مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی کارایی هیدروژل‌های زیست تخریب‌پذیر سلولزی در حذف یون‌های فلزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه چوب و کاغذ دانشگاه منایع طبیعی ساری
2 فارغ التحصیل رشته صنایع سلولز از دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
3 عضو هیات علمی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
4 فارغ التحصیل دکتری در رشته صنایع سلولزی از دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبعی ساری
10.22034/ijwp.2025.2073901.1731
چکیده
بیان مسأله و اهداف: امروزه مطالعه در مورد جاذب‌های زیست تخریب‌پذیر و دوست‌دار محیط زیست مورد توجه زیادی قرار گرفته است. جاذب‌های بر پایه سلولز به دلیل فراوانی ماده اولیه و زیست تخریب‌پذیری و قابلیت تجزیه یکی از مهم‌ترین جاذب‌ها جهت جداسازی و تصفیه فلزات سنگین از آب و پساب در صنایع محسوب می‌شوند. هیدروژل‌های بر پایه سلولز، دسته‌ای از مواد پلیمری با ساختار شبکه‌ای سه بعدی و دارای پیوندهای عرضی فیزیکی و یا شیمیایی هستند و به دلیل دارا بودن ویژگی‌های خاصی مانند طبیعت آب‌دوست، قدرت جذب آب و انعطاف‌پذیری مطلوب، موادی مناسب جهت استفاده به عنوان جاذب هستند.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش با استفاده از کیتوزان و سلولز، هیدروژل‌ تهیه شد. از کیتوزان و پودر آلفا سلولز به با نسبت برابر و از هر کدام 2 گرم جهت اختلاط و تهیه هیدروژل استفاده گردید. سپس هیدروژل‌های تهیه شده بر پایه کیتوزان – سلولز، جهت تصفیه پساب حاوی فلزات سنگین مس، سرب و کادمیوم مورد استفاده قرار گرفت. جهت شبیه‌سازی پساب، محلول آبی فلزات سنگین با غلظت اولیه ppm30 از طریق رقیق کردن محلول استاندارد با آب مقطر تهیه شد. جاذب هیدروژل کیتوزان – سلولز با دو مقدار 5/0 و 1 گرم به محلول آبی حاوی فلزات سنگین اضافه شد و به مدت 24 ساعت و تحت هم‌زدن پیوسته قرار گرفت. غلظت نهایی فلزات به‌وسیله دستگاه طیف‌سنجی جذب اتمی اندازه‌گیری شد. همچنین کارایی جاذب هیدروژل در جذب مس، سرب و کادمیم با آزمون‌های نرخ هیدراسیون و نرخ انحلال هیدروژل مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین تاثیر pH محلول های آبی و مقدار جاذب هیدروژل کیتوزان - سلولز روی جذب فلزات سنگین بررسی شد.
نتایج: بررسی نمونه‌ها با طیف‌سنجی جذ اتمی نشان داد که بیشترین مقدار جذب مس در تیمار P3C0، به مقدار ppm37/5 و کمترین آن در تیمار P7C1، به مقدار ppm 34/1 بدست آمد. بیشترین مقدار جذب سرب در تیمار P3C0 به مقدار ppm 92/0 و کمترین مقدار جذب سرب در تیمارهای P5C0، P7C0، P9C0،P5C1 ، P7C1 وP9C1 و به مقدار صفر بود. همچنین بیشترین مقدار جذب کادمیم در تیمار P3C0 به مقدار ppm 13/6 و کمترین مقدار جذب فلز کادمیوم در تیمار P7C1 به مقدار ppm 19/2 بود. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش pH به سمت خنثی و قلیایی مقدار جذب در تمام نمونه‌ها و مقادیر جاذب کاهش پیدا کرده است. نتایج جذب هر سه فلز سنگین با هیدروژل کیتوزان – سلولز نشان داد که در مقدار جاذب 5/0 و 1 گرم، مقدار جذب، با افزایش مقدار جاذب کاهش یافته است. متوسط نرخ هیدراسیون به‌دست آمده 3/0 می‌باشد. این به این معنی است که 30 درصد حجم هیدروژل را آب تشکیل می‌دهد. بررسی نرخ انحلال دانه‌های هیدروژل کیتوزان - سلولز در سه حلال هیدروکسید سدیم، هیدروکلریک اسید و سولفوریک اسید نشان داد که بیشترین و کم‌ترین نرخ انحلال به ترتیب مربوط به هیدروکلریک اسید به مقدار 1 و سود به مقدار 27/0 می‌باشد. مقدار بهینه هیدروژل کیتوزان – سلولز برای جذب هر سه فلز مس، سرب و کادمیم 5/0 گرم جاذب بود. بهترین pH برای حذف هر سه فلز سنگین از محلول آبی آن 3 بود. هیدروژل کیتوزان – سلولز بهترین کارایی را در حذف سرب از محلول آبی آن با 100 درصد کاهش نسبت به نمونه شاهد دارد.