotherm models. Maximal equilibrium uptake capacity of 15.9 mg/g for lead, 13.1 mg/g for copper and 11.2 mg/g for cadmium was obtained. Consequently, the nano-structural adsorbent prepared has appropriate adsorption efficiency therefore it can be considered for the removal of heavy metal ions in future study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Synthesis of Organic-Inorganic Hybrid
  • SBA-15
  • heavy metals
  • Adsorption Model
  • Wastewater Treatment
1- Aguado, J., Arsuaga, J.M., Arencibia, A., Lindo, M., and Gascón, V. (2009).“Aqueous heavy metals removal by adsorption on amine-functionalized mesoporous silica.” J. of Hazardous Materials, 163(1), 213-221.

2- Farazmand, A., Orumieh, H.R., and Tashayouie, H.R. (2005) “Determination of heavy metals in the effluent planting units of Isfahan province.”J. of Water and Wastewater, 55, 69-76. (In Persian)

3- Gupta, V.K. (1998).“Equilibrium uptake, sorption dynamics, process development, and column operations for the removal of copper and nickel from aqueous solution and wastewater using activated slag, a low-cost adsorbent.”J. of Industrial & Engineering Chemistry Research, 37(1), 192-202.

4- Xue, X., and Li, F. (2008). “Removal of Cu(II) from aqueous solution by adsorption onto functionalized SBA-16 mesoporous silica.” J. of Microporous and Mesoporous Materials, 116(1-3), 116-122.

5- Mureseanu, M., Reiss, A., Stefanescu, I., David, E., Parvulescu, V., Renard, G., and Hulea, V. (2008). “Modified SBA-15 mesoporous silica for heavy metal ions remediation.” J. of Chemosphere, 73(9), 1499-1504.

6- Vasiliev, A.N., Golovko, L.V., Trachevsky, V.V., Hall, G.S., and Khinast, J.G. (2009). “Adsorption of heavy metal cations by organic ligands grafted on porous materials.” J. of Microporous and Mesoporous Materials, 118(1-3), 251-257.

7- Rao, G.P., Lu, C., and Su, F. (2007). “Sorption of divalent metal ions from aqueous solution by carbon nanotubes: A review.” J. of Separation and Purification Technology, 58(1), 224-231.

8- Bruzzoniti, M.C., Prelle, A., Sarzanini, C., Onida, B., Fiorilli, S., and Garrone, E. (2007). “Retention of heavy metal ions on SBA-15 mesoporous silica functionalised with carboxylic groups.” J. of Sep. Sci., 30(15), 2414-2420.

9- Heidari, A., Younesi, H., and Mehraban, Z. (2009). “Removal of Ni(II), Cd(II), and Pb(II) from a ternary aqueous solution by amino functionalized mesoporous and nanomesoporous silica.” J. of Chemical Engineering, 153(1-3), 70-79. (In Persian)

10- Shahbazi, A., Younesi, H., and Badiei, A. (2011). “Functionalized SBA-15 mesoporous silica by melamine-based dendrimer amines for adsorptive characteristics of Pb(II), Cu(II) and Cd(II) heavy metal ions in batch and fixed bed column.” J. of Chemical Engineering, 168(2), 505-518. (In Persian)

11-. Hamid, S., Syed, W.H., and Mohammad, G.M. (2009). “Synthesis and characterization of amino functionalized meso porous Silicate MCM 41 for removal of toxic metal ions. Chin. ” J. of Chem., 27, 915-919.

12- Benhamou, A., Baudu, M., Derriche, Z., and Basly, J.P. (2009). “Aqueous heavy metals removal on amine-functionalized Si-MCM-41 and Si-MCM-48.” J. of Hazardous Materials, 171(1-3), 1001-1008.

13- Zhao, D., Feng, J., Huo, Q., Melosh, N., Fredrickson, G.H., Chmelka, B.F., and Stucky, G.D. (1998). “Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores.” J.of Science, 279, 548-552.

14- Chong, M.A.S., and Zhao, X.S. (2003). “Functionalization of SBA-15 with APTES and characterization of functionalized materials.” J. of Physical Chemistry, 107(46), 12650-12657.

15- Nieboer, E., and Richardson, D.H.S. (1980b). “The replacement of the nondescript term 'heavy metals' by a biologically and chemically significant classification of metal ions.” J. of Environmental Pollution, 1(1), 3-26.

16- Jiang, Y., Gao, Q., Yu, H., Chen, Y., and Deng, F. (2007). “Intensively competitive adsorption for heavy metal ions by PAMAM-SBA-15 and EDTA-PAMAM-SBA-15 inorganic-organic hybrid materials.” J. of Microporous and Mesoporous Materials, 103(1-3), 316-324.

17- Heidari, A., Younesi, H., and Mehraban, Z. (2009). “Removal of Cd(II), Ni(II), and Pb(II) ions in an aqueous solution by chemically modified nanoporous MCM-41.” J. of Water and Wastewater, 73(1), 25-33. (In Persian)

18- Ghorbani, F., and Younesi, H. (2008). “Biosorption of cadmium(II) ion by Saccharomyces Cerevisiae biomass from aqueous solutions.” J. of Water and Wastewater, 68(4), 33-39. (In Persian)