بررسی کارایی حذف یون فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

عنصر فلوراید دارای درجه اکسیداسیون منفی یک بوده و گازی خورنده، زرد کمرنگ و دارای سمیت بالایی است. این عنصر به دلیل داشتن تمایل بالای واکنش پذیری، در طبیعت به صورت عنصر یافت نمی شود(1).

یون فلوراید به عنوان الکترونگاتیوترین عنصر تناوبی و یکی از اعضای خانواده ی هالوژن ها تمایل زیادی برای تشکیل ترکیب با سایر یون های مثبت دارد و دارای ترکیبات معدنی و آلی مختلفی است که ترکیبات معدنی آن معمولا در صنعت آب و به منظور فلوئور زنی آب آشامیدنی کاربرد دارد(2).

اولین بار در سال 1940 برای جلوگیری از پوسیدگی دندان استفاده شد که مبنای این فرضیه بود که فلوراید از رشد باکتری‎‌‌های دهانی تولید کننده اسید که مینای دندان را از بین می برد، جلوگیری می کند. اما امروزه برخی از دانشمندان معتقدند که اثرات مضر فلوراید روی سایر انزیم های مفید بسیار بیشتر از اثرات مفید آسن در جلوگیری از پوسیدگی دندان  است(3).

میزان استاندارد فلوراید در آب آشامیدنی طبق استاندارد سازمان بهداشت جهانی (WHO) 5/1 میلی گرم بر لیتر است(4). در بعضی از شهرهای ایران میزان فلوراید آب آشامیدنی بالاتر از این مقدار بوده که منجر به فلوروزیس می شود(5).

حذف مقادیر بیش از حد فلوراید برای جلوگیری از ضایعات دندانی و استخوانی و اثرات درازمدت آن نیز ضرورت دارد(4).

هر ماده ارزانی که دارای مقدار زیادی کربن و مقدار کمی مواد معدنی باشد می تواند به عنوان ماده خام جهت تولید کربن فعال استفاده شود(6).غالب ترین مواد خامی که جهت تولید کربن فعال استفاده می شوند عبارتند از: برخی از گیاهان،  زغال قیردار، زغال قهوه ای، لیگنین، پوست درخت اکالیپتوس، پوسته میوه هایی چون فنذوق،گردو و ...(7).

آلودگی به فلوراید یک مشکل جهانی به ویژه در آفریقا، آسیا و ایالات متحده می باشد. آمار در دسترس نشان می دهد که بیش از 30 میلیون نفر در چین به طور جدی تحت تاثیر  فلوروزیس قرارگرفته و 100 میلیون دیگر در معرض آن هستند(5).

آب کشورهایی مانندآرژانتین،ایالات‌متحده‌امریکا،مراکش،الجزایر،لیبی،مصر ،اردن،ایران ،عراق،ترکیه،کنیا،تانژانیا، افریقای جنوبی،چین، استرالیا،نیوزلند‌‌‌‌ و ژاپن به دلیل بالا بودن غلظت فلوراید نیاز به پالایش وتصفیه دارندو در این کشورها  فلوروزیس به صورت اندمیک  است.(8)

 در مطالعه ی مصداقی نیا و همکاران در سال 2010 مشخص شده است که در نواحی جنوبی کشور به خصوص استان بوشهر و همچنین قسمت هایی از استان های هرمزگان، یزد، خراسان شمالی، خراسان رضوی، خراسان جنوبی و فارس غلظت فلوراید بالاتر از 5/1 میلی گرم در لیتر است(9).

در بررسی دیگری که توسط شیرزایی در سال 1389 بر روی منابع آب شهر زاهدان انجام شده است مشخص گردیده که غلظت فلوراید در آب حدود 4/2 میلی گرم در لیتر است(10).

مطالعه نشان می دهد که مواجه ی طولانی با این ترکیب می تواند منجر به تغییراتی در ساختار DNA و اثر بر روی عملکرد کلیه و کبد گردد. اطلاعات نشان می دهد که فلوئوروزیس تقریباً در 25 کشور جهان، از جمله ایران به صورت اندمیک بوده و یک تخمین محافظه کارانه، تعداد فلوئوروزیس در جهان را 10 مورد در یک میلیون نفر اعلام می کند(3).

با توجه به اثرات بهداشتی ناشی از ازدیاد فلوراید در آب لازم است جهت حذف فلوراید اضافی از آب روش های مناسب بکار رود ، تا کنون روش های زیادی از جمله فرایند جذب سطحی ، ترسیب شیمیایی ، فرایند های غشایی و تعویض یونی مطالعه و بکار برده شده است(11, 12).

