مطالعه ایزوترمی و سینتیکی و ترمودینامیکی جذب بیس فنل از محیط های آبی با استفاده از جاذب گرافین اکساید

برای دست‌‌یابی یه توسعه پایدار, توجه به مدیریت محیط‌زیست اجتناب‌‌پذیر است و یکی از مسائل مهمی که سلامت محیط را تهدید می‌کند ترکیبات مقاوم و سمی می‌باشند که از طریق فاضلاب‌های صنعتی وارد محیط‌زیست می‌گردند(1).یکی از نتایج توسعه سریع صنایع تولید حجم زیاد فاضلاب و در نتیجه آلوده شدن منابع آبهای سطحی و زیر زمینی به مواد شیمیایی آلی و غیر‌آلی مختلفی از قبیل ترکیبات‌فنلی, رنگ‌ها و فلزات‌سنگین است(2, 3). در این میان بیس‌فنل  A یا 2-2 بیس پروپان (4 هیدروکسی فنیل) که به عنوان یک آلاینده سمی و زیست محیطی مطرح می باشد و ممکن است در دوزهای پایین نیز خطرناک باشد(4). برخی از عوارض در معرض قرارگیری با بیس‌فنل، کاهش اسپرم، سرطان پستان، سرطان پروستات و کاهش باروری می‌باشد(5, 6). باتوجه به افزایش استفاده از محصولات ساخته شده از بیس فنل(BPA) احتمال آلودگی محیط زیست توسط BPA را افزایش داده است(7). به طور کلی، غلظت BPA در آبهای سطحی از 05/0تا 1/0 گرم در لیتر متفاوت است ولی در برخی رودخانه ها به علت ورود فاضلاب های صنعتی تا حد 4/0 گرم در لیتر بالا می باشد(5, 8). بیش از یک میلیون تن از بیس فنل A سالانه در جهان تولید می‌شود که حدود 5/0 میلیون تن آن در اروپا می باشد(9). با توجه به این که این و کاهش و حذف بیولوژیکی آن مشکل می‌باشد، لذا استانداردهای سخت‌گیرانه‍ای برای تخلیه مواد فنل‌دار به محیط‌زیست در نظرگرفته شده است. لذا پیروکتکول در طبقه‌بندی آلاینده دارای اولویت و خطرناک در آژانس بین‌الملی تحقیقات سرطان (IARC) و در فهرست سازمان حفاظت محیط‌زیست آمریکا معرفی شده است(10).

با توجه به موارد بالا حذف این ترکیب و کاهش بیس فنل و پریکتیکول از محیط آبی ضروری است. در طی دو دهه اخیر تحقیقات زیادی در ارتباط با جذب مواد‌آلی با قابلیت تجزیه‌پذیری پایین صورت گرفته است. هدف اصلی این تحقیقات، تشخیص یک ماده جاذب موثر و ارزان قیمت جهت حذفآلاینده‌های‌آلی از محلول‌های آبی است. فرایندهای متداول حذف ترکیبات فنلی شامل جذب‌سطحی اکسیداسیون مرطوب با پراکسید، اکسیداسیون مرطوب با هوا، ازن‌زنی، روش‌های الکتروشیمیایی، پرتودهی و غیره می‌باشد(11-14) که غالب این روش‌ها دارای معایبی نظیر هزینه بالای تصفیه، نیاز به تصفیه اضافی، تشکیل فرآورده های جانبی خطرناک(15-17)، راندمان پایین و قابلیت کاربرد برای غلظت های محدودی از آلاینده‌ها می‌باشد(18). در میان فرآیندهای فیزیکوشیمیایی تکنولوژی جذب بطور وسیعی در چند سال اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است و فرایندی است که طی آن مولکولهای ماده جذب‌شوتده موجود در یک محلول به سمت سطوح داخلی یک ماده جذب شونده کشیده‌شده و تجمع می‌یابند(19-21). کربن‌فعال متداول‌ترین و یکی از ابتدائی‌ترین جاذب‌ها برای جذب می‌باشد و توانایی بالایی در جذب آلاینده‌های آلی دارد ولی بخاطر وجود معایبی مانند هزینه بالای تهیه آن و نیاز به صرف هزینه بالا جهت احیاء آن تلاش شده است(22-25) که از جاذب‌های طبیعی و ارزان ‌قیمت با کارایی بالا مثل بنتونیت، چیتوزان، خاک ‌اره، خاکستر، چوب، کاه، سبوس‌ برنج، پوست‌ نارگیل، خاک‌ رس, پوست ‌تخم‌مرغ و .... بجای کربن‌فعال استفاده شود(26, 27).

