بررسی حذف رنگ متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده با سورفاکتانت کاتیونی از محلول های آبی

در حال حاضر آلودگی محیط زیست به عنوان یک معضل و مشکل جهانی مطرح می باشد. میزان تولید رنگ در جهان حدود یک میلیون تن تخمین زده می شود که در صنایع مختلف چرم سازی، داروسازی، کاغذ، و نساجی کاربرد دارد و مصرف این ترکیبات در فرآیندهای صنعتی منجر به تولید حجم زیادی از پساب های رنگی می شود(1). در سال های اخیر باتوجه به محدودیت منابع آبی و افزایش تعداد صنایع، تولید پساب های صنعتی هم افزایش پیدا کرده است که این پساب ها یکی از اصلی ترین منابع آلوده کننده محیط زیست محسوب می شوند. صنعت نساجی یکی از مهم ترین صنایع جهان است که به دلیل نیاز به حجم بالای آب مصرفی در بخش های مختلف، منبع تولید مقادیر زیادی فاضلاب رنگی و سمی می باشد. صنایع دیگری از قبیل صنعت چرم سازی تولید مواد آرایشی، صنعت چاپ و... پساب های رنگی تولید می کنند(2, 3). رنگ ها ممکن است به طور قابل ملاحظه ای برروی کاهش نفوذ نور و اختلال در عملکرد فتوسنتز گیاهان آبزی، ایجاد پدیده اتروفیکاسیون، افزایش مواد معلق و کدورت تاثیر بگذارند و همچنین بر کیفیت آب برای مصارف شرب و سایر مصارف اثر منفی برجای بگذارند. علاوه براین به علت وجود ترکیبات آروماتیک، نمک ها، کلرایدها و...مقاوم به تجزیه بیولوژیکی و غالبا سمی، سرطان زا و جهش زا هستند و سبب بروز آلرژی، درماتیت و تحریک پوستی در انسان می شود(1). متیلن بلو با فرمول شیمیایی C₆H₁₈N₃SCL  و جرم مولی 319.85g/mol  از رنگ های کاتیونی و ماده آلاینده متداول مورد استفاده در پساب صنایع نساجی است که بسیار سمی بوده و موجب آثاری همچون سوزش چشم ها، مشکلات تنفسی، تهوع، استفراغ، تعریق شدید، افزایش صربان قلب، زردی، شوک، گیجی و نکروز بافت و مت هموگلوبینما در انسان ها می شود(2, 4) و برای جلوگیری از تخریب محیط زیست و آسیب رسیدن به موجودات زنده پژوهشگران به دنبال روش هایی برای حذف این نوع آلاینده هستند(4). روش های مختلفی از قبیل روش های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی برای تصفیه این نوع پساب ها مورد بررسی قرار گرفته اند(1) حذف رنگ از فاضلاب های صنعتی با روش های گوناگون نظیر انعقاد، لخته سازی، تصفیه بیولوژیکی، اکسیداسیون شیمیایی، تصفیه الکتروشیمیایی، تعویض یون و فرآیند جذب سطحی از موتد مختلفی نظیر گرانول/پودر کربن فعال، خاک بنتونیت، بیومس، زغال کک و خاک چینی استفاده می شود(5)و طبق پژوهش های انجام شده ازبین روش های مورد استفاده به دلیل هزینه بالا و کارایی پایین برخی از آنها و یا غیر فابل اجرا بودن برای طیف وسیعی از آلاینده ها روش جذب مناسب ترین روش شناخته شده می باشد(4). جذب سطحی رنگ به وسیله جاذب ها یکی از روش هایی است که اغلب محققین آن را پیگیری نموده و معمولا به دنبال جاذب های جدید و ارزان قیمت هستند لذا تحقیقات زیای برای توسعه و کاربرد جاذب های کم هزینه در حذف رنگ فاضلاب در حال انجام است(6). مهم ترین فواید یک سیستم جذب برای کنترل آلودگی آب شامل سرمایه گذاری کم تر در هزینه اولیه، طراحی ساده و بهره برداری آسان، مصرف انرژی کمتر، حذف عالی ترکیبات آلاینده ها در مقایسه با فرآیندها در مقایسه با فرآیندهای مرسوم تصفیه بیولوژیکی است(4).

