بررسی روش‌های بیوجذب فلزات سنگین کروم و کادمیوم از پساب های صنعتی با استفاده از زائدات کشاورزی ( مطالعه مروری)

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی مهندسی بهداشت محیط،

2 دانشجوی کارشناسی مهندسی بهداشت محیط دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد

3 استادیار و عضو هیات علمی گروه مهندسی بهداشت محیط ،دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، ایران

4 استادیار و عضو هیات علمی گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مازندران، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: فلزات سنگین ا زجمله کروم و کادمیوم رایجترین آلاینده هایی هستندکه معمولاًدرغلظت های بالا درفاضلاب صنایع یافت می شوندوموجب آسیب به محیطهای آبی وبه مخاطره افتادن سلامت موجودات زنده به خصوص انسان میگردند. روش های متداول حذف این فلزات به دلیل هزینه بالا، نیاز مبرمی به توسعه روش‌های جدید، ارزان قیمت و اقتصادی ایجاب می نماید. درسالهای اخیراستفاده ازجاذبهای ارزان قیمت موردتوجه بسیاری ازمحققین قرارگرفته است.این بیوجاذب ها عمدتاً از مواد زائد حاصل از فعالیت های صنعتی و به خصوص کشاورزی تهیه می‌شوند. این پژوهش با هدف تعیین روش ها و  انواع ضایعات کشاورزی به عنوان پتانسیل های جذب در جداسازی فلزات سنگین کروم و کادمیوم از پساب های صنعتی به بیان مزایا و معایب و میزان راندمان حذف بدست آمده در پژوهش های انجام شده قبلی، صورت گرفته است.
مواد و روش ها:    این مطالعه از نوع مرور منابع(Review Article) بوده و بااستفادهازکلماتکلیدی Biosorption ، adsorption، biodegradation،Heavy metal ، Chromium، Cadmium مقالات مرتبط در پایگاه های اینترنتی science direct، google scholar، madscape، iranmedex، SID، جستجو شد و در مجموع تمامی 50 مقالهیافت شده بین سالهای 1997 تا 2011  در تهیه این مقاله استفاده شد.
یافته ها: مطالعات متعددی در مورد استفاده از ضایعات کشاورزی در حذف فلزات سنگین کروم و کادمیوم انجام شده که می توان به استفاده از  سبوس برنج، شلتوک برنج، پوست موز، پوست پرتقال، پوست سیب، پوست فندق، پوست گردو، برگ و پوست درختان، جوهر درخت بلوط، تفاله، نیشکر، ذرت، سبوس گندم، خاک اره، پوست بادام زمینی، ساقه آفتابگردان، ساقه انگور، یونجه، خردل، گل اقاقیا و غیره اشاره نمود.
بحث و نتیجه گیری: بیوجاذب های حاصل مواد زائد کشوارزی هزینه بسیار پایینی داشته و در دسترس و تجدید پذیر می‌باشند. در برخی از مطالعات اصلاح این جاذب ها می تواند باعث افزایش راندمان آن‌ها گردد. در بیشتر این پژوهش ها در مورد بیوجذب یون کروم با افزایش pH، افزایش زمان ماند و افزایش دوز مواد جاذب میزان جذب افزایش یافته، در صورتی که در مورد بیوجذب یون کادمیوم با افزایش pH به حدود pH، 8، وافزایش زمان ماند و دوز ماده جاذب افزایش می یابد و در هر دو مورد pH به عنوان یک عامل تعیین کننده در میزان جذب مطرح می باشد. در زمینه حذف کروم موادی مانند خاک اره درخت راجی، پوست برنج، زائدات چای، تفاله نیشکر . پوست درخت اکالیپتوس بیشترین میزان حذف را داشته‌اند (حذف بالای %90). و در مورد حذف فلز کادمیوم گرانول مرجان آهکی، پوست برنج، ساقه ذرت، خاک اره و بیومس گیاه رازیانه بالاترین میزان حذف این فلز را به خود اختصاص داده اند.
 

کلیدواژه‌ها


مقدمه

فلزات سنگین ازجمله رایجترین آلایندههایی هستندکه معمولادرغلظتهای بالادرفاضلاب صنایع یافت میشوندوموجب آسیب به محیطهای آبی وبه مخاطره افتادن سلامت موجودات زنده به خصوص انسان میگردند(1). امروزه یکی از مهمترین مسایل زیست محیطی، تصفیه فاضلاب های صنعتی است که شامل فلزات سنگین نظیر سرب، مس، کروم، کادمیوم، نیکل، آهن، روی، آرسنیک، منگنز و جیوه می باشد(2-4). که این آلاینده ها در فاضلاب صنایع آبکاری، چرم سازی، دباغی، ریخته گری، عکاسی، الکترونیک، کاغذسازی، معدن، پلاستیک، تولید کود و مواد شیمیایی وجود دارند(5). چندین حادثه در زمینه آلودگی منابع سطحی به فلزات سنگین گزارش شده است به عنوان مثال بیماری " ایتای ایتای" که مربوط به آلودگی کادمیوم در رودخانه جینسو ژاپن بوده است(6, 7). این فلزات به صورت محلول در آب و خاک وارد شده و باعث آلودگی آب های سطحی و زیر زمینی و خاک می شوند(4). همچنین سبب بر هم زدن اکوسیستم هایی که به آن وارد می‌شوند، می‌گردند(4). انتشار فلزات سنگین در محیط زیست که با توسعه صنعتی و افزایش جمعیت توام می باشد یکی از مشکلات زیست محیطی در بسیاری از کشورها می باشد(8). فلزات سنگین می توانند در بدن موجودات زنده تجمع نموده و موجبات بیماریها و ناتوانی های مختلف را فراهم آورند. این فلزات قابل تجزیه زیستی نبوده و اثرات سمی آن ها در بدن موجودات زنده مزمن می باشد(8).

