پژوهشي علمي ي فصلنامه محيط و سالمت مجله ايران محيط بهداشت علمي انجمن 430 تا 417 صفحات 1392, زمستان چهارم, شماره ششم, دوره عملکرد روي بر ثابت بستر ستون به ورودي جريان نرخ و غلظت تاثير بررسي و Cystoseira indica شده پروتونه قهوهاي جلبک توسط نيکل زيستي جذب تجربي نتايج سازي مدل 4 موسويان محمدعلي 3 آباد ترک قاسمي مرتضي 2 دستهباشي حسين 1 كشتكار عليرضا 92/03/21 پذيرش: 91/12/23 دريافت: چکيده پتانسيل بررسي منظور به است. آبي هاي محلول از سنگين فلزات بازيابي و حذف جهت ارزان و جديد فناوري يک زيستي جذب هدف: و زمينه ثابت بستر ستون يک در Cystoseira indica زيس تتوده توس ط آبي محلولهاي از نيکل زيس تي جذب نيکل هاي يون حذف در روش اين شد. بررسي گرفت. قرار بررسي مورد متفاوت ورودي جريانهاي نرخ و غلظت در شده پروتونه زيستي جاذب توسط نيکل يونهاي جذب ميزان بررسي: روش Thomas Yoon & Nelson Dose هايResponse همچنين منحنيشکستبدستآمدهتحتيکشرايطآزمايشگاهيمشخص بااستفادهازمدل شد. سازي مدل Belter و ظرفيت و شده جرم انتقال محرکه نيروي افزايش باعث 100 تاmg/L 58 از ستون به ورودي غلظت افزايش داد نشان آمده بدست نتايج يافتهها: کنترل داخلي جرم انتقال توس ط فرآيند هنگاميکه داد نش ان جريان نرخ اثر بررس ي مييابد. افزايش 95/69 بهmg/g 55/84 از ج اذب ج ذب اليه مقاومت کاهش باعث باال هاي جريان نرخ خارجي جرم انتقال توس ط فرآيند کنترل مورد در اس ت. مطلوب پايين هاي جريان نرخ ميش ود مدل ويژه به فوقالذکر مدلهاي داد نشان آزمايشگاهي هاي داده سازي مدل شوند. مي جرم انتقال افزايش باعث و شده جاذب اطراف سيال نازک يوني تبادل مکانيسم که داد نشان ستون از خروجي محلول ph بررسي هستند. مناسب شکس ت منحنيهاي پيشبيني براي Dose-Response است. جاذب اين توسط نيکل زيستي جذب در اصلي هاي مکانيسم از يکي در تواند مي توده زيس ت اين فرآيندي نظر نقطه از لذا اس ت. تعادلي ناپيوس ته جذب هاي آزمايش تکميلكننده پژوهش اين نتايج نتيجهگيري: باشد. مطرح نيکل هاي يون جاذب عنوان به جذب ستونهاي مدلسازي جلبک نيکل ثابت بستر ستون زيستي جذب کليدي: واژگان ايران اتمي انرژي سازمان هستهاي فنون و علوم پژوهشگاه هستهاي سوخت چرخه پژوهشكده دانشيار شيمي مهندسي دکتراي مس ئول(: )نويس نده 1- akeshtkar@aeoi.org.ir تهران تهران تهران دانشگاه فني دانشکدههاي پرديس شيمي مهندسي دانشکده شيمي مهندسي ارشد کارشناسي 2- تهران ايران اتمي انرژي سازمان هستهاي فنون و علوم پژوهشگاه هستهاي مهندسي دکتراي دانشجوي 3- تهران تهران دانشگاه فني دانشکدههاي پرديس شيمي مهندسي دانشکده استاد شيمي مهندسي دکتراي 4-
بررسي تاثير غلظت و نرخ جريان... مقدمه پس اب صنايعي نظير مع دنکاري و متالورژي فلز نيکل آب- کاري فل زات س اخت ف والد زنگنزن باتريس ازي رنگ لعابکاري س راميک و چيني و غي ره مقادير زيادي نيکل وارد محيط زيس ت ميکنند. مقادير جزئي يونه اي نيکل ميتواند به عنوان فعالکننده بعضي از سيس تمهاي آنزيمي مفيد باش د اما وج ود مقادير بيش از حد آن س لامت محيط زيس ت را تهديد ميکند. فلزات س نگين نظير نيکل سرب جيوه و غيره از مهمترين انواع آاليندهها در دريا زمين و پس ابهاي صنعتي هس تند. معموال آلودگيهاي مربوط به فلزات سنگين از طريق فعاليتهاي صنعتي اكتش اف معادن و عمليات متالورژيكي و كشاورزي ايجاد شده و سيستمهاي آبي به طور طبيعي دريافت کنن ده نهايي اين فلزات هس تند. لذا آلودگ ي محيطهاي آبي توس ط فلزات سنگين سمي بودن اين فلزات و باقيماندن آنها در زنجيره مواد غذايي موجودات زنده باعث ش ده اس ت كه اين مس اله به يك مشكلزيس تمحيطي جدي در دنيا تبديل ش ود )5-1(. فناوريهاي مرس وم براي حذف فلزات سنگين از پس ابها )رسوبدهي شيميايي تبادل يون جذب سطحي فرآيندهاي غش ايي اس تخراج با ح لال و تبخي ر( نيازمند هزينهه اي س رمايهگذاري و هزينهه اي جاري زياد اس ت. بنابراي ن نياز به روشهاي ارزان احس اس ميش ود تا حذف يونهاي فلزي اقتصاديتر شود )1 6 4 و 7(. پژوه ش حاضر ب ر روي يك ي از فناوريه اي جديد جهت حذف فلزات س نگين از محلولهاي آبي يعني جذب زيس تي )Biosorption( تمركز دارد. جذب زيستي اصطاحا به حذف فلزات سنگين توسط جايگاههاي تاثيرپذير ميكروارگانيسمهاي غيرزن ده )باكت ري جلب ك و قارچه ا( و زيس تتودههاي )Biomass( ديگر )نظير برخي از گياهان سبوس برنج پوست ميوه پوس ت و برگ درختان و غي ره( از محلولهاي آبي گفته ميشود )8-11(. جذب زيستي مزيتهاي زيادي نظير هزينههاي سرمايهگذاري و هزينههاي جاري پايين حذف انتخابي فلزات قابليت احياي جاذب و توانايي بازيابي فلزات س ينتيك س ريع جذب و بازجذب و عدم توليد لجن دارد )12-17(. تحقيق و بررس ي در زمينه فناوري ج ذب جامد- مايع به دو صورت آزمايشهاي جذب ناپيوسته تعادلي و مطالعات جذب جريان پيوسته ديناميکي انجام ميگيرد. ارزيابي عملکرد جذب تعادلي ميبايس ت توس ط مطالعات جهتدار سينتيکي و در نهايت آزمايشهاي جريان پيوسته ديناميکي تکميل گردد )18(. اگرچه انواع مختلفي از راكتورها همانند راكتورهاي ناپيوس ته يا مخ ازن همزندار جريان پيوس ته را ميتوان جهت عمليات جذب اس تفاده نمود ام ا در اغلب فرآيندهاي جداس ازي و خالصس ازي كه از فناوري جذب در حالت پيوس ته استفاده ميكنند از يك س تون بس تر ثابت استفاده ميشود. يك ستون بس تر ثابت با ايجاد اختاف غلظت مناس ب ميتواند نيروي محركه الزم براي جذب يونهاي فلزي را ايجاد نمايد تا جاذب بيش ترين بازدهي را داشته باشد. اين ستونها از لحاظ عملياتي ساده هستند و بازدهي زيادي دارند. همچنين ميتوان به آساني در مقياس آزمايشگاهي از آنها استفاده نمود )3 و 