SUPERVISOR
محسن سلیمانی امین آبادی (استاد راهنما) علیرضا علافچیان (استاد مشاور) بهزاد رضائی (استاد مشاور) نوراله میرغفاری (استاد راهنما)
STUDENT
Mojtaba Jokar
مجتبی جوکار
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده منابع طبیعی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Removal of lead and cadmium from aqueous solutions using biomass of medicinal herb wastes and fungi (Neurospora intermedia)
The adsorption methods have great potential for the removal of heavy metal ions. So far, many substances have been used as ion exchangers that most of them are chemicals, synthetic, and expensive. Among this, the use of inexpensive, natural, and environmentally friendly materials has received less attention. In this study, 14 medicinal herb wastes and biomass of the Neurospora intermedia were used to remove lead and cadmium from aqueous solutions. In this study, after the pre-selection experiments among 14 medicinal herb wastes, the adsorption capacity of the raw chicory waste was evaluated for the removal of Pb2+ and Cd2+ from aqueous solutions. Then, to increase its efficiency, the chicory waste was modified using a calcium chloride solution. According to the results, the ion exchange capacity increased from 98 cmol kg-1 for raw waste to 118 cmol kg-1 for modified waste. Ca2+ showed the highest exchangeability with Pb2+ and Cd2+ . The amount of Calcium in raw waste was 0.974 mol kg-1 increased to 1.182 mol kg-1 with the modification of the exchanger. The removal efficiency of Pb2+ by raw and modified chicory wastes was 78.3 and 95.3%, and for cadmium was 64.7 and 73.3%, respectively. Furthermore, kinetics and equilibrium isotherm studies were conducted and demonstrated that Pb2+ and Cd2+ adsorption process followed the Langmuir isotherm and Pseudo second order kinetics. The maximum Langmuir adsorption capacities were increased from 103.1 and 53.8 mg g?1 by raw chicory waste to 123.5 and 64.5 mg g?1 by modified chicory waste for Pb2+ and Cd2+, respectively. It is noteworthy that using the modified chicory waste in galvanic industry effluent (as real wastewater) eliminated Pb2+ and Cd2+ levels at different initial concentrations in the range of 72-85% and 43-68%, respectively. Exchange of Pb2+ and Cd2+ ions with alkali metals (Na+ and K+ ) and alkali earth metals (Ca2+ and Mg2+) onto the waste surface during the removal experiments indicated that the ion exchange could be one of the most important mechanism for the removal of Pb2+ and Cd2+. Besides, the regeneration of raw and modified chicory waste loaded by Pb2+ and Cd2+ with distilled water was not possible, while eluting the waste using CaCl2 could effectively recover both metals more than 90 %. The present study was carried out to optimize the various conditions for Pb2+ and Cd2+ adsorption onto N. intermedia biomass by applying the Response Surface Method (RSM) using BoxBehnken design. The effects of process parameters such as initial Pb2+ and Cd2+ concentration (10, 30, and 50 mg L-1 ), initial solution pH (3, 4, 5 and 6), and biomass amount (0.5, 1 and 1.5 g L-1 ) on the metal adsorption were analyzed. In the quadratic models, the regression equation obtained after the ANOVA indicated the correlation coefficient (R2 ) as 0.9982 and 0.9997 for Pb2+ and Cd2+ removal of N. intermedia, respectively. Thus, the high R2 value, insignificant lack-of-fit p-value ( 0.05), and significant models P-value ( 0.0001) indicating its high adequacy and validity of models in predicting the Pb2+ and Cd2+ removal percentage by N. intermedia. Therefore, these models were used for further analysis. On the basis, the Pb2+ and Cd2+ removal efficiency onto this fungal biomass was increased with a decrease in initial solution concentration, and an increase in initial solution pH, and biomass amount. In the optimum experimental conditions, the results showed that maximum Pb2+ and Cd2+ adsorption capacity of N. intermedia biomass from aqueous suspensions were 200 and 61.35 mg g-1, respectively. In these conditions, the pseudo-second order kinetic and the Langmuir isotherm models could much better explain the adsorption of Pb2+ and Cd2+. These findings revealed that the chicory waste and N. intermedia could be promising and low-cost adsorbents for the removal of heavy metals from the water and wastewater. Keywords: Chicory, Fungi, Adsorption, Chemical modification, Lead, Cadmium, Wastewate