 انسان در 50 سال اخیر به طور فزاینده‌ای در معرض فلزات سنگین قرار گرفته است(2). فلزات سنگین منتشر شده در محیط وارد خاک شده و سپس وارد زنجیره غذایی انسان می گردند(4). به طور عام، فلزات سنگین سم های سیستمیک بوده با اثر اختصاصی روی اعصاب، کلیه، جنین و سرطان زایی می توانند سبب مرگ و میر شوند(2). فلزات سنگین با ایجاد اختلال در سیستم ذهنی و عصبی بدن و تحت تاثیر قرار دادن نوروترانس میتورها و همچنین اثرات قلبی و عروقی و اثر روی سیستم ایمنی و تولید مثل رفتار انسان ها را تحت تاثیر قرار می دهد(2). براساس قوانین و استانداردهای ملی و بین المللی حدمجازی برای تخلیه پساب صنایع حاوی فلزات سنگین به محیط های آبی مطرح شده است، در صورتیکه پساب صنعتی با غلظت بالاتر از این حدود وارد محیط شود سبب بروز  آسیب ها و خطراتی برای سلامت انسان و محیط می شود ( جدول 1). در این مطالعه پیرامون حذف کروم و کادمیوم بحث می گردد. کروم  ازجملهفلزات سنگینمیباشدکهدرپسابهایصنعتیازقبیل فرآوریفلزات،صنایعآبکاری،نساجی،چرمسازیوکودسازییافتمیشود. تجمعکرومدربافتهای حیوانیوگیاهیمیتواندسبببروزمخاطراتجدی گردد. کرومباعثایجاداختلالدرکارکبد،کلیهوریه سرطانزایی می شود(9). کادمیوم یکی از فلزات سنگین خطرناک محسوب می شود. کادمیوم و ترکیبات آن بسیار سمی هستند و از عوارض نامطلوب حضور آن در بدن می توان به اسهال، شکم درد و استفراغ شدید، شکستگی استخوان، عقیم شدن، آسیب به سیستم عصبی مرکزی، آسیب به سیستم ایمنی، ناهنجاری های روانی و آسیب احتمالی به DNA و سرطان اشاره کرد(9, 10). کادمیوم در بدن انسان اثر تجمع در کلیه دارد(10). بیشترینمصرفکادمیوم(50 درصد)در صنایعآبکاریوسپسمصرفآندرآلیاژهایکادمیوممیباشد(1) .

پژوهش های متعددی در زمینه حذف و پاکسازی فلزات سنگین کروم و کادمیوم از پساب های صنعتی و محیط های آبی صورت گرفته است. و تکنیکهایمختلفیبرایکاهشمقداریونهای فلزیازفاضلابهامطرح شده است. روش های متداول حذف این فلزات شامل روش های تبادل یونی، اکسایش و کاهش شیمیایی، اسمز معکوس، ترسیب شیمیایی، الکترو دیالیز، و غیره می باشد(3). هرکدامازآنهادارایمزایاو مضراتیبراساسسادگی،انعطافپذیری،مؤثربودنفرایندها،قیمت، مشکلاتتکنیکیونگهداریمیباشند(3). به دلیل هزینه بالای روش های متداول حذف فلزات سنگین نیاز مبرمی به توسعه روشی جدید، ارزان قیمت و اقتصادی ایجاد گردید(8, 11). برای پاسخگویی به این نیاز در سال های اخیر مطالعات در زمینه بیوجذب (Biosorption)  شدت گرفته است(1). مزایا و معایب روش های متداول حذف فلزات سنگین کروم و کادمیوم در جدول 2 آمده است.

 

جدول 1: حد مجاز و اثرات مضر بر روی سلامت فلزات سنگین مختلف

 

 

 

نوع   آلاینده

حد مجاز برای تخلیه پساب صنعتی   استاندارد  (mg/l)

 

حدمجاز   بین‌المللی(                                                                       )

 

اثرات مضر

تخلیهآبهایسطحی

تخلیهبهچاه

جاذب

مصارفکشاورزیو

آبیاری

WHO

USEPA

کادمیوم

Cd

0.1

0.1

0.05

 

3

5

سرطان   زایی، سبب فیبروزیس کبدی، تنگی نفس و از دست دادن وزن

کروم

Cr6+

0.5

-

1

 

 

50

 

 

100

 

مشکوک   به سرطان زایی، ایجاد تومورهای ریوی، حساسیت پوستی

کروم

Cr3+

2

2

2

 

 

 

 

 

                                                  

 

جدول 2: مزایا و معایب برخی از روش های حذف فلزات از فاضلاب

روش

مزایا

معایب

  •   ترسیب   شیمیایی

 

  •   ساده
  •   ارزان
  •   حذف بیشتر   فلزات
  •   مقدار لجن   تولید شده زیاد
  •   مشکلات دفع
  •   انعقاد   شیمیایی
  •   ته نشینی   لجن
  •   آبگیری
  •   هزینه بالا
  •   مصرف بالای   مواد شیمیایی
  •   تبادل یونی
  •   روشهای   احیای بالا
  •   حذف   انتخابی فلزات
  •   هزینه بالا
  •   تعداد یون   های فلزی کمی حذف شده اند
  •   روشهای   الکتروشیمیایی
  •   حذف   انتخابی فلزات
  •   عدم مصرف   مواد شیمیایی
  •   به دست   آوردن فلزات خالص
  •   هزینه   سرمایه گذاری بالا
  •   هزینه راه   اندازی بالا
  •   محلول pH اولیه و غلظت جریان
  •   جذب به وسیله   کربن فعال
  •   حذف بیشتر   فلزات
  •   کارایی   بالا (بیشتر از 99 درصد)
  •   هزینه کربن   فعال
  •   عدم نیاز   به احیا
  •   وابستگی   عملکرد به جاذب
  •   استفاده از   زئولیت های طبیعی
  •   حذف بیشتر   فلزات
  •   روش های   نسبتاً کم هزینه
  •   کارایی   پایین
  •   فرآیندهای   غشایی و الترافیلتراسیون
  •   تولید مواد   زائد جامد کم
  •   مصرف مواد   شیمیایی کم
  •   کارایی   بالا (بالاتر از 95 درصد برای فلزات به تنهایی)
  •   هزینه   اولیه و هزینه راه اندازی
  •   کاهش درصد   حذف با حضور فلزات دیگر
 
     
     
     
     
     
     

 

 