با توجه به بررسی منابع علمی مشخص شد که تاکنون در زمینه جذب بیس‌فنل با استفاده از گرافین اکساید مطالعه‌ای صورت نگرفته است بنابراین اهداف اصلی این تحقیق بررسی زمان تماس،  pH، غلظت اولیه بیس‌فنل، دزجاذب و دما بر روی کارایی حذف بیس‌فنل و انجام مطالعات ایزوترمی، سنتیکی و ترمودینامیکی جذب‌سطحی می‌باشد

در بررسی که تحت عنوان کاربرد بنتونیت برای حذف فنل  از محلولهای آبی توسط بانات انجام گرفته است نتایج حاصله نشان دهنده آن است که تمام آزمایشات ابتدا در PH  بین 2 تا 10 و دما بین 20 تا 55 درجه سانتی گراد انجام شده است و مشاهده شده است که ماکزیمم جذب فنل در PH برابر با 2.5 اتفاق می افتد و دما بهینه برای جذب حدود 35درجه سانتی گراد می باشد ودر PH بالای 2.5 میزان جذب به طور قابل توجهی کاهش می یابد و میزان جذب بیشتر با مدل جذب لانگمیر با    R2برابر با 995/0 مطابقت دارد.و بیشترین جذب برابر با 83.33 میلی گرم به ازای هر گرم جاذب می باشد. همچنین با افزایش مقدار اولیه فنل میزان کلی جذب توسط گیاه افزایش می یابد ولی در کل درصد جذب کاهش پیدا می کند(25). 

در بررسی که تحت عنوان کاربرد آزولا برای جذب فنل از محلولهای آبی توسط ززولی و همکاران انجام گرفته است نتایج  حاصله نشان دهنده آن است که بهترین PH برای جذب در بین 6 تا 7 قرار دارد در حالیکه بهترین PH برای حذف فنل در دیگر مطالعات نیز در محدوده  5 قرار دارد و میزان جذب بیشتر با مدل جذب لانگمیر با  R2برابر با 997/0  مطابقت دارد. همچنین با افزایش مقدار اولیه فنل میزان کلی جذب توسط جاذب افزایش می یابد ولی در کل در صد جذب کاهش پیدا می کند. برای مثال با افزایش غلظت فنل از 10 تا 1000میلی گرم در لیتر درصد جذب از 2 به 109 میلی گرم به ازای هر گرم جاذب افزایش می یابد ولی درصد حذف از 81.7 تا 43.6 % کاهش می یابد(28).

در بررسی دیگری که تحت عنوان جذب فنل بوسیله کربن فعال از محلولهای آبی  صورت گرفته است نتایج حاصله نشان دهنده آن است میزان حذف 79.3% در غلظت 100 میلی گرم در لیتر می باشد آزمایشات در  PH بین 2 تا 10 انجام شد و در PH بین 2 تا 4 میزان کاهش کم و از 4 به بالا با کاهش زیاد مواجه می باشد بنابراین بهترین PH برای حذف 2 می باشد و بالاترین میزان حذف 95%  در این مقدار بدست آمده است همچنین نتایج نشان می دهد که با افزایش غلظت بیومس از 5/0 به  5  گرم در لیتر  درصد حذف از 69 درصد به 94 درصد میرسد درحالیکه مقدار جذب از 138.37 میلی گرم به ازای هر گرم جاذب به 3.77 می رسد. همچنین با افزایش غلظت اولیه فنل میزان جذب به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد درحالیکه میزان درصد حذف تغییر زیادی ندارد و کاهش کمی نیز در صد حذف مشاهده می شود. برای مثال افزایش غلظت اولیه فنل از 10 به 1000میلی گرم درلیتر باعث افزایش میزان جذب از 10 به 180  میلیگرم به ازای هر گرم جاذب می شود درحالیکه درصد حذف از 90 درصد به 80 درصد میرسد(21).

