مدل‌سازی حذف مس از محیط آبی توسط خاک اره صنوبر (Populus nigra) با استفاده از طرح مرکب مرکزی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار گروه علوم خاک دانشگاه ارومیه

چکیده

سابقه و هدف : آزاد شدن فلزات سنگین در محیط زیست و به ویژه به منابع آب از نگرانی‌های مهم زیست‌محیطی در سال‌های اخیر است. مس به عنوان یکی از فلزات سنگین پرکاربرد در فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی، سهم مهمی در آلودگی منابع آب سطحی و زیززمینی دارد. از این رو حذف مس از محیط آبی به عنوان یک چالش مهم در پالایش منابع آب محسوب می‌شود. خاک اره به عنوان یک جاذب طبیعی ارزان و در دسترس برای فلزات سنگین محسوب می‌شود، که می‌تواند فلزات سنگین از جمله مس را از محیط‌های آبی حذف نماید. بنابراین هدف از مطالعه‌ی حاضر مدل‌سازی کمی حذف مس از محیط آبی و تعیین نقش پارامترهای تاثیر‌گذار بر کارایی حذف مس شامل pH، غلظت مس، مقدار خاک اره و زمان تماس بود.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش از خاک اره صنوبر با دامنه‌ی اندازه‌ی 600-250 میکرومتر به عنوان یک جاذب طبیعی در دسترس استفاده شد. قبل از انجام آزمایش‌ها، خاک اره با استفاده از آب مقطر شسته شده و در دمای آزمایشگاه خشک شد. آزمایش‌های جذب مس در شرایط بسته براساس طرح مرکب مرکزی و با دامنه‌ای از غلظت‌های اولیه مس برابر با 25-1 میلی‌گرم بر لیتر انجام شد. دامنه‌ی تغییرات برای سایر متغیر‌ها شامل pH، زمان تماس، مقدار خاک اره به ترتیب برابر 10-2، 185-5 دقیقه و 25-5 گرم بر لیتر بود. پس از اتمام هر آزمایش، غلظت مس باقیمانده در محلول با استفاده از دستگاه جذب اتمی اندازه‌گیری شده و درصد مس حذف شده از اختلاف بین غلظت اولیه و نهایی تعیین شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که مدل طرح مرکب مرکزی توانایی مطلوبی (907/0 = R2و %34/3 = RMSE) در پیش‌بینی حذف مس از محیط آبی را دارد. براساس تحلیل پارتو زمان تماس، مقدار خاک اره، pH و همچنین غلظت مس محیط به ترتیب بیشترین تاثیر را در قابلیت حذف مس از محیط آبی دارند. افزایش pH در محدوده‌ی 2 تا 7 سبب افزایش کارایی حذف مس شد. همچنین افزایش مقدار خاک اره و زمان تماس نیز نسبت مستقیم با مقدار جذب مس از محیط آبی داشت. در حالی که کارایی حذف با افزایش غلظت مس در محیط آبی کاهش یافت.
نتیجه‌گیری: خاک اره صنوبر به عنوان یک جاذب طبیعی مطلوب بوده و کارایی حذف آن به ویژه در غلظت‌های کم مس به بیش از 94 درصد(mgg-133/0) می-رسد. تغییر شرایط محیط از جمله تنظیم pH در محدوده‌ی 6 تا 7 سبب بهبود کارایی حذف مس می‌شود. با توجه به قیمت ارزان و در دسترس بودن خاک اره، استفاده از آن در فرآیند پالایش آب از فلزات سنگین به ویژه مس توصیه می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling of Copper removal from aqueous solution by Populus nigra sawdust using central composite design

نویسنده [English]

  • Farrokh Asadzadeh
چکیده [English]

Background and objectives: The release of heavy metals into the environment, especially to the water resources is one of the main environmental concerns of the last few years. Copper is a common heavy metal in agricultural and industrial activities which significantly contributes in the pollution of surface and ground water resources. Since copper is a widely used material, its removal from aqueous solutions is a main challenge in water purification. Sawdust as a cost effective and locally available bioadsorbent, is a promising material for the removal of heavy metals especially copper from aqueous solutions. The aim of this study was to quantitative modeling of the effects of pH, copper concentration, sawdust dosage, and contact time on the copper removal from aqueous solutions.
Materials and methods:In this study, the sawdust of Populus nigra withgrain size of 250-600‌μm, was used as a bioadsorbent for the removal of copper from synthetic aqueous solution. Sawdust sample was washed with distilled water and dried inthe laboratory conditions. The sorption of copper on sawdust has been studied by using the batch technique. The central composite design was carried out with aqueous solution of copper with various concentrations ranging from 1-25 mgl-1. The range of variation for the other variables including pH, sawdust dosage and contact time are 2-10, 5-25 gl-1, and 5-185 minutes, respectively. At the end of the each experiment, the equilibrium concentration of the copper was determined by atomic adsorption spectrometer and the removal percentage of the copper was calculated from the difference between the initial and equilibrium concentrations.
Results:The results of the central composite design model demonstrated the high efficiency (R2= 0.907 and RMSE=3.34%) of the predictive model for copper removal by sawdust. Pareto analysis of the central composite design model indicated that, among four variables, contact time, sawdust dosage, pH and initial copper concentrationshave the highest effects on the copper removal respectively.Increasing of the pH at the range of 2 to 7, leads to the increase of the copper removal. The copper removal was also increased at high contact times and sawdust dosages.There was a negative relationship between the initial copper concentration and the removal percentage of the copper.
Conclusion: It has been demonstrated that the Populus nigra sawdust can be considered as a suitable bioadsorbent of heavy metals. The efficiency of the copper removal by sawdust may be reach up to the 94 percent especially at low initial concentrations of the copper. Adjustment of the pH of the solution at the range of 6 to 7 leads to the high efficiency of copper removal by sawdust. Considering the low cost and availability of sawdust, it can be recommended as a bioadsorbent for purification of water resources from copper pollution.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water pollution
  • Heavy metals
  • Bioadsorbent
  • Modeling