جاذب هایی مانند کانی های رسی (بنتونیت، سیپولیت، پالیگورسکیت و زئولیت) کربن فعال، نانولوله های کربنی و کیتوزان برای حذف سرب استفاده شده است. رس ها می توانند از راه تبادل کاتیونی و تشکیل کمپلکس سطحی، یون های فلزلت سنگین را جذب می کنند(7). در میان مواد جاذب مختلف کانی های رسی به دلیل خواص منحصر به فرد مانند سطح ویژه زیاد، ارزان و در دسترس بودن، ظرفیت تبادل کاتیونی زیاد و توانایی جذب قوی به طور گسترده جهت حذف یون های فلزات سنگین از محلول های آبی مورد استفاده قرار می گیرند(7, 8)

بنتونیت یک خاک رس طبیعی معدنی است که در بسیاری از مکان های جهان یافت می شود و آتشفشان ها نیز می توانند یکی از منابع این ترکیب باشند. ظرفیت جذب بنتونیت می تواند با استفاده از اصلاح سطحی آن بهبود یابد(9). رس های اصلاح شده با مولکول های آلی توسط جایگزینی کاتیون های تبادل معدنی (Na⁺, Ca²⁺) موجود در سطح کاتیون های آلی (کاتیون کواترنری آمونیوم) ساخته می شوند. رس های اصلاح شده نسبت به رس های طبیعی آبگریز بوده و به عنوان جاذب های بسیار خوبی برای جذب انواع مختلف مولکلول های آلی و غیر قطبی شناخته شده اند(8).

بر این اساس هدف از انجام این مطالعه تعیین کارایی جذب رنگ متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده با سورفاکتانت کاتیونی از محلول های آبی است.

مروری برمتون:

درمطالعه ای که تحت عنوان بررسی کارایی جاذب هسته و میوه زیتون تلخ در حذف رنگ متیلن بلو از فاضلاب سنتتیک توسط نجف پور وهمکاران  انجام گردیده نشان داد که راندمان حذف رنگ متیلن بلوباافزایش مقدارPH ، افزایش مقدار جاذب، افزایش مقدارزمان تماس و کاهش غلظت اولیه رنگ، افزایش می یابد(10).

درمطالعه ای که تحت عنوان بررسی عوامل موثر بر رنگ بری متیلن بلو با استفاده از پرتودهی فرابنفش در حضور کاتالیست تثبیت شده توسط نوری مطلق وهمکاران انجام گردیده نشان دادکه عامل تابش فرابنفش در غیاب کاتالیست اکسید روی، قادر به حذف رنگ متیلن بلو نمی باشد، زیرا به تنهایی نمی تواند عامل اصلی تجزیه کننده رنگ(رادیکال هیدروکسیل) را به اندازه کافی تولید نماید. نتایج، مناسبترین رنگ بری را   درPHبرابر 7 و شدت تابش 3950 میکرووات بر سانتی متر مربع در طی زمان 120 دقیقه نشان داد.(11).

درمطالعه ای که تحت عنوان جذب سرب ازمحلول های آبی به وسیله سپیولیت وبنتونیت اصلاح شده بابیوپلیمرکیتوزان توسط رفیعی وهمکاران انجام گردیده نشان دادکه اصلاح رس هاباکیتوزان ،سبب افزایش سرعت جذب سرب به وسیله این جاذب هاشدبه طوری که زمان موزدنیاز برای جذب سرب به وسیله سپیولیت ازبیش از24ساعت به16ساعت وبرای بنتونیت به4ساعت کاهش یافت(7).

درمطالعه ای که تحت عنوان کاهش نیترات از محلول های آبی با استفاده از بنتونیت اصلاح شده با سورفکتانت توسط اعظم وهمکاران انجام گردیده نشان داد که بنتونیت اصلاح شده با سورفکتانت، قابلیت بالایی در حذف نیترات از محلول های آبی دارا می باشد.(12).

1-مقدار PH بهینه در فرایند حذف متیلن بلو بااستفاده از بنتونیت اصلاح شده چقدر است؟

2-مقدار غلظت اولیه متیلن بلو در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده چقدر است؟

3-مقدار بنتونیت در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده چقدر است؟

4-مقدار زمان تماس در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده چقدر است؟

تعیین حذف رنگ متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده با سورفاکتانت کاتیونی از محلول های آبی

1-تعیین مقدار PH  بهینه در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده.

2-تعیین میزان غلظت اولیه متیلن بلو در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده.

3-تعیین مقدار بنتونیت در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده.

4-تعیین زمان تماس در فرایند حذف متیلن بلو با استفاده از بنتونیت اصلاح شده.

5- تعیین ایزوترم جذب

اداره آب و فاضلاب

رنگ متیلن بلو-بنتونیت اصلاح شده- محلول های آبی

تجربی آزمایشگاهی

محلول های سنتتیک حاوی متیلن بلو که در آزمایشگاه تهیه می شود.

با توجه به اینکه آزمایش از طریق یافتن بهینه ترین نقطه هر یک از متغیرها پیش می رود در نتیجه تعداد آزمایشات به شرح زیر است:

نمونه ها به صورت سنتتیک در شرایط آزمایشگاهی تهیه می شود.