در بررسی که تحت عنوان کاربرد پوسته چغندر برای حذف فنل از محلولهای آبی توسط Gulbeyi انجام گرفته است نتایج حاصله نشان دهنده آن است که تمام آزمایشات ابتدا در PH  بین 3 تا 11 و دما بین 15 تا 50 درجه سانتی گراد انجام شده است و مشاهده شده است که ماکزیمم جذب فنل در PH برابر با 6 اتفاق می افتد و دما بهینه برای جذب حدود 40 درجه سانتی گراد می باشد و در PH بالای و پایین 6 میزان جذب به طور قابل توجهی کاهش می یابد و میزان جذب بیشتر با مدل جذب تکمین با    R2برابر با 985/0 مطابقت دارد. همچنین با افزایش مقدار اولیه فنل میزان کلی جذب توسط جاذب افزایش می‌یابد ولی در کل درصد جذب کاهش پیدا می کند(29).

در بررسی دیگری که تحت عنوان جذب کتیکول بوسیله کربن فعال تجاری انجام شده است نتایج  حاصله نشان دهنده آن است که ماکزیمم حذف در2 PH=  برابر با 28/116  میلی گرم به ازای هر گرم جاذب خواهد بود که با مدل لانگمیر مطابقت می کند همچنین نشان داده شده است که با افزایش غلظت کتکول میزان جذب توسط جادب افزایش پیدا می کند و غلظت مورد آزمایش از 10 تا 100 میلی گرم در لیتر متغیر می باشد و بیشترین مفدار جذب در غلظت 100 میلی گرم اتفاق می افتد همچنین نتایج نشان می دهد که با افزایش غلظت جاذب از 5/0 به 5  گرم در لیتر  درصد حذف از 54 درصد به 99 درصد میرسد درحالیکه مقدار جذب از 117.47 میلی گرم به ازای هر گرم جاذب به 4.13 می رسد(13).

 در صد حذف بیس فنل با جاذب گرافین اکساید در زمان تماس های مختلف  چگونه است؟

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در غلظت های مختلف آلاینده چگونه است؟

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در دوزهای مختلف جاذب چگونه است؟

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در pH  های مختلف چگونه است؟

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در دماهای مختلف چگونه است؟

بررسی ایزوترمی و سینتیکی و ترمودینامیمکی جذب بیس فنل از محیط های آبی با استفاده از جاذب گرافین اکساید

 در صد حذف بیس فنل با جاذب گرافین اکساید در زمان تماس های مختلف  

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در غلظت های مختلف آلاینده 

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در دوزهای مختلف جاذب 

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در pH  های مختلف 

 در صد حذف بیس فنل با استفاده از جاذب گرافین اکساید در دماهای مختلف 

وزارت نیرو-شرکت آب و فاضلاب

بیس فنل:   بیس‌فنل  A یا 2-2 بیس پروپان (4 هیدروکسی فنیل) که به عنوان یک آلاینده سمی و زیست محیطی مطرح می باشد یکی از ترکیبات فنلی می باشد

تجربی -آزمایشگاهیی

محلول سنتتیک حاوی غلظت های مختلف  بیس فنل که از محلول استوک ساخته شده (غلظت مشخص بیس فنل  و حجم مشخصی از آب مقطر )

پس از انجام فرایند در هر مرحله، نمونه‌های حاصل مورد آزمایش قرار خواهد گرفت و مقدار بیس فنل باقیمانده بر حسب خود آلاینده  بدست خواهد آمد. در نهایت نمودار های مربوطه بر حسب درصد حذف یا ظرفیت جذب جاذب رسم خواهد شد

روش نمونه برداری بصورت غیر احتمالی در دسترس می باشد که بعد از انجام فرایند، نمونه ها برداشته شده و پس از آماده سازی غلظت بیس فنل با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه‌گیری خواهد شد.