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج به‌دست آمده می‌توان گفت که جاذب‌های هیدروژل تهیه شده از کیتوزان – سلولز، عملکرد مناسبی در حذف فلزات سنگین دارند. همچنین این مواد با ساختاری زیست تخریب‌پذیر و دوست‌دار محیط زیست، جاذب‌هایی امیدوارکننده برای جداسازی و تصفیه آلاینده‌ها از آب و پساب به شمار می‌روند. نتایج حاصل از پژوهش نشان داد که هیدروژل کیتوزان - سلولز در حذف سرب از محلول آبی عملکرد بهتری نسبت به حذف مس و کادمیم دارد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Motie, N., Jonoobi, M., Faezipour, M. M., Mahboobian, M. M. and Borzacchiello, A., 2019. Nanocellllullose based biiohydrogell: preparattiion and charactteriizattiion off some properttiies. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 9(4), pp. 497-509. (In Persian).
[2] Sannino, A., Demitri, Ch. and Madaghiele, M., 2009. Biodegradable cellulose-based hydrogels: design and
applications. Materials, 2, pp. 353-373.
[3] Morkhande, V.K., Pentewar, R.S., Gapat, S.V., Sayyad, S.R., Amol, B.D., Sachin, B. and Sandip K., 2016. A Review on Hydrogel. Pharmecy Research, 6, 4678-4689.
[4] Jonoobi, M., Moradpour, P. and Tofangchi Kalle basti, A. A., 2020. Investigation off releasing mechanism off silver nitrate in the nanocellulose based hydrogel pad for burn healing. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 11(2), 333-344. (In Persian).
[5] Rahimizadeh, Z., Hamidian, A. H. and Hosseini, S. V., 2014. Removing Heavy Metals from Aqueous Solutions Using Chitosan – Clay Nanocomposites. Natural Environment, Iran Environment, 69(3), pp. 669-679. (In Persian).
[6] Pan, J. R., Huang, C. and Chen, S., 1999. Evaluation of a modified chitosan biopolymer for coagulation of colloidal particles. Physicochemical and engineering aspects, 147(3), pp. 359-364.
[7] Ngah, W. S. W., Kamari, A. and Koay, Y. J., 2004. Equilibrium and kinetics studies of copper (ᴨ) on chitosan and chitosan/PVA beads. International journal of biological macromolecules, 34, pp. 155-166.
[8] Desberieres, J., Bobu, E. and Nicu, R., 2011. Chitosan as Cationic Polyelectrolyte in Wet-end Papermaking Systems. Cellulose Chemistry and Technology, 45(1-2), pp. 105-111.
[9] Kwame Nti, E., Jerry Cobbina, S., Efua Attafuah, E., Dziedzorm Senanu, L., Amenyeku, G., Amoah Gyan, M.,
Forson, D. and Safo, A. R., 2023. Water pollution control and revitalization using advanced technologies: Uncovering
artificial intelligence options towards environmental health protection, sustainability and water security. Heliyon, 9(7), e18170. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e18170.
[10] Hamze, Y., 2011. Water and wastewater management in pulp and paper industry. Jahad Daneshgahi publication. (In Persian).
[11] Pizzichini, M., Russo, C. and Meo, C. D., 2005. Purification of pulp and paper wastewater, with membrane technology for water reuse in a closed loop. Desalination, 178(1-3), pp. 351-359.