پس از اتمام فرایند هر نمونه مورد ازمایش از فیلتر سرنگی عبور داده می شود سپس مقدار جذب متیلن بلو با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر قرائت خواهد شد و با توجه به میزان درصد حذف متیلن بلو کارایی فرایند های انجام شده تعیین خواهد شد.

این مطالعه یک مطالعه تجربی در مقیاس آزمایشگاهی می باشد. رنگ زای متیلن بلو از شرکت مرک آلمان خریداری می گردد. متیلن بلو به عنوان رنگ کاتیونی با جرم مولی g/mol319.85 با فرمول مولکولی C₁₆H₁₈N₃SCL می باشد.

بنتونیت طبیعی تهیه شده آسیاب و سپس با استفاده از هاون کوبیده و نرم می شو د و از الک270 مش(0.05 میلی متر) عبور داده میشود. سورفاکتانت کاتیونی N– ستیل تری متیل آمونیوم برومید با فرمول شیمیایی (C16 H33 N(CH3)3 Br ) ساخت شرکت مرک آلمان با خلوص 99 درصد و وزن مولکولی 364.46 گرم برمول مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

آماده سازی  بنتونیت اصلاح شده: جهت تهیه بنتونیت اصلاح شده با سورفاکتانت کاتیونی، 20 گرم از بنتونیت را در 300 میلی لیتر آب مقطر ریخته و 6 میلی لیتر اسید کلریدریک 0.01 مولار نیز به آن اضافه می گردد. مخلوط تا 70 درجه سلسیوس حرارت داده می شود و سپس محلول 0.05 مولار کاتیونی آلی ستیل تری متیل آمونیوم متناسب با 2 برابر ظرفیت تبادل کاتیونی بنتونیت به مخلوط اضافه و به مدت 12 ساعت در 70 درجه سانتی گراد با استفاده از همزن مغناطیسی همزده می شود. پس از گذشت این مدت، مخلوط رس ها سانتریفیوژ و چندین بار با آب مقطر گرم شست و شو داده می شود و عدم وجود یون برمید با استفاده از تست AgNO₃ بررسی می گردد و در نهایت رسهای اصلاح شده در دمای 80  د رجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت خشک، آسیاب و از الک 0.05 میلی متر عبور داده می شوند.

جهت تهیه محلول استوک رنگ (1000mg/l)، 1 گرم از رنگ متیلن بلو در حجم 1 لیتر آب مقطر حل می شود و تا زمان انجام آزمایشات در دمای 4 درجه سانتی گراد نگهداری خواهد شد. برای انجام فرایند، محلول های رنگی با غلظت هایی در گستره 100-200mg/l از طریق رقیق سازی محلول استوک رنگ با آب مقطر تهیه خواهد شد. تمام آزمایشات در ارلن با حجم 250 میلی لیتر انجام می شود.

آزمایشات برای بررسی اثر ph ، دوز جاذب، غلظت اولیه رنگ و زمان تماس بر جذب متیلن بلو روی بنتونیت اصلاح شده با تغییر پارامتر های مورد مطالعه و ثابت نگه داشتن دیگر پارامتر هی مورد مطالعه و ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها انجام خواهد شد.

در هر آزمایش مقداری معین از جاذب، 250 میلی لیتر محلول رنگ در ارلن اضافه و  ph نیز با استفاده از دستگاه phمتر و محلول های 0.1 نرمال سود(NaOH) و اسید کلریدریک (HCL) تنظیم می شود.

محلول حاصل به مدت مورد نظر در دمای ثابت با 200ppm (دور در دقیقه) روی شیکر قرار می گیرد و سپس به وسیله دستگاه سانتریفیوژ فاز جامد از مایع تفکیک می شود و پس از عبور از فیلتر 0.45 میکرونی غلظت رنگ در طول موج حداکثر به وسیله دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شود. پس از تعیین غلظت نمونه ها، درصد حذف رنگ و مقدار رنگ جذب شده روی بنتونیت اصلاح شده به ترتیب از طریق معادلات 1 و 2 محاسبه خواهد شد.

معادله1

%R= C₀ – C_e / C₀ *100

%R : درصد حذف رنگ

C₀ : غلظت اولیه(mg/l)

C_e : غلظت نهایی(mg/l)

معادله2

Q_e= (C₀ – C_e)/M

Q_e : مقدار رنگ جذب شده روی جاذب(mg/g)

M: دوز جاذب(g)

و در نهایت بعداز تعیین زمان تماس بهینه دوز جاذب، غلظت اولیه و ph جذب مشخصه های مرتبط با ایزوترم جذب آلاینده مورد نظر بر روی بنتونیت اصلاح شده تعیین می گردد.

