استفاده از مدل‌های سینتیک و هم‌دمای خطی و غیرخطی در ارزیابی کارایی حذف سرب از محلول‌های آبی با استفاده از زغال‌های زیستی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 دانشیار، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران

چکیده

فلزات سنگین خطرات جبران‌ناپذیری برای سلامت انسان و محیط‌زیست دارند. استفاده از روش­های مؤثر و کم‌هزینه جهت حذف این آلاینده­ها امری ضروری است. زغال زیستی از جمله جاذب­های پایداری است که می­تواند نقش مؤثری در کاهش آلایندگی این فلزات ایفا کند. هدف از این پژوهش بررسی تأثیر نوع زیست‌توده (بقایای ذرت[1] و چوب کنوکارپوس[2]) و دمای گرماکافت (°C400 و °C700) در حذف سرب از محلول آبی و مقایسه عملکرد مدل­های خطی و غیرخطی در داده­های سینتیک و هم‌دمای جذب بود. برای این منظور، ویژگی­های مؤثر بر حذف سرب شامل pH محلول، غلظت زغال زیستی، زمان تماس و غلظت اولیه سرب اندازه‌گیری و ارزیابی شد. به طور مختصر، پس از تعیین بهترین pH محلول، اثر غلظت جاذب بر حذف سرب مورد بررسی قرار گرفت. سپس از PH بهینه محلول و غلظت بهینه جاذب استفاده شد و اثر زمان تماس ارزیابی گردید. در انتها با کمک pH بهینه محلول، غلظت بهینه جاذب و زمان بهینه تعادل، تأثیر غلظت آلاینده در حذف توسط زغال­های زیستی بررسی شد. نتایج نشان داد شرایط بهینه زغال‌های زیستی برای حداکثر جذب سرب، شامل pH محلول برابر 5 و همچنین غلظت جاذب 8/0 گرم بر لیتر بود. در تمامی جاذب­ها با گذشت 120 دقیقه جذب سرب به تعادل رسیده و ظرفیت جذب با افزایش غلظت آلاینده افزایش یافت. در بین جاذب‌ها، زغال‌های زیستی بقایای ذرت در دمای °C700 و چوب در دمای °C400 به ترتیب بیش‌ترین و کمترین ظرفیت جذب سرب را داشتند. مدل­های سینتیک شبه مرتبه دوم، پخشیدگی درون­ذره­ای و شبه مرتبه اول در هر دو فرم خطی و غیرخطی به ترتیب بیش­ترین تا کمترین دقت در توصیف فرآیند­های جذب را داشتند. با توجه ‌به آماره­های تعیین کارایی مدل، از میان مدل­های هم‌دمای جذب، مدل­های فروندلیچ، تمکین و لانگمویر در حالت غیرخطی و مدل­های فروندلیچ، لانگمویر و تمکین در فرم خطی به ترتیب مناسب­ترین تا نامناسب­ترین برازش را نشان دادند. این موضوع اهمیت هرچه بیشتر بررسی مد­ل­ها به شکل غیرخطی که همانا فرم اصلی آنها محسوب می­شود را آشکار می­کند. بر اساس نتایج این پژوهش، زغال­های زیستی بقایای ذرت نسبت به زغال­های زیستی چوب توانایی بهتری در حذف سرب داشتند. همچنین دمای گرماکافت °C700 نسبت به دمای °C400 تأثیر بیشتری در افزایش توانایی زغال­های زیستی در حذف سرب داشت؛ بنابراین استفاده از جاذب­های کم‌هزینه با قابلیت حذف بالای سرب مانند زغال­های زیستی می­تواند نقش مثبتی در کاهش آلاینده­ها در سیستم­های آبی داشته باشد.
 
[1] Zea mays L.
[2] Conocarpus erectus L.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of Linear and Non-linear Kinetic and Isotherm Models for Evaluation of Lead Removal Efficiency from Aqueous Solutions Using Biochars

نویسندگان [English]

