تولید کامپوزیت های بیو نانومغناطیس به منظور جذب کروم شش ظرفیتی از پساب های معدنی

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 توسعه‌ی معادن و صنایع مرتبط دیگر باعث ورود انواع مختلف فلزات سنگین به محیط زیست می‌شود. کروم شش ظرفیتی یکی از عمده ترین آلاینده‌های محیط زیست است که در پساب صنایع مختلف به خصوص معادن و کارخانه‌های فراوری مواد معدنی وجود دارد. بنابراین حذف این فلز از آب‌های آلوده و پساب‌های صنعتی در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود اختصاص داده است. روش جذب سطحی بهترین روش شناخته شده از بین روش‌های تصفیه‌ی پساب‌ها از عناصر سنگین می‌باشد. اما همواره جداسازی جاذب از پساب، پس از حذف عناصر سنگین از مشکلات دردسر ساز این روش بوده است. هدف اصلی این مطالعه تولید کامپوزیت بیو-نانومغناطیسی از منابع ارزان قیمت، با کارایی بالا و بررسی فرایند حذف کروم شش ظرفیتی توسط کامپوزیت تولید شده می‌با‌شد. ابتدا جهت تولید بیولوژیک نانوذرات مگنتیت، روشی نوین با بازدهی بسیار بالا نسبت به روش‌های بیولوژیک متداول، معرفی و به کار گرفته شد. نتایج حاصل از آنالیز DLS نشان داد که نانو ذرات سنتز شده توسط باکتری‌های Bacillus subtilis ، Bacillus pasteurii و Bacillus licheniformis در محدوده ابعادی زیر 100 نانومتر بوده و دارای مغناطیس‌پذیری قابل توجهی می‌باشند. آنالیز VSM سوپر پارامغناطیس بودن ذرات را تایید می‌کند. همچنین طبق نتایج آنالیز FTIR پوشش کامل نانوذرات توسط بیوسرفکتانت‌ها آشکار می‌شود. نانوذرات تولیدی به روش بیولوژیک معرفی شده از لحاظ ساختار، ابعاد، سرعت تشکیل و مغناطیس پذیری با نانوذرات تولید شده به روش شیمیایی برابری می‌کند. پس از تولید نانوذرات سوپر پارا مغناطیس، کامپوزیت بیو-نانومغناطیسی با تثبیت نانوذرات مغناطیسی سنتز شده به روش شیمیایی بر روی قارچ Aspergillus niger(جداسازی و خالص سازی شده از پوسته‌ی پسته) تولید شد. هدف از استفاده‌ی مگنتیت در ابعاد نانو، جدایش مغناطیسی بیوکامپوزیت تولید شده پس از جذب با اعمال حداقل میدان مغناطیسی خارجی، بوده است، چرا که ذرات مغناطیسی در ابعاد بحران (زیر 100 نانو‌متر) هر کدام به صورت یک ممنتوم مغناطیسی عمل‌ کرده و در حداقل میدان مغناطیسی خارجی جهت‌گیری می‌کنند. این امر صرفه‌ی اقتصادی استفاده از جاذب تولیدی در تصفیه‌ی پساب‌های معدنی را افزایش می‌دهد. به منظور تعیین مقدار بهینه‌ی پارامترهای تاثیر گذار بر فرایند جذب کروم توسط کامپوزیت تولید شده، از طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ استفاده شد، که شرایط بهینه جهت دستیابی به حداکثر بازیابی به صورت 8/5pH=، غلظت اولیه‌ی کروم برابر 37/23 میلی‌گرم بر لیتر، میزان جاذب 72/3 گرم بر لیتر، دور همزنی 317 دور بر دقیقه و زمان 08/11 دقیقه، تعیین گردید. آزمایش‌های تعیین سینتیک فرایند نشان داد که فرایند از مدل سینتیکی شبه درجه دوم با ثابت تعادلg/mg -1 min -1 3032/0 پیروی کرد، همچنین حداکثر بازیابی در دمای 40 درجه‌ی سانتی گراد اتفاق می‌افتد که مقدار آن برابر 81/99 درصد و انرژی فعال سازی جذب 326/0 کیلوژول بر مول می‌باشد. ایزوترم فرایند از مدل دوبین-راکوویچ (حداکثر ظرفیت جذب 41/7 میلی‌گرم بر گرم) پیروی می‌کند، که فیزیکی و چند لایه بودن جذب را مشخص کرد. درشرایط تعیین شده توسط طراحی‌ آزمایش برای دستیابی به حداکثر ظرفیت جذب، به مقدار 2/14 میلی‌گرم بر گرم جاذب به دست آمد. در نهایت می‌توان گفت روش پیشنهادی جهت تولید بیولوژیک نانوذرات مغناطیسی برتری‌های بسیاری همچون، زمان اندک، محیط کشت ارزان قیمت و میزان مغناطیس‌پذیری بالا، دارد که آن را از روش‌های متداول زیستی مجزا می‌کند. از طرفی جاذب تولید شده در این پژوهش توانایی بالایی در حذف عناصر سنگینی همچون کروم شش ظرفیتی، از پساب های آلوده را دارا است. استفاده از منابع ارزان قیمت، خاصیت سوپر پارامغناطیسی مگنیت در ابعاد نانو و توانایی جدایش مغناطیسی جاذب در حداقل میدان مغناطیسی خارجی از مزایای کامپوزیت بیو-نانومغناطیس تولید شده است.