محیط زیست و توسعه فرابخشی
مجله علمی

کاربرد کامپوزیت های آهن، آلومینیوم و مس برای حذف غلظت بالای کروم در آب

نوع مقاله : مقاله علمی - پژوهشی

نویسندگان

مائده پریچهره 1
فردین صادق زاده 2
بهی جلیلی 2
محمدعلی بهمنیار 2
عبدالوحید سامسوری 3

1 دانشجوی دکتری مدیریت حاصلخیزی و زیست فناوری خاک، دانشکده علوم زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

2 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده علوم زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری ، ساری، ایران

3 دانشکده کشاورزی، دانشگاه پوترا مالزی، سلانگور، مالزی

https://doi.org/10.22034/envj.2023.389609.1284
چکیده
مقدمه: افزایش صنایع مختلف و رشد روزافزون جمعیت کره زمین سبب ایجاد انواع آلودگی در محیط زیست شده است. یکی از مهم­ترین آلاینده­ های موجود در آب که دارای خطرات متعددی بر سلامت انسان و موجودات زنده و خطرات مهم محیط ­زیستی است، ترکیبات آنیونی در غلظت بالا می ­باشد. فلزسنگین کروم یکی از این آلاینده ­هاست که موجب ایجاد آلودگی در محیط زیست شده و خطرات متعددی برای سلامت انسان و سایر موجودات زنده به همراه دارد. روش ­های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آب مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند که اغلب شامل فرآیندهای شیمیایی یا انرژی­ بر است. لذا اصلاح این منابع با کمک جاذب­ های مقرون به ­صرفه و با صرف انرژی کم حائز اهمیت است. مطالعات گذشته نشان ­می­ دهند که بایوچار، بایوچارهای دارای پوشش فلز و کامپوزیت­ های کربن- فلز کارایی بالایی در حذف آلاینده کروم با غلظت 20 میلی­گرم در لیتر از آب دارند  ولی تاکنون تأثیر این جاذب­ ها بر حذف این آلاینده­ی آنیونی در غلظت­ های بالا مورد بررسی قرار نگرفته است.
مواد و روش ­ها: در این پژوهش کارایی جاذب ­های مختلف (بایوچار، بایوچار دارای پوشش مس، بایوچار دارای پوشش آلومینیوم، بایوچار دارای پوشش آهن، کامپوزیت بایوچار- مس، کامپوزیت بایوچار- آلومینیوم و کامپوزیت بایوچار- آهن) بر حذف کروم با غلظت 300 میلی­ گرم در لیتر از آب مورد بررسی قرار گرفت. بایوچارهای دارای پوشش فلز از ترکیب فلزات (مس، آهن و آلومینیوم) با غلظت 10000 میلی­ گرم بر کیلوگرم با بایوچار تولید شده در دمای 600 درجه­­ی سانتی­ گراد و کامپوزیت ­های بایوچار- فلز مختلف از ترکیب این فلزات با کاه برنج و سپس حرارت­ دهی نمونه­ ها در دمای 600 درجه­ی سانتی­گراد تهیه شدند. به منظور تعیین کارایی جاذب ­ها، 5/0 گرم از هر جاذب با 40 میلی ­لیتر محلول کروم با غلظت 300 میلی­ گرم بر لیتر و 6= pH ترکیب شده و به مدت سه ساعت تکان ­داده شدند تا به تعادل رسیدند. سپس نمونه­ ها برای مدت 5 دقیقه با دور rpm­ 6000 سانتریفیوژ شده و فیلتراسیون، غلظت نهایی آلاینده­ قرائت شد و درصد حذف کروم محاسبه گردید.
نتایج: نتایج پژوهش حاضر نشان می­دهد که تمامی جاذب­ های مورد استفاده، در حذف غلظت بالای کروم از آب مؤثر بودند. کمترین میزان حذف این آلاینده مربوط به نمونه بایوچار بود که تنها توانست 28/15 درصد از این آلاینده را از آب حذف نماید و بیشترین میزان حذف با استفاده از کامپوزیت بایوچار- آهن حاصل شد، که این جاذب 45/44 درصد از آلاینده را از محلول آبی حذف کرد. با توجه به نتایج حاصل از این پژوهش مشاهده می ­شود که بایوچارهای دارای پوشش فلز و کامپوزیت­ های بایوچار- فلز نسبت به جاذب بایوچار دارای کارایی بهتری در حذف کروم از آب می­باشند. به ­طور مثال، کامپوزیت بایوچار- آهن و بایوچار دارای پوشش آهن توانستند به­ ترتیب 45/44 و 867/30 درصد از آلاینده­ی کروم را از محلول آبی حذف کنند در حالی که بایوچار کاه برنج تنها قادر به حذف 28/15 درصد از این آلاینده از آب بود.
بحث: نتایج پژوهش حاضر نشان می­ دهد که بایوچار پوشش­دار شده با آهن و کامپوزیت بایوچار- آهن، نسبت به سایر نمونه ­های دارای پوشش­ سطحی و کامپوزیت­ های بایوچار-فلز دارای توانایی بیشتری در حذف آلاینده کروم از محلول آبی بوده است و توانسته است موفق­تر عمل کند. بنابراین کاربرد این جاذب ­ها می­ تواند در اصلاح آب آلوده به این آلاینده مؤثر باشد.