جاذب گرافین اکساید بدست آمده تحت آزمایشهای جذب نیتروژن در دمای K77 به منظور تعیین سطح آزاد به روش BET قرار خواهند گرفت. این عمل توسط دستگاه ASAP 2000 ساخت کمپانی Micromeritics انجام می شود. آزمایشهای اندازه گیری عدد یدی بر اساس استاندارد ASTM-D4607 به انجام خواهد شد. همچنین از نمونه ماده خام و نیز برخی از  محصولات بدست آمده، تصاویری توسط میکروسکپ الکترونی SEM-360ساخت کمپانی Cambridge تهیه خواهد شد تا ساختمان محصولات بدست آمده مورد بررسی دقیقتر قرار گیرد.

یکی از مهمترین ویژگیهای هر جاذب Point of zero charge (PZC) pH_pzc  می‌باشد که در این آزمایش تعیین خواهد شد  برای تعیین pH_pzc از محلول نمک طعام 01/0 مولار به عنوان الکترولیت و از محلول‌های سود و اسید کلریدریک 1/0 مولار به عنوان عوامل کنترل‌کننده استفاده خواهد شد. مقدار 30 میلی لیتر ( درهر ارلن) از محلول الکترولیت در 8 عدد ارلن 50 میلی‌لیتری ریخته خواهد شد و pH  محلول ها در محدوده 2 تا 12 با استفاده از اسید و سود تنظیم خواهد گردید. میزان 5/0 گرم از گرافین اکساید در هر کدام از ارلن‌ها اضافه خواهد  و به مدت 48 ساعت ارلن‌ها بر روی شیکر با سرعت 120 دور در دقیقه قرار داده خواهند شد و بعد از سپری شدن زمان فوق، pH نهایی محتویات ارلن‌ها بعد از عبور از صافی قرائت می گردد

آماده‌سازی محلول آبی: در این مطالعه محلول استوک1000 میلی گرم در لیتر بیس‌فنل با انحلال ا گرم از بیس‌فنل در یک لیتر آب دو بار تقطیر تهیه خواهد شد. سپس محلول‌های نمونه به حجم 100 میلی‌لیتر و دارای غلظت‌های مشخص بیس‌فنل از طریق رقیق‌کردن محلول استوک در ارلن های 100 لیتری آماده می شود. جهت تنظیم  pHاز محلول اسید کلریدریک و هیدروکسید سدیم 1/0 نرمال استفاده خواهد شد.

روش انجام آزمایشات: این مطالعه تجربی بوده و به صورت ناپیوسته در ارلن هایی به حجم 100 میلی بر روی شیکر انجام می شود .آزمایشات بصورت ناپیوسته و با تغییر  فاکتور زمان تماس،  pH (3-11) ، غلظت اولیه بیس‌فنل (میلی‌گرم در لیتر) و دز جاذب و دما 10 تا 50 درجه ‌سانتی‌گراد صورت خواهد  گرفت. به منظور تعیین زمان تماس بر میزان ظرفیت جذب، مقدار 5/0 گرم جاذب را در 100 میلی‌لیتر محلول بیس‌فنل با غلظت 25 میلی‌گرم در لیتر و pH برابر با 7 ، دما 30 سانتی‌گراد قرار داده خواهد شد  سپس نمونه‌ها بر روی شیکر گذاشته و سرعت اختلاط (180 دور در دقیقه) تنظیم خواهد شد و در زمان تماس‌های مختلف موردنظر، نمونه از روی شیکر برداشته شده و صاف سازی خواهد شد. نمونه صاف شده جهت سنجش مقدار بیس‌فنل باقی مانده مورد استفاده قرار گرفت. تمام مراحل آزمایش جهت حصول اطمینان از صحت و دقت نتایج در دو مرحله انجام شد. بنابراین تعداد نمونه‌های مورد نظر با توجه به بهینه بودن پارامترها و تکرار آزمایشات تعیین خواهد شد.