19(. جلبکها به عن وان مواد تجديدپذير قابل دس ترس و فراوان در طبيعت ارزان داراي س طح مخصوص نس بتا زياد و ميل ترکيب ي باال قادر به جذب زيس تي يونهاي فلزات س نگين ب ا راندمان باال و هزينه پايين هس تند. محققي ن انواع مختلفي از جلبکها را براي جذب زيس تي فل زات مورد آزمايش قرار دادهاند که از اين بين جلبکهاي قهوهاي بسيار موثرتر از ديگر گونههاي آن تش خيص داده شدهاند )8 و 20(. در پژوهشهاي پيشين آزمايشهاي ناپيوسته بر روي جذب زيستي نيکل توسط ج اذب زيس تي indica Cystoseira که يك گونه از جلبك قهوهاي اس ت انجام شده است و پارامترهاي تعادلي سينتيکي و ترموديناميکي اين فرآيند در حالت ناپيوس ته مورد بررس ي قرار گرفته ش ده اس ت )21 و 22(. در مجموع نتايج بدس ت آمده در سيس تم آزمايش گاهي ناپيوسته مش خص کننده اين اس ت که اين زيستتوده مي تواند به عنوان يک جاذب ارزان قيمت و مناسب براي جذب يونهاي نيکل از محلول هاي آبي مطرح باش د. لذا جهت تکمي ل پژوهشهاي قبلي )و با هدف بررس ي رفتار جاذب در سيستمهاي جريان پيوسته ديناميکي( در پژوهش حاضر آزمايشها و بررس يها در يك ستون بستر ثابت با جريان پيوس ته انجام ش د. تاثير غلظت و نرخ جريان محلول ورودي به ستون بر روي عملکرد ستون مطالعه شده و منحنيهاي شکست بدست آمده توسط مدلهاي رياضي آناليز و تجزيه و تحليل شد. 418
همکاران و كشتكار عليرضا روشها و مواد جاذب آمادهسازي 1. جلبك نوع از شد استفاده آن از پژوهش اين در كه زيستي جاذب خليج سواحل از كه اس ت Cystoseira indica نام با قهوهاي 22( و )21 قبلي مطالعههاي در اس ت. شده جمعآوري فارس پارامترهاي تاثير آوردن بدست منظور به ناپيوس ته آزمايشهاي و جاذب آمايش دم ا زيس تتوده غلظت تماس زم ان ph آبي محلولهاي از نيکل جذب فرآيند روي بر فلز اوليه غلظ ت کدام هر بهينه شرايط و گرفت صورت زيستتوده اين توس ط نشان- آمده بدست نتايج شد. آورده بدس ت فوق پارامترهاي از زيستتوده اين توسط نيکل يونهاي جذب که است اين دهنده 6 با برابر آمده بدس ت بهينه ph و بوده محلول ph به وابس ته اين در نيکل يونهاي جذب ظرفيت ماکزيمم همچنين اس ت. 30 mg/l اوليه غلظت )در است 9/32 mg/g با برابر بهينه ph فلز از ش ده اش باع جاذب محلول(. 2 g/l جاذب غلظ ت و بر خاصي تاثير دف ع و جذب س يکلهاي و بوده بازيابي قابل تعادلي ايزوترمهاي بين از ندارند. ج اذب جذب ظرفيت روي النگموير مدل و )Freundlish( فروندلي چ مدل پارامت ري دو مدل پارامتري س ه تعادلي ايزوترمهاي بين از و )Langmuir( هم- دارند. آزمايشگاهي دادههاي با بهتري تطابق )Khan( خان )Pseudo-second-order( دوم مرتبه شبه سينتيکي مدل چنين پارامترهاي محاسبه دارد. آزمايش گاهي دادههاي با خوبي تطابق نش اندهنده )ΔSº و ΔHº ΔGº( فرآين د ترموديناميک ي جذب فرآيند ب ودن گرماگير و خودي به خ ود امکانپذي ري است. زيستي جاذب اين توسط نيکل يونهاي در جذب فرآيند انجام براي توده زيست اين سازي آماده جهت توسط زيستتوده ابتدا پيوسته جريان با ثابت بستر ستون يك يك در 8 h مدت به شدن خشك جهت و شسته يون بدون آب خشک توده زيست سپس ش د. داده قرار 70 C دماي در آون الكهاي از استفاده با و خرد آزمايش گاهي هاون يك در شده آمايش فرآيند ادامه در -1(. 2mm( ش د مشبندي استاندارد افزايش فرآيند اين از ه دف گرفت. صورت جاذب روي ب ر ش يميايي و فيزيکي روشهاي اس ت. جاذب جذب ظرفي ت است. شده گزارش زيس تي جاذبهاي آمايش جهت مختلفي دادن حرارت و جوشاندن کردن فريز شامل فيزيکي روشهاي ش يميايي روشهاي و مکانيکي کردن خرد و ک ردن اتوكاو متانول نظير مختلف غيرآل ي و آلي ترکيبات با تماس ش امل است کلسيم کلريد محلول و کلريدريک اسيد سود فرمالدهيد مشخص )22( پيشين هاي پژوهش در که اين به توجه با )18(. جاذب اين آمايش جهت کلريدريک اس يد از استفاده که ش د پژوهش اين در لذا ش ود مي آن جذب ظرفيت افزايش باعث اين براي شد. استفاده اسيد اين از زيستتوده آمايش براي نيز 0/1 M محلول 1 L داخل در زيس تتوده 50 g مقدار منظور شيكر داخل 2 h مدت به سپس و شد ريخته کلريدريک اس يد س پس ش د. زده هم به 25 C دماي و 200rpm س رعت با حذف جهت و جدا محلول از اسيد با شده آمايش زيستتوده بدون آب زيادي مقدار با آن از غيرپيوندي هيدروژن يونه اي به شده آمايش زيس تتوده ادامه در ش د. داده شستش و يون از پس و شد داده قرار 70 C دماي در آون يك در 8 h مدت -1(. 2mm( گرديد مشبندي مجددا شدن خشك شيميايي مواد 2. خالص مواد از پژوهش اين در اس تفاده مورد محلولهاي تمام و يون بدون آب از استفاده با محلولها ش د. تهيه آزمايشگاهي شد. ساخته آلمان( مرك شركت )ساخت N 2 NiO 6.6H 2 O نمك تا 0/1 NaOH و 1 M تا 0/1 HCl از اس تفاده با محلولها ph شد. تنظيم دلخواه مقادير در متر ph يك وسيله به و 1 M آزمايشگاهي سيستم 3. گرفت قرار استفاده مورد پژوهش اين در كه آزمايشگاهي سيستم زير قسمتهاي ش امل پيوسته( جريان با ثابت بس تر )س تون دو 25 cm ارتفاع و 2/6 cm داخلي قطر به شيشهاي لوله است: قطر به پاستيكي توري يك ش امل كدام هر كه نگهدارنده عدد و 2/6 cm خارجي قطر به پاس تيكي اس توانه يك و 2/6 cm پنبه چوب عدد دو هستند 2 cm ارتفاع و 2/4 cm داخلي قطر شيلنگهاي قطر به شيش هاي لولههاي آنها كردن س وراخ با كه آنها از س تون از محلول خروجي و س تون به محلول ورودي بر مايع انداختن جريان به جهت پمپ اس ت ش ده داده عبور نگهدارنده پايه است Peristaltic نوع از كه جاذب بستر روي به مربوط ش يلنگهاي و خروجي و ورودي مخ ازن س تون تجهيزات چيدمان نحوه از شمايي 1 شكل مايع. جريان برقراري ميدهد. نشان را آزمايشها دادن انجام جهت فوق 1392 زمستان چهارم/ شماره ششم/ دوره 419