اما بسیاری از این روش ها بدلیل گرانی و پیجیدگی قابلیت کاربرد در کشورهای در حال توسعه را ندارند (13). بعنوان مثال در روش رسوب دهی ، مقدار لجن اضافی تولیدی نیازمند توجه و دفع خاص است ، فرایند غشایی یک روش موفق بوده اما بسیار پر هزینه است ، رزین تعویض یونی دارای ظرفیت کم و نسبتا گران محسوب می گردد (11).

جذب سطحی بدلیل ارزانتر بودن و مؤثرتر بودن نسبت به سایر روش ها ، اخیرا پر کاربردترین روش حذف آلاینده های مختلف از آب می باشد(13, 14).

  درخت اکالیپتوس که آب و هوای گرم و مرطوب را می پسندد نزدیک به یک قرن پیش وارد ایران شد  و در نواحی شمالی و جنوبی، کشت شده است. این درخت در مناطق گرم و خشک ایران مانند شهر سمنان وفور یافت می شود(15) . برای بالابردن  ظرفیت جذب جاذبها از کربن فعال استفاده می کنند  که مطالعات مختلفی در این زمینه انجام شده است.

هدف از این مطالعه حذف فلوراید با استفاده از کربن فعال تهیه شده  از پوست درخت اکالیپتوس از محلولهتای آبی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در مطالعه ای که توسط محمدنیا و همکاران از نانو ذرات گرافن اکساید به عنوان جاذب برای حذف فلوراید  از محلولهای آبی استفاده شد.بالاترین کارایی حذف فلوراید در pHبرابر 3 مشاهده شد همچنین مشاهده گردید که افزایش غلظت اولیه فلوراید  باعث افزایش کارایی فرایند حذف می‌گردد. بیشترین میزان حذف در 15 دقیقه اول  واکنش صورت می‌گیرد .اثر افزایش دما  بر واکنش به صورت کاهش کارایی جاذب ها نمایان شد(1).

در مطالعه ای که توسط ورکو و همکاران (2007)  در مورد خذف فلوراید توسط بقای زائد کارخانجات ساخت الوم مورد برسی قرار گرفت، بیشترین میزان فلوراید  حذف شده به میزان 85 درصد در مقدار جاذب 16 گرم در لیتر در غلظت فلوراید اولیه 10گرم در لیتر، در محدوده ی pH معادل 3 تا 8 به دست آمد(16).

در مطالعاتی که توسط Wajima در سال 2006 و Alagumuthu در سال 2010 در مورد حذف فلوراید انجام گرفت نتایج نشان داد که بیشترین راندمان حذف فلوراید در pHهای اسیدی رخ داده بود(17, 18).

در مطالعه ای که توسط nan و همکاران در سال 2011در خصوص حذف فلوراید توسط سرامیک گرانولی متخلخل انجام شد نتایج نشان داد که افزایش دوز جاذب سبب افزایش میزان حذف فلوراید شد(19).

در مطالعه ای که توسط مصداقی نیا و همکاران صورت گرفت نتیجه نشان داد که کارایی حذف 62 درصد است(9).

 در تحقیقی که توسط اسماعیلی و همکاران انجام شد، نشان داد که آلوم در فلوئور زدایی آب هایی که قلیاییت آب بیشتر است، مقدار تشکیل ماده ی Al(OH)₃ بیشتر خواهد بود و آن نیز بر روی حذف فلوئوراید، تاثیر می گذارد(20).

در تحقیق نیگوسی و همکاران با افزایش دوز جاذب از 1گرم بر لیتر به 30گرم بر لیتر کارایی حذف 50درصد افزایش پیدا کرده است(16).

در مطالعه ای که توسط نبی پور و همکاران انجام شد نتایج نشان داد که میزان حذف فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوسته میگو به عنوان بیو جاذب قابل توجه بود. و درصد حذف فلوراید با میزان بیوجاذب و غلظت اولیه فلوراید رابطه‌ی مستقیم داشت همچنین بیشترین بازده حذف فلوراید در زمان 60 دقیقه با غلظت فلوراید و با مدل لانگمیر انطباق داشت(4) .

در مطالعه هوانگ و همکاران زمان تعادل 40دقیقه و pHبهینه 7 گزارش گردید(21).

در تحقیقی که توسط آذری و همکاران انجام شد نتایج نشان داد که با افزایش مقدار جاذب و زمان تماس و دما راندمان افزایش می‌یابد و جاذب مورد مطالعه در pH اسیدی کارایی مناسب‌تری در حذف فلوراید نشان داد همچنین با کاهش غلظت اولیه آلاینده مقدار راندمان افزایش می‌یابد(22).

