آینده پژوهی زیست محیطی و توسعه پایدار

آینده پژوهی زیست محیطی و توسعه پایدار

کارایی کانی زئولیت طبیعی و نانوذرات زئولیت در پالایش آب آلوده به نیکل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 بلوار گلستان- دانشگاه شهید چمران اهواز- کوی اساتید دانشگاه- خ مریم -پلاک 627
2 بلوار گلستان- دانشگاه شهید چمران اهواز- کوی اساتید دانشگاه- خ مریم -پلاک 627 دانشگاه شهید چمران- گروه خاکشناسی
3 دانشگاه شیراز- دانشکده کشاورزی داراب- گروه خاکشناسی
4 دانشگاه شهید چمران- دانشکده علوم - گروه فیزیک
چکیده
هدف: پالایش فاضلاب با فرآیند جذب دارای مزایای دوگانه (یعنی تصفیه آب و مدیریت ضایعات) است، لذا شناسایی و توسعه جاذب قابل دسترس، مقرون‌به‌صرفه و بسیار مؤثر برای حذف کارآمد و آسان یون‌های فلزات سنگین ضروری است. مواد طبیعی مانند کانی‌های رسی و زئولیت‌ها و همچنین جاذب‌های زیستی به‌طور گسترده به عنوان جاذب‌های مؤثر و اقتصادی برای حذف غلظت کم یون‌های فلزی شناخته شده‌اند. کانی‌های زئولیت مواد متخلخلی هستند که با ساختمان کریستالی خود مانند غربال مولکولی عمل کرده و به دلیل داشتن کانال‌های باز در شبکه خود، اجازه عبور برخی از یون‌ها را در ساختار خود داده و برخی از یون‌های دیگر را جذب سطحی می‌کنند. لذا این پژوهش با هدف بررسی اثر کاربرد زئولیت طبیعی (میکرون) و نانوذرات زئولیت در پالایش نیکل (II) از آب آلوده به نیکل انجام شد.
روش‌ها: در این پژوهش نانوذرات زئولیت به روش مکانیکی آسیاب گلوله‌ای کریستالی (۶۰۰ دور در دقیقه، ۳۰ ساعت) از پودر میکرو زئولیت به دست آمد و آنالیزهای XRD، PSA و SEM به منظور تعیین خصوصیات نانوذرات تولید شده، انجام گرفت.
نتایج: اثرات اندازه جاذب زئولیت، اسیدیته و شوری مختلف محلول بر میزان حذف نیکل در سطوح مختلف بررسی شد. pH بهینه برای بالاترین میزان حذف نیکل ۵/۶ به دست آمد. نتایج نشان داد که ایزوترم لانگمویر با ضریب همبستگی ۹۸۲/۰، مدل مناسب‌تری برای نشان دادن جذب نیکل توسط نانوزئولیت از محلول‌های آبی بوده است. بیشترین ظرفیت جذب برای نیکل mg/g ۵۸ به دست آمد که این میزان جذب نشان‌دهنده پتانسیل بسیار عالی نانوزئولیت در حذف نیکل دو ظرفیتی از محلول‌های آبی می‌تواند باشد.
نتیجه‌گیری: استفاده از نانوجاذب‌های ارزان‌قیمت، بی‌خطر و زیست‌تخریب‌پذیر همراه با روش‌های فیزیکی می‌تواند در پالایش آلودگی عناصر سنگین در آب‌های ناسالم راه‌کار عملی باشد.

تازه های تحقیق

1. تولید نانوذرات زئولیت به روش مکانیکی خشک و مقرون‌به‌صرفه: در این پژوهش برای اولین بار نانوذرات زئولیت با استفاده از آسیاب گلوله‌ای سیاره‌ای در شرایط بهینه (سرعت ۶۰۰ دور در دقیقه، زمان ۳۰ ساعت و نسبت وزنی گلوله به پودر ۳۰ برابر) بدون تغییر در ساختار کریستالی زئولیت طبیعی تولید شدند که روشی ساده، اقتصادی و فاقد مواد شیمیایی خطرناک است.

۲. مقایسه جامع عملکرد میکرو و نانو زئولیت در حذف نیکل: این مطالعه به طور سیستماتیک عملکرد دو اندازه مختلف زئولیت (میکرون و نانو) را در شرایط آزمایشگاهی یکسان بررسی کرده و نشان داد که علیرغم عملکرد بهتر نانوزئولیت، میکروزئولیت به دلیل هزینه کمتر و دسترسی آسان‌تر، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه‌تر برای کاربردهای عملی است.

۳. تعیین شرایط بهینه جذب نیکل: برای اولین بار در این پژوهش، اثرات متقابل چهار پارامتر مؤثر (pH، غلظت اولیه نیکل، مقدار جاذب و زمان تماس) بر جذب نیکل توسط زئولیت در دو اندازه میکرو و نانو به صورت همزمان بررسی و شرایط بهینه (۵/۶=pH، زمان تعادل ۳۶۰ دقیقه و مقدار جاذب ۴/۰ گرم) تعیین شد.

۴. ارائه مدل ایزوترم جذب مناسب: برازش داده‌های تجربی با مدل‌های لانگمویر و فرندلیچ نشان داد که مدل لانگمویر (با ضریب همبستگی ۹۸۲/۰) توصیف بهتری از فرآیند جذب نیکل توسط نانوزئولیت ارائه می‌دهد که نشان‌دهنده جذب تک‌لایه‌ای و همگن بودن سطوح جاذب است.