کلیدواژه‌ها

آلایندۀ آنیونی
بایوچار
بایوچار با پوشش فلزی
کامپوزیت بایوچار- فلز
جذب

موضوعات

  1. Ahmad, M., Rajapaksha, A.U., Lim, J.E., Zhang, M., Bolan, N., Mohan, D., Vithanage, M., Lee, S.S. and Ok, Y.S., 2014. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: a review. Chemosphere, 99, 19-33.
  2. Choppala, G., Bolan, N., Megharaj, M., Chen, Z. and Naidu, R., 2012. The influence of biochar and black carbon on reduction and bioavailability of chromate in soils. Journal of Environmental Quality, 41(4), 1175-1184.
  3. Fendorf, S., Wielinga, B.W. and Hansel, C.M., 2000. Chromium transformations in natural environments: the role of biological and abiological processes in chromium (VI) reduction. International Geology Review, 42(8), 691-701.
  4. Fuchs, M.R., Garcia-Perez, M., Small, P. and Flora, G., 2014. Campfire lessons: Breaking down the combustion process to understand biochar production and characterization. The Biochar Journal.
  5. Gong, X., Huang, D., Liu, Y., Zeng, G., Wang, R., Wan, J., Zhang, C., Cheng, M., Qin, X. and Xue, W., 2017. Stabilized nanoscale zerovalent iron mediated cadmium accumulation and oxidative damage of Boehmeria nivea (L.) Gaudich cultivated in cadmium contaminated sediments. Environmental science & technology, 51(19), 11308-11316.
  6. Hoseinzadeh, E., Rezaee, A., Shams Khorramabadi, G., Azizi, S. and Yousefzadeh, A., 2013. Evaluation of Photocatalytic Convertion of Hexavalent Chromium (Cr(VI)) to Trivalent Chromium (Cr(III)) in the presence of Zinc Oxide Nanoparticle from Aqueous Solution [Research(Original)]. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences, 22(1), 116-132. http://jmums.mazums.ac.ir/article-1-3438-fa.html
  7. Huang, D., Liu, C., Zhang, C., Deng, R., Wang, R., Xue, W., Luo, H., Zeng, G., Zhang, Q. and Guo, X., 2019. Cr (VI) removal from aqueous solution using biochar modified with Mg/Al-layered double hydroxide intercalated with ethylenediaminetetraacetic acid. Bioresource Technology, 276, 127-132.
  8. IBI. 2012. Standardized product definition and product testing guidelines for biochar that is used in soil
  9. Ikegami, K., Hirose, Y., Sakashita, H., Maruyama, R. and Sugiyama, T., 2020. Role of polyphenol in sugarcane molasses as a nutrient for hexavalent chromium bioremediation using bacteria. Chemosphere, 250, 126267.
  10. Jacob, L., Joseph, S. and Varghese, L.A., 2020. Polysulfone/MMT mixed matrix membranes for hexavalent chromium removal from wastewater. Arabian Journal for Science and Engineering, 45, 7611-7620.
  11. Kambo, H.S. and Dutta, A., 2015. A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 359-378.
  12. Kumar, A., Singh, E., Khapre, A., Bordoloi, N. and Kumar, S., 2020. Sorption of volatile organic compounds on non-activated biochar. Bioresource Technology, 297, 122469.
  13. Kumar, N., Kardam, A., Jain, V. and Nagpal, S., 2020. A rapid, reusable polyaniline-impregnated nanocellulose composite-based system for enhanced removal of chromium and cleaning of waste water. Separation Science and Technology, 55(8), 1436-1448.
  14. Kumar, P.S., Korving, L., van Loosdrecht, M.C. and Witkamp, G.J., 2019. Adsorption as a technology to achieve ultra-low concentrations of phosphate: Research gaps and economic analysis. Water Research X, 4, 100029.
  15. Li, R., Wang, J.J., Gaston, L.A., Zhou, B., Li, M., Xiao, R., Wang, Q., Zhang, Z., Huang, H. and Liang, W., 2018. An overview of carbothermal synthesis of metal–biochar composites for the removal of oxyanion contaminants from aqueous solution. Carbon, 129, 674-687.
  16. Mohamed, A.K. and Mahmoud, M.E., 2020. Nanoscale Pisum sativum pods biochar encapsulated starch hydrogel: a novel nanosorbent for efficient chromium (VI) ions and naproxen drug removal. Bioresource Technology, 308, 123263.
  17. Mohan, D., Rajput, S., Singh, V.K., Steele, P.H. and Pittman Jr, C.U., 2011. Modeling and evaluation of chromium remediation from water using low cost bio-char, a green adsorbent. Journal of hazardous materials, 188(1-3), 319-333.
  18. Nagara, V.N., Sarkar, D., Elzinga, E.J. and Datta, R., 2022. Removal of heavy metals from stormwater runoff using granulated drinking water treatment residuals. Environmental Technology & Innovation, 28, 102636.
  19. Pan, J., Jiang, J. and Xu, R., 2013. Adsorption of Cr (III) from acidic solutions by crop straw derived biochars. Journal of environmental sciences, 25(10), 1957-1965.
  20. Parichehre, M., Sadeghzadeh, F., Jalili, B., Bahmanyar, M.A. and Samsuri, A.W., 2022. Removal of Direct Blue 71 and chromium from aqueous solutions by metal coating organic adsorbents, metal coating biochar and biochar-metal composite. Water and Soil Management and Modeling. https://doi.org/10.22098/MMWS.2022.11696.1158. (in persian)
  21. Parichehre, M., Sadeghzadeh, F., Jalili, B., Bahmanyar, M.A. and Samsuri, A.W., 2023. Determining the Efficiency of carbonaceous adsorbents in Removing Chromium (VI) from Aqueous Solution. Journal of water and wastewater. https://doi.org/10.22093/WWJ.2023.371326.3306. (in persian)
  22. Patra, C., Shahnaz, T., Subbiah, S. and Narayanasamy, S., 2020. Comparative assessment of raw and acid-activated preparations of novel Pongamia pinnata shells for adsorption of hexavalent chromium from simulated wastewater. Environmental Science and Pollution Research, 27, 14836-14851.
  23. Rahman, Z. and Singh, V.P., 2019. The relative impact of toxic heavy metals (THMs) (arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr)(VI), mercury (Hg), and lead (Pb)) on the total environment: an overview. Environmental monitoring and assessment, 191, 1-21.
  24. Revathi, M., Sivagaami Sundari, G., Ahmed Basha, C., Alam, M., Sagadevan, S. and Ahmad, N., 2020. Reclamation of hexavalent chromium from electroplating effluents by electroextraction. Journal of nanoscience and nanotechnology, 20(10), 6547-6554.
  25. Reyes-Serrano, A., López-Alejo, J.E., Hernández-Cortázar, M.A. and Elizalde, I., 2020. Removing contaminants from tannery wastewater by chemical precipitation using CaO and Ca (OH) 2. Chinese Journal of Chemical Engineering, 28(4), 1107-1111.
  26. Sakthivel, A., Thangagiri, B., Jeyasubramanian, K., Raja, J.D., Prabhahar, R.S.S., Nayagi, S.P.B. and Krishnamurthy, N., 2021. Switching the hydrophobic Neyveli lignite into hydrophilic type by surface modification and its subsequent use for removing Cr (VI)/F− from artificial pollutant. Fuel, 298, 120787.
  27. Samsuri, A., Sadegh-Zadeh, F. and Seh-Bardan, B., 2014. Characterization of biochars produced from oil palm and rice husks and their adsorption capacities for heavy metals. International Journal of environmental science and technology, 11(4), 967-976.
  28. Shakya, A. and Agarwal, T., 2019. Removal of Cr (VI) from water using pineapple peel derived biochars: Adsorption potential and re-usability assessment. Journal of molecular liquids, 293, 111497.
  29. Søberg, L.C., Winston, R., Viklander, M. and Blecken, G.T., 2019. Dissolved metal adsorption capacities and fractionation in filter materials for use in stormwater bioretention facilities. Water Research X, 4, 100032.
  30. Tan, X., Liu, Y., Zeng, G., Wang, X., Hu, X., Gu, Y. and Yang, Z., 2015. Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions. Chemosphere, 125, 70-85.
  31. Tareq, R., Akter, N. and Azam, M.S., 2019. Biochars and biochar composites: Low-cost adsorbents for environmental remediation. In Biochar from biomass and waste (pp. 169-209). Elsevier.
  32. Thangagiri, B., Sakthivel, A., Jeyasubramanian, K., Seenivasan, S., Raja, J.D. and Yun, K., 2022. Removal of hexavalent chromium by biochar derived from Azadirachta indica leaves: batch and column studies. Chemosphere, 286, 131598.
  33. USDA. and NRCS., 2007. Statistix8 and user guid for the plant material program T version 2. 1-80.