جريان... نرخ و غلظت تاثير بررسي آزمايشها در استفاده مورد آزمايشگاهي سيستم از شمايي 1: شکل محلول نيکل غلظت آناليز 4. اتمي جذب دستگاه از اس تفاده با آب در محلول نيکل غلظت Spectra م دل Atomic Absorption Spectroscopy( موج طول در استراليا( کشور Varian شرکت ساخت 200-A شد. اندازهگيري 232 nm آزمايش شرايط 5. 6 برابر ph و 20-25( )C محي ط دماي در آزمايشها تم ام انجام )21( است ناپيوسته حالت در آمده بدست بهينه ph كه به ورودي محلول جريان نرخ و غلظت اثر بررسي جهت ش د. نظر مورد جاذب از 3/5 مقدارg ستون عملکرد روي بر ستون خوراک محلول جريان برقراري از قبل شد. ريخته ستون داخل شد داده عبور ستون از يون بدون آب جريان 30 min مدت به ارتفاع نظر از پايدار حالت يك به ستون كه زمان اين از بعد و از آزمايش محلول و قطع يون بدون آب جريان رس يد جاذب خروجي جريان از مختلف زمانهاي در و شد داده عبور ستون نيکل محلولهاي براي فوق آزمايش شد. گرفته نمونه ستون از 4/2 2 جريانهاي نرخ و 100 وmg/L 75 58 غلظتهاي با شد. انجام 10/5 ml/min و شکست منحنيهاي تحليل و تجزيه 6. غلظت اندازهگيري ب ا ثابت بس تر س تون عملكرد يا كاراي ي آن نمودار رس م و س تون از خروجي جريان در ش ونده جذب قرار بررسي مورد س تون از خروجي حجم يا زمان حس ب بر گفته عبور منحني يا شكس ت منحني حاصل نمودار به ميگيرد. ممكن ولي بوده S شكل به اغلب شکست منحنيهاي ميشود. شكل مواقع بعضي و باش ند پهن نسبتا يا و تند شيب با اس ت باشد سريع حد از بيش جذب فرآيند اگر باشند. داشته كشيدهاي منحنيهاي ميش ود. عمودي كاما خط يك شکس ت منحني سرعت و تعادلي مقادير جريان مش خصات از تابعي شكس ت كه ميشود ايجاد هنگامي شكست منحني نوعا است. جرم انتقال ميزان %5 به ستون از خروجي جريان در ش ونده جذب غلظت به )که برسد س تون به ورودي جريان در ش ونده جذب غلظت خروجي غلظت زمانيكه ميگويند(. شکست نقطهي نقطه اين در شده اش باع را جاذب بس تر برس د ورودي غلظت %95 به است زماني جاذب بستر كامل اشباع است گفتني ميگيرند. نظر س تون به ورودي جريان غلظت همان دقيقا خروجي غلظت كه فلز جرم نش اندهنده شکست منحني زير مساحت )1(. باش د ميآيد بدست زير رابطه از و اس ت جاذب توسط ش ده جذب :)23-25( m ad t= t total Q = 1000 t = 0 Cdt ( 1) نرخ Q )mg( ش ده جذب فلز جرم m ad رابط ه اين در ک ه يونفلز غلظت C )ml/min( ستون به ورودي محلول جريان tزمان total )min( زمان t )mg/l( ستون از خروجي محلول در فلزجذبشده جرم تقسيم از.)min( است ستون کامل اش باع بر )q 0 ( س تون جذب ظرفيت س تون داخل جاذب ج رم به ميآيد. بدست جاذب گرم به شده جذب فلز ميليگرم حسب را شکس ت منحنيهاي بتواند که مدلي توس عه و اس تخراج غلظت زيرا است. دشوار بسيار موارد اغلب در نمايد توصيف به اس ت حرکت حال در بس تر طول در که محلولي در فل ز نيست. پايدار فرآيند يک و بوده تغيير حال در پيوس ته صورت فرآيند مکانيسم به ثابت بستر س تون يک براي پايه هاي معادله روي بر واکنش يا و نفوذ جامد س طح به مايع از جرم )انتقال مايع و جامد بين جذبش ونده تعادلي مقادير و جامد( س طح 420 1392 زمستان چهارم/ شماره ششم/ دوره
همکاران و كشتكار عليرضا C C i 1 = 1 CV 1 + ( i ) a Mq 0 ( 4) اين مدلسازي جهت شده استخراج هاي معادله دارد. بس تگي طبيعتي هس تند همراه تئوري ريزهکاريهاي با که سيس تمها عددي روشهاي به نياز آنه ا حل جهت و دارند ديفرانس يلي س اده رياضي مدلهاي محققين اي ندليل به اس ت. پيچيده مدل Yoon & Nelson مدل Thomas م دل نظير مختلفي پيشبيني جهت را غي ره و Belter م دل Dose-Response توسعه فرآيند سينتيکي ضرايب تعيين و س تون ديناميکي رفتار رد جرمي انتقال ماحظات هيچگونه مدلها اين در اما دادهاند. مدلهاي به نسبت پايينتري دقت لذا اس ت. نشده گرفته نظر )24(. دارند تئوري شباهت و زيستي جذب فرآيند مدلسازي ضرورت به توجه با ساده مدلهاي از ميتوان س طحي جذب فرآيند با فرآيند اين شده استفاده جذب س تونهاي مدلس ازي جهت که رياضي نمود استفاده نيز زيستي جذب س تون مدلسازي براي اس ت صورت به که است Thomas مدل مدلها اين جمله از )26(. جذب ثابت بس تر س تونهاي رفتار توصيف جهت گس ترده )1 است زير صورت به مدل اين اس ت. شده استفاده زيستي :)27 و 24 C C i = 1 Mq k Ck t + Q 1000 0 Th i Th 1 exp( ) )2( و ورودي جري ان در ترتيب به فل ز يون غلظت C و C i ک ه نرخ Q )L/(g.min)( Thomas ثابت k Th )mg/l( خروجي M )mg/g( جذب ظرفيت ماکزيمم q 0 )ml/min( جري ان.)min( است زمان t و )g( جاذب جرم جذب روي بر که را س ادهاي نس بتا مدل Yoon & Nelson توسعه داشت تمرکز فعال کربن روي بر بخار و گاز س طحي 24(: و )23 است زير رابطه صورت به مدل اين دادهاند. C 1 = C 1 + exp( k ( τ t)) i YN ( 3) ورودي جريان در ترتيب به فلز يون غلظت C و C i آن در ک ه )1/min( Yoon & Nelson ثابت k YN )mg/l( خروجي و به س تون از خروجي غلظت رس يدن جهت نياز مورد زمان τ.)min( است زمان t و )min( ستون به ورودي غلظت نصف مثال )براي داروسازي صنايع در ابتدا Dose-Response مدل با ارگانيس م يک عکسالعمل و واکنش ارتباط بررس ي جهت مدل اين از اخي را ميگرفت. قرار اس تفاده مورد دارو( مي زان تغيير شکل است. شده استفاده نيز زيستي جذب بررسي جهت ميشود استفاده زيس تي جذب فرآيند براي که مدل اين يافته )24(: است زير رابطه صورت به خروجي و ورودي جريان در ترتيب به فلز يون غلظت C و C i جرم M )L( س تون از عبوري محل ول حج م V )mg/l( ثابت a و )mg/g( ج ذب ظرفيت ماکزيم م q 0 )g( ج اذب C C i t t = + erf 2 2σ t 1 [1 ( 0.5 )] 0.5 است. Dose-Response