در مطالعه ای که توسط wei   ma   و همکاران در سال 2007صورت گرفته به این نتیجه رسیدند که حذف فلوراید توسط اکتیوزان مگنتیگ با ضریب رگرسیون 997/0 از سنتیک درجه دوم پیروی می‌کند.(23).

در یک مطالعه دیگر توسط دکتر صمدی و همکاران اثر آلومینای فعال بر غلظت فلوراید برسی کردند مشاهده شد که غلظت الومینای فعال بر کاهش غلظت یون های فلوراید از آب موثر بود (24).

در تحقیقی که توسط علیان نژاد و همکاران صورت گرفت نشان داد که میزان حذف فلوراید با افزایش چگالی جریان و مدت زمان واکنش افزایش می یابد.و  با افزایش فلوراید زمان مورد نیاز برای دستیآبی به کارایی  حذف مناسب نیز افزایش می یابد نتایج نشان دادند که الکتروکواگولاسیون فرایندی موثر برای فلوئور‌زدایی از اب اشامیدنی محسوب می شود(25).

درصد حذف یون فلوراید بر حسب pHهای مختلف با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی چه مقدار است ؟

درصد حذف یون فلوراید بر حسب غلظت جاذب مختلف یون فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی چه قدر است؟

درصد حذف یون فلوراید بر حسب درجه حرارت های مختلف یون فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی چه قدر است؟

درصد حذف یون فلوراید بر حسب زمانهای تماس  مختلف یون فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی چه مقدار است؟

درصد حذف یون فلوراید بر حسب غلظت های مختلف یون فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی چه قدر است؟

تعیین کارایی حذف یون فلوراید با استفاده از کربن فعال شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

تعیین  درصد حذف یون فلوراید در pHهای مختلف بااستفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

تعیین  درصد حذف یون فلوراید برحسب غلظت یون فلوراید با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

تعیین  درصد حذف یون فلوراید برحسب دوز کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

تعیین  درصد حذف یون فلوراید برحسب زمان تماس با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

تعیین  درصد حذف یون فلوراید برحسب درجه حرارت با استفاده از کربن فعال تولید شده از پوست درخت اکالیپتوس از محلول های آبی

وزارت نیرو -آب و فاضلاب

فلوراید:  عنصر فلوراید دارای درجه اکسیداسیون منفی یک بوده و گازی خورنده، زرد کمرنگ و دارای سمیت بالایی است. این عنصر به دلیل داشتن تمایل بالای واکنش پذیری، در طبیعت به صورت عنصر یافت نمی شود

اُکالیپتوس سرده‌ای از درختان از خانواده اکالیپتیان (Eucalypteae) می‌باشد که اصلش از استرالیا است وچوب این درخت بسیار سخت و در برابر پوسیدگی مقاوم است. پوست آن رنگ قهوه‌ای مایل به زرد دارد و به راحتی از ساقه جدا می‌شود. 

تجربی آزمایشگاهی

نمونه حاصل از آزمایشات درانتهای هر دوره

با استفاده از محلول استوک و رقیق سازی نمونه ها در غلظت های مدنظر ساخته خواهد شد.

بعد از رنگ سنجی نمونه ها، نمودار نتایج حاصل توسط نرم افزار اکسل 2013 رسم خواهد شد.

این مطالعه یک مطالعه تجربی  و آزمایشگاهی می‌باشد .در این آزمایش از کربن فعال تهیه شده از پوست درخت اکالیپتوس استفاده می‌شود.برای تهیه محلول استوک فلوراید از نمک فلوراید سدیم (ساخت شرکت مرک آلمان) طبق کتاب استاندارد متد (.آزمون شماره F^ˉD4500)با حل کردن 220میلی گرم سدیم فلوراید در یک لیتر آب مقطر تهیه می‌شود(26). جهت تنظیم  PH از محلول های 0.1نرمال اسید سولفوریک و سدیم هیدروکسید و برای اندازه گیری آن از PHمترمدل E520 استفاده می‌شود . در نهایت غلظت باقی مانده فلوراید را به روش SPADNS توسط دستگاه اسپکتروفتومتر   مدل DR-5000 در طول موج570نانومتر قرائت می‌کنیم.