مطالعاتمربوطبهجذبفلزاتسنگینبا استفادهازبقایایگیاهیعمدتاازدهه 1970 شروعشد(12). ازاواخردهه1990میلادیبودکهمطالعاتجذب بااستفادهازبقایایگیاهیشاهدتحولدیگریشد،به طوریکهبهجایاستفادهازروشفعالسازیفیزیکی زغالجاذب، ازفعالسازیشیمیایییااصلاحشیمیایی آناستفادهگردید(12). دراینروش،افزایشظرفیت جذبوکاهشزمانتعادل،هزینههایفعالسازیبه مراتبکمترازروشفعالسازیفیزیکیاست(12). یکیازجاذبهایپرکاربرددراینزمینهکربنفعالمیباشداماهزینهبالایمراحلفعالسازیوکمبودنقابلیتاحیا،کاربرداینمادهرادرمقیاسهایبزرگمحدودکردهاست،بهطوریکه صاحبانصنایعرغبتزیادیجهتتهیهواستفادهازآننشاننمی‌دهند .(9)درسالهایاخیراستفاده ازجاذبهایارزانقیمتموردتوجهبسیاریازمحققینقرارگرفتهاست(8).جاذبهاییکهبهفراوانی یافتشدهودردسترسباشندوهزینهآمادهسازیآنهاپایینباشد(8).

این جاذب ها عمدتاً از مواد زائد حاصل از فعالیت های صنعتی و به خصوص کشاورزی تهیه می شوند و بیشتر پایه سلولزی دارند.  از جلبک ها، مخمرها، کپک ها، توده های زیستی میکروبی و مواد زائد کشاورزی در حذف فلزات سنگین استفاده شده است.

مواد کشاورزی مخصوصاً آن هایی که دارای سلولز هستند پتانسیل بیوجذب فلزات را دارند(13). ترکیبات اصلی توده زیستی زائدات کشاورزی شامل همی سلولز، لیگنین، لیپیدها، پروتئین ها، قندهای ساده، نشاسته گروه های اصلی هستند که جداسازی فلزات سنگین را از محیط آبی آسان می نمایند(13).

مطالعات متعددی در مورد استفاده از ضایعات کشاورزی در حذف فلزات سنگین کروم و کادمیوم انجام شده است که می‌توان به استفاده از  سبوس برنج، شلتوک برنج، پوست موز، پوست پرتقال، پوست سیب، پوست فندق، پوست گردو، برگ و پوست درختان، جوهر درخت بلوط، تفاله، نیشکر، ذرت، سبوس گندم، خاک اره، پوست بادام زمینی، ساقه آفتابگردان، ساقه انگور، یونجه، خردل انجام شده است. در این پژوهش برآنیم تا با هدف تعیین روش استفاده از انواع ضایعات کشاورزی به عنوان پتانسیل های جذب در جداسازی فلزات سنگین کروم و کادمیوم از پساب های صنعتی به بیان مزایا و معایب و میزان راندمان حذف بدست آمده در پژوهش های قبلی انجام شده در این زمینه بپردازیم.

 مواد و روش ها

 این مطالعه از نوع مرور منابع(Review Article) بوده و بااستفادهازکلماتکلیدی Biosorption ، adsorption، biodegradation،Heavy metal ، Chromium، Cadmium مقالات مرتبط در پایگاه های اینترنتی science direct، google scholar، madscape، iranmedex، SID، جستجو شد و در مجموع تمامی 50 مقالهیافت شده بین سالهای 1997 تا 2011  در تهیه این مقاله استفاده شد.

یافته ها:

ابتدا به بررسی مدل های جذب و پارامترهای ترمودینامیکی جذب می پردازیم و سپس یافته های حاصل از این مطالعه را بیان می نماییم.

 

بررسی مدل های جذب:

مدل های جذب فیزیکی لانگمور و فروندلیچ دو مبنای متداول در حذف آلاینده ها محسوب می گردند.

 

3.1.1  مدل جذب لانگمویر(14):ایزوترم جذب لانگمویر یکی از قوانین معتبر فیزیکی در مورد جذب می باشد که در بسیاری از موارد صادق می باشد. برای جذب تک لایه ای روی سطوح با تعداد محدودی از موقعیت های جذب یکسان به کار می رود. رابطه آن به صورت زیر می باشد:

 

که در آن  مقدار آلاینده جذب شده بر حسب ( ) در هر لحظه،  حداکثر ظرفیت جذب به وسیله توده زیستی( )،  یا (b) ثابت تعادلی که به میزان تمایل جذب شونده به توده زیستی بستگی دارد. (Lmg-1) و  غلظت تعادلی آلاینده یا جذب نشده (Lmg-1) است. نمودار بر حسب به صورت یک تابع هموگرافیک است که مقدار  در هر   از رابطه (1) به دست می‌آید. مقدار  به ازای هر  به صورت تجربی از رابطه زیر به دست می آید:

 

که  و  به ترتیب غلظت گونه I در جریان های  ورودی و خروجی و ، دز مصرفی توده زیستی است که عبارت است از: مقدار جرم توده زیستی در واحد حجم محلول آبی ( ). معادله لانگمور به صورت زیر به شکل خطی در می آید:

 

که مقادیر  و b را می توان به ترتیب از شیب و عرض از مبدا آن به دست آورد.

 

3.1.2  مدل  جذب فروندلیچ(15):ایزوترم جذب فروندلیچ برای جذب روی سطح ناهمگن معتبر است و معادله آن به صورت زیر می باشد:

 

که در آن  و  مشابه موارد مطرح شده در رابطه لانگمور هستند.   و n  ، ثابت های مدل فروندلیچ هستند که به ترتیب معرف ظرفیت جذب و شدت جذب هستند که از شیب و عرض از مبدا فرعی خطی شده معادله به دست می آید:

 

 

پارامترهای ترمو دینامیکی(13):

تغییرات انرژی آزاد جذب با معادله زیر محاسبه می گردد.

 

که در آن  تغییرات انرژی آزاد استاندارد، R ثابت کلی گاز ( )، T دمای مطلق و K  ثابت تعادل می‌باشد.  ثابت ظاهری تعادل ناشی از بیوجذب، از معادله زیر به دست می آید.