  34. Wang, H., Song, X., Zhang, H., Tan, P. and Kong, F., 2020. Removal of hexavalent chromium in dual-chamber microbial fuel cells separated by different ion exchange membranes. Journal of hazardous materials, 384, 121459.
  35. Wang, H., Wang, S. and Gao, Y., 2020. Cetyl trimethyl ammonium bromide modified magnetic biochar from pine nut shells for efficient removal of acid chrome blue K. Bioresource Technology, 312, 123564.
  36. Wang, J., Sun, T., Saleem, A. and Chen, Y., 2020. Enhanced adsorptive removal of Cr (VI) in aqueous solution by polyethyleneimine modified palygorskite. Chinese Journal of Chemical Engineering, 28(10), 2650-2657.
  37. Wang, L., Chen, M., Li, J., Jin, Y., Zhang, Y. and Wang, Y., 2020. A novel substitution-based method for effective leaching of chromium (III) from chromium-tanned leather waste: The thermodynamics, kinetics and mechanism studies. Waste Management, 103, 276-284.
  38. Wang, X.S., Chen, L.F., Li, F.Y., Chen, K.L., Wan, W.Y. and Tang, Y.J., 2010. Removal of Cr (VI) with wheat-residue derived black carbon: reaction mechanism and adsorption performance. Journal of hazardous materials, 175(1-3), 816-822.
  39. Wang, Z., Shen, Q., Xue, J., Guan, R., Li, Q., Liu, X., Jia, H. and Wu, Y., 2020. 3D hierarchically porous NiO/NF electrode for the removal of chromium (VI) from wastewater by electrocoagulation. Chemical Engineering Journal, 402, 126151.
  40. Xiang, W., Zhang, X., Chen, J., Zou, W., He, F., Hu, X., Tsang, D.C., Ok, Y.S. and Gao, B., 2020. Biochar technology in wastewater treatment: A critical review. Chemosphere, 252, 126539.
  41. Xue, W., Huang, D., Zeng, G., Wan, J., Zhang, C., Xu, R., Cheng, M. and Deng, R., 2018. Nanoscale zero-valent iron coated with rhamnolipid as an effective stabilizer for immobilization of Cd and Pb in river sediments. Journal of hazardous materials, 341, 381-389.
  42. Yao, F., Jia, M., Yang, Q., Luo, K., Chen, F., Zhong, Y., He, L., Pi, Z., Hou, K. and Wang, D., 2020. Electrochemical Cr (VI) removal from aqueous media using titanium as anode: Simultaneous indirect electrochemical reduction of Cr (VI) and in-situ precipitation of Cr (III). Chemosphere, 260, 127537.
  43. Yao, Y., Gao, B., Inyang, M., Zimmerman, A.R., Cao, X., Pullammanappallil, P. and Yang, L., 2011. Removal of phosphate from aqueous solution by biochar derived from anaerobically digested sugar beet tailings. Journal of hazardous materials, 190(1-3), 501-507.
  44. Yi, Y., Tu, G., Zhao, D., Tsang, P.E. and Fang, Z., 2020. Key role of FeO in the reduction of Cr (VI) by magnetic biochar synthesised using steel pickling waste liquor and sugarcane bagasse. Journal of Cleaner Production, 245, 118886.
  45. Ying, Z., Ren, X., Li, J., Wu, G. and Wei, Q., 2020. Recovery of chromium (VI) in wastewater using solvent extraction with amide. Hydrometallurgy, 196, 105440.
  46. Zameni, L., 2016. Leaching in a soil amended with biochar and Fe-coated biochar Nitrate Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University (in persian)].
  47. Zhang, M., Gao, B., Yao, Y., Xue, Y. and Inyang, M., 2012. Synthesis, characterization, and environmental implications of graphene-coated biochar. Science of the Total Environment, 435, 567-572.
  48. Zheng, Y., Zimmerman, A.R. and Gao, B., 2020. Comparative investigation of characteristics and phosphate removal by engineered biochars with different loadings of magnesium, aluminum, or iron. Science of the Total Environment, 747, 141277.
  49. Zou, H., Zhao, J., He, F., Zhong, Z., Huang, J., Zheng, Y., Zhang, Y., Yang, Y., Yu, F. and Bashir, M.A., 2021. Ball milling biochar iron oxide composites for the removal of chromium (Cr (VI)) from water: Performance and mechanisms. Journal of hazardous materials, 413, 125252.
محیط زیست و توسعه فرابخشی
دوره 8، شماره 79
بهار 1402
صفحه 66-78

صفحه اصلی

ارسال مقاله

تماس با ما