بهینه‌سازی جذب مالاشیت گرین بر روی نانو جاذب NH2-SBA-15 با نرم‌افزار Qualitek-4 به روش طرح آزمایش تاگوچی: مطالعه ایزوترم، سینتیک، ترمودینامیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد عمران، محیط زیست، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 دانشیار، دانشکده شیمی، پردیس علوم، دانشگاه تهران

3 استادیار، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

4 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

در این تحقیق، ابتدا سیلیکای نانو متخلخل SBA-15 سنتز و سپس به‌وسیله گروه‌های عاملی آمینی، با روش پساسنتزی عامل‌دار شد. ساختار مواد ساخته شده به‌وسیله آنالیزهای XRD، جذب و وا جذب نیتروژن و FTIR شناسایی شدند. میزان جذب رنگ کاتیونی مالاشیت گرین بر روی SBA-15 عامل‌دار شده، تحت شرایط مختلف pH (7، 6، 5)، دز جاذب (5/0، 3/0، 1/0 گرم در لیتر)، غلظت اولیه محلول (300 ،250،200، 150، 100، 50 میلی‌گرم در لیتر) و دما (30، 20، 10 درجه سلسیوس) مورد مطالعه قرار گرفت و تأثیر هر یک از عوامل بر روی میزان جذب بررسی شد. بیشینه ظرفیت جذب در شرایط بهینه (pH برابر 7؛ دز جاذب برابر 3/0 گرم در لیتر، غلظت رنگ برابر100 میلی‌گرم در لیتر، دما 30 درجه سلسیوس) که در آن حذف رنگ به‌طور کامل (100درصد) اتفاق افتاد برابر 333 میلی‌گرم در گرم به‌دست‌ آمد. عوامل مؤثر بر جذب با نرم افزار Qualitek-4 به روش تاگوچی بهینه‌سازی شد و سپس ایزوترم، سینتیک و ترمودینامیک فرایند جذب، در شرایط بهینه بررسی شد. نتایج نشان داد که جذب مالاشیت گرین به‌صورت چند لایه‌ایی بر روی سطح جاذب اتفاق افتاده است و ایزوترم جذب از مدل فروندلیچ پیروی می‌کند. بیشینه ظرفیت جذب در حدود 500 میلی‌گرم در لیتر برآورد شد. سینتیک جذب نسبتاً سریع و از نوع شبه درجه دوم و فرایند جذب از نوع گرماگیر و خودبخودی (0<G∆) بود. در این مطالعه SBA-15 عامل‌دار شده، ظرفیت جذب بسیار زیادی را برای جذب رنگ کاتیونی نشان داد. لذا با قطعیت می‌توان اظهار داشت که SBA-15 عامل‌دار شده با گروه‌های آمینی، جاذب بسیار مؤثری در حذف رنگ‌ کاتیونی مالاشیت گرین از پساب است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of the Adsorption of Malachite Green on the NH2-SBA-15 Nano-adsorbent Using the Taguchi Method by Qualitek-4 Software An Isotherm, Kinetic, and Thermodynamic Study

نویسندگان [English]

  • Arghavan Mirahsani 1
  • Alireza Badiei 2
  • Afsaneh Shahbazi 3
  • Hasty hasheminejad 4
  • Majid Sartaj 4
1 Isfahan university of technology
2 Tehran university
4 Isfahan university of technology
چکیده [English]

SBA-15 nanoporous silica was prepared and functionalized with propylamine groups via post-synthesis grafting to develop efficient adsorbents of dyes in wastewater. The materials thus prepared were then characterized by XRD, N2 adsorption-desorption, and FTIR. Adsorption of a cationic dye, malachite green, on functionalized SBA-15 was investigated under various conditions of pH (5, 6, and 7), temperature (10, 20, and 30 °C), adsorbent dosage (0.1, 0.3, and 0.5 g/L), and dye concentration (50, 100, 150, 200, 250, 300 mg/L). Maximum equilibrium adsorption capacity to achieve maximum removal percentage (R%=100%) in optimum conditions (dye concentration=100 mg/L, pH=7, adsorbent dosage= 0.3 g/L) was estimated at 333 mg/g. The Taguchi method was used to optimize the adsorption performances of the materials , and then the isotherm, kinetic, and thermodynamic properties were analyzed under the optimum conditions. The results showed that the overall process was fast and its kinetics was well-fitted by pseudo-second-order kinetic model. The experimental data agreed well with Freundlich model. Therefore, the maximum amount of multilayer dye adsorbed was estimated as 500 mg/g. Based on the results obtained, this process may be regarded as an endothermic one with a negative ∆G, which shows the process is also spontaneous. Finally, the results indicate that the silica‐based nanoporous organic–inorganic hybrid material can be a promising sorbent for the removal of malachite green from aquatic solutions

کلیدواژه‌ها [English]

  • Functionalized SBA-15
  • Adsorption
  • Malachite Green

1. Huang, C.-H., Chang, K-P., Ou, H. D., Chiang, Y. C., and Wang, C.F. (2011). “Adsorption of cationic dyes onto mesoporous silica.Microporous and Mesoporous Materials, 141(1-3), 102-109.