  • Hedieh Behnam 1
  • Ahmad Farrokhian Firouzi 2
1 Department of Soil Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
2 Associate Professor, Department of soil science, Faculty of Agriculture , Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Heavy metals pose a serious threat to both human and environmental health. As a result, practical and low-cost strategies to remove them are urgently needed. Biochar is such a sustainable adsorbent playing an influential role in reducing pollution caused by heavy metals. This study aimed to investigate the effects of two feedstock types (corn (Zea mays L.) residues and Conocarpus erectus L. wood) and pyrolysis temperatures (400°C and 700°C) on the removal of lead from aqueous solution and compare linear and nonlinear forms of kinetic and isotherm data of adsorption. For this purpose, characteristics affecting lead removal such as pH of the solution, biochar concentration, contact time, and pollutant concentration were evaluated. In brief, after finding the best pH of the solution, the effect of adsorbent concentration was investigated. Then, the optimum pH and adsorbent concentration were used to assess contact time. Finally, pH, adsorbent concentration, and contact time in the optimum condition were selected to assess the impact of pollutant concentration on the removal of lead by biochars. According to the results, the optimum pH affecting lead adsorption by biochars was 5. The most suitable biochar concentration regarding lead removal was 0.8 gL-1. Lead adsorption by biochars reached equilibrium after 120 minutes. Moreover, sorption capacity increased by elevating the heavy metal concentration. Corn residues biochar produced at 700°C and wood-based biochar fabricated at 400°C had the most and the least lead sorption capacity, respectively. Pseudo-second-order, intra-particle diffusion, and pseudo-first-order models in two linear and non-linear forms revealed the best to the worst description for the sorption process as kinetic models, respectively. According to the model efficiency criteria, Freundlich, Temkin, and Langmuir in non-linear form, and Freundlich, Langmuir, and Temkin in linear form showed the most to the least suitable fit. These results highlighted the importance of using models in their original type being non-linear form. According to the outcome of this study, biochars produced from corn residues had more ability to remove lead than wood-based biochars. Moreover, pyrolysis temperature of 700°C was more effective in the adsorbents' ability to eliminate lead than 400°C. Therefore, the application of low-cost adsorbents with a high capability to remove lead, such as biochars, could positively reduce pollutants from aqueous systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Corn residues
  • wood
  • Pyrolysis temperature
  • Heavy metals
Amarasinghe, B. M. W. P. K., and Williams, R. A. (2007). Tea waste as a low cost adsorbent for the removal of Cu and Pb from wastewater. Chemical Engineering Journal, 132(1), 299-309.
Benmessaoud, A., Nibou, D., Mekatel, E. H., and Amokrane, S. (2020). A Comparative Study of the Linear and Non-Linear Methods for Determination of the Optimum Equilibrium Isotherm for Adsorption of Pb2+ Ions onto Algerian Treated Clay. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 39(4), 153-171.
Bernardo, M., Mendes, S., Lapa, N., Gonçalves, M., Mendes, B., Pinto, F., and Fonseca, I. (2013). Removal of lead (Pb2+) from aqueous medium by using chars from co-pyrolysis. Journal of Colloid and Interface Science, 409, 158-165.
Bhatti, H. N., Khalid, R., and Hanif, M. A. (2009). Dynamic biosorption of Zn(II) and Cu(II) using pretreated Rosa gruss an teplitz (red rose) distillation sludge. Chemical Engineering Journal, 148(2), 434-443.
Bilal, M., Adeel, M., Rasheed, T., Zhao, Y., and Iqbal, H. M. N. (2019). Emerging contaminants of high concern and their enzyme-assisted biodegradation – A review. Environment International, 124, 336-353.
Cantrell, K. B., Hunt, P. G., Uchimiya, M., Novak, J. M., and Ro, K. S. (2012). Impact of pyrolysis temperature and manure source on physicochemical characteristics of biochar. Bioresource Technology, 107, 419-428.
Cao, Y., Xiao, W., Shen, G., Ji, G., Zhang, Y., Gao, C., and Han, L. (2019). Carbonization and ball milling on the enhancement of Pb(II) adsorption by wheat straw: Competitive effects of ion exchange and precipitation. Bioresource Technology, 273, 70-76.
Chakravarty, P., Sarma, N. S., and Sarma, H. P. (2010). Removal of lead(II) from aqueous solution using heartwood of Areca catechu powder. Desalination, 256(1), 16-21.
Chen, Z.-l., Zhang, J.-q., Huang, L., Yuan, Z.-h., Li, Z.-j., and Liu, M.-c. (2019). Removal of Cd and Pb with biochar made from dairy manure at low temperature. Journal of Integrative Agriculture, 18(1), 201-210.
Cole, E. J., Zandvakili, O. R., Xing, B., Hashemi, M., Herbert, S., & Mashayekhi, H. H. (2019). Dataset on the effect of hardwood biochar on soil gravimetric moisture content and nitrate dynamics at different soil depths with FTIR analysis of fresh and aged biochar. Data in Brief, 25, 104073.
Cui, X., Dai, X., Khan, K. Y., Li, T., Yang, X., and He, Z. (2016). Removal of phosphate from aqueous solution using magnesium-alginate/chitosan modified biochar microspheres derived from Thalia dealbata. Bioresource Technology, 218, 1123-1132.
Domingues, R. R., Trugilho, P. F., Silva, C. A., Melo, I., Melo, L. C. A., Magriotis, Z. M., and Sánchez-Monedero, M. A. (2017). Properties of biochar derived from wood and high-nutrient biomasses with the aim of agronomic and environmental benefits. PLOS ONE, 12(5).
Gammoudi, S., Frini-Srasra, N., and Srasra, E. (2012). Nitrate sorption by organosmectites. Engineering Geology, 124, 119-129.
Ghasemi, M., Naushad, M., Ghasemi, N., and Khosravi-fard, Y. (2014). Adsorption of Pb(II) from aqueous solution using new adsorbents prepared from agricultural waste: Adsorption isotherm and kinetic studies. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20(4), 2193-2199.
Hassan, M., Liu, Y., Naidu, R., Parikh, S. J., Du, J., Qi, F., and Willett, I. R. (2020). Influences of feedstock sources and pyrolysis temperature on the properties of biochar and functionality as adsorbents: A meta-analysis. Science of The Total Environment, 744, 140714.
Hou, J., Huang, L., Yang, Z., Zhao, Y., Deng, C., Chen, Y., and Li, X. (2016). Adsorption of ammonium on biochar prepared from giant reed. Environmental Science and Pollution Research, 23. doi:10.1007/s11356-016-7084-4
Inyang, M. I., Gao, B., Yao, Y., Xue, Y., Zimmerman, A., Mosa, A., and Cao, X. (2016). A review of biochar as a low-cost adsorbent for aqueous heavy metal removal. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 46(4), 406-433.