[12] Schwarz, M. and Gmeiner A., 2000, How to fulfill the new requirement of the wet end process. TAPPI Papermaking Conference, Vancouver, BC, Canada, 1,9-3, pp. 609.
[13] Ng, J. C. Y., Cheung, W. H. and McKay, G., 2002. Equilibrium Studies of the Sorption of Cu (II) Ions onto Chitosan. Journal of Colloid Interface, 255(1), pp. 64-74.
[14] Kolesnikov, S., Minnikova, T. and Kazeev, K., 2022. Assessment of the Ecotoxicity of Pollution by Potentially
Toxic Elements by Biological Indicators of Haplic Chernozem of Southern Russia (Rostov region). Water, Air, and Soil Pollution, 233, pp. 18. doi: 10.1007/s11270-021-05496-3.
[15] Okoro, H. K., Orosun, M. M., Oriade, F. A., Momoh-Salami, T. M., Ogunkunle, C. O. and Adeniyi, A. G., 2020. Solid waste for heavy metals adsorption features and challenges; a review. Journal of Materials Research and Technology, 9(5), pp. 10235-10253. doi: 10.1016/j.jmrt.2020.07.045.
[16] Radkhah, A. R., Eagderi, S. and Sadeghinejad Masouleh, E., 2022 (a). Accumulation of Heavy Metals in Fish: A Serious Threat to Food Security and Public Health. J Mar Med, 3(4), pp.236-245.
[17] Radkhah, A. R., Eagderi, S. and Sadeghinejad Masouleh, E., 2022 (b). A review in Quality Water Improving in Efficiency (RAS) Systems Aquaculture Recirculatin. Journal of water and sustainable, 8(3), 81-88.
[18] Li, H., Du, Y. and Xu, Y., 2004. Adsorption and Complex of Chitosan Wet-end Additives in Papermaking system. Journal of Applied Polymer Science, 91(4), pp. 2642-2648.
[19] Mohammadi, M., Fotovat, A. and Haghniya, G., 2009. 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), 262, pp. 23-51.
[20] Nishat, A., Yusuf, M., Qadir, A., Ezaier, Y., Vambol, V., Ijaz Khan, M., Ben Moussa, S., Kamyab, H., Sehgal,
S. S., Prakash, C., Yang, H. H., Ibrahim, H. and Eldin, S. M., 2023. Wastewater treatment: A short assessment on available techniques. Alexandria Engineering Journal, 76, pp. 505-516. doi: 10.1016/j.aej.2023.06.054.
[21] Ebrahimi, A. and Movahedian Attar, H., 2003. Performance Evaluation of Natural Zeolites and Synthetic Resins in Ni2+, Zn2+, and Cu2+ Ions Removal from Industrial Wastewater. Research in Medical Sciences, 8(4), pp. 7580. (In Persian).
[22] Rezanezhad, SH., Nazarnezhad, N., Resalati, H. and Zabihzadeh, S. M., 2020. Use of magnetic nano bio composites prepared from fibers, nanocrystalline cellulose and carboxy methylcellulose in adsorption of heavy metals (Nickel and Lead). Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 35 (4), pp. 332-347. (In Persian).
[23] Shukla, S. Roshan, R. and Pai, S., 2005. Adsorption of Cu (ІІ), Ni (ІІ) and Zn (ІІ) on modified jute fibers. Bioresource Technology, 96, pp. 1430 – 1438.
[24] Sud, D., Mahajan, G. and Kaur, M. P., 2008. Agricultural waste material as potential adsorbent for sequestering heavy metal ions from aqueous solutions – A review. Bioresource Technology, 99 (60), pp. 17–27.
[25] Dehghani, M. H., Ahmadi, S., Ghosh, S., Othmani, A., Osagie, C., Meskini, M., Sami, AlKafaas S., Malloum,
A., Ahmad Khanday, W., Oluwaseun Jacob, A., Gökkuş, Ö., Oroke, A., Martins Chineme, O., Rao Karri, R. and Lima, E. C., 2023. Recent advances on sustainable adsorbents for the remediation of noxious pollutants from water and wastewater: A critical review. Arabian Journal of Chemistry, 16(12), pp. 105303.