همکارانش و Belter توس ط نيز ديگري تجربي و س اده مدل ثابت بستر هاي س تون شکس ت منحني رفتار بررس ي جهت به پارامتري دو مدل اين ش د. داده پيشنهاد زيس تي جاذب با )28(: است زير رابطه صورت ( 5) جريان و خروجي جري ان در غلظت C i و C رابط ه اي ن در زمان t x خط اي تاب ع erf(x) )mg/l( س تون ب ه ورودي غلظت زمان اين در که اس ت اي مش خصه زمان t 0/5 )min( محلول غلظت نصف به س تون از خروجي محلول جري ان در منحني شيب از مقياسي σ و )min( رسد مي س تون به ورودي است. استاندارد انحراف دهنده نشان و شکست روش از ش ده ذکر مدلهاي از کدام هر به مربوط پارامترهاي نرمافزار Curve fitting اب زار جعبه از اس تفاده با غيرخط ي آزمايشگاهي هاي داده با مدل تطابق از و )MATLAB( متلب آيد. مي بدست 1392 زمستان چهارم/ شماره ششم/ دوره 421
بررسي تاثير غلظت و نرخ جريان... يافته ها همانطور که قبا نيز بيان شد جاذب زيستي كه در اين پژوهش از آن استفاده شده است از نوع جلبك قهوهاي با نامindica.C است. گفتني اس ت ديواره سلولي جلبکهاي قهوهاي )محلي که در آن جذب يونهاي فلزي انجام مي شود( عموما شامل سه ترکيب سلولز اسيد آلژينيک و پلي ساکاريدهاي سولفاته شده بوده و همچنين کربوکسيل و س ولفات گروه هاي فعال غالب در اين نوع جلبک ها اس ت. طيف اين زيست تودهبا اس تفاده از ي ک دس تگاه Fourier Transform Infrared( FTIR Bruker ش ركت س اخت مدل Vector22 Spectroscopy کش ور امري کا( در مح دوده ع دد م وج 1- cm 400-4000 اندازه گي ري ش د )نم ودار 2(. در طي ف اين زيس ت توده پيکهاي مربوط به گروههاي C=O H-O و C-O همچنين س اختارهاي C-H و C=C دي ده مي ش ود. همچنين تصوير )Scanning Electron Microscopy( SEM س طح اي ن زيستتوده نيز در شکل 3 آورده شده است. جهت بررس ي اثر غلظ ت محلول ورودي به س تون بر روي ميزان جذب جاذب و عملکرد س تون آزمايش در سه غلظت 75 58 و 100mg/L و تح ت ش رايطي که قبا بيان گرديد انجام ش د. هر سه منحني شکست بدس ت آمده در نمودار 4 آورده شده است. نم ودار 4: منحني شکس ت بدس ت آم ده از جذب زيس تي نيکل توسط جاذب زيستي پروتونه شده indica.c در يک ستون جريان پيوس ته ب ا 3/5 g جاذب ن رخ جري ان ورودي 4/2 ml/min و با غلظتهاي ورودي متفاوت نمودار 2: آناليز FTIR زيست توده indi.c يکي از پارامترهاي مهم در طراحي ستون هاي بستر ثابت تعيين زمان اقامت و يا زمان ماند بهينه جذب شونده در بستر است. اين زمان ماند بهينه ارتباط مستقيمي با نرخ جريان محلول ورودي به س تون دارد. همانطور که قبا توضيح داده ش د مشخصات جريان )نظير نرخ جريان غلظت و غيره( بر روي شکل منحني شکست و نهايتا عملکرد س تون تاثيرگذار است. لذا هدف از بدس ت آوردن اثر نرخ جريان ورودي به س تون و بهينه سازي آن بدس ت آوردن بهترين زمان ماند جذبش ونده در ستون بس تر ثابت بوده که در آن زمان ظرفيت جذب ماکزيمم باشد. جهت بررسي اثر نرخ جريان محلول ورودي به ستون بر روي مي زان جذب جاذب و عملکرد س تون آزمايش در س ه نرخ جريان 4/2 2 و 10/5 ml/min كه ش رح نحوهانجام آن قبا بيان گرديد انجام ش د. هر سه منحني شکست بدست آمده از انجام اين آزمايش در نمودار 5 آورده شده است. شکل 3: تصوير SEM زيستتوده indica.c 422
عليرضا كشتكار و همکاران نم ودار 5: منحني شکس ت بدس ت آم ده از جذب زيس تي نيکل توسط جاذب زيستي پروتونه شده.C indica در يک ستون جريان پيوس ته ب ا 3/5 g ج اذب غلظته اي ورودي 75 mg/l و با نرخ جريان ورودي متفاوت ج دول 1: پارامتره اي مربوط ب ه مدل Thomas م دل & Yoon Nelson م دل Dose-Response و م دل Belter براي س تون با 14/4 g جاذب زيس تي پروتونه ش ده indica.c محلول ورودي نيکل با غلظت 58 mg/l و نرخ جريان ورودي 10/5 ml/min مد همانطور که قبا نيز اشاره شد معموال منحني هاي شکست به ش کل S بوده و با توجه به نتايج بدست آمده در اين پژوهش در صورتي که از 3/5 g جاذب در س تون اس تفاده شود نقاط ابتدايي منحني شکست خيلي مشخص نيست. لذا جهت بررسي تطابق نتايج آزمايش گاهي با مدل هاي مدنظر در داخل ستون از 14/4 g جاذب اس تفاده شد تا منحني شکست کاملي ايجاد ش ود و نتايج حاصل از مدل سازي دقيق و قابل استفاده باشد. پارامترهاي مربوط به هر کدام از مدلها از تطابق مدل با نتايج آزمايشگاهي بدست آمده براي ستون با 14/4 g جاذب غلظت محل ول ورودي 58 mg/l و ن رخ جري ان 10/5 ml/min بدست آورده شد. مقادير بدست آمده براي هر کدام از پارامترها در جدول 1 آورده شده است. همچنين منحني شکست بدست آمده از نتايج پيشبيني شده هر کدام از مدلهاي مذکور و نتايج آزمايشگاهي در نمودار 6 آورده شده است. * پا مترها مقا ير بدست مد 35/96 42/49 0/0578 0/9582 850/2 745/8 0/0034 0/9582 33/25 42/49 2/429 0/9952 878/4 q 0cal (mg/g) q 0exp (mg/g) k Th l/(g.min) L/(g.min) 2 R τ cal (min) τ exp (min) k YN (1/min) 2 R q 0cal (mg/g) q 0exp (mg/g) a 2 R t 0/5cal (min) Thomas Yoon & Nelson Dose- Response نم ودار 6: منحنيهاي شکس ت بدس ت آم ده از نتاي ج حاصل از پيشبيني مدل به همراه نتايج آزمايشگاهي بدست آمده براي ستون با 14/4 g جاذب زيس تي پروتونه ش ده indica.c محلول ورودي نيکل با غلظت 58 mg/l و نرخ جريان ورودي 10/5 ml/min 745/8 0/5912 0/9593 t 0/5exp (min) σ 2 R Belter exp نديس مد پا مترها به مربو cal نديس * مربو به نتايج مايشگاهي ست. 423
