توليد کامپوزيت هاي بيو نانومغناطيس به منظور جذب کروم شش ظرفيتي از پساب هاي معدني

STUDENT

DEGREE

YEAR

The development of mines and other related industries have led to the environmental pollution by various types of heavy metals. Hexavalent chromium ions are one of the major environmental pollutants in the industrial wastewater, especially mines and mineral processing plants. Therefore, the removal of this metal from contaminated water and industrial wastewater has attracted much attention in recent years. The adsorption is the best known method of the wastewater treatment, but the removal of adsorbent from wastewater has always been a difficult process. The main objective of this study is to produce a bio-nano-magnetic composites from low cost and high-performance sources to examine the process of removing hexavalent chromium from the wastewaters. Therefore, a new method was introduced and used to synthesize magnetite nanoparticles with a high efficiency compared to conventional methods. The results of the DLS analysis showed that the nanoparticles synthesized by Bacillus subtilis , Bacillus pasteurii and Bacillus licheniformis were within a size range below 100 nm and have significant magnetization. The VSM analysis confirmed the super paramagnetic property of the synthesize particles. Also, according to FTIR analysis, the full coverage of the nanoparticles by bacterial and chemical surfactants was confirmed. The nanoparticles produced by the biological method were similar or even better than the chemically prepared nanoparticles in terms of structure, size, formation rate and magnetization. After producing super paramagnetic nanoparticles, a bio-nano-magnetic composite was produced by coating the chemically synthesized magnetic nanoparticles on the Aspergillus niger mycelia (isolated and purified from pistachio shells). In order to determine the optimal condition of the chromium adsorption by produced adsorbent a response surface method was applied. The optimal condition to achieve maximum recovery was: pH: 5.8, chromium concentration: 27.33 mg/l, absorbent dose: 3.72 g/l, stirring rate: 317 rpm, and duration: 11.08 min. The kinetics tests showed that the process followed a semi-second-order kinetic model with a constant equilibrium of 0.3032 g/mg -1 min -1 , and the maximum recovery occurred at 40 °C, which was 99.81%. The isotherm of the process followed the Dubbin-Rakovich model (maximum absorption capacity of 7.411 mg/g), which determined the physical and multi-layer absorption. Also, in the optimum condition, 14.2 mg/g adsorbent capacity was obtained. Finally, it can be said that the new method for the biological synthesis of the magnetic nanoparticles, has many advantages, such as low time, low cost and high magnetization which distinguishes it from the conventional biological methods. On the other hand, the adsorbent produced in this study has a high ability to remove heavy metal ions such as hexavalent chromium, from polluted wastewaters. The use of low-cost resources, super paramagnetic property, and the ability to remove at a minimum external magnetic field are the benefits of the newly produced bio-nano-magnetic composite

