کاربرد نانوپودر سیلیکای تثبیت شده در آلژینات برای جذب کادمیم از محلول‌های آبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، عضو هیئت علمی گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی اراک

2 دانشیار، عضو هیئت علمی گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی لرستان، خرم‌آباد

3 عضو هیئت علمی گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی اراک

4 عضو هیئت علمی گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی کردستان، سنندج

چکیده

هدف از این پژوهش، مطالعه جذب سطحی کادمیم بر روی نانوپودر سیلیکای تثبیت شده در آلژینات کلسیم و تعیین ایزوترم، سینتیک و ترمودینامیک جذب بود. از راکتورهای جریان ناپیوسته برای بررسی تأثیر pH اولیه، زمان تماس و غلظت یون‌های فلزی بر جذب کادمیم استفاده شد. زمان تماس و pH اولیه مطلوب برای جذب سطحی کادمیم به‌ترتیب 120 دقیقه و 4 به‌دست آمد. با افزایش غلظت یون کادمیم از 10 به 1000 میلی‌گرم در لیتر، میزان جذب کادمیم به‌ترتیب از 71/5 به 65/100 میلی‌گرم بر گرم افزایش یافت. نتایج نشان داد که مدل ایزوترم لانگمیر بهترین مدل برای توصیف داده‌ها است (997/0 = R2). حداکثر ظرفیت جذب برای جذب کادمیم بر روی جاذب، 99/72 میلی‌گرم بر گرم تخمین زده شد. با توجه به متوسط انرژی آزاد جذب به‌دست آمده از ایزوترم دوبنین- رادوشویچ، جذب سطحی کادمیم بر روی نانوپودر سیلیکای تثبیت شده از مکانیسم شیمیایی پیروی می‌کند. مطالعه سینتیک نیز نشان داد که مدل شبه درجه دوم برای جذب کادمیم مناسب‌تر است (99۹/0 = R2). افزون بر این، مقادیر منفی ∆Hº و ΔGº ماهیت اگزوترم و خودبه‌خودی واکنش جذب کادمیم بر روینانوپودر سیلیکای تثبیت شده را اثبات نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Application of Immobilized Silica Nanopowder within Alginate for Cadmium Adsorption from Aqueous Solutions

نویسندگان [English]

  • Reza Darvishi Cheshmeh Soltani 1
  • Hatam Goodini 2
  • Mohammadjavad Ghannadzadeh 3
  • Mohammadsadegh Rajaie 3
  • Mehdi Safari 4
1 Assist. Prof. of Environmental Health Engineering, Faculty of Public Health, Arak University of Medical Sciences, Arak
2 Assoc. Prof. of Environmental Health Engineering, Faculty of Public Health, Lorestan University of Medical Sciences, Khorramabad
3 Faculty Member, Dept. of Environmental Health Engineering, Arak University of Medical Sciences, Arak
4 Faculty Member, Dept. of Environmental Health Engineering, Kurdistan University of Medical Sciences, Sanandaj
چکیده [English]