 

که در آن C (بیوجاذب) و C (محلول) به ترتیب برابر با غلظت یون فلزی بر روی بیوجاذب و در محلول در حالت تعادل می‌باشد.

 

 

                                               

 

بررسی مدل های سنتیکی(16):

برای بررسی مکانیسم جذب و کنترل مراحل سرعت واکنش نظیر انتقال جرم و پیشرفت واکنش های شیمیایی، مدل سنتیکی کاربرد دارند. این مدل ها شامل معادلات درجه اول و دوم هستند که به صورت زیر می باشند.

 

3.3.1  سنتیک درجه اول:    

 

که در آن   ثابت سرعت بیوجذب (min-1)و  ، مقدار یون جذب شده بر وزن جاذب در زمان t ( ) است .و با لگاریتم گیری از رابطه فوق رابطه زیر به دست می آید:

 

با رسم نمودار   نسبت به t می توان    را به دست آورد.

3.3.2  سنتیک درجه دوم:             

 

که در آن  ثابت سرعت بیوجذب ( )،   و    مشابه موارد مطرح شده در معادله سنتیکی درجه اول می باشد. رابطه فوق را می توان به صورت زیر نوشت.

 

که در آن    از محاسبه عرض از مبدا نمودار به دست می آید(16).      

کاربرد مواد زائد کشاورزی در حذف کروم و کادمیوم از طریق بیوجذب

حذف فلزات سنگین از محیط های آبی به وسیله مواد زائد کشاورزی یک روش ابدایی و فن آوری جدید است. کارایی مواد زائد به ظرفیت آن ها، نیروی جاذبه بین اتم‌ها، و خصوصیات فیزیکی شیمیایی آن ها بستگی دارد. تحقیقات متعددی در زمینه حذف فلزات سنگین به وسیله استفاده از بیوجاذب های مختلفی در ایران و سایر نقاط جهان انجام گرفته است. از جمله این فلزات می توان به حذف جیوه، سرب، کادمیوم، کروم، نیکل . غیره اشاره نمود.

 

3.4.1 حذف کروم:

اغلبفلزاتسنگیندرواکنشهایبیولوژیک سلولهایموجوداتزندهدخالتمینمایندوفعالیتهای متابولیکیرامختلمینمایند(17). کرومازجملهفلزات سنگینمیباشدکهدرپسابهایصنعتیازقبیل فرآوریفلزات،صنایعآبکاری،نساجی،چرمسازیوکودسازییافتمیشود. کرومموجوددرپسابهای صنعتیوهمچنیندرطبیعتدردوحالتکرومشش ظرفیتیوکرومسهظرفیتییافتمیشود(7, 18). کرومشش ظرفیتیدرمقایسهباکرومسهظرفیتیبسیارسمی، سرطانزاوجهشزامیباشد(19). تجمعکرومدربافتهای حیوانیوگیاهیمیتواندسبببروزمخاطراتجدی گردد. کرومباعثایجاداختلالدرکارکبد،کلیهوریه سرطانزا (WHO) میشود(20).

شماری از زائدات کشاورزی مانند پوست فندق، شلتوک برنج، خاک اره درخت راجی، کاه گندم، پوست بادام، بیومس جوی صحرایی، ساقه گل آفتابگردان، تفاله چقندرقند، عصاره میوه بلوط، پوست انار، زائدات کارخانه چای، تفاله نیشکر، سبوس گندم، سبوس ذرت، چوب چنار ، پوست پرتقال که در طبیعت وجود دارند و یا به صورت اصلاحی در تحقیقات گوناگون در حذف کروم مورد استفاده قرار گرفته اند، گزارش شده است. در به کارگیری از پوست فندق در %89-81 حذف کروم گزارش شده است، بیشترین حذف در pH، 3 بوده و با افزایش دز جاذب میزان حذف افزایش یافته است(21). در تحقیقات مشابه با این پژوهش نیز نتایج مشابهی بدست آمده است. و نیز حداکثر حذف کروم mg/g170 گزارش شده است. در پژوهش هایی جداگانه کارایی سبوس برنج و سبوس گندم مورد بررسی قرار گرفته که نتایج حاکی از حذف 60 درصد از میزان کروم بوده است(22). و کربن فعال حاصل از سبوس برنج اصلاح شده با فرمالدئید 1درصد، حذف کروم در حدود 81 درصد گزارش شده است(23). در این تحقیقات با افزایش زمان تماس و غلظت جاذب و کاهش pH راندمان حذف افزایش یافته است(24). به طوری که در پژوهشی دیگر حداکثر جذب در pH، 2 به 99 درصد رسیده است(25).

سمرقندی و همکاران گزارش دادند که خاک اره اصلاح شده درخت راجی در حذف کروم در pHهای 2 و 12 به ترتیب 99.67 و 29.78درصد بوده است و با افزایش غلظت اولیه کروم کارایی حذف کاهش می یابد(26). در پژوهشی مشابه Garg و همکاران حداکثر حذف کروم توسط کربن فعال خاک اره را 86 و خاک اره 62 درصد گزارش نمودند(27). Pehlivan و Altun با استفاده از پوست گردو، فندق، بادام به ترتیب موفق به حذف کروم با راندمان 85، 88، 55 درصد شده اند(28). حداکثر حذف در pH حدود 3 اتفاق افتاده است.  Witek-Krowiak و همکاران با استفاده از پوست بادام زمینی ظرفیت حذف mg/g27.86 را گزارش نمودند(29). در نتایج  پژوهشی که Monika Jain و همکاران بر روی کارایی حذف ساقه گل آفتابکردان در حذف کروم گزارش شده است، راندمان حذف در ساقه گل آفتابگردان جوشیده شده و نیز اصلاح شده با فرمالدئید به ترتیب 81 و 76 بوده است(30). Altundogan با استفاده از آهن هیدروکسید بارگذاری شده در تفاله چغندر قند به راندمان 83 درصد رسیده است(31). در مطالعات Gardea-Torresdey و همکاران بر روی حذف فلزات سنگین با استفاده از یونجه عدم حذف کروم شش ظرفیتی و بازیابی کروم سه ظرفیتی به میزان 13 درصد گزارش شده است(32). ظرفیت جذب کروم استفاده از کربن فعال پوست انار mg/g 35.5 گزارش گردیده است(33). و در مطالعه دیگر 91-56 درصد حذف کروم با استفاده از خاکستر تفاله نیشکر در حالت های مختلف به دست آمده است در مطالعه مشابه میزان 96 درصد حذف گزارش شده است(34).