در بین روشهای حذف فلزات سننگین، فرآیند جذب دارای ظرفیت، راندمان وسنرعت زیادی اسنت. در این فرآیند، یونهای موجود در محیط آبی با یونهای موجود در سننط جاذب مبادله می شننود. تاکنون مواد زیادی بهعنوان جاذب مورد اسننتفاده قرار گرفتهاند که اکثر آنها مواد شنیمیایی، سننتزی و گران قیمت هسنتند. در حالی که اسنتفاده از مواد ارزانقیمت طبیعی و دوسنتدار محیط زیسنت کمترمورد توجه قرار گرفته اسنت. در این مطالعه از 14 پسنماند گیاه دارویی و زیسنتتوده قارج intermedia Neurospora برای حذف سنرب و کادمیم از محیطهای آبی اسننتفاده شنند. از بین پسننماند گیاهان دارویی، پسننماند گیاه کاسنننی L intybus Cichorium بهعنوان جاذب طبیعی برای حذف فلزات کادمیم و سننرب از محیطهای آبی انتخاب شنند. سننپس برای افزایش کارایی پسننماندهای خام، سنناختار آن با اسنتفاده از کلرید کلسنیم یک مو ر اصنالح شند. بر اسناس نتایج، ظرفیت تبادل یون از 98 سنانتی مول بر کیلوگرم برای پسنماندهای خام به 118 سنانتی مول بر کیلوگرم برای پسنماند اصنالحشنده افزایش یافت. عنصنری که بیشترین تبادل را با یونهای سنرب و کادمیم داشنت کلسنیم بود و میزان آن که در پسنماند خام 974/0 مول برکیلوگرم بود با اصنالح جاذب به 182/1 مول برکیلوگرم افزایش پیدا کرد. قابلیت حذف سنرب بهوسنیله پسنماندهای خام و اصنالحشنده بهترتیب 3/78 و 3/95 درصند و برای کادمیم بهترتیب 7/64 و 3/73 درصند بود. بررسنی معاد ت ایزوترم وسنینتیک واکنش نشنان داد فرآیند جذب سنرب و کادمیم مطابقت زیادی با ایزوترم نگمویر و سنینتیک شنبه درجه دوم دارد. بر اسنناس مدل نگمویر، حداکثر ظرفیت جذب برای ضننایعات کاسنننی خام برای سننرب و کادمیم بهترتیب 11/103 و 76/53 میلی گرم بر گرم و برای ضنایعات کاسننی اصنالحشنده بهترتیب 45/123 و 51/64 میلی گرم بر گرم بهدسنت آمد. آنالیز نمونه پسناب صننعت گالوانیزه )بهعنوان نمونه حقیقی( بهوسنیله جاذب اصنالحشنده، میزان سنرب و کادمیم را در غلظتهای مختلف اولیه بهترتیب در محدوده 72-85 %و 43-68 %حذف نمود. تبادل یونهای سنرب و کادمیم با فلزات قلیایی )سندیم و پتاسنیم( و قلیایی خاکی )کلسنیم و منیزیم( موجود روی سنط پسنماندها در طی آزمایشهای حذف نشنان داد که تبادل یون می تواند یکی از مکانیسنمهای اصنلی برای حذف سرب و کادمیم باشد. عالوه بر این، احیاء پسماندهای اشباع شده از سرب و کادمیم، با آب مقطر امکانپذیر نبود، در حالی که بازیابی این عناصنر با اسنتفاده از کلرید کلسنیم با راندمانهای بیشتر از 90 درصند انجام گرفت. درمطالعه حاضنر همچنین برای بهینهسنازی شنرایط جذب سرب و کادمیم بهوسیله زیستتوده قارچ از طرح آزمایش رویههای پاسخ بهروش باکس بنکن استفاده شد. در این آزمایشات تاثیر همزمان سننه فاکتور اصننلی غلظت اولیه سننرب و کادمیم )10 ،30 و 50 میلی گرم بر لیتر(، pH اولیه محلول )3 ،4 ،5 و 6 )و مقدار جاذب )5/0 ،1 و 5/1 گرم بر لیتر( بر روی راندمان حذف سننرب و کادمیم مورد ارزیابی قرار گرفت. معاد ت رگرسننیون بهدسننت آمده پس از آنالیز واریانس دادهها، مقادیر ضنریب همبسنتگی زیاد 9982/0 و 9997/0 را بهترتیب برای مدلهای مرتبه دوم پیشننهادی برروی راندمان حذف سنرب و کادمیم بهوسنیله زیسنتتوده قارچ نشنان دادند. بهطورکلی، ضنریب همبستگی زیاد، مقدار P معنی دار )0001/0 ) و مقدار آماره LoF بی معنی )05/0 ) نشناندهنده دقت زیاد و اعتبار مدل پیشننهادی بهمنظور پیشبینی راندمان حذف سنرب و کادمیم بهوسنیله زیسنتتوده ق ارچ از محلولهای آبی بودند. از این رو، این مدل بهمنظور آنالیزهای بعدی مورد اسنتفاده قرار گرفت. براین اسناس، راندمان حذف سنرب و کادمیم همواره با کاهش غلظت اولیه محلول، افزایش pH اولیه محلول و افزایش مقدار زیسنتتوده افزایش نشنان داد. در شنرایط بهینه، حداکثر ظرفیت جذب سنرب و کادمیم بهوسنیله زیسنتتوده قارچ بهترتیب 200 و 35/61 میلی گرم بر گرم بهدسنت آمد. در شنرایط بهینه، مدل سنینتیکی شنبه درجه دوم و مدل ایزوترمی نگمویربهترین تناسنب را با دادههای آزمایش نشان داد. نتایج این آزمایشها دادند که پسنماند عرقگیری کاسننی و زیسنتتوده قارچ intermedia. N جاذبی مناسنب و در دسنترس برای حذف سنرب و کادمیم از محلولهای آبی است. کلمات کلیدی: کاسنی، قارچ، جذب، اصالح شیمیایی، سرب، کادمیم، تصفیه فاضلاب