مهندسي شيمي ايران دوره 43، شماره

مقايسه مطالعه سينتيکي و همدمای جذب زيستي نيکل به وسيله باکتری و جلبکهای قرمز و قهوهای

سلمان احمدي اسب چين*+
مازندران، بابلسر، دانشگاه مازندران، دانشکده علوم پايه، گروه زيست شناسي سلولي و مولکولي

چكيده:جذب زيستي فلزهاي سنگين، يک فرايند بسيار مؤثر در حذف اين آلايندهها از محلولهاي آبي است .
ترکيبهاي ديواره سلولي جلبکها داراي سلولز و همچنين مواد ديگري از جمله آلژينات و آگار است که نقش کليدي در جذب زيستي کاتيونهاي فلزي بازي ميکنند. جلبکها به علت ارزان بودن از اهميت ويژهاي برخوردارند. درحالي که سازوکارهايي که در جذب فلزها بهوسيله باکتريها دخالت دارند، بسيار پيچيدهاند و وابستگي کامل به واکنشهاي فيزيکوشيميايي يون فلزي در محلول، مکانهاي جذب سلولي و غيره دارند. ميکروارگانيسمها و جلبکها به چرخه مواد غيرآلي در طبيعت کمک ميکنند. در اين پژوهش جذب زيستي نيکل به وسيله جلبک قرمزگراسيلاريا، جلبکهاي قهوهاي فوکوس و سيستوسيرا و باکتري گرم مثبت باسيلوس، مورد مطالعه قرار گرفت.
پارامترهايي مانند غلظت فلز، pH ، زمان، همدما در اين آزمايش مورد بررسي قرار گرفت. بيشترين ميزان جذب فلز بهوسيله جلبک گراسيلاريا، سيستوسيرا و باسيلوس درpH حدود 6 و جلبک فوکوس درpH حدود 5 مي باشد.
بيشينه جذب در جاذب فوکوس حدود 9/0، گراسيلاريا 66/0، سيستوسيرا 43/0 و باسيلوس 65/0 ميلي گرم بر ليتر است.
مدت زمان تعادل در باکتري 020 دقيقه است در جلبک گراسيلاريا 300 دقيقه و در فوکوس 400 و سيستوسيرا حدود 450 دقيقه بوده است. دادههاي همدما بهوسيله مدل لانگموير توصيف شد.

واژههاي كليدي: جذب زيستي؛ باسيلوس؛ فوکوس؛ گراسيلاريا؛ سيستوسيرا؛ نيکل.

KEY WORDS: Biosorption; Bacillus; Gracilaria; Cystoseira; Focus; Nickel.

مقدمه
مصرف مواد دارای فلزات، کاغذسازی، رنگرزی، فرايندهای متالوژيکي اثرهای زيانباری در سلامت انسان و حيوانها داشته و موجب

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
33
آلودگي آبها به وسيله فلزهای سنگين يک مشکل اساسي محسوب ميشود [1]. جذب اندک فلزهايي مانند جيوه، سرب، کادميم، کبالت و غيره در بدن جانداران باعث عارضههای بد زيادی ميشود. بهطور کلي فلزهای سنگين در نتيجه فرسايش طبيعي خاک، فورانهای آتشفشاني، تخليه پساب صنايع گوناگون از جمله ذوب فلزات، آبکاری فلزات، پلاستيکسازی، توليد و و غيره به اکوسيستم آبي وارد ميشوند] 2[ . در دو دهه اخير، پيشرفت روزافزون صنايع مهمترين عامل آلودگي محيط زيست بوده و پسابهای آلوده صنايع گوناگون مانند چرم سازی، استخراج معادن و پتروشيمي باعث ورود مقدار زيادی فلزهای سنگين مانند کروم، کادميوم، نيکل، کبالت، روی و سرب به محيط زيست ميشود. حضور تراکمهای سمي فلزها در محيط برهم خوردن تعادل و نظم زيست بوم ميشود]3[ از اين رو مطالعه راههای حذف اين آلايندهها بسيار لازم است. بررسيها نشان داده
که روشهای شيميايي و فيزيکي مانند اکسايش ـ احيا رسوبدادن شيميايي، صاف کردن، تيمار الکترو شيميايي، تبخير، تبادل يوني و فرايند اسمزمعکوس محدوديتهايي دارند و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نيستند. اين روشها برای پسابهای دارای مواد آلي پيچيده مناسب نيستند و همچنين اين روشها برای غلظتهای بالای فلزهای سنگين کاربرد ندارند. از سوی ديگر بازيافت فلزها از آنها نسبت به روشهای ديگر دشوار است.
به نظرمي رسد تصفيه زيستي، جانشين و يا دست کم مکمل مناسبي برای ديگر روشها باشد و در همين رابطه بسياری از ميکروارگانيسمها ميتوانند برای حذف فلزهای سنگين از سامانههای پساب مفيد باشند]4[.
تطبيق کنند زيرا بيشتر