پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

سنتز جاذب مغناطیسیUIO-66-MnFe2O4-TiO2 به منظور جذب سطحی Cr(VI) به کمک طراحی آزمایش

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

پدرام ناصحی 1
مجتبی ساعی مقدم 1
سید فواد عباس پور 1
رضا اسدی 2

1 دانشگاه صنعتی قوچان

2 دانشگاه تربیت مدرس

چکیده
با پیشرفت صنایع مختلف در جهان یکی از مشکلات مهمی که با آن مواجه هستیم آلودگی محیط زیست به فلزات سنگین است.یکی از سمی ترین فلزات سنگین که حتی در غلظت های پایین مشکل ساز است، Cr(IV) می باشد. در این مطالعه حذف این ماده سمی با راندمان بالا به وسیله ی جاذب مغناطیسی UIO-66-MnFe2O4-TiO2 مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور نانو کامپوزیت مغناطیسی(UIO-66-MnFe2O4-TiO2) بر روی بستر چارچوب های آلی فلزی (MOF)، به منظور جذب سطحی Cr(IV) سنتز شد. انتخاب روش هیدروترمال برای سنتز UIO-66 علاوه بر سادگی موجب ساختUIO-66 به صورت خالص و کار آمد گشت که در طول آزمایش ها راندمان بسیار بالایی را ایجاد کرد. به جهت مغناطیسی کردن جاذب از نانو ذرات MnFe2O4 کمک گرفته شد. برای افزایش خواص مغناطیسی و افزایش راندمان بارگذاری نانو ذره ی MnFe2O4 ، از نانو ذره TiO2 کمک گرفته شد تا میزان بارگذاری برروی جاذب افزایش یابد. آزمون‌های XRD، SEM، FT-IR،BET، VSM و EDX به‌منظور بررسی سطح و راستی آزمایی ساخت جاذب استفاده شد. تأثیر چهار متغیر مؤثر در طول آزمایش جذب سطحی همچون میزان جاذب (05/0 تا 25/0 گرم)، pH (2 تا 6)، زمان جذب (15 تا 75 دقیقه)، غلظت اولیه یون فلزی (200 تا 1000 میلی‌گرم بر لیتر) در پنج سطح (2- تا 2+) با استفاده از طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ (RSM) و طراحی مرکب مرکزی ( CCD) بررسی شد. بهترین شرایط برای متغیرهای مستقل برای غلظت اولیه فلز میزان 552 mg/l مشخص شد. میزان بهینه ی pH در طول آزمایش برابر با 4 به دست آمد. در نهایت میزان بهینه برای پارامتر های زمان جذب و میزان جاذب به ترتیب 3/42 min و 143/0 gr و همچنین حداکثر میزان جذب 98 درصد به دست آمد. بررسی و مطالعه سینتیک و ایزوترم جذب نشان داد که مدل شبه مرتبه دوم و ایزوترم لانگمویر به‌خوبی داده‌های Cr(IV) را پوشش می‌دهد. پس از پایان فرایند می‌توان جاذب را با یک میدان مغناطیسی از محیط خارج کرد.

کلیدواژه‌ها

UIO-66-MnFe2O4-TiO2
چهارچوب آلی‌فلزی MOF
جذب سطحی
کروم Cr (VI)
طراحی آزمایش

موضوعات

عنوان مقاله English

Cr (VI) Adsorption Using synthesis Novel UIO-66-MnFe2O4-TiO2 Magnetic Nanoparticles by Experimental Design

نویسندگان English

Pedram Nasehi 1
Mojtaba Saei moghaddam 1
Seyed Foad Abbaspour 1
Reza Asadi 2
1 Quchan University of technology
2 Tarbiat Modares University
چکیده English

Research subject: One of the major problems we face with the growth of various industries around the world is the environmental pollution of heavy metals. One of the most toxic heavy metals that is problematic even at low concentrations is Cr (IV).

Research approach: In this study, the removal of this toxic heavy metal was investigated with high efficiency by UIO-66-MnFe2O4-TiO2 magnetic adsorbent. For this purpose, magnetic nanocomposite (UIO-66-MnFe2O4-TiO2) was synthesized based on metal-organic framework (MOF) for adsorption of Cr (IV). The choice of the hydrothermal method for the synthesis of UIO-66 in addition to its simplicity resulted in the production of pure and efficient UIO-66, which produced very high efficiency during the experiments. MnFe2O4 nanoparticles were used to magnetize the adsorbent. To increase the magnetic properties and increase the loading efficiency of the MnFe2O4 nanoparticles, TiO2 nanoparticles were used to increase the loading rate on the adsorbent. XRD, SEM, FT-IR, BET, VSM and EDX tests were used to the characterization of the adsorbent properties.