در نهایت میزان جذب و راندمان جذب با استفاده از روابط 1و 2 تعیین شد. در این رابطه R راندمان q_e ظرفیت جذب بر حسب میلی‌گرم به ازای هر گرم جاذب،C₀  غلظت اولیه کروم برحسب میلی‌گرم در لیتر، C_e غلظت کروم در زمانt  برحسب میلی‌گرم در لیتر،M  جرم جاذب برحسب گرم، V حجم نمونه برحسب لیتر می‌باشد(33).

R= (Co-Ce)× 100Co                           1

qe = (Co-Ce)× VM

با استفاده از نرم افزار EXCEL یا SPSS نمودارهای مربوطه بر حسب درصد حذف بیس فنل و پریکتیکول  و ظرفیت جذب جاذب رسم خواهد شد.

در این طرح کد شماره 9  دفترچه   راهنمای عمومی اخلاق در پژوهش‌های علوم پزشکی دارای آزمودنی انسانی که مربوط به حفاظت از محیط زیست می باشد رعایت خواهد شد همچنین کدهای شماره  11 و 30 و 31 مربوط به ائین نامه اخلاقی پژوهش مروبط به همین راهنمای عمومی اخلاق در پژوهش‌های علوم پزشکی دارای آزمودنی انسانی رعایت خواهد شد.

محدودیت اجرایی ندارد

ایزوترمی-سینتیکی-ترمودینامیکی- بیس فنل- گرافین اکساید

1.  Mesdaghinia AR, Farrokhi M, Nasseri S, Yazdanbakhsh AR. Biodegradation enhancement of 2,4,6 tri. chlorophenol by fentons oxidation process. 2004;7(2):33-42.

2.  Senturk HB, Ozdes D, Gundogdu A, Duran C, Soylak M. Removal of phenol from aqueous solutions by adsorption onto organomodified Tirebolu bentonite: equilibrium, kinetic and thermodynamic study. Hazardous Materials. 2009;172(1):353-62.

3.   Khosravi R, Moussavi GR, Mohammadi SR. Removal of High Concentration of Phenol from Synthetic Solutions by Fusarium Culmorum Granules. Iranian Journal of Health and Environment. 2011;4(4):451-60.

4.  Brugnera MF, Rajeshwar K, Cardoso JC, Zanoni M,. Boldrin V. Bisphenol A removal from wastewater using self-organized TIO2 nanotubular array electrodes. Chemosphere. 2010;78(5):569-75.

5.   Zazouli MA, Balarak D, Mahdavi Y, Barafrashtehpour M, Ebrahimi M. Adsorption of Bisphenol from Industrial Wastewater by Modified Red Mud. Journal of Health & Development. 2013;2(1):1-11.

6. Neamt M,  Frimme FH.  Degradation of endocrine disrupting bisphenol A by 254nm irradiation in different water matrices and effect on yeast cells  Water research. 2006;40:3745 – 50.

7. Tanaka S, Kuramitz H, YNakata, MKawasaki. Electrochemical Oxidation Of Bisphenol A. Application To The Removal Of Bisphenol A Using  a Carbon Fiber Electrode. Chemosphere. 2001;45:37-43.

8. Andreescu S, Ispas CR, Ravalli MT, Steere A. Multifunctional biomagnetic capsules for easy removal of phenol and bisphenol A. Water research 2010;44:1961-9.

9. Yoon Y,  Park Y, Heo J, Joseph  L; Adsorption of bisphenol A and ethinyl estradiol on single walled carbon nanotubes from seawater and brackish water;. Desalination. 2011;281:68-74.

Cohen SH, Belinky PA, Hadar Y, Carlos G. Dosoretz D.Characterization of catechol derivative removal by lignin peroxidase in aqueous mixture. Bioresource Technology.2009; 100;2247–2253.

10. Schweigert, N, Zehnder, AJB, Eggen, RIL: Chemical properties of catechols and their molecular modes of toxic action in cells, from microorganisms to mammals. Environ. Microbiol.2001; 3, 81–91.

