حذف فلزات سنگین روی و کادمیوم از فاضلاب صنعتی با استفاده از جاذب‌های آلی و نانو اکسیدهای فلزی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد ، گروه مهندسی آب، واحد کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمان، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، واحد کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: امروزه به دلیل کاهش منابع آب، استفاده از آب‌های نامتعارف نظیر فاضلاب مورد توجه ویژه قرار گرفته است. وجود برخی فلزات سنگین در فاضلاب به‌ویژه فاضلاب صنعتی موارد استفاده از آن را محدود می‌کند. پژوهش حاضر با هدف بررسی کارایی برخی جاذب‌های آلی و نانواکسید فلزها در حذف فلزات سنگین روی و کادمیوم از فاضلاب صنعتی انجام شد.
مواد و روش‎ها: این پژوهش در چهار مرحله شامل 1) اثر جرم جاذب‌ها، 2) اثر زمان تماس، 3) اثر غلظت فلزات سنگین و 4) اثر pH بر قابلیت جذب فلزات سنگین روی و کادمیوم از فاضلاب انجام شد. ابتدا فاضلاب با غلظت روی و کادمیوم به‌ترتیب 40 و 25 میلی‌گرم در لیتر تهیه شد. چهار جاذب شامل دو جاذب آلی (کاه گندم و الیاف خرما) و دو نانواکسید فلزی (نانو اکسید تیتانیوم و نانو اکسید آهن) هر یک در پنج سطح شامل 2/0، 5/0، 1، 5/1 و 2 گرم در لیتر استفاده شد. برای بررسی اثر زمان و نیز تعیین زمان تعادل، زمان‌های مختلف تماس برای هر جاذب اعمال شد. به‌علاوه، تأثیر pH بر کارایی جاذب‌ها در دامنه بین 3 تا 6 مورد بررسی قرار گرفت. همچنین برای مطالعه اثر غلظت‌های مختلف روی و کادمیوم بر کارایی جاذب‌ها، سه سطح آلودگی از ترکیب 40، 80 و 120 میلی‌گرم روی در لیتر و 25، 50 و 75 میلی‌گرم کادمیوم در لیتر مورد بررسی قرار گرفت.
یافته‎ها: نتایج نشان داد که با افزایش میزان مصرف جاذب، میزان جذب فلزات سنگین روی و کادمیوم افزایش یافت. با افزایش میزان مصرف جاذب‌های الیاف خرما، کاه گندم، نانو اکسید تیتانیوم و نانو اکسید آهن از 2/0 به 2 گرم در لیتر، میزان جذب عنصر روی به‌ترتیب 4/49، 1/17، 1/13 و 4/11 درصد و میزان جذب کادمیوم به‌ترتیب 1/41، 8/3، 0/18 و 5/1 درصد افزایش نشان داد. در مجموع، مصرف 5/1 گرم در لیتر الیاف خرما، به‌عنوان حد بهینه این جاذب در حذف روی (2/87 درصد) و کادمیوم (2/46 درصد) از فاضلاب مصنوعی با غلظت روی و کادمیوم به‌ترتیب 40 و 25 میلی‌گرم در لیتر شناخته شد. مدت زمان لازم برای رسیدن به شرایط تعادل برای هر دو فلز در تیمارهای کاه گندم، الیاف خرما، نانو اکسید تیتانیوم و نانو اکسید آهن به‌ترتیب 300، 120، 30 و 30 دقیقه بود. در واقع، نانواکسید فلزها سریع‌تر از جاذب‌های آلی به شرایط تعادل رسیدند. جاذب‌های آلی در pH برابر با 6 و نانواکسیدهای فلزی در pH برابر با 4، بیشترین کارایی در جذب روی داشتند، در حالی که بیشترین کارایی کادمیوم توسط جاذب کاه گندم در pH 5، الیاف خرما در pHهای 6 و 3، نانو اکسید تیتانیوم در pHهای 4 و 3 و نانو اکسید آهن در pHهای 4 و 5 مشاهده شد. همچنین مشخص شد که جاذب‌های آلی در سطوح کمتر آلودگی و نانواکسید فلزها در سطوح بالاتر آلودگی، کارایی بیشتری در حذف فلزات سنگین مورد مطالعه داشتند.
نتیجه‎گیری: یافته‌های این پژوهش نشان داد که در فرآیند تصفیه فاضلاب از فلزات روی و کادمیوم، جاذب‌های آلی دارای مقدار جذب بیشتر و در عوض جاذب‌های نانو دارای سرعت جذب بیشتری در رسیدن به شرایط تعادل هستند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Removal of zinc and cadmium heavy metals from industrial wastewater using organic and nano oxide adsorbents

نویسندگان [English]

  • Masoomeh Zangiabadi 1
  • Najme Yazdapanah 2
1 Dep. of Water Eng., Kerman Branch, Islamic Azad University
2 Dep. of Water Eng., Kerman Branch, Islamic Azad University
چکیده [English]

Background and Objectives:
Nowadays, due to the reduction of water resources, the use of unconventional water sources such as wastewater has been given special attention in the world. The presence of some heavy metals in wastewater particularly in industrial wastewater limits the application. This study was carried out in order to investigate the efficiency of some organic and nano oxide adsorbents in the removal of zinc (Zn) and cadmium (Cd) from industrial wastewater.