تعیین ایزوترم جذب با استفاده از معادلات عمومی ایزوترم فروندلیچ و لانگمیر بررسی خواهد شد.

نمودار مربوط به ارتباط  هر یک از متغیر ها نسبت به راندمان حذف با استفاده از نرم افزار Excel رسم میشود و مقدار بهینه برای هر متغیر تعیین خواهد شد.

• در این طرح تمام ملاحضلات اخلاقی مربوط به آئین نامه رعایت خواهد شد که شامل  کدهای 11-28-29-30-31- و کدهای حفاظت از محیط زیست شامل کد  9 می باشد. مشروح آنها به شرح زیر می باشد
• در پژوهش‌های پزشکی که ممکن است به محیط زیست آسیب برسانند، باید احتیاط‌های لازم در جهت حفظ و نگهداری و عدم آسیب رسانی به محیط ریست انجام گیرد.
• کمیته‌ی اخلاق در پژوهش علاوه بر بررسی و تصویب طرح‌نامه و دستورالعمل، این حق را دارد که طرح‌‌ها را در حین و بعد از اجرا را از نظر رعایت ملاحظات اخلاقی مورد پایش قرار دهد. اطلاعات و مدارکی که برای پایش از سوی کمیته‌ی اخلاق درخواست می‌شود، باید از سوی پژوهشگران در اختیار این کمیته گذاشته شود.
• گزارش‌ها و مقالات حاصل از پژوهش‌هایی که مفاد این راهنما را نقض کرده‌اند، نباید برای انتشار پذیرفته شوند.
• روش پژوهش نباید با ارزش‌های احتماعی، فرهنگی و دینی  جامعه در تناقض باشد.

خرابی دستگاه اسپکتروفتومتر یا ایجاد خطا درآزمایش: وجود مسئول آزمایشگاه و اصلاح و رفع مشکلات

رنگ متیلن بلو-بنتونیت اصلاح شده- محلول های آبی

1.         سمیه ر, مرتضی ا, ادریس ب, محمود ت, محسن ا. بررسی حذف رنگ متیلن بلو از محلول های آبی با استفاده از پودر پوست بادام زمینی.

2.         Rahmani A, Asgari G, Leili M, Aazami Gilan R. Degradation of Methylene Blue Dye Using Fenton/PhotoFenton-Peracetic Acid (UV/Fe3+-CH3COOH− H2O2) Processes from Aqueous Solutions. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2017;27(153):95-111.

3.         نجفی, سلیمی, کرمی, چنگیز. حذف متیلن‌بلو از محلول آبی با استفاده از نانوجاذب آهن مغناطیس اصلاح‌شده با گوانیدین. پژوهش نفت. 2018;28(1):139-49.

4.         Shahbazi A, Hashemi S. Evaluate the performance of Populus nigra sawdust in the removal of methylene blue from aqueous solutions: isotherms, kinetics and thermodynamics studies. Modares Civil Engineering journal. 2016;16(2):161-72.

5.         Ghanizadeh G, Asgari G. Removal of methylene blue dye from synthetic wastewater with bone char. Iranian Journal of Health and Environment. 2009;2(2):104-13.

6.         Soltanian M, Almasi A, Moradi M, Sharafi K, Soltanian S. Kinetic and isotherm study of methylene blue dye adsorption by powdered natural pumice from the aquatic environment. Tolooebehdasht. 2016;14(5):50-63.

7.         رفیعی, شیروانی, مهران. جذب سرب از محلول‌های آبی به‌وسیله سپیولیت و بنتونیت اصلاح‌شده با بیوپلیمر کیتوزان: همدما و سینتیک. دو ماهنامه علمی-پژوهشی آب و فاضلاب. 2016;27(3):75-87.

8.         Rafiei H, Shirvani M, Behzad T. Performance of Cationic Surfactant Modified Sepiolite and Bentonite in Lead Sorption from Aqueous Solutions. Majallah-i āb va Khāk. 2014;28(4):818-35.

9.         Anirudhan T, Ramachandran M. Adsorptive removal of tannin from aqueous solutions by cationic surfactant-modified bentonite clay. Journal of Colloid and Interface Science. 2006;299(1):116-24.

10.       Najafpoor AA, Davoudi M, Dehghan AA, Bakhti S, Ghaderifar S, Ahmadi E. Investigation of Melia azedarach core and fruit adsorbent for removal of Methylene blue from synthetic wastewater. Journal of Torbat Heydariyeh University of Medical Sciences. 2016;4(1):8-16.

11.       Tehrani-Bagha A, Mahmoodi N, Arami M. Study of the effective parameters on decolorization of CI reactive black 5 wastewater by ozonation. J Color Sci Tech. 2008;2:67-75.

12. https://www.civilica.com/Paper-NCWC02-NCWC02_337.html

ندارد.