2. Chakraborty, S., Lpurkit, U.K., Dasgupta, S., and Basu, Y.K. (2003). “Nanofiltration of textile plant effluent for color removal and reduction in COD.Separation and Purification Technology, 31(2), 141-151.

3. Singh, K.P., Mohan, D., Sinha, S., Tandon, G. S., and Gosh, F. (2006). “Color removal from wastewater using low-cost activated carbon derived from agricultural waste material.Industrial and Engineering Chemistry Research, 42(9), 1965-1976.

4. Crini, G. (2006). “Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: A review.” Bioresour Technol., 97(9), 1061-1085.

5. Messina, P.V., and Schulz, P.C. (2006). “Adsorption of reactive dyes on titania–silica mesoporous materials.J. of Colloid and Interface Science, 299(1), 305-320.

6. Wu, X., Hui, K. N., Hui, K.S., Lee, S.K., Lhou, W., Chen, R., Hwang, D. H., Cho, YT. R., and Son, Y. G. (2012). “Adsorption of basic yellow 87 from aqueous solution onto two different mesoporous adsorbents.J. Chemical Engineering Journal, 180, 91-98.

7. Joo, J.B., Park, J., and Yi, J. (2009). “Preparation of polyelectrolyte-functionalized mesoporous silicas for the selective adsorption of anionic dye in an aqueous solution.J. of Hazardous Materials, 168(1), 102-107.

8. Fu, X., Chen, X., Wang, J., and Liu, J. (2011). “Fabrication of carboxylic functionalized superparamagnetic mesoporous silica microspheres and their application for removal basic dye pollutants from water.” Microporous and Mesoporous Materials, 139(1-3), 8-15.

9. Xu, R., Jia, M., Zhang, Y., and Li, F. (2012). “Sorption of malachite green on vinyl-modified mesoporous poly(acrylic acid)/SiO2 composite nanofiber membranes.” Microporous and Mesoporous Materials, 149(1), 111-118.

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.Chemical Engineering Journal, 168(2), 505-518.

11.Wang, J., Zheng, S., Liu, J., and Xu, Zh. (2010). “Tannic acid adsorption on amino-functionalized magnetic mesoporous silica.Chemical Engineering Journal, 165(1), 10-16.

12. Ho, K.Y., McKay, G., and Yeung, K.L. (2003). “Selective adsorbents from ordered mesoporous Silica.” Langmuir, 19(7), 3019-3024.

13. Zanjanchi, M.A., Ebrahimian, A., and Alimohammadi, Z. (2007). “A spectroscopic study on the adsorption of cationic dyes into mesoporous AlMCM-41 materials.Optical Materials, 29(7), 794-800.

14. Li, X.-D., Zhai, Q.-Z., and Zou, M.-Q. (2010). “Optical properties of (nanometer MCM-41)–(malachite green) composite materials.Applied Surface Science, 257(3), 1134-1140.

15. Srivastava, S., Sinha, R., and Roy, D. (2004). “Toxicological effects of malachite green.Aquatic Toxicology, 66(3), 319-329.

16. Alderman, D.J. (1985). “Malachite green: A review.J. of Fish Diseases, 8(3), 289-298.

17. Mittal, A. (2006). “Adsorption kinetics of removal of a toxic dye, Malachite Green, from wastewater by using hen feathers.J. of Hazardous Materials, 133(1-3), 196-202.

18. Tian, Y., Liu, P., Wang, X., and Lin, H. (2011). “Adsorption of malachite green from aqueous solutions onto ordered mesoporous carbons.Chemical Engineering Journal, 171(3), 1263-1269.

19. Andersen, W.C., Turnipseed, S.B., and Roybal, J.E. (2006). “Quantitative and confirmatory analyses of malachite green and leucomalachite green residues in fish and shrimp.J. of Agricultural and Food Chemistry, 54(13), 4517-4523.

20. Pourjavadi, A., Ayyari, M., and Amini-Fazl, M.S. (2008). “Taguchi optimized synthesis of collagen-g-poly(acrylic acid)/kaolin composite superabsorbent hydrogel.European Polymer Journal, 44(4), 1209-1216.

21. Badiei, A., Goldooz, H., and Ziarani, G.M. (2011). “A novel method for preparation of 8-hydroxyquinoline functionalized mesoporous silica: Aluminum complexes and photoluminescence studies.Applied Surface Science, 257(11), 4912-4918.

22. IUPAC. (2008). <http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac> (May 2013).

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

24. Wang, S., and Li, H. (2006). “Structure directed reversible adsorption of organic dye on mesoporous silica in aqueous solution.Microporous and Mesoporous Materials, 97(1), 21-26.

25. Shahbazi, A., Younesi, H., and Badiei, A. (2012). “Batch and fixed‐bed column adsorption of Cu (II), Pb (II) and Cd (II) from aqueous solution onto functionalised SBA‐15 mesoporous silica.The Canadian Journal of Chemical Engineering, 91(4), 739-750.

26. Bulut, E., Özacar, M., and Şengil, İ.A.(2008). “Adsorption of malachite green onto bentonite: Equilibrium and kinetic studies and process design.” Microporous and Mesoporous Materials, 115(3), 234-246.