Materials and Methods: The study was done at four steps including the effects of 1), adsorbent mass, 2) exposure time, 3) concentration of heavy metals, and 4) pH on the removal of Zn and Cd from wastewater. At first, an artificial wastewater was created based on 40 mg l-1 Zn and 25 mg l-1 Cd. Four adsorbents including wheat straw and palm fiber as organic adsorbents and titanium nano oxide and iron nano oxide as nano adsorbents each at five doses (0.2, 0.5, 1, 1.5 and 2 g l-1) were applied. Different time durations were implemented in order to assess time effect in addition to the equilibrium time. In addition, the influence of pH in a range of 3 to 6 on the efficiency of adsorbents was examined. Moreover, in order to study the effect of different concentrations of Zn and Cd on the efficiency of adsorbents, three levels of pollution concentrations were generated by the combinations of 40, 80 and 120 mg l-1 Zn and 25, 50 and 75 mg l-1 Cd.
Results: The result showed that the adsorption of heavy metals increased with increasing the dose of each adsorbent in the wastewater. As the application rate of palm fiber, wheat straw, titanium nano oxide and iron nano oxide increased from 0.2 to 2 g l-1, the adsorption of Zn increased by 49.4%, 17.1%, 13.1% and 11.4 %, and the adsorption of Cd increased by 41.1%, 3.8%, 18.0% and 1.5%, respectively. Overall, palm fiber with the optimal level of 1.5 g l-1 exhibited the best efficiency in the removal of Zn (87.2%) and Cd (46.2%). The equilibrium time for the adsorption of both Zn and Cd using wheat straw, palm fiber, titanium nano oxide and iron nano oxide was 300, 120, 30 and 30 minutes, respectively. In fact, the nano adsorbents reached the equilibrium conditions faster than the organic adsorbents. The applied organic adsorbents at pH of 6 and the nano oxide adsorbents at pH 4 had the highest efficiency in Zn adsorption. In the case of Cd adsorption, wheat straw at pH 5, date fibers at pH values of 6 and 3, iron nano oxide at pH values of 4 and 5, and titanium nano oxide at pH values of 4 and 3 showed the highest efficiency. The organic adsorbents at lower levels of pollution and the nano adsorbents at higher levels of pollution found to be more effective to remove the heavy metals from the wastewater.
Conclusion: The findings of this study revealed that during the removal process of Zn and Cd from wastewater, the organic adsorbents had higher adsorption, whereas the nano adsorbents reached the equilibrium conditions sooner.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pollution
  • Equilibrium time
  • Organic adsorbent
  • Nano oxide
  • Heavy metals
1.Adesina, A.A. 2004. Industrial exploitation of photocatalysis progress, perspectives and prospects. Catalysis Surveys from Asia. 8: 4. 265-273.
2.Alan, J.D., Darren, D.S., and James, O.L. 2011. Selective sorption of divalent cations using a high capacity sorbent. Journal of Hazardous Materials.187: 1-3. 96-100.
3.Alizadeh, A. 2004. Quality of Irrigation Water. 6 Ed., Astan Quds Razavi Press. 96p. (In Persian)4.Asahi, R., Morikawa, T., Ohwaki, T., Aoki, K., and Taga, Y. 2001. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides. Science. 293: 5528. 269-271.
5.Bae, E., and Choi, W. 2003. Highly enhanced photoreductive degradation of perchlorinated compounds on dye-sensitized metal/TiO2 under visible light. Environmental Science and Technology. 37: 1. 147-152.
6.Barakat, M.A. 2011. New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arabian Journal of Chemistry. 4: 4. 361-377.
7.Chen, S., Yue-Gao, B., and Xu, X. 2010. Equilibrium and kinetic adsorption study of the adsorptive removal of Cr (VI) using modified wheat residue. Journal of Colloid and Interface Science. 349: 1. 256-264.
8.Divband, L., Behzad, M., Boroomandnasab, S., and Divband, S. 2012. Investigation of nano particles efficiency prepared from Cedar Fly Ash (Zizyphus Spinachristi) for Lead (Pb+2) removal from aqueous solution. Iranian Journal of Health and Environment.5: 1. 51-62. (In Persian)
9.Doan, H.D., Lohi, A., Dang, V.B.H., and Dang, T. 2008. Removal of Zn+2 and Ni+2 by adsorption in a fixed bed of wheat straw. Process Safety and Environment Protection. 86: 259-267.