11. Suresh S, SrivastavaVC, Mishra IM. Adsorption of catechol, resorcinol, hydroquinone, and their derivatives: a review.International Journal of Energy and Environmental Engineering; 2012,32(3);1-19.

12. Cohena S, Belinky PA, Hadar Y, Dosoretz CG. Characterization of catechol derivative removal by lignin peroxidase in aqueous mixture. Bioresource Technology2009;100(7);2247–2253.

13. Kumar, A, Kumar, S, Kumar, S: Adsorption of resorcinol and catechol on activated carbon: equilibrium and kinetics. Carbon. 2003; 41, 3015–3025.

14. Namasivayam C,  Sumithra S. Adsorptive Removal of Catechol on Waste Fe(III)/Cr(III) Hydroxide:  Equilibrium and Kinetics Study. Ind Eng Chem Res, 2004, 43 (23), 7581–7587.

15.  Mandal A, Ojha K, De  AK. Removal of Catechol from Aqueous Solution by Advanced Photo-oxidation Process. Chemical engineering journal .2004;102(2):203-208 

16.  Sadler A, Subrahmanyam VV, Ross D.Oxidation of catechol by horseradish peroxidase and human leukocyte peroxidase: reactions of o-benzoquinone and o-benzosemiquinone. Toxicol Appl Pharmacol1988; 93(1):62-71.

17.  Shakir K, Ghoneimy HF, Elkafrawy AF, Beheir SHG,Refaat M. Removal of catechol from aqueous solutions by adsorption onto organophilic-bentonite.Journal of Hazardous Materials.2008; 150; 765–773.

18.  Jadhav DN, Vangara AK. Removal of phenol from waste water using sawdust, polymerized sawdust and carbon sawdust, Indian Journal of Chemical Technologie;2004: 11-35-41.

19.  Laxmi Gayatri S, Ahmaruzzaman MD. Adsorption technique for the removal of phenolic compounds from wastewater using low-cost natural adsorbents, Physical Sciences and Technology;2010;  5 ;156-166.

20.  Sarkar M, Acharya PK. Use of fly ash for the removal of phenol and its analogues from contaminated water. Waste Management. 2006;26:559-70.

21.   Zogorski JSM, Faust SD, Haas JH. The kinetics of adsorption of phenols by granular activated carbon. J. Colloid Interface Sci.2006: 55 (2), 329–341.

22.  Mohanty K, Das D, Biswas MN. Adsorption of phenol from aqueous solutions using activated carbons prepared from Tectonangrandis sawdust by ZnCl2 activation. Chemical Engineering. 2005;115:121–31.

23.  Aksu Z, Yener J.A comparative adsorption/biosorption study of monochlorinated phenols onto various sorbents. Waste Manag.2004; 21, 695–702.

24.   Lin S-H, Juang R-S. Adsorption of phenol and its derivatives from water using synthetic resins and low-cost natural adsorbents: A review. Journal of Environmental Management 2009;90:1336-49.

25.   Banat FA, Al-Bashir B, Al-Asheh S. Adsorption of phenol by bentonite. Environmental pollution. 2000;107(3):391-8.

26.  Hobday MD, Li PH, Crewdson DM, Bhargava SK. The use of low rank coal-based adsorbents for the removal of nitrophenol from aqueous solution. Fuel;1994: 73, 1848–1854.

27. Diyanati RA, Yazdani J, Belarak D. Effect of sorbitol on phenol removal rate by lemna minor. Mazandaran university of medical science. 2013;22(2):58-64.

28.  Diyanati RA, Yousefi Z, Cherati JY, Balarak D. The ability of Azolla and lemna minor biomass for  adsorption of phenol   from aqueous solutions. Journal of  Mazandaran University Medical Science. 2013;23(106):21-8.

29.   Gulbeyi D, Cicek H, Dursun AY. Adsorption of phenol from aqueous solution by using carbonised beet pulp. Journal of Hazardous Materials; 2013; 125(1-3): 175-82

ندارد