[26] Davis, T. A., Volesky, B. and Vieira, R. H. S. F., 2005. Sargasso biomass. Water research, 39, pp. 239-247.
[27] Naghizadeh, A. and Momeni, F., 2015. Evaluation of the efficiency of graphene oxide nanoparticles in the removal of chromium and lead from aqueous solutions. Scientific Journal of Birjand University of Medical Sciences, 22(1), pp. 27-38.
[28] Abdel-Ghani, N., Hefny, M. and El-Chaghaby, G. A., 2007. Removal of Lead from Aqueous Solution Using Low Cost Abundantly Available Adsorbents. Int Journal Environment Science Tech, 4(1), pp. 67-73.
[29] Razavi, R. and Hoseini, S. H., 2022. Removal of lead and cadmium pollutants from the environment by the Suaeda aegyptiaca as an adsorbent. Iran Chemistry and Chemistry Engineering Journal, 41 (3), pp. 149-154. (In Persian).
[30] Elaigwu, S. E., Rocher, V., Kyriakou, G. and Greenway, G. M., 2014. Removal of Pb2+ and Cd2+ from aqueous
solution using chars from pyrolysis and microwave-assisted hydrothermal carbonization of Prosopis africana shell.
Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20(5), pp. 3467-3473.
[31] Liu, Z. and Zhang, F. S., 2011. Removal of Copper (II) and Phenol from aqueous solution using porous Carbons
derived from hydrothermal chars. Desalination, 267(1), pp. 101-106.
[32] Wang, F. Y., Wang, H. and Ma, J. W., 2010. Adsorption of cadmium (II) ions from aqueous solution by a new low-cost adsorbent-Bamboo charcoal. Journal of Hazardous Materials, 177(1-3), pp. 300-306.
[33] Mohan, D., Pittman Jr, C. U., Bricka, M., Smith, F., Yancey, B., Mohammad, J., Steele, P. H., Alexandre-Franco, M. F., Gómez-Serrano, V. and Gong, H., 2007. Sorption of Arsenic, Cadmium, and Lead by chars produced from fast pyrolysis of wood and bark during bio-oil production. Journal of Colloid and Interface Science, 310(1), pp. 57-73.
[34] Cheng, Q., Huang, Q., Khan, S., Liu, Y., Liao, Z., Li, G. and Ok, Y. S., 2016. Adsorption of Cd by peanut husks and peanut husk biochar from aqueous solutions. Ecological Engineering, 87, pp. 240-245.
[35] Deng, J., Liu, Y., Liu, S., Zeng, G., Tan, X., Huang, B., Tang, X., Wang, S., Hua, Q. and Yan, Z., 2017. Competitive adsorption of Pb (II), Cd (II) and Cu (II) onto chitosan-pyromellitic dianhydride modified biochar. Journal of Colloid and Interface Science, 506, pp. 355-364.
[36] Mehrasbi, M. R. and Farahmand kia, Z., 2008. Heavy metal removal from aqueous solution by adsorption on modified banana shell. Iran J Health Environ, 1(1), pp. 57-66. (In Persian).
[37] Fan, L., Ge, X., Qian, Y., Wei, M., Zhang, Z., Yuan, W. E. and Ouyang, Y., 2020. Advances in Synthesis and Applications of Self-Healing Hydrogels, Front. Bioeng. Biotechnol, 8(1), pp. 654-654.
[38] Zanbili, F. and Mahmoudian, M., 2023. Investigating the Self-Healing Properties of Hydrogels of Natural Nanocomposites Modified with Polyacrylamide with Medical Applications. Iran Chemistry and Chemistry Engineering Journal, 42(4), pp. 31-44. (In Persian).
[39] Zhou, H., Qian, J., Wang, J., Yao, W., Liu, C., Chen, J. and Cao, X., 2009. Enhanced bioactivity of  bone morphogenetic protein-2 with low dose of 2-N,6-O-sulfated chitosan in vitro and in vivo. Biomaterials, 30, pp. 1715-1724.
[40] Sahariah, P. and Másson, M., 2017. Antimicrobial chitosan and chitosan derivatives: A review of the structure-activity relationship. Biol, Macromol., 18, pp. 3846-3868.