10.Farasati, M., Boroomandnasab, S., Abedi Koupai, J., Jafarzadeh, N., Moazed, H., and Saiedian, M. 2012. Nitrate contaminated water treatment using micro and nanostructured sugarcane straw. Journal of Water and Soil Science. 16: 61. 83-95. (In Persian)
11.Heidari, A., Younesi, H., and Mehraban, Z. 2010. Removal of Cd(II), Ni(II),and Pb(II) Ions in an Aqueous Solution by Chemically Modified Nanoporous MCM-41. Water and Wastewater.21: 1. 25-33. (In Persian)
12.Hu, J., and Shipley, H. 2012. Evaluation of desorption of Pb (II), Cu (II) and Zn (II) from titanium dioxide nanoparticles. Science of The Total Environment.431: 209-220.
13.Hua, M., Zhang, Sh., Pan, B., Zhang, W., and Zhang, Q. 2012. Heavy metal removal form water/wastewater by Nano-sized metal oxides. Journal of Hazardous Materials. 211-212: 317-331.
14.Jahangiri, A., and Ameri, E. 2017. Experimental investigation on Cadmium ions removal from aqueous solutions by modified wheat straw biosorbent. Journal of Environmental Science and Technology. 19: 1. 31-47. (In Persian)
15.Kabra, K., Chaudhary, R., and Sawhney, R.L. 2004. Treatment of hazardous organic and inorganic compounds through aqueous- phase photocatalysis: A review. Industrial and Engineering Chemistry Research. 43: 24. 7683-7696.
16.Karimi Takanlu, L., Farzadkia, M., Mahvi, A.H., Esrafily, A., and Golshan, M. 2004. Optimization of adsorption process of Cadmium ions from synthetic wastewater using synthesized iron magnetic nanoparticles (Fe3O4). Iranian Journal of Health and Environment.7: 2. 171-184. (In Persian) 17.Kumar, R., and Chawla, J. 2014. Removal of cadmium Ion form water/ wastewater by nano- metal oxides. Water Quality Exposure and Health.5: 4. 215-226.
18.Mahdavi Matin, S., and Gangidoust, H. 2009. Usage of natural adsorbents for COD removal of industrial wood fiber wastewater. Journal of Environmental Studies. 34: 48. 41-50. (In Persian)
19.Mahvi, A.H., Bina, B., and Saidi, A. 2002. Evaluating the efficiency of natural fibers in removal of Cadmium from industrial wastewaters. Water and Wastewater. 13: 43. 2-6. (In Persian)
20.Mohammadi Galehzan, M., and Shamohammadi, S. 2013. Comparison of active carbon, sawdust, almond shell and hazelnut shell absorbents in removal of Nickel from aqueous environment. Water and Wastewater. 24: 3. 71-79.
(In Persian)
21.Mohammadi, M., Fotovat, A., and Haghnia, G.H. 2009. Application of sand–soil–organic matter filter column for removal of Cu, Ni, Zn and Cr heavy metals from industrial wastewater. Journal of Water and Soil. 23: 1. 251-362.
(In Persian)
22.Motaghi, M., and Mokhtarian, N. 2016. Removal of Lead and Chromium from wastewaters and production of purified water using palm fibers. 1st National Conference on Demand and Supply of Drinking Water and Sanitation. Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran. (In Persian)
23.Obare, S.O., and Meyer, G.J. 2004. Nanostructured materials for environmental remediation of organic contaminants in water. Journal of Environmental Science and Health,Part A. 39: 10. 2549-2582.
24.Poonawala, N.A., Lighetsey, G., and Henderson, R.W. 1975. Removal of heavy metals from wastewater and sludge by adsorption on to solid wastes. Water Resource. 2: 247-259.
25.Zamyadi, A., Liaghat, A., Savaghebi, G.R., and Hasan oghli, A.R. 2002. Management of industrial wastewater use in agriculture. 11th Seminar of Iranian National Committee on Irrigation and Drainage. Tehran, Iran. (In Persian)
26.Zavvar Mousavi, S.H., and Arjmandi,A. 2010. Removal of heavy metals from industrial wastewater by sheep gut waste. Water and Wastewater.21: 1. 63-68. (In Persian)
27.Zeraatkar, Z., and Taherian, P. 2014. Study of bio-adsorbent efficiency in removal of Chromium and Cadmium from industrial wastewater. First National Conference on Sustainable Management of Soil and Environmental Resources. 10-11 September. Shahid Bahonar University of Kerman, Iran. (In Persian)
28.Zhang, W.X. 2003. Nano-scale iron particles for environmental remediation. Journal of Nanoparticle Research.
5: 323-332.