رشد و توسعه‌ي معادن و صنايع مرتبط ديگر باعث ورود انواع مختلف فلزات سنگين به محيط زيست مي‌شود. کروم شش ظرفيتي يکي از عمده ترين آلاينده‌هاي محيط زيست است که در پساب صنايع مختلف به خصوص معادن و کارخانه‌هاي فراوري مواد معدني وجود دارد. بنابراين حذف اين فلز از آب‌هاي آلوده و پساب‌هاي صنعتي در سال‌هاي اخير توجه زيادي را به خود اختصاص داده است. روش جذب سطحي بهترين روش شناخته شده از بين روش‌هاي تصفيه‌ي پساب‌ها از عناصر سنگين مي‌باشد. اما همواره جداسازي جاذب از پساب، پس از حذف عناصر سنگين از مشکلات دردسر ساز اين روش بوده است. هدف اصلي اين مطالعه توليد کامپوزيت بيو-نانومغناطيسي از منابع ارزان قيمت، با کارايي بالا و بررسي فرايند حذف کروم شش ظرفيتي توسط کامپوزيت توليد شده مي‌با‌شد. ابتدا جهت توليد بيولوژيک نانوذرات مگنتيت، روشي نوين با بازدهي بسيار بالا نسبت به روش‌هاي بيولوژيک متداول، معرفي و به کار گرفته شد. نتايج حاصل از آناليز DLS نشان داد که نانو ذرات سنتز شده توسط باکتري‌هاي Bacillus subtilis ، Bacillus pasteurii و Bacillus licheniformis در محدوده ابعادي زير 100 نانومتر بوده و داراي مغناطيس‌پذيري قابل توجهي مي‌باشند. آناليز VSM سوپر پارامغناطيس بودن ذرات را تاييد مي‌کند. همچنين طبق نتايج آناليز FTIR پوشش کامل نانوذرات توسط بيوسرفکتانت‌ها آشکار مي‌شود. نانوذرات توليدي به روش بيولوژيک معرفي شده از لحاظ ساختار، ابعاد، سرعت تشکيل و مغناطيس پذيري با نانوذرات توليد شده به روش شيميايي برابري مي‌کند. پس از توليد نانوذرات سوپر پارا مغناطيس، کامپوزيت بيو-نانومغناطيسي با تثبيت نانوذرات مغناطيسي سنتز شده به روش شيميايي بر روي قارچ Aspergillus niger(جداسازي و خالص سازي شده از پوسته‌ي پسته) توليد شد. هدف از استفاده‌ي مگنتيت در ابعاد نانو، جدايش مغناطيسي بيوکامپوزيت توليد شده پس از جذب با اعمال حداقل ميدان مغناطيسي خارجي، بوده است، چرا که ذرات مغناطيسي در ابعاد بحران (زير 100 نانو‌متر) هر کدام به صورت يک ممنتوم مغناطيسي عمل‌ کرده و در حداقل ميدان مغناطيسي خارجي جهت‌گيري مي‌کنند. اين امر صرفه‌ي اقتصادي استفاده از جاذب توليدي در تصفيه‌ي پساب‌هاي معدني را افزايش مي‌دهد. به منظور تعيين مقدار بهينه‌ي پارامترهاي تاثير گذار بر فرايند جذب کروم توسط کامپوزيت توليد شده، از طراحي آزمايش به روش سطح پاسخ استفاده شد، که شرايط بهينه جهت دستيابي به حداکثر بازيابي به صورت 8/5pH=، غلظت اوليه‌ي کروم برابر 37/23 ميلي‌گرم بر ليتر، ميزان جاذب 72/3 گرم بر ليتر، دور همزني 317 دور بر دقيقه و زمان 08/11 دقيقه، تعيين گرديد. آزمايش‌هاي تعيين سينتيک فرايند نشان داد که فرايند از مدل سينتيکي شبه درجه دوم با ثابت تعادلg/mg -1 min -1 3032/0 پيروي کرد، همچنين حداکثر بازيابي در دماي 40 درجه‌ي سانتي گراد اتفاق مي‌افتد که مقدار آن برابر 81/99 درصد و انرژي فعال سازي جذب 326/0 کيلوژول بر مول مي‌باشد. ايزوترم فرايند از مدل دوبين-راکوويچ (حداکثر ظرفيت جذب 41/7 ميلي‌گرم بر گرم) پيروي مي‌کند، که فيزيکي و چند لايه بودن جذب را مشخص کرد. درشرايط تعيين شده توسط طراحي‌ آزمايش براي دستيابي به حداکثر ظرفيت جذب، به مقدار 2/14 ميلي‌گرم بر گرم جاذب به دست آمد. در نهايت مي‌توان گفت روش پيشنهادي جهت توليد بيولوژيک نانوذرات مغناطيسي برتري‌هاي بسياري همچون، زمان اندک، محيط کشت ارزان قيمت و ميزان مغناطيس‌پذيري بالا، دارد که آن را از روش‌هاي متداول زيستي مجزا مي‌کند. از طرفي جاذب توليد شده در اين پژوهش توانايي بالايي در حذف عناصر سنگيني همچون کروم شش ظرفيتي، از پساب هاي آلوده را دارا است. استفاده از منابع ارزان قيمت، خاصيت سوپر پارامغناطيسي مگنيت در ابعاد نانو و توانايي جدايش مغناطيسي جاذب در حداقل ميدان مغناطيسي خارجي از مزاياي کامپوزيت بيو-نانومغناطيس توليد شده است.