اکثر مطالعات با استفاده از زائدات کشاورزی مختلف در حذف کروم درصد حذف متغییر را از 60 تا 99 درصد نشان داده اند. در اکثر پژوهش ها، جذب در محدوده pH اسیدی به خصوص در pH زیر 3 و بیشتر در pH، 2 صورت گرفته است. در نتیجه pH، نقش تعیین کننده ای در میزان حذف کروم دارد. در جدول 3 خلاصه ای از نتایج به دست آمده از مطالعات چاپ شده در مجلات در مورد استفاده از زائدات کشاورزی در حذف کروم آمده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 3: خلاصه ای از نتایج پژوهش های انجام شده در زمینه حذف کروم با استفاده از زائدات کشاورزی

 

ماده زائد کشاورزی

 

یون فلزی

 

محدوده

pH

 

نتایج

 

مدل جذب

 

منبع

درصد حذف

(%)

ظرفیت جذب

(mg/g)

خاک اره اصلاحی درخت راجی

کروم (Cr6+)

2-12

99.67-29.87

-

لانگمویر

(26)

خاکستر فعال شده پوست فندق

کروم (Cr6+)

3

82

-

فروندلیچ

(21)

خاکستر پوست برنج

کروم (Cr3+)

6.2-3.2

91.42-66

240.2-16.1

-

(22)

خاک اره اصلاح شده   با فرمالدئید اقاقیا

کروم (Cr6+)

10-3

62.2-10

-

-

(27)

کربن فعال خاک اره اصلاح شده   اقاقیا

کروم (Cr6+)

10-3

86.6-10

-

-

(27)

کربن فعال سبوس برنج

کروم (Cr6+)

12-2

88.88-40

-

فروندلیچ

(23)

کربن فعال مستقرشده روی سبوس برنج

کروم (Cr6+)

10-1

-

38-3

-

(24)

آهن اصلاح شده با کاه گندم   ترکیده شده

کروم (Cr6+)

11-1

96.8-30

-

لانگمویر

(35)

پوست گردو

کروم (Cr6+)

3.5

85.43

8.01

لانگمویر

(28)

پوست فندق

کروم (Cr6+)

3.5

88.46

8.28

لانگمویر

(28)

پوست بادام

کروم (Cr6+)

3.2

55

3.40

لانگمویر

(28)

پوست بادام زمینی

کروم (Cr3+)

5-2

-

27.86

لانگمویر

(29)

بیومس جو صحرایی

کروم(Cr3+، Cr6+)

6-2

80

-

-

(32)

زائدات ساقه گل آفتابگردان

کروم (Cr6+)

7-2

32-17

4.9

-

(30)

آهن هیدروکسید بارگذاری تفاله   چقندرقند

کروم (Cr6+)

4.4

83.1

-

لانگمویر

(31)

سبوس برنج خام

کروم (Cr6+)

8-2

50-40

0.2

فروندلیچ

(36)

عصاره میوه بلوط

کروم(Cr3+، Cr6+)

11-5

80

-

-

(37)

بیومس یونجه

کروم (Cr3+)

6-2

13.9

7.7

-

(32)

بیومس یونجه

کروم (Cr6+)

6-2

0.0

0.0

-

(32)

کربن فعال پوست انار

کروم (Cr6+)

10-1

92-20

35.5

لانگمویر

(33)

زائدات کارخانه چای

کروم (Cr6+)

2-5

99-37

54.65

لانگمویر

(38)

تفاله نیشکر اصلاحی با NaOH و CH3COOH

کروم (Cr6+)

12-2

96.2-56.2

-

لانگمویر

(39)

سبوس گندم

کروم (Cr6+)

2

-

310.58

لانگمویر

(40)

کربن فعال پوست فندق

کروم (Cr6+)

8-1

92

170

لانگمویر

(41)

سبوس ذرت

کروم (Cr6+)

8.5-1.4

-

312.5

لانگمویر

(42)

پوست برنج

کروم (Cr6+)

7-2

39.6-20

8.5

فروندلیچ

(43)

سبوس برنج

کروم (Cr6+)

7.8-1.4

   97.2-12.5

10

لانگمویر

(44)

خاکستر تفاله نیشکر

کروم (Cr3+)

9-2

98-96

3.7

هر دو مدل

(34)

پوست درخت اکالیپتوس

کروم (Cr6+)

11-2

100

-

فروندلیچ

(45)

 

 

 

 

3.4.2  حذف کادمیوم: 

کادمیوم یکی از فلزات سنگین خطرناک محسوب می شود(9). کادمیوم و ترکیبات آن بسیار سمی هستند و از عوارض نامطلوب حضور آن در بدن می توان به اسهال، شکم درد و استفراغ شدید، شکستگی استخوان، عقیم شدن، آسیب به سیستم عصبی مرکزی، آسیب به سیستم ایمنی، ناهنجاری های روانی و آسیب احتمالی به DNA و سرطان اشاره کرد(10). کادمیوم در بدن انسان اثر تجمع در کلیه دارد. کادمیوم در صنایع متالوژی، سرامیک، آبکاری، رنگسازی، نساجی، صنایع شیمیایی تولید و از طریق فاضلاب آن ها به محیط زیست تخلیه می گردد(7).