بررسي تاثير غلظت و نرخ جريان... نم ودار 6: منحنيهاي شکس ت بدس ت آم ده از نتاي ج حاصل از پيشبيني مدل به همراه نتايج آزمايشگاهي بدست آمده براي ستون با 14/4 g جاذب زيستي پروتونه شدهي.C indica محلول ورودي نيکل با غلظت 58 mg/l و نرخ جريان ورودي 10/5 ml/min جهت بررسي مكانيسم غالب در جذب زيستي ph نمونههاي گرفته شده از محلول خروجي از ستون با جاذب پروتونه شده )در آزمايش بررس ي اثر غلظت محلول ورودي بر روي ميزان جذب جاذب و عملکرد س تون( اندازهگيري شد. نتايج بدست آمده در نمودار 7 نش ان داده شده اس ت )نمودار ph محلول خروجي بر حسب حجم محلول خروجي از ستون(. نم ودار 7- ph محل ول خروجي بر حس ب حج م محلول خروجي از س تون در آزمايش بررس ي اثر غلظت نيکل در محلول ورودي به س تون بر روي ميزان جذب جاذب زيستي پروتونه شده indica.c و عملکرد ستون بحث همانط ور که از نتايج آناليز FTIR و SEM مش خص اس ت اين زيستتوده داراي گروههاي عاملي موثر در فرآيند جذب و همچني ن تخلخل ه ا با اندازهه اي مختلف ب وده که اين تخلخل ها نيز محل هاي مناس بي ب راي جذب يون هاي فلزي است. در مجموع ميتوان گفت که خواص فيزيکي و شيميايي اين زيس ت توده نش ان دهنده قابليت خوب آن به عنوان يک جاذب زيستي است. نتايج حاصل از تجزيه و تحليل منحنيهاي شکس ت بدس ت آمده از آزمايش بررس ي اثر غلظت نش ان ميدهد که ظرفيت جذب س تونها ب ا غلظ ت ورودي 75 58 وmg/L 100 به ترتيب برابر با 71/14 55/84 و 95/69 mg/g اس ت. با توجه به نتايج بدس ت آمده مشخص ميشود كه هر چه غلظت يون فلزي در محلول ورودي به س تون افزايش يابد ظرفيت جذب ستون نيز افزايش مييابد. نتايج مشابه اي توسط ساير محققين در استفاده از ستونهاي جذب زيستي بدست آمده است )24.)32-29 فرآيند جذب شامل دو مرحله ميشود مرحله ي اول آن انتقال يون فلز از توده سيال به سطح جاذب و مرحله دوم آن نفوذ در خلل و فرج جاذب و انجام واکنش با جاذب اس ت. علت اين كه با افزايش غلظت محلول ورودي به س تون ظرفيت جذب س تون افزايش پيدا ميكند بر ميگردد ب ه اين كه عامل انتقال ج رم بين جاذب و س يال و يا به نوعي ني روي محركه انتقال ج رم در فرآيند جذب که بر مقاومت در برابر انتقال جرم غلبه مي كند افزايش يافته اس ت. بنابراين ميزان انتقال جرم بيشتر و در نتيجه ظرفيت جذب بيش تر ميشود. البته اين پديده فقط در غلظتهاي پايين صادق اس ت يعني در غلظتهاي خيلي باال تغيير در غلظت محلول ورودي تاثيري بر روي ظرفيت جذب جاذب نخواهد داشت. الزم به ذکر است که Baral و همکاران )31( در پژوهشي با بررس ي اثر غلظت يون هاي Cr(VI) در محلول ورودي به س تون بس تر ثابتي که در آن از زيستتوده Salvynia cucullata )نوعي علف هرز آب شيرين( به عنوان جاذب اس تفاده مي ش د به اين نتيجه رس يدند که با افزايش غلظ ت ظرفيت جذب جاذب ني ز افزايش مي يابد. آنها عامل اين مش اهده را همان افزايش نيروي محرکه فرآيند دانسته اند. 424
عليرضا كشتكار و همکاران همچني ن آنها ابراز داش تهاند که در غلظته اي ورودي کم منحني شکست پهن بوده و نشاندهنده ايناست که ناحيه انتقال جرم نس بتا پهن و بزرگ اس ت و اليه نازک از س يال اطراف جاذب کنترل كننده س رعت فرآيند اس ت.اما در غلظتهاي ورودي زياد منحني شکس ت تيز است کهاينموضوع داللت بر کوچكتر بودن ناحيه انتقال جرم دارد ومرحله نفوذ در داخل خلل و فرج جاذب کنترل كننده سرعت فرآيند است. ميزان ظرفيت جذب بدست آمده از دادههاي آزمايشگاهي براي ن رخ جريانه اي 4/2 2 و 10/5 ml/min به ترتيب برابر با 71/14 47/79 و 53/88 mg/g اس ت. با افزايش نرخ جريان زمان ايجاد نقطه شکس ت کاهش پي دا مي كند. زيرا يونهاي نيکل قب ل از اين که با جاذب به تعادل برس ند به دليل زمان ماند ناکافي مجبور به ترک س تون مي ش وند. نتايج مشابهاي توس ط ساير محققين نيز گزارش ش ده است )36-32(. براي مثال Saha و همکاران )33( در پژوهش خود مشاهده نمودند که با افزايش نرخ جريان ورودي به س تون بس تر ثابتي که در آن از پودر ب رگ درخ ت Artocarpus heterophyllus به عنوان جاذب اس تفاده شده بود زمان رسيدن به نقطه شکست نيز افزايش مي يابد. در ن رخ جريان هاي پايين )زمان ماند زياد( عامل کنترل كننده سرعت حذف يون هاي نيکل در ستون محدوديتهاي انتقال جرم ي خارجي اس ت. بنابراي ن در نرخ جريانه اي پايين ظرفي ت جذب به ش دت تحت تاثي ر نرخ جريان ب وده و با افزاي ش آناز 2 تا 4/2 ml/min ظرفي ت جذب از 47/79 به 71/14 mg/g افزايش مي يابد. در محدوده نرخ جريانهاي باال )زمان ماند کم( عامل کنترل كننده سرعت محدوديتهاي نفوذ جذبش ونده ب ه داخل خلل و فرج جاذب اس ت. لذا هنگاميک ه نرخ جري ان از 4/2 ب ه 10/5 ml/min افزايش مي يابد زمان ماند در س تون کاهش يافت ه و در نتيجه جذب يون هاي نيکل کم مي شود. در نتيجه ظرفيت جذب از 71/14 به 53/88 mg/g کاهش يافته اس ت. در مجموع مي توان گفت که هنگاميک ه فرآيند توس ط محدوديته اي انتقال جرمي داخلي کنترل مي ش ود نرخ جريان هاي پايين مطلوب است و هنگاميکه فرآيند توسط محدوديتهاي انتقال جرمي خارجي کنترل مي شود نرخ جريانهاي باال باعث کاهش مقاومت اليه نازک سيال اطراف ذره جاذب شده و باعث افزايش انتقال جرم مي شود )25(. با توجه به نتايج آزمايشگاهي بدست آمده براي ستون جذب مورد آزمايش نرخ جريان 4/2 ml/min بهترين زمان ماند را براي جذب ش ونده در داخل ستون ايجاد مي كند. در پژوهش ي مشابه )37( مش اهدات فوق در رابطه با اثر نرخ جريان بر روي ظرفيت جذب جاذب و عملکرد س تون جذب زيستي ديده شد. در آن پژوهش نيز از زيستتوده.C indica براي حذف يون هاي اورانيوم استفاده شده بود. الزم به ذکر است همانطور که در مقدمه اشاره شد جاذبهاي زيستي داراي سينتيک سريع جذب و بازجذب هستند. سينتيک س ريع جذب منجر به اين ميشود که بيشترين ميزان جذب در کوتاهترين زمان صورت گيرد و ش يب منحني شکست در اين جاذبها زياد باش د. سينتيک س ريع بازجذب باعث ميشود ک ه جاذب با حداقل مقدار محلول احياکننده احيا ش ود )اين ويژگي مزيت بزرگي براي اين جاذبها به حس اب ميآيد(. لذا ش يب زياد منحنيهاي شکس ت بدس ت آم ده به علت سينتيک سريع جذب در اين جاذبها است. مدل سازي نتايج آزمايشگاهي نشان داد که مدلهاي Thomas و Yoon & Nelson داراي ش کل کلي يکس اني بوده و فقط از نظر ضرايبي که در آنها تعريف ش ده است متفاوت اند. لذا پروفايل بدس ت آمده از آنها يکسان است. اما شکل کلي مدل Dose-Response متفاوت ب وده و در نتيجه پروفايل حاصل از آن نيز متفاوت است. الزم به ذکر است با توجه به نمودارها و نتايج بدس ت آمده هر چهار مدل تطابق نسبتا خوبي با نتايج q 0 بدس ت آم ده از نتايج آزمايش گاهي دارن د. به طوري که حاصل از مدله اي Thomas و Dose-Response نزديک q 0 بدست آمده از نتايج آزمايشگاهي است. همچنين پارامتر به t 0/5 در مدل زمان مش خصه )τ در مدل Yoon & Nelson و Belter و مدل Yoon & Nelson از نتايج مدل ک ه )Belter بدست آمده است تا حدودي مشابه با نتايج آزمايشگاهي است. ضريب همبس تگي ( 2 )R براي مدل Thomas مدل & Yoon Nelson م دل Dose-Response و مدل Belter به ترتيب برابر با 0/9952 0/9582 0/9582 و 0/9593 اس ت. لذا مدل Dose-Response نسبت به ساير مدلها تطابق بهتري با نتايج آزمايش گاهي دارد. در اين صورت با توجه به محدوديتهايي 425
جريان... نرخ و غلظت تاثير بررسي جذب س تون عملكرد نميتوان كه هزينه و زمان آناليز نظي ر از اس تفاده با و عملياتي ش رايط و زمان ي ب ازه تم ام در را اين بررسي جهت ميتوان آورد بدس ت آزمايش گاهي نتايج Dose- مدل مخصوصا مدلها اين پيشبيني نتايج از عملكرد و Calero توس ط مش ابهي نتايج كرد. اس تفاده Response زيتون هسته توسط Cr(III) زيس تي جذب در )24( همکاران آمده بدست نتايج است. آمده بدست ثابت بستر س تون يک در Dose-Response مدل بهتر تطابق نشاندهنده نيز آنها توسط است. آزمايشگاهي نتايج با ها مدل ساير به نسبت كه ميشود مشخص ستون از خروجي محلول ph بررس ي با ph زيرا اس ت. ش ده H + يونهاي جايگزين نيکل يونهاي ميكند. پيدا كاهش نيکل يون جذب با همزمان خروجي جريان بدست منحني اس ت مش خص نيز 5 نمودار در كه همانطور محلول حجم حس ب بر خروجي محلول ph رس م از آم ده شروع در اس ت. شكس ت منحني ش بيه س تون از خروجي روي H + يونهاي جاي به نيکل يونهاي جايگزيني با عمليات پيدا كاهش 3/5 ح دود تا خروجي ph ج اذب جايگاههاي جايگاههاي كاه ش با س پس اس ت(. 6 ورودي ph( ميكند ph نيکل يون جذب سرعت كاهش همچنين و ش ده پروتونه كاما س تون كه اين تا ميكند پيدا افزايش تدريج به خروج ي جايگزيني با متناسب فلز يون جذب س رعت لذا شود. اش باع يکي که گفت ميتوان مشاهدهها اين با اس ت. هيدروژن يون توسط نيکل يونهاي زيستي جذب در اصلي هاي مکانيس م از اين است ذکر به الزم است. يوني تبادل مکانيس م.C indica عنوان به است. شده گزارش نيز محققين ساير توس ط موضوع و سرب يونهاي جذب ميزان )1( همکاران و Naddafi مثال را Sargassum glaucescen قهوهاي جلبک توسط کادميوم تغييرات روند ثبت با و کرده بررسي ثابت بستر س تون يک در از يکي که نمودن د مش اهده س تون از خروجي محلول ph تبادل مکانيسم ها جلبک توس ط جذب اصلي هاي مکانيس م است. يوني ستون به ورودي محلول جريان نرخ و غلظت تاثير گرفت. قرار افزايش با که شد داده نشان و ارزيابي س تون عملکرد روي بر ظرفيت لذا و يافته افزايش جرم انتق ال محرکه نيروي غلظت نرخ اثر بررسي از مييابد. افزايش % 70 از بيش جاذب جذب جريانهاي نرخ در که شد مشاهد ستون عملکرد روي بر جريان جرمي انتقال محدوديتهاي زي اد ماند زمان همان ي ا پايين است. نيکل هاي يون حذف سرعت کنترلكننده عامل خارجي 2 از جريان نرخ افزايش با پايين هاي جريان نرخ در بنابراي ن 71/14 mg/g به 47/79 از ج ذب ظرفيت 4/2 ml/min ت ا جرم انتقال باال هاي جريان نرخ محدوده در ميياب د. افزايش هنگاميکه لذا و بوده جذب س رعت کنترلكننده عامل داخلي زمان يابد مي افزايش 10/5 ml/min ب ه 4/2 از جريان ن رخ نيکل يونهاي جذب نتيجه در و يافت ه کاهش س تون در ماند اين در همچنين ميياب د. کاهش 53/88 mg/g ب ه 71/14 از با خوبي تطابق رياضي هاي مدل که ش د داده نش ان پژوهش Dose Response م دل ويژه )به دارند آزمايش گاهي نتاي ج تشخيص نهايت در دارد(. بهتري تطابق مدلها ساير به نسبت زيس تي جذب در غالب مکانيس مهاي جمله از که ش د داده نتايج است. يوني تبادل مکانيسم نظر مورد جاذب توسط نيکل پيوسته جريان جذب فرآيند بررس ي به آن در که پژوهش اين مطالعات از حاصل نتايج مکمل است ش ده پرداخته ديناميکي که گفت ميتوان مجموع در لذا است. تعادلي ناپيوس ته جذب يونهاي جذب براي خوبي پتانس يل داراي زيس تتوده اين است. آبي هاي محلول از نيکل قدرداني و تشکر فلزات "حذف عنوان با پاياننام ه از بخش ي حاصل مقاله اين زيستي" هاي جاذب از اس تفاده با آبي هاي محلول از س نگين حمايت با که است 1387 سال در ارش د کارشناس ي مقطع در هستهاي( فنون و علوم )پژوهشگاه ايران اتمي انرژي س ازمان است. شده اجرا نتيجهگيري قهوهاي جلبک توسط آبي هاي محلول از نيکل زيس تي جذب بررسي مورد ثابت بستر ستون يک در.C indica شده پروتونه 426 1392 زمستان چهارم/ شماره ششم/ دوره