The main objective of the present study was to investigate Cd(II) adsorption by immobilized silica nanopowder within calcium alginate and to determine the isotherm, kinetics, and thermodynamics of the adsorption process. Batch flow mode reactors were used to investigate the effects of initial pH, contact time and metal ion concentration on Cd(II) adsorption. The optimal contact time and initial pH for Cd(II) adsorption were found to be 120 min and 4.0, respectively. Increasing Cd(II) ion concentration from 10 to 1000 mg/L led to increasing adsorbed Cd(II) ions from 5.71 to 100.65 mg/g. The results showed that the Langmuir isotherm model was the best model to describe the experimental data (R2=0.997). The maximum adsorption capacity (qm) for Cd(II) adsorption onto the adsorbent was estimated to be 72.99 mg/g. Based on the mean free energy of adsorption (E) obtained from Dubinin-Radushkevich (D–R) isotherm model, Cd(II) adsorption onto immobilized silica nanopowder follows a chemical mechanism (E=8.451 kJ/mol). The kinetic study indicated that the pseudo-second order model was a more suitable model than the pseudo-first order one for describing Cd(II) adsorption (R2=0.999). Additionally, the negative ∆Hº and ΔGº values demonstrated an exothermic and spontaneous Cd(II) adsorption onto immobilized silica nanopowder.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Adsorption
  • alginate
  • Nanopowder
  • Cadmium
  • Immobilization
  1.  Khorramabadi, G.S., Soltani, R.D.C., Rezaee, A., Khataee, A.R., and Jonidi Jafari, A. (2012). “Utilisation of immobilised activated sludge for the biosorption of chromium (VI).” The Canadian J. of Chemical Engineering, 90, 1539-1546.
  2. Dong, L., Zhu, Z., Ma, H., Qiu, Y., and Zhao, J. (2010). “Simultaneous adsorption of lead and cadmium on MnO2-loaded resin.” J. of Environmental Sciences, 22, 225-229.
  3. 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 nano mesoporous silica.” Chemical Engineering Journal, 153, 70-79.
  4. Soltani, R.D.C., Rezaee, A., Khorramabadi, G.S., and Yaghmaeian, K. (2011). “Optimization of lead (II) biosorption in an aqueous solution using chemically modified aerobic digested sludge.” J. of Water Science and Technology, 63, 129-135.
  5. Rostamian, R., Najafi, M., and Rafati, A.A. (2011). “Synthesis and characterization of thiol-functionalized silica nano hollow sphere as a novel adsorbent for removal of poisonous heavy metal ions from water: Kinetics, isotherms and error analysis.” Chemical Engineering Journal, 171, 1004-1011.
  6. Huang, S-H., and Chen, D-H. (2009). “Rapid removal of heavy metal cations and anions from aqueous solutions by an amino-functionalized magnetic nano-adsorbent.” J. of Hazardous Materials, 163, 174-179.
  7. Anbia, M., and Lashgari, M. (2009). “Synthesis of amino-modified ordered mesoporous silica as a new nano sorbent for the removal of chlorophenols from aqueous media.” Chemical Engineering Journal, 150,
    555-560.
  8. Gude, K., Gun’ko, V.M., and Blitz, J.P. (2008). “Adsorption and photocatalytic decomposition of methylene blue on surface modified silica and silica-titania.” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 325, 17-20.
  9. Zhao, X., Lv, L., Pan, B., Zhang, W., Zhang, S., and Zhang, Q. (2011). “Polymer-supported nanocomposites for environmental application: A review.” Chemical Engineering Journal, 170, 381-394.
10. Mata, Y.N., Blázquez, M.L., Ballester, A., González, F., and Muñoz, J.A. (2009). “Biosorption of cadmium, lead and copper with calcium alginate xerogels and immobilized Fucus vesiculosus.” J. of Hazardous Materials, 163, 555-562.

11. Lipski, A.M., Pino, C.J., Haselton, F.R., Chen, I.W., and Shastri, V.P. (2008). “The effect of silica nanoparticle-modified surfaces on cell morphology, cytoskeletal organization and function.” J. of Biomaterials, 29, 3836-3846.

12. Akar, T., Kaynak, Z., Ulusoy, S., Yuvaci, D., Ozsari, G., and Akar, S.T. (2009). “Enhanced biosorption of nickel(II) ions by silica-gel-immobilized waste biomass: Biosorption characteristics in batch and dynamic flow mode.” J. of Hazardous Materials, 163, 1134-1141.

13. Nadavala, S.K., Swayampakula, K., Boddu, V.M., and Abburi, K. (2009). “Biosorption of phenol and
o-chlorophenol from aqueous solutions on to chitosan-calcium alginate blended beads.” J. of Hazardous Materials, 162, 482-489.

14. Najafi, M., Yousefi, Y., and Rafati, A.A. (2012). “Synthesis, characterization and adsorption studies of several heavy metal ions on Amino-Functionalized Silica Nano Hollow Sphere and Silica Gel.” J. of Separation and Purification Technology, 85, 193-205.

15. Ozay, O., Ekici, S., Baran, Y., Aktas, N., and Sahiner, N. (2009). “Removal of toxic metal ions with magnetic hydrogels.” J. of Water Research, 43, 4403-4411.

16. Hua, M., Zhang, S., Pan, B., Zhang, W., Lv, L., and Zhang, Q. (2012) “Heavy metal removal from water/wastewater by nanosized metal oxides: A review.” J. of Hazardous Materials, 211/212, 317-331.

17. Sari, A., and Tuzen, M. (2008). “Biosorption of total chromium from aqueous solution by red algae (Ceramium virgatum): Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies.” J. of Hazardous Materials, 160, 349-355.

18. Rahmani, A., Zavvar, Mousavi, H., and Fazli, M. (2010). “Effect of nanostructure alumina on adsorption of heavy metals.” J. of Desalination, 253, 94-100.