استفاده از گل آفتابگردان، کرچک، یونجه، درخت خردل در حذف کادمیوم از محیط های آبی گزارش شده است. مطالعاتی دیگر در این زمینه انجام گردیده است از جمله پتانسیل حذف کادمیوم توسط پوسته شلتوک، ، تفاله انگور، سبوس گندم، خاکستر تفاله نیشکر، ساقه ذرت، که در طبیعت به وفور یافت می شوند، گزارش شده است.  و  نیز حذف توسط  بیومس گیاهان  از جمله،  بیومس گیاه  رازیانه  و استفاده از گرانول مرجان آهکی گزارش شده است. و در پژوهش های مختلف استفاده از پوست، میوه و برگ های درختان مختلف از جمله برگ درخت انجیر، فیبر سرو کوهی، پوست ازگیل، پوست پرتقال، پوست موز، ساقه انگور، خاک اره نیز مورد استفاده قرار گرفته است.  اکثر مواد مورد استفاده در محیط های اسیدی انجام شده اند و  معمولاً با افزایش pH،  به کارایی بالاتری دست یافته شده است. در اکثر مطالعات pH، 8-6 ، pH بهینه  جذب بوده است. اکثر مطالعات نشان داده است که مواد زائد کشاورزی به شکل طبیعی و یا شکل اصلاح شده در زمینه حذف فلز کادمیوم کارایی بالایی دارد. خلاصه ای از مطالعات انجام شده در جدول 4 آمده است.

 

 

جدول 4: خلاصه ای از نتایج پژوهش های انجام شده در زمینه حذف کادمیوم با استفاده از زائدات کشاورزی

 

ماده زائد کشاورزی

 

یون فلزی

 

محدوده

pH

 

نتایج

 

مدل جذب

 

منبع

حداکثردرصد حذف (%)

حداکثر ظرفیت جذب

(mg/g)

گرانول مرجان آهکی

کادمیوم (Cd2+)

3-10

96.02

14.77

لانگمویر

(1)

پوست موز اصلاح شده با  اسید نیتریک

کادمیوم (Cd2+)

8-2

29

16

فروندلیچ

(8)

پوسته شلتوک اصلاح شده با سدیم بی کربنات

کادمیوم (Cd2+)

6.2-3.2

46-97

-

-

(12)

پوسته برنج اصلاح شده با اسید   نیتریک

کادمیوم (Cd2+)

-

97

12

-

(46)

فیبر سرو کوهی

کادمیوم (Cd2+)

-

-

29.54-9.18

لانگمویر

(47)

تفاله انگور

کادمیوم (Cd2+)

8-2

-

22

لانگمویر

(48)

زائدات ساقه انگور

کادمیوم (Cd2+)

8-1

65

-

لانگمویر

(49)

سبوس گندم

کادمیوم (Cd2+)

8.6

87.15

-

لانگمویر

(25)

خاکستر تفاله نیشکر

کادمیوم (Cd2+)

9-2

90

1.2-0.2

لانگمویر

(50)

ساقه ذرت

کادمیوم (Cd2+)

7-3

99.2-16

22.7

لانگمویر

(6)

پوست موز

کادمیوم (Cd2+)

9-1

90-72

5.71

هر دو مدل

(51)

پوست نخود فرنگی

کادمیوم (Cd2+)

4.9-4.76

-

118.91

فروندلیچ

(52)

پوست باقلا

کادمیوم (Cd2+)

4.46-4.2

-

147.71

فروندلیچ

(52)

پوست ازگیل

کادمیوم (Cd2+)

4.36-4.2

-

92.14

لانگمویر

(52)

برگ انجیر

کادمیوم (Cd2+)

6.1-5.9

-

103.09

فروندلیچ

(52)

خاک اره

کادمیوم (Cd2+)

10-2

99-20

2-0.2

لانگمویر

(53)

سه نوع پوست برنج اصلاح شده

کادمیوم (Cd2+)

10-3

97-80

20.24-0.19

لانگمویر

(54)

پوست برنج اصلاح شده با اسید   سولفوریک

کادمیوم (Cd2+)

7-1.5

13.9

25-1.2

لانگمویر

(55)

زائدات پرتقال

کادمیوم (Cd2+)

-

-

(mmol/g)0.25

لانگمویر

(56)

سبوس گندم اصلاح شده با اسید سولفوریک

کادمیوم (Cd2+)

11-2.5

86

101-62.5

فروندلیچ

(57)

بیومس گیاه رازیانه( Foeniculum vulgari)

کادمیوم (Cd2+)

10-2

92

26.59

هر دو مدل

(58)

 

 

 

 


نتیجه گیری

بیوجذب،  فرآیند نسبتاً جدیدی است که توانایی و پتانسیل بالایی را در زمینه حذف آلاینده ها از محیط های آبی در تحقیقات گوناگون از خود نشان داده است. در این مطالعه مروری بیوجذب یون های فلزی کروم و کادمیوم که جز فلزات سنگین و سمی می باشند، به وسیله مواد زائد مختلف کشاورزی به عنوان یک فرآیند جایگزین روش های متداول حذف موجود مورد بررسی قرار گرفته است. این بیوجاذب ها هزینه بسیار پایینی دارند و در دسترس، تجدید پذیر می باشند. در برخی از مطالعات اصلاح این جاذب ها می تواند باعث افزایش راندمان آن گردد. با این وجود تحقیقات اندکی در این زمینه انجام شده است. در بیشتر این پژوهش ها در مورد بیوجذب یون کروم با افزایش pH، افزایش زمان ماند و افزایش دز مواد جاذب میزان جذب افزایش می یابد در صورتی که در مورد بیوجذب یون کادمیوم با افزایش pH به حدود pH، 8، وافزایش زمان ماند و دز ماده جاذب افزایش می یابد و در هر دو مورد pH به عنوان یک عامل تعیین کننده در میزان جذب مطرح می باشد و به نظر می رسد اگر حذف همزمان این دو یون مدنظر باشد کارایی کاهش خواهد یافت چون محدود حداکثر راندمان به صورت جداگانه در دو گستره متفاوت قرار دارد. در زمینه حذف کروم موادی مانند خاک اره درخت راجی، چوست برنج، زائدات چای، تفاله نیشکر . پوست درخت اکالیپتوس بیشترین میزان حذف را درشده اند( حذف بالای %90). در صورتی که در مورد حذف فلز کادمیوم گرانول مرجان آهکی، پوست برنج، ساقه ذرت، خاک اره و بیومس گیاه رازیانه بالاترین میزان حذف این فلز را به خود اختصاص داده اند. به تحقیقات بیشتری در زمینه روند فرآیند بیوجذب و مدل سازی آن وجود دارد. بیشتر تحقیقات انجام شده به صورت پایلوت بوده و در سطح صنعتی مورد آزمون و بررسی انجام نشده است و نیاز به اجرا و استفاده از این مواد در تصفیه یک تصفیه خانه فاضلاب صنعتی و بررسی ابعاد اقتصادی و کارایی آن ضروری به نظر می رسد

1. Shokoohi R, Ehsani HR, Tarlaniazar M. Removal of heavy metals lead and cadmium by calcareous granules from the blue coral.  12th National Conference on Environmental Health 5-7 Novermber 2009; Tehran. Shahid Beheshti University of Medical Sciences p. 66-1354. (Persian).

