حذف یون نیکل از محلول‌های آبی با استفاده از نانوذرات پر مرغ: مطالعه مدل‌های سینتیک، ایزوترم و ترمودینامیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار،گروه آلودگی محیط زیست، دانشکده کشاورزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 کارشناسی ارشد، گروه آلودگی محیط‌زیست، دانشکده کشاورزی ،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

10.22034/jewe.2021.257929.1472

چکیده

فلز نیکل بسیار سمی بوده و به‌طور مستقیم با خطر سلامتی مانند آسیب به کلیه، کبد و سیستم عصب مرکزی ارتباط دارد. در این پژوهش  پتانسیل پر مرغ برای حذف نیکل از محلول آبی ارزیابی و از مدل‌های ایزوترم فروندلیچ، لانگمویر و تمکین برای توصیف جذب زیستی نیکل بر روی پر مرغ استفاده شد. در سیستم ناپیوسته پارامترهای pH (3-8)، دوز جاذب (g 06/0- 01/0)، زمان تماس (min120 -15)، غلظت اولیه فلز نیکل (mg/l 200-5) و دما (°C40-15) بررسی شد. مطالعات نشان داد حداکثر راندمان جذب نیکل در شرایط 6=pH، غلظت mg/l 50، زمان تماس min 60، دمای محیط°C 25 و جرم جاذب g 03/0 رخ‌داده است. پارامترهای ترمودینامیکی شامل تغییرات انرژی آزاد گیبس (∆G)، آنتالپی (∆H) و آنتروپی (∆S) نشان داد که فرآیند جذب فلز نیکل در محدوده دمایی 288 تا  K313 خود به خودی و گرماگیر است. ضرایب تبیین به‌دست‌آمده بین داده‌های اندازه‌گیری شده مدل شبه مرتبه دوم (95/0=R2) و مدل شبه مرتبه اول (65/0=R2) نشان داد که مدل شبه مرتبه دوم داده‌های آزمایشگاهی را بهتر توصیف می‌کند. همچنین روابط مربوط به ایزوترم لانگمویر، فروندلیچ و تمکین برای جذب نیکل توسط نانو ذرات پر مرغ نشان داد، ایزوترم فروندلیچ (87/0=R2) نسبت به لانگمویر (08/0=R2) و تمکین (67/0=R2) برای توصیف فرآیند جذب مناسب‌تر بوده و مطابقت بیشتری با داده‌های آزمایشگاهی دارد. با توجه به نتایج این پژوهش از جاذب نانوذرات پر مرغ با کارایی بالای 8/96% برای حذف نیکل از محلول­های آبی می­توان استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Removal of Nickel (II) ions from Aqueous Solutions Using Chicken Feather Nanoparticles: Study of Kinetic, Isotherm and Thermodynamic Models

نویسندگان [English]

  • Hassan Rezaei 1
  • Sanaz Naseri 2
1 Assist. Professor, Department of Environmental Pollution, Faculty of Agriculture, University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Gorgan, Iran
2 M.Sc., Department of Environmental Pollution, Faculty of Agriculture, University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Gorgan, Iran
چکیده [English]