در مرحله اول جهت تعیین pH بهینه، نمونه های مورد نظر به حجم 100 میلی متر را با استفاده از محلول سود(NaOH) 1/. نرمال و اسید کلریدریک (HCl) 1/0 نرمال  و دستگاه pH متر در pH های 3-5-7-9-11  تنظیم می نماییم و فاکتور های دیگر مانند مقدار جاذب، مقدار فلوئور (15میلی گرم بر لیتر) ، زمان 30 دقیقه و درجه حرارت را 25 درجه سانتی گراد وثابت درنظر می گیریم. نمونه های را روی همزن های مغناطیسی به مدت زمان ثابت در نظر گرفته شده (30 دقیقه) قرارمی دهیم و پس از گذشت مدت زمان مورد نظر نمونه ها را با استفاده از تجهیزات صاف سازی که شامل پمپ خلا، ارلن بوخنر به همراه نگه دارنده صافی می باشد صاف می نماییم. و در نهایت نمونه صاف شده را با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتری در طول موج570 نانومتر میزان جذب فلوئور را اندازه گیری می نماییم.

 در مرحله بعد برای تعیین مقدار بهینه جاذب ، مقدار مختلفدر لیتر از نانو ذره را متغییر و pH بهینه بدست آمده ، مقدار فلوئور (5/3میلی گرم بر لیتر) ، زمان (30 دقیقه) و درجه حرات25درجه سانتی گراد را ثابت درنظر می گیریم و میزان جذب نمونه های صاف شده را بادستگاه  اسپکترفتو متر بدست می آوریم. بدین طریق مقدار بهینه جاذب تهیه شده را تعیین می نماییم .

 جهت تعیین غلظت بهینه فلوراید ، نیز مانند قبل عمل می نماییم یعنی غلظت های (5-10-15-20-30) میلی گرم برلیتر فلوئور را متغییر در نظر گرفته و pH بهینه بدست آمده ، مقدار بهینه جاذب تهیه شده بدست آمده و زمان (30 دقیقه)  درجه حرارت 25درجه سانتی گراد را ثابت در نظر می گیریم و پس از اندازه گیری میزان جذب توسط دستگاه اسپکتروفتو متر، غلظت بهینه فلوئور بدست می آید.

برای تعیین زمان تماس بهینه حذف،PHبهینه،غلظت بهینه جاذب تهیه شده ،غلظت بهینه اولیه فلوراید . درجه حرارت 25درجه سانتی گراد ثابت در نظر گرفته و زمانهای تماس مختلف را متغییر در نظر میگیریم و مقدار جذب نمونه های صاف شده را با دستگاه اسپکتروفتومتر  بدست می اوریم بدین صورت زمان بهینه نیز بدست می اید.

 در نهایت میزان فاکتور های بهینه بدست آمده را ثابت ودرجه حرارت های 10-20-25-30-35-40 درجه سانتی گراد را در غلظت های مختلف اولیه فلوراید در نظر می گیریم تا اینکه درجه حرارت بهینه حذف نیز بدست آید.

برای تعیین آمار توصیفی از درصدحذف استفاده خواهد شد و به صورت جدول یا نمودار نمایش داده خواهد شد.

بند های 9- 28- 29 و30 رعایت خواهد شد

هیچ محدودیتی وجود ندارد.

حذف یون فلوراید، کربن فعال، پوست درخت اکالیپتوس، محلول های آبی

1.         محمدنیا, زاده ن. مطالعه سینتیک، ترمودینامیک و ایزوترم فرآیند حذف فلوراید از محلول‌های آبی با استفاده از نانوذرّات گرافن ‌اکساید. مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 2016;23(1):29-43.

2.         Namavar S, Nasseri S, Mahvi AH, Nabizadeh R, Dehghani MH. Fluoride Removal from Water by Reverse Osmosis Membrane. Bimonthly Journal of Water and Wastewater. 2013;24(3):137-42.

3.         باقری اردبیلیان پ, پری, مسافری, شریفیان. بررسی حذف فلورایمد از آب توسط یک نوع آلوینای فعال اصلاح‏ شده با ترکیباتی آهنی. نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز. 2013;43(73):13-20.

4.         زاده4 انپسدمخفعفاا, editor کاربرد پوسته میگو به عنوان یک بیوجاذب کارآمد در حذف فلوراید از محلول های آبی. شانزدهمین همایش ملی بهداشت محیط ایران-مهر 1392; 2013: Tabtiz university of medical sciences.

5.         ززولی, بلارک, نژاد ک, خسروی. حذف فلوراید از محلول های آبی با استفاده از بیومس اصلاح شده عدسک آبی: بررسی ایزوترم و سینتیک‌های جذب. مجله دانشگاه علوم پزشکی مازندران. 2014;23(109):195-204.

6.         Yuan C-S, Lin H-Y, Wu C-H, Liu M-H, Hung C-H. Preparation of sulfurized powdered activated carbon from waste tires using an innovative compositive impregnation process. Journal of the Air & Waste Management Association. 2004;54(7):862-70.

7.         Hsu L-Y, Teng H. Influence of different chemical reagents on the preparation of activated carbons from bituminous coal. Fuel Processing Technology. 2000;64(1):155-66.

8.         یزدانبخش, زاده غ, قادر, زاده ا. بررسی کارآیی خاکستر استخوان معمولی و اصلاح شده با اکسید منگنز در حذف فلوراید از آب: مطالعه ایزوترم. مجله طب‌نظامی. 2015;17(1):9-16.

9.         Mesdaghinia A, Vaghefi KA, Montazeri A, Mohebbi MR, Saeedi R. Monitoring of fluoride in groundwater resources of Iran. Bulletin of environmental contamination and toxicology. 2010;84(4):432-7.

10.       جرفی, سهند, کلانتری ر, روشنک, بندپی م, انوشیروان, et al. حذف فلوراید از آب به روش جذب سطحی با استفاده از باگاس، باگاس اصلاح شده و کیتوزان. فصلنامه سلامت و محیط زیست. 2011;4(1):35-48.

11.       Behrens EA, Sylvester P, Clearfield A. Assessment of a sodium nonatitanate and pharmacosiderite-type ion exchangers for strontium and cesium removal from DOE waste simulants. Environmental Science & Technology. 1998;32(1):101-7.

12.       Tor A. Removal of fluoride from water using anion-exchange membrane under Donnan dialysis condition. Journal of hazardous materials. 2007;141(3):814-8.

13.       Chidambaram S, Ramanathan A, Vasudevan S. Fluoride removal studies in water using natural materials: technical note. Water SA. 2003;29(3):339-44.

14.       Mohapatra M, Anand S, Mishra BK, Giles DE, Singh P. Review of fluoride removal from drinking water. Journal of Environmental Management. 2009;91(1):67-77.

15.       موسوی ز, خلیق, آیسان. حذف یون‌های (Cd (II)، Co (II و (Ni (II از محلول‌های آبی توسط خاکستر برگ اکالیپتوس. مجله شیمی کاربردی (اندیشه علوم). 2013;8(26):39-51.

16.       Nigussie W, Zewge F, Chandravanshi B. Removal of excess fluoride from water using waste residue from alum manufacturing process. Journal of Hazardous Materials. 2007;147(3):954-63.

17.       Wajima T, Umeta Y, Narita S, Sugawara K. Adsorption behavior of fluoride ions using a titanium hydroxide-derived adsorbent. Desalination. 2009;249(1):323-30.

18.       Alagumuthu G, Rajan M. Equilibrium and kinetics of adsorption of fluoride onto zirconium impregnated cashew nut shell carbon. Chemical Engineering Journal. 2010;158(3):451-7.

19.       Chen N, Zhang Z, Feng C, Zhu D, Yang Y, Sugiura N. Preparation and characterization of porous granular ceramic containing dispersed aluminum and iron oxides as adsorbents for fluoride removal from aqueous solution. Journal of hazardous materials. 2011;186(1):863-8.

20.       Kalantary R, Jorfi S, Esrafili A, Ameri A, Baradar Niazi R, Ameli A. Comparison the efficiency of alum and commercial poly aluminum chloride for fluoride removal from water. Iran Occupational Health. 2010;6(4):55-61.

21.       Huang R, Yang B, Liu Q, Ding K. Removal of fluoride ions from aqueous solutions using protonated cross-linked chitosan particles. Journal of Fluorine Chemistry. 2012;141:29-34.

22.       بادی ی, آذری, اسرافیلی, احمدی, غلامی. بررسی کارایی نانولوله‌های کربنی چند جداره مغناطیسی شده با نانو ذرات اکسید آهن در حذف فلوراید از محلول های آبی. مجله دانشگاه علوم پزشکی مازندران. 2015;25(124):128-42.

23.       Ma W, Ya F-Q, Han M, Wang R. Characteristics of equilibrium, kinetics studies for adsorption of fluoride on magnetic-chitosan particle. Journal of hazardous materials. 2007;143(1):296-302.

24.       محمدتقی ص, رقیه ن, سعید ع, یوسف دش, منصور ض. بررسی تاثیر آلومینای فعال بر غلظت فلوراید موجود در آب و تعیین ایزوترم ها و سینتیک جذب.

25.       شهرزاد عن, گیتی ک, سیدمصطفی خ, علی مچم. بررسی حذف فلوراید از آب آشامیدنی به روش الکتروکواگولاسیون: رآکتور ناپیوسته.

26.       APHA A. WEF, Standard methods for water and wastewater examination. American Public Health Association 20th Edition, Washington DC. 1998.

پرسش نامه ندارد