2. Shakibayi MR, Khosravan A, Farahmand A, Zare S. Remove the heavy metals copper and zinc from industrial waste from factories of Kerman by bacteria resistant mutant absorbing metal. Journal of Kerman University of Medical Sciences. 2009;16(1):34-13. (Persian).

3. Mohammadi M, Fotovat A, Haghniya G. Efficiency of  sand - soil - organic matter filter, the removal of heavy metals copper, nickel, zinc and chromium from industrial wastewater. Journal of Soil and Water (Agricultural Science and Technology). 2009;23:262-51. (Persian).

4. Tabatabayi SH, Tosani M, Layafat A. Evaluate and determine the important physical properties of three types of zeolite filter to remove heavy metals, sewage.  4th National Cogress on Environmental Health 8-6 november 2001; yazd. Yazd University of Medical Sciences. p. 7-810. (Persian).

5. Manshouri M, Vosoughi M. Removal of heavy metals by artificial wetland.  2nd National Cogress on Environmental Health 16-18 November 2008; Tehran. Tehran University of Medical Sciences. p. 265-54. (Persian).

6. Zheng L, Dang Z, Zhu C, Yi X, Zhang H, Liu C. Removal of cadmium(II) from aqueous solution by corn stalk graft copolymers. Bioresource Technology. 2010;101:5820-6.

7. Khosravi AR, Hosseinian M, Sadatmonsouri A. Industrial wastewater treatment (electroplating industries - dairy products - textiles). Tehran: Publication of Modern Science; 2009. (Persian).

8. Mahrasbi MR, Farahmsndkia Z. Heavy Metal Removal from Aqueous Solution by Adsorption on Modified Banana Shell. Journal of Health and Environment. 2008;1:66-57. (Persian).

9. Salvato JA, Nemerow NL, Agardy FJ. Environmental Engineering. New York: JOHN WILEY & SONS, INC.; 2003.

10. Hosseinian M. Water adn Health. Tehran: Technical Publications Hosseinian; 1999. (Persian).

11. Bina B, Abtahi M, Vahiddasjerdi M. The use of sawdust in the removal of heavymetals from industrial wastewater. Journal of Research in Medical Sciences. 2003;8(2):22-19. (Persian).

12. Shahmohammadi Z, Maazed H, Jafarzadeh NA, Pourreza N. The effect of sodium bicarbonate concentration on increasing the absorptive capacity of Rough skin on removal of cadmium from aqueous. Journal Sciences of Shahid Chamran University. 2007;17(2):136-26. (Persian).

13. Sud D, Mahajan G, Kaur MP. Agricultural waste material as potential adsorbent for sequestering heavy metal ions from aqueous solutions – A review. Bioresource Technology. 2008;99 601727.

14. Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids. J Am Chem Soc. 1916;38:2221-95.

15. Freundlich HMF. uber die adsoption in losungen, . Zeitschrift fur physikslische Chemie. 1906;57:385-470.

16. Ag Y, Aktay Y. Kinetics studies of Cr (VI) and Cu (II) ions by chitin, Chitosan and Rhizopus Arrhizus. Biochem Eng. 2002;12:143-53.

17. Fiol N, Villaescusa I, Miralles N, Poch J, Serarols J. Sorption of Pb(II), Ni(II), Cu(II) and Cd(II) from aqueous solution by olive stone waste. Separation and Purification Technology. 2006;50:13240.

18. Gupta VK, Shrivastava AK, Jain N. Biosorption of chromium (VI) from aqueous solutions by green algae spirogyra species. Water Research. 2001;35:407990.

19. Raj C, Anirudhan TS. Chromium (VI) adsorption by sawdust: kinetics and equilibrium. Journal of Chemical Technology. 1997;4:22836.

20. Park S, Jung WY. Removal of chromium by activated carbon fibers plated with copper metal. Carrent Science Journal. 2001;2:15-21.

21. Bayrak Y, Yesiloglu Y, Gecgel U. Adsorption behavior of Cr(VI) on activated hazelnut shell ash and activated bentonite. Microporous and Mesoporous Materials. 2006;91:107-10.

22. Wang L-H, Lin C-I. Adsorption of chromium (III) ion from aqueous solution using rice hull ash. Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers. 2008;39:367-73.

23. Bishnoi NR, Bajaj M, Sharma N, Gupta A. Adsorption of Cr(VI) on activated rice husk carbon and activated alumina. Bioresource Technology. 2004;91:305-7.

24. Guo Y, Qi J, Yang S, Yu K, Wang Z, Xu H. Adsorption of Cr(VI) on micro- and mesoporous rice husk-based active carbon. Materials Chemistry and Physics. 2002;78:132-7.

25. Singh KK, Singh AK, Hasan SH. Low cost bio-sorbent 'wheat bran' for the removal of cadmiumfrom wastewater: Kinetic and equilibrium studies. Bioresource Technology. 2006;97:9941001.

26. Samarghandi MO, Azizian S, Shirzad M. Chromium (VI) removal capacity of aquatic environments using a modified tree sawdust Raji: equilibrium and kinetic study. Scientific Journal of Hamadan University of Medical Sciences. 2009;16(4):7-61. (Persian).

27. Garg VK, Gupta R, Kumar R, Gupta RK. Adsorption of chromium from aqueous solution on treated sawdust. Bioresource Technology. 2004;92:79-81.

28. Pehlivan E, AltunTu. Biosorption of chromium(VI) ion from aqueous solutions using walnut, hazelnut and almond shell. Journal of Hazardous Materials. 2008;155:378-84.