۵. ظرفیت جذب بالای نانوزئولیت: بیشترین ظرفیت جذب نیکل توسط نانوزئولیت (mg/g ۵۸) در این پژوهش بالاتر از بسیاری از جاذب‌های مشابه گزارش شده در مطالعات پیشین است که نشان‌دهنده پتانسیل بسیار عالی نانوزئولیت در حذف نیکل دو ظرفیتی از محلول‌های آبی می‌باشد.

۶. ارائه راهکار عملی برای پالایش آب‌های آلوده: این پژوهش نشان داد که استفاده از جاذب‌های طبیعی ارزان‌قیمت همراه با روش‌های فیزیکی ساده می‌تواند راه‌کاری عملی، ایمن و زیست‌تخریب‌پذیر برای پالایش فلزات سنگین در آب‌های ناسالم باشد.

کلیدواژه‌ها
موضوعات

Abdelwahab O., Thabet W. (2023). Natural zeolites and zeolite composites for heavy metal removal from contaminated water and their applications in aquaculture Systems: A review. Egyptian Journal of Aquatic Research, 49: 4, 431-443. https://doi.org/10.1016/j.ejar.2023.11.004
    Aguilara J. Martínezb,V. Bustamanteb G., Francisco J. ,Tapiab A., Martínez-Mezab G., Vílchez-Vargasc R., ona K. (2020). Removal of nickel(II) from wastewater using a zeolite-packed anaerobic bioreactor: Bacterial diversity and community structure shifts. Journal of Environmental Management, 260:45-66. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111558
Argun M. E. (2008). Use of clinoptilolite for the removal of nickel ions from water: Kinetics and thermodynamics. Journal of Hazardous Materials 150, 587–595. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.05.008
Borandegi, M., Nezamzadeh, A. 2015. Enhanced removal efficiency of clinoptilolite nano-particles towardCo(II) from aqueous solution by modification with glutamic acid. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 479: 35-45. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.05.008
Charkhi, A., Kazemian, H., Kazemeini, M. (2010). Optimized experimental design for natural clinoptilolite zeolite ball milling to produce nano powders, Powder Technology, 203: 389-396. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.05.034
Fabrianto, J., Natasia Kosasiah, A., Sunarso, J. and Ju, Y.H. 2009. Equilibrium and kinetic studies in adsorption of heavy metals using biosorbent: A summery of recent studies. Journal of  Hazardous  Materials, 162: 616-645. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.06.042
manganese oxide coated zeolite, Minerals Engineering, 23: 1131–1138. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2010.07.007
Rahmani, A., Mousavi, H. and Fazli, M. (2010). Effect of nanostructure alumina on adsorption of heavy metals. Desalinization, 253(1-3): 94-100. https://doi.org/10.1016/j.desal.2009.11.027  
Roostan ,Z.,  Rashidi , R.,   Borghei, M.  (2018). Nickel ion removal from aqueous solution using recyclable zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) nano adsorbent: a kinetic and equilibrium study. Desalination and Water Treatment;103: 141–151. https://doi.org/10.5004/dwt.2018.21811
Zheng X., Alam Q., Zhou Y., Du D., Guanlin Li, Zhu W. (2024). Heavy metals detection and removal from contaminated water: A critical review of adsorption methods. Journal of Environmental Chemical Engineering, 12: 6, 114366. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.114366
Velarde ,L. Mohammad Sadegh Nabavi , Edwin Escalera , Marta-Lena Antti , Farid Akhtar (2023).Adsorption of heavy metals on natural zeolites: A review.. Chemosfere, Volume 328, 138508. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138508
Wingenfelder, U., Gerhardfurrer, C., and Schulin. R. (2005). Removal of heavy metals from mine waters by natural zeolites. Environmental Science and Technology, 39, 4606-4613. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138508
studies. Microporou and Mesoporous Materials, Journal of  Hazardous Materials, 197:101-108. adsorption of arsenate from wastewater: Isotherm and
Orjioke, M.N., Uchechukwu, O. Igwe, S.N. (2015). Synthesis and Characterization of Zeolite and Its Application in Adsorption of Nickel from Aqueous Solution. Journal of Pharmaceutical, Chemical and Biological Sciences, International Standard Serial Nambers, 2348-7658.
Payra, P. and Dutta, P.adk. (2003). Zeolite: A Primer. In: Auerbach, Carrado, S.M. and DUtta, P.K. (Eds). Handbook of  Zeolite science and Technology. Marcel Dekker, P:148-155.
Senthi, B.  Rathi, P. Senthil Kumar , J. Natanya Ida Susana , J. Francia, Virgin , R. Dharani , S. Sanjay , Gayathri R. (2024). Recent research progress on the removal of heavy metals from wastewater using modified zeolites: A critical review
Desalination and Water Treatment,  319:100573. https://doi.org/10.1016/j.dwt.2024.100573
Shaila, K. D., Panhekar, P.V, Patil and Shridhar, S. (2015). Zeolite as Adsorbent for the Removal of Nickel. Research Journal Recent Science 4(3), 48-51.
Singh, S., Verma, L. K., Sambi, S.S. and Sharma, S.K.( 2008). Adsorption behaviour of Ni (ΙΙ) from water onto zeolite X: kinetics and equilibrium studies. In Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science, PP: 22-24.
Taamneh, Y., & Sharadqah, S. (2017). The removal of heavy metals from aqueous solution using natural Jordanian zeolite. Applied Water Science, 7:20–28.
Taffarel, S. R.,&  Rubio, J. (2010). Removal of Mn2+ from aqueous solution by