Nickel is highly toxic and directly associate with health risk such as damage to kidney, liver and central nervous system. This study evaluated the potential of a chicken feather for the removal of nickel from aqueous solutions. Freundlich, Langmuir and Temkin isotherm models were used to characterize the bio sorption of the mentioned metal onto the chicken feather. In the batch system, parameters of pH (4-8), adsorbent dosage (0.01- 0.06 g/l), contact time (15-120 min), nickel initial concentration (5-200 mg/l), and temperature (15-40 °C) were studied. Studies have shown that the maximum Nickel uptake efficiency occurred at pH = 6, concentration of 50 mg / g, contact time of 60 minutes, ambient temperature of 25 ° C and adsorbent mass of 0.03 g. The thermodynamic parameters such as Gibb's Free Energy (ΔG), Enthalpy (ΔH) and Entropy (ΔS) indicated that the adsorption of nickel ion were spontaneous and endothermic at 288–313 °K. Comparing the determination coefficients between measured data and obtained value from pseudo- second-order model (R2 = 0.95) and pseudo- first-order model (R2 = 0.65) showed that the pseudo- second-order model describes experimental data better. Also, comparing the Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm for nickel adsorption by chicken feather nanoparticles showed that Freundlich isotherm (R2 = 0.87) was more proper than Langmuir isotherm (R2 = 0.82) and Temkin isotherm (R2 = 0.67) in describing adsorption process. According to the results of this study, chicken feather nanoparticles adsorbent with a high efficiency of 96.8% can be used to remove Nickel from aqueous solutions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Adsorption
  • Chicken feather
  • Heavy metal
  • Isotherm
  • Kinetic
Aguayo-Villarreal, I. A., Bonilla-Petriciolet, A., Hernández-Montoya, V., Amontes-Morán, M. and Reynel-Avila, E. H. (2011). Batch and column studies of Zn2+ removal from aqueous solution using chicken feathers as sorbents. Chem. Eng. J., 167(1), 67-76.
Ahluwalia, S. and Goyal, D. (2005). Removal of heavy metals by waste tea leaves from aqueous solution. Eng. Life Sci., 5(2), 158-62.
Abdel-Moneum, M. A., Alaa, E. A. and Ahmed, H. G. (2019). Adsorption separation of nickel from wastewater by using olive stones. Adv. J. Chem. Sec. A. Theo. Eng. Appl. Chem., 2(1), 79-93.
Bibaj, E., Lysigaki, K., Nolan, J. W., Seyedsalehi, M., Deliyanni, E. A., Mitropoulos, A. C. and Kyzas, G. Z. (2019). Activated carbons from banana peels for the removal of nickel ions. Int. J. Environ. Sci. Technol., 16, 667-80.
Chakraborty, R., Asthana, A., Kumar Singh, A., Jain, B. and Bin Hasan Susan, A. (2020). Adsorption of heavy metal ions by various low-cost adsorbents: a review. Int. J. Environ. Analyt. Chem., 1-38. Doi: 10.1080/03067319.2020.1722811
Chang, C. F., Chang, C. Y., Chen, K. H., Tsai, W. T., Shie, J. L. and Chen, Y. H. (2004). Adsorption of naphthalene on zeolite from aqueous solution. J. Colloid Interface Sci., 277(1), 29-34.
Chingombe, P., Saha, B. and Wakeman, R. J. (2006). Sorption of atrazine on conventional and surface modified activated carbons. J. Colloid Interface Sci., 302(2), 408-416.
Dada, A. O., Olalekan, A. P., Olatunya, A. M. and Dada, O. (2012). Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin–Radushkevich isotherms studies of equilibrium sorption of Zn2+ onto phosphoric acid modified rice husk. J. Appl. Chem., 3(1), 38-45.
Davis, J. R. (2000). Nickel, cobalt, and their alloys (ASM international). 422 PP.
Esdaki, Z., Ansari, R. and Ostovar, F. (2019). Removal of nickel (II) ions from aqueous solutions using iron (III) oxide nanoparticles: study of kinetic, isotherm and thermodynamic models. Iran. J. Health Environ., 12(3), 383-396 [In Persian].
Frieberg, L., Nordberg, G. F. and Vouk, V. (1986). Handbook on the toxicology of metals. Academic Press.
Gupta, S. H. and Kumar, A. (2019). Removal of nickel (II) from aqueous solution by bio sorption on A. barbadensis Miller waste leaves powder. Appl. Water Sci., 9(96). Doi: 10.1007/s13201-019-0973-1
Hamdaoui, O. and Naffrechoux, E. (2007). Modeling of adsorption isotherms of phenol and chlorophenols onto granular activated carbon: Part I. Two-parameter models and equations allowing determination of thermodynamic parameters. J. Hazard. Mater., 147(1-2), 381-394.
Hannachi, Y., Shapovalov, N. F. and Aymen, H. (2010). Adsorption of nickel from aqueous solution by the use of low-cost adsorbents. Korea. J. Chem. Eng., 27, 152-158.
Ho, Y. S. and McKay, G. (2002). Application of kinetic models to the sorption of copper (II) on to peat. Adsorpt. Sci. Technol., 20, 797-815.
Khosa, M. and Ullah, A. (2014). In-situ modification, regeneration, and application of keratin biopolymer for arsenic removal. J. Hazard. Mater., 278, 360-71.
Larous, S., Meniai, A. H. and Lehocine, M. B. (2005). Experimental study of the removal of copper from aqueous solutions by adsorption using sawdust. Desal., 185(1-3), 483-490.
Malkoc, E. (2006). Ni(II) removal from aqueous solutions using cone biomass of Thuja orientalis. J. Hazard. Mater., 137(2), 899-908.
Mehrmand, N., Keshavarz Moraveji, M. and Parvareh, A. (2020). Adsorption of Pb(II), Cu(II) and Ni(II) ions from aqueous solutions by functionalised henna powder (Lawsonia Inermis); isotherm, kinetic and thermodynamic studies. Int. J. Environ. Analyt. Chem., 1-22.
Mohammadi Galehzan, M. Shamohammadi, S. H. (2013). Comparison of active carbon, sawdust, almond shell and hazelnut shell absorbent in removal of nickel from aqueous environment. J. Water Wastewater, 24(3), 71-79 [In Persian].
Nuhoglu, Y. and Malkoc, E. (2009). Thermodynamic and kinetic studies for environmentally friendly Ni(II) bio sorption using waste pomace of olive oil factory. Bioresour. Technol., 100(8), 2375-2380.
Olawale, S. A., Wosilat Funke, A., Haruna Dede, A. and Habeeb, A. (2018). Isotherm studies of the biosorption of Pb(II) and Cu(II) using chicken feather. Asia. J. Adv. Res. Report.,1(4), 1-9.
Rakesh, K. E. and Antony, R. (2017). Biosorption studies of chromium ions with modified chicken feathers. Biomed. J. Sci. Tech. Res., 1, 1819-1822.
Raval, N., Shah, P. and Nisha, S. (2016). Adsorptive removal of nickel (II) ions from aqueous environment: a review. J. Environ. Manage., 179, 1-20.
Solgi, E. and Zamanian, A. (2020). Biosorption of chromium and nickel from aqueous solution by chicken feather. Arch. Hyg. Sci., 9(2), 97-108.
Srivastava, V. C., Deo Mall, I. and Mani Mishra, I. (2009). Competitive adsorption of cadmium(II) and nickel(II) metal ions from aqueous solution onto rice husk ash. Chem. Eng. Process. Process Intensif., 48(1), 370-379.
Zafar, M. N., Aslam, I., Nadeem, R., Munir, SH., Rana, U. and Khan, S. (2015). Characterization of chemically modified biosorbents from rice bran for bio sorption of Ni(II). J. Taiwan Instit. Chem. Eng., 46, 82-88.
Zhang, Y. and Frankenberger, W. (2003). Factors affecting removal of selenite in agricultural drainage water utilizing rice straw. Sci. Tot. Environ., 305(1-3), 207-216.