29. Witek-Krowiak A, Szafran RG, Modelski S. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions onto peanut shell as a low-cost biosorbent. Desalination. 2010;Article in Press:1-9.

30. Jain M, Garga VK, Kadirvelu K. Chromium(VI) removal from aqueous system using Helianthus annuus (sunflower) stem waste. Journal of Hazardous Materials. 2009;162:365-72.

31. Altundogan HS. Cr(VI) removal from aqueous solution by iron (III) hydroxide-loaded sugar beet pulp. Process Biochemistry. 2005;40:144352.

32. Gardea-Torresdey JL, Tiemann KJ, Armendariz V, Bess-Oberto L, Chianelli RR, Rios J, et al. Characterization of Cr(VI) binding and reduction to Cr(III) by the agricultural byproducts of Avena monida (Oat) biomass. Journal of Hazardous Materials. 2000;80(2):175-88.

33. Nemr AE. Potential of pomegranate husk carbon for Cr(VI) removal from wastewater: Kinetic and isotherm studies. Journal of Hazardous Materials. 2009;161:132-41.

34. Gupta VK, Ali I. Removal of lead and chromium from wastewater using bagasse fly ash—a sugar industry waste. Journal of Colloid and Interface Science. 2004;271:321-8.

35. Chun L, Hongzhang C, Zuohu L. Adsorptive removal of Cr(VI) by Fe-modified steam exploded wheat straw. Process Biochemistry. 2004;39:541-5.

36. Oliveira EA, Montanher SF, Andrade AD, No´brega JA, Rollemberg MC. Equilibrium studies for the sorption of chromium and nickel from aqueous solutions using raw rice bran. Process Biochemistry. 2005;40:348590.

37. Masoudnejad MR, Yazdanbakhsh AR. Chromium and nickel removal from sewage-contaminated water using oak fruit juice. Scientific Journal of Semnan University of Medical Sciences. 2003;6(1):14-7. (Persian).

38. Malkoc E, Nuhoglu Y. Potential of tea factory waste for chromium(VI) removal from aqueous solutions: Thermodynamic and kinetic studies. Separation and Purification Technology. 2007;54:291-8.

39. Rao M, Parwatea AV, Bholeb AG. Removalof Cr6+ and Ni2+ from aqueous solution using bagasse and fly ash. Waste Management. 2002;22:821-30.

40. Singh KK, Hasan SH, Talat M, Singh VK, Gangwar SK. Removal of Cr (VI) from aqueous solutions using wheat bran. Chemical Engineering Journal. 2009;151:113-21.

41. Kobya M. Removal of Cr(VI) from aqueous solutions by adsorption onto hazelnut shell activated carbon: kinetic and equilibrium studies. Bioresource Technology. 2004;91:317-21.

42. Hasan SH, Singh KK, Prakash O, Talat M, Hoc YS. Removal of Cr(VI) from aqueous solutions using agricultural waste ‘maize bran’. Journal of Hazardous Materials 152 (2008) 356365. 2008;152:356-65.

43. Bansala M, Gargb U, Singha D, Gargc VK. Removal of Cr(VI) from aqueous solutions using pre-consumer processing agricultural waste: A case study of rice husk. Journal of Hazardous Materials. 2009;162:312-20.

44. Singh KK, Rastogi R, Hasan SH. Removal of Cr(VI) from wastewater using rice bran. Journal of Colloid and Interface Science. 2005;290:61-8.

45. Sarin V, Pant KK. Removal of chromium from industrial waste by using eucalyptus bark. Bioresource Technology. 2006;97:15-20.

46. Kumar U, Bandyopadhyay M. Fixed bed column study for Cd(II) removal from wastewater using treated rice husk. Journal of Hazardous Materials. 2006;B129:2539.

47. Min SH, Han JS, Shin EW, Park JK. Improvement of cadmium ion removal by base treatment of juniper fiber. Water Research. 2004;38:128995.

48. Farinella NV, Matos GD, Lehmann EL, Arruda MAZ. Grape bagasse as an alternative natural adsorbentof cadmium and lead for effluent treatment. Journal of Hazardous Materials. 2008;154:100712.

49. Mart´ınez Mı, Miralles Nu, Hidalgo S, Fiol Nu, Villaescusa I, Poch J. Removal of lead(II) and cadmium(II) from aqueous solutions using grape stalk waste. Journal of Hazardous Materials. 2006;B133:203-11.

50. Gupta VK, Jain CK, Ali I, Sharma M, Saini VK. Removal of cadmium and nickel from wastewater using bagasse fly ash—a sugar industry waste. Water Research. 2003;37:403844.

51. Anwar J, Shafique U, Waheed-uz-Zaman, Salman M, Dar A, Anwar S. Removal of Pb(II) and Cd(II) from water by adsorption on peels of banana. Bioresource Technology. 2010;101:17525.

52. Bena¨ıssa H. Screening of new sorbent materials for cadmium removal from aqueous solutions. Journalof Hazardous Materials. 2006;B132:18995.

53. Memon SQ, Memon N, Shah SW, Khuhawar MY, Bhanger MI. Sawdust—A green and economical sorbent for the removal of cadmium (II) ions. Journal of Hazardous Materials. 2007(B139):11621.

54. Kumar U, Bandyopadhyay M. Sorption of cadmium from aqueous solution using pretreated rice husk. Bioresource Technology. 2006;97:104-9.

55. El-Shafey EI. Sorption of Cd(II) and Se(IV) from aqueous solution using modified rice husk. Journal of Hazardous Materials. 2007;147:54655.

56. Pérez-Marín AB, Ballester A, González F, Blázquez ML, Muñoz JA, Sáez J, et al. Study of cadmium, zinc and lead biosorption by orange wastes using the subsequent addition method. Bioresource Technology. 2008;99:81016.

57. Zer AO, Pirinc¸c¸i HB. The adsorption of Cd(II) ions on sulphuric acid-treated wheat bran. Journal of Hazardous Materials. 2006;B137:84955.

58. Rao RAK, Khan MA, Rehman F. Utilization of Fennel biomass (Foeniculum vulgari) a medicinal herb for the biosorption of Cd(II) from aqueousphase. Chemical Engineering Journal. 2010:10613.