Main results: Effect of four effective variables during adsorption experiments such as adsorbent content (0.05 to 0.25 g), pH (2 to 6), adsorption time (15 to 75 min), initial metal ion concentration (200 to 1000 mg / l) at five levels (+2 to +2) were investigated using experimental design with response surface methodology (RSM) and central composite design (CCD). The best conditions were determined for the independent variables for the initial metal concentration of 552 mg /l. The optimum pH was obtained 4 during the experiment. Finally, the optimum values were achieved for adsorption parameters such as adsorption time and adsorbent amount were 42.3 min and 0.143 gr, respectively, and also the maximum adsorption rate was obtained 98%. Investigation of the adsorption isotherm kinetics showed that the pseudo-second-order model and Langmuir isotherm fit the Cr (IV) data well. After the adsorption process, the adsorbent can be removed from the environment by a magnetic field.


کلیدواژه‌ها English

UIO-66-MnFe2O4-TiO2
MOF
Adsorption
Cr(VI)
Expereimental Design
[1] Babarinde, Adesola, Kemi Ogundipe, Kikelomo Tobi Sangosanya, Babatunde Damilare Akintola, and A-O. Elizabeth Hassan. "Comparative Study On The Biosorption of Pb (II), Cd (II) and Zn (II) Using Lemon Grass (Cymbopogon Citratus): Kinetics, Isotherms and Thermodynamics." Chem. Int 2, no. 8 (2016).
[2] Bian, Bo, Lin Lv, Donghai Yang, and Lingjun Zhou. "Migration of Heavy Metals In Vegetable Farmlands Amended With Biogas Slurry In The Taihu Basin, China." Ecological Engineering 71 (2014): 380-383.
[3] فاتحی دهاقانی, محمدحسین, ذبیحی, محمد, شایگان, جلال الدین. 'جذب سطحی رقابتی سه یون فلزی کروم، سرب و جیوه در محلول‌های آبی بر روی کربن فعال مغناطیسی تهیه شده از هسته هلو', نشریه علوم و مهندسی جداسازی (1397).
[4] Klimaviciute, Rima, Joana Bendoraitiene, Ramune Rutkaite, and Algirdas Zemaitaitis. "Adsorption of Hexavalent Chromium on Cationic Cross-Linked Starches of Different Botanic Origins." Journal of Hazardous Materials 181, no. 1-3 (2010): 624-632.
[5] محمدی, آیدا, عطائی, ابوالقاسم, شیبانی, سعید. 'تاثیر فعال‌سازی مکانیکی نانوپودر هگزافریت باریم بر بهبود قابلیت جذب یون کروم شش ظرفیتی از محلولهای آبی', نشریه علوم و مهندسی جداسازی (1395).
[6] Mahdiabadi M., Kardar S. and Alipour S. Studying the Causes of High Chromium Concentration in the Leather Production Process at Tehran Charmshahr Industrial Complex, Journal of Health and Safety at Work, 6(1), 71-80, 2016.
[7] Hosseini M.H., Khodadadi M. and Dorri H., Evaluation of Heavy Metals Concentration in the Effluent and Sludge of the Tile Factory in Birjand in 2010, Journal of Birjand University of Medical Sciences, 20(1), 85-93, 2013.
[8] Farazmand A., Orumieh H.R. and Tashayouie H.R., Determination of Heavy Metals in the Effluent Plating Units of Isfahan Province, Journal of Water and Wastewater, 3(55), 69-76, 2010.
[9] Meitei, Maibam Dhanaraj, and Majeti Narasimha Vara Prasad. "Adsorption of Cu (II), Mn (II) and Zn (II) by Spirodela Polyrhiza (L.) Schleiden: Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Studies." Ecological Engineering 71 (2014): 308-317.
[10] Meitei, Maibam Dhanaraj, and Majeti Narasimha Vara Prasad. "Adsorption of Cu (II), Mn (II) and Zn (II) by Spirodela polyrhiza (L.) Schleiden: Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Studies." Ecological Engineering 71 (2014): 308-317.
[11] Hubadillah, Siti Khadijah, Mohd Hafiz Dzarfan Othman, A. F. Ismail, Mukhlis A. Rahman, Juhana Jaafar, Yuji Iwamoto, Sawao Honda, Mohd Irfan Hatim Mohd Dzahir, and Mohd Zamri Mohd Yusop. "Fabrication of Low Cost, Green Silica Based Ceramic Hollow Fibre Membrane Prepared From Waste Rice Husk for Water Filtration Application." Ceramics International 44, no. 9 (2018): 10498-10509.
[12] Kitagawa, Susumu, and Ryotaro Matsuda. "Chemistry of Coordination Space of Porous Coordination Polymers." Coordination Chemistry Reviews 251, no. 21-24 (2007): 2490-2509.