عليرضا كشتكار و همکاران منابع 1. Naddafi K, Nabizadeh R, Saeedi R, Mahvi AH, Vaezi F, Yaghmaeian K, et al. Biosorption of lead(ii) and cadmium(ii) by protonated Sargassum glaucescens biomass in a continuous packed bed column. Journal of Hazardous Materials. 2007;147:785-91. 2. Pagnanelli F, Esposito A, Veglio F. Multi-metallic modelling for biosorption of binary systems. Water Research. 2002;36:4095-105. 3. Valdman E, Erijman L, Pessoa FLP, Leite SGF. Continuous biosorption of Cu and Zn by immobilized waste biomass Sargassum sp.. Process Biochemistry. 2001;36:869 73. 4. Haq Nawaz B, Rubina K, Muhammad Asif H. Biosorption of Pb(II) and Co(II) on red rose waste biomass. Iranian Journal of Chemistry & Chemical Engineering. 2011;30:81-88. 5. Shirzad Siboni M, Samadi MT, Rahmani AR, Khataee AR, Bordbar M, Samarghandi MR. Photocatalytic removal of hexavalet chromium and divalent nickel from aqueous solution by UV irradiation in the presence of titanium dioxide nanoparticles. Iranian Journal of Health and Environment. 2010;3:261-70(in Persian). 6. Aksu Z. Determination of the equilibrium, kinetic and thermodynamic parameters of the batch biosorption of nickel(ii) ions onto Chlorella vulgaris. Process Biochemistry. 2002;38:89-99. 7. Dabbagh R, Ghafourian H, Baghvand A, Nabi GR, Riahi H, Ahmadi Faghih MA. Bioaccumulation and biosorption of stable strontium and strontium-90 by Oscillatoria homogenea cyanobacterium. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2007;272:593-97. 8. Davis TA, Volesky B, Mucci A. A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae. Water Research. 2003;37:4311-30. 9. Figueira MW, Volesky B, Ciminelli VST, Roddick FA. Biosorption of metals in brown seaweed biomass. Water Research. 2000;34:96 104. 10. Bashardoost R, Vahabzadeh F, Shokrollahzadeh S, Monazzami AR. Sorption performance of live and heat-inactivated loofa-immobilized Phanerochaete chrysosporium in mercury removal from aqueous solution. Iranian Journal of Chemistry & Chemical Engineering. 2010;29:79-89. 11. Maleki A, Eslami A. Isotherm and kinetics of arsenic(v) adsorption from aqueous solution using modified wheat straw. Iranian Journal of Health and Environment. 2011;3:439-50 (in Persian). 12. Benguella B, Benaissa H. Cadmium removal from aqueous solutions by chitin: kinetic and equilibrium studies. Water Research. 2002;36:2463-74. 13. Ma W, Tobin JM. Development of multimetal binding model and application to binary metal biosorption onto peat biomass. Water Research. 2003;37:3967-77. 14. Volesky B. Detoxification of metal-bearing effluents: biosorption for the next century. Hydrometallurgy. 2001;59:203 16. 15. Alipoortorab S. Removal of cadmium from agricultural wastewater using sugarcan bagasse. Irani- 427
بررسي تاثير غلظت و نرخ جريان... an Journal of Chemistry & Chemical Engineering. 2010;29:99-07 (in Persian). 16. Mehrasbi MR, Farahmand Kia Z. Heavy metal removal from aqueous solution by adsorption on modified banana shell. Iranian Journal of Health and Environment. 2008;1:57-66 (in Persian). 17. Fouladi Fard R, Ebrahimi AA. Efficiency study of nickel (II) and cadmium (II) biosorption by powder ofwaste activated sludge from aqueous solutions. Iranian Journal of Health and Environment. 2011;3:419-30 (in Persian). 18. Wang J, Chen C. Biosorbents for heavy metals removal and their future. Biotechnology Advances. 2009;27:195-226. 19. Senthilkumar R, Vijayaraghavan K, Thilakavathi M, Iyer PV, Velan M. Seaweeds for the remediation of wastewaters contaminated with zinc(ii) ions. Journal of Hazardous Materials. 2006;136:791-99. 20. Dabbagh R, Ebrahimi M, Aflaki F, Ghafourian H, Sahafipour MH. Biosorption of stable cesium by chemically modified biomass of Sargassum glaucescens and Cystoseira indica in a continuous flow system. Journal of Hazardous Materials. 2008;159:354-57. 21. Pahlavanzadeh H, Keshtkar AR, Safdari J, Abadi Z. Biosorption of nickel(ii) from aqueous solution by brown algae: equilibrium, dynamic and thermodynamic studies. Journal of Hazardous Materials. 2010;175:304-10. 22. Montazer-Rahmati MM, Rabbani P, Abdolali A, Keshtkar AR. Kinetics and equilibrium studies on biosorption of cadmium, lead, and nickel ions from aqueous solutions by intact and chemically modified brown algae. Journal of Hazardous Materials. 2011;185:401-407. 23. Aksu Z, Cagatay SS, Gonen F. Continuous fixed bed biosorption of reactive dyes by dried Rhizopus arrhizus: Determination of column capacity. Journal of Hazardous Materials. 2007;143:362 71. 24. Calero M, Hernainz F, Blazquez G, Tenorio G, Martin-Lara MA. Study of Cr (III) biosorption in a fixed-bed column. Journal of Hazardous Materials. 2009;171:886-93. 25. Vijayaraghavan K, Jegan J, Palanivelu K, Velan M. Removal of nickel(ii) ions from aqueous solution using crab shell particles in a packed bed up-flow column. Journal of Hazardous Materials. 2004;113:223-30. 26. Volesky B. Sorption and Biosorption. Montreal: BV Sorbex; 2003. 27. Aksu Z, Gonen F. Biosorption of phenol by immobilized activated sludge in a continuous packed bed: prediction of breakthrough curves. Process Biochemistry. 2004;39:599-613. 28. Lodeiro P, Herrero R, de Vicente ME. The use of protonated Sargassum muticum as biosorbent for cadmium removal in a fixed-bed column. Journal of Hazardous Materials. 2006;137:244-53. 29. Vilar VJ, Botelho CM, Loureiro JM, Boaventura RA. Biosorption of copper by marine algae Gelidium and algal composite material in a packed bed column. Bioresource Technology. 2008;99:5830-38. 30. Kermani M, Gholami M, Gholizade A, Farzadkia M, Esrafili A. Effectiveness of rice husk ash in removal of phenolic compounds from aqueous solutions, equilibrium and kinetics studies. Iranian Journal of Health and Environment. 2012;5:107-20 (in Persian). 31. Baral SS, Das N, Ramulu TS, Sahoo SK, Das SN, Roy Chaudhury G. Removal of Cr(VI) by thermally activated weed Salvinia cucullata in a fixed-bed column. Journal of Hazardous Materials. 2009;161:1427 35. 32. Singh A, Kumar D, Gaur JP. Continuous metal removal from solution and industrial effluents using Spirogyra biomass-packed column reactor. Water Research. 2012;46:779-88. 33. Saha PD, Chakraborty S, Chowdhury S. Batch and continuous (fixed-bed column) biosorption of crystal violet by Artocarpus heterophyllus (jackfruit) leaf powder. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2012;92:262 70. 34. Charumathi D, Das N. Packed bed column studies for the removal of synthetic dyes from textile wastewater using immobilised dead C. tropicalis. Desalination. 2012;285:22 30. 35. Nabarlatz D, Celis Jd, Bonelli P, Cukierman AL. Batch and dynamic sorption of Ni(II) ions by activated carbon based on a native lignocellulosic precursor. Journal of Environmental Management. 428
عليرضا كشتكار و همکاران 2012;97:109-15. 36. Ahamad KU, Jawed M. Breakthrough studies with mono- and binary-metal ion systems comprising of Fe(II) and As(III) using community prepared wooden charcoal packed columns. Desalination. 2012;285:345 51. 37. Ghasemi M, Keshtkar AR, Dabbagh R, Safdari SJ. Biosorption of uranium(vi) from aqueous solutions by Ca-pretreated Cystoseira indica alga: Breakthrough curves studies and modeling. Journal of Hazardous Materials. 2011;189:141-49. 429
Iran. J. Health & Environ., 2014, Vol. 6, No. 4 Investigation of Effect of Influent Concentration and Flow Rate on Nickel Biosorption using Protonated Cystoseira indica Brown Alga in a Packed Bed Column and Modeling the Experimental Data *Keshtkar Ali Reza 1, Dastebashi Hossein 2, Ghasemi Torkabad Morteza 3, Moosavian Mohammad Ali 2 1 Nuclear Fuel Cycle School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, Tehran, Iran 2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran 3 Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, Tehran, Iran Received: 13 March 2013 ; Accepted: 11 June 2013 ABSTRACT Background and Objectives: Biosorption is a new and inexpensive technique in heavy metals removal and recovery from aqueous solutions. In order to evaluate the potential of this method for the removal of nickel ions, biosorption of nickel ions from aqueous solution was studied using Cystoseira indica biomass in a packed bed column. Materials and Methods: The uptake capacity of nickel ions was investigated using protonated biomass at different influent concentrations and flow rates. In addition, the experimental breakthrough curve obtained under definite experimental conditions was modeled using Thomas, Yoon & Nelson, Dose-Response, and Belter models. Results: It was found that increasing influent concentration from 58 to 100 mg/l led to the increase of driving force for mass transfer and uptake capacity raised from 55.84 to 95.69 mg/g. The investigation of flow rate effect showed when the process is intraparticle mass transfer controlled, a slower flow rate favors the sorption. In the case of external mass transfer control, a higher flow rate decreases the film resistance and leads to an increase in mass transfer. Modeling the experimental data revealed that the abovementioned models were suitable to predict the breakthrough curves, especially Dose-Response. Measurement of ph of the effluent solution indicated that ion exchange is one of the main mechanisms of nickel biosorption using this biosorbent. Conclusion: The results of this study are complementary of the batch equilibrium sorption experiments. Therefore, from process viewpoint, this biomass can be proposed in the sorption columns as a sorbent for nickel ions. Key words: Biosorption, Fixed bed column, Nickel, Alga, Modeling *Corresponding Author: akeshtkar@aeoi.org.ir Tel: +982182064478, Fax: +982188221127