[13] Ahmed, Imteaz, and Sung Hwa Jhung. "Composites of Metal–organic Frameworks: Preparation and Application in Adsorption." Materials Today 17, no. 3 (2014): 136-146.
[14] Jiang, Xin, Hai-Yu Chen, Ling-Li Liu, Ling-Guang Qiu, and Xia Jiang. "Fe3O4 Embedded ZIF-8 Nanocrystals with Ultra-High Adsorption Capacity Towards Hydroquinone." Journal of Alloys and Compounds 646 (2015): 1075-1082.
[15] Zhong, Xiaochao, Jun Yang, Yuanyuan Chen, Xiaoyan Qiu, and Yuanming Zhang. "Synthesis of Magnetically Separable MnFe2O4 Nanocrystals Via Salt-Assisted Solution Combustion Method and Their Utilization as Dye Adsorbent." Journal of The Ceramic Society of Japan 123, no. 1437 (2015): 394-398.
[16] Tawainella, Rosita Dewi, Yuni Riana, Rusliana Fatayati, Takeshi Kato, Satoshi Iwata, and Edi Suharyadi. "Sintesis Nanopartikel Manganese Ferrite (MnFe2O4) Dengan Metode Kopresipitasi Dan Karakterisasi Sifat Kemagnetannya (Halaman 1 sd 7)." Jurnal Fisika Indonesia 18, no. 52 (2015).
[17] AjayKumar, Addagalla Venkata, Naif A. Darwish, and Nidal Hilal. "Study of Various Parameters in the Biosorption of Heavy Metals on Activated Sludge." World Applied Sciences Journal 5, no. 5 (2009).
[18] Zhu, Bo, Tongxiang Fan, and Di Zhang. "Adsorption of Copper Ions from Aqueous Solution by Citric Acid Modified Soybean Straw." Journal of Hazardous Materials 153, no. 1-2 (2008): 300-308.
[19] AjayKumar, Addagalla Venkata, Naif A. Darwish, and Nidal Hilal. "Study of Various Parameters in the Biosorption of Heavy Metals on Activated Sludge." World Applied Sciences Journal 5, no. 5 (2009).
[20] Jain, Monika, V. K. Garg, and K. Kadirvelu. "Investigation of Cr (VI) Adsorption onto Chemically Treated Helianthus Annuus: Optimization Using Response Surface Methodology." Bioresource Technology 102, no. 2 (2011): 600-605.
[21] Kumar, A. Santhana Krishna, S. Kalidhasan, Vidya Rajesh, and N. Rajesh. "Application of Cellulose-Clay Composite Biosorbent Toward the Effective Adsorption and Removal of Chromium from Industrial Wastewater." Industrial & Engineering Chemistry Research 51, no. 1 (2011): 58-69.
[22] Parida, Kulamani, Krushna Gopal Mishra, and Suresh Kumar Dash. "Adsorption of Toxic Metal Ion Cr (VI) from Aqueous State by TiO2-MCM-41: Equilibrium and Kinetic Studies." Journal of Hazardous Materials 241 (2012): 395-403.
[23] Babarinde, Adesola, and Gloria Ogonna Onyiaocha. "Equilibrium Sorption of Divalent Metal Ions onto Groundnut (Arachis Hypogaea) Shell: Kinetics, Isotherm and Thermodynamics." Chem. Int 2, no. 3 (2016).
[24] Iqbal, M. Jamshaid, Farhan Cecil, Khalil Ahmad, Munawar Iqbal, M. Mushtaq, M. A. Naeem, and T. H. Bokhari. "Kinetic Study of Cr (III) and Cr (VI) Biosorption Using Rosa damascena Phytomass: A Rose Waste Biomass." Asian Journal of Chemistry 25, no. 4 (2013).
[25] Wu, YunHai, XianMiao Mi, Li Jiang, Bin Li, and ShiXun Feng. "Equilibrium, Kinetics and Thermodynamics Study on Biosorption of Cr (VI) by Fresh Biomass of Saccharomyces Cerevisiae." Korean Journal of Chemical Engineering 28, no. 3 (2011): 895-901.
[26] Ullah, Ihsan, Raziya Nadeem, Munawar Iqbal, and Qaisar Manzoor. "Biosorption of Chromium onto Native and Immobilized Sugarcane Bagasse Waste Biomass." Ecological Engineering 60 (2013): 99-107.
[27] Gong, Renmin, Yi Ding, Huijun Liu, Qiuyi Chen, and Zhili Liu. "Lead Biosorption and Desorption by Intact and Pretreated Spirulina Maxima Biomass." Chemosphere 58, no. 1 (2005): 125-130.
[28] Ofomaja, Augustine E., And Yuh-Shan Ho. "Equilibrium Sorption of Anionic Dye from Aqueous Solution by Palm Kernel Fibre as Sorbent." Dyes and Pigments 74, no. 1 (2007): 60-66.
[29] Shukla, Alka, Yu-Hui Zhang, P. Dubey, J. L. Margrave, and Shyam S. Shukla. "The Role of Sawdust in the Removal of Unwanted Materials from Water." Journal of Hazardous Materials 95, no. 1-2 (2002): 137-152.
[30] Nasehi, Pedram, et al. "Cadmium adsorption using novel MnFe₂O₄-TiO₂-UIO-66 magnetic nanoparticles and condition optimization using a response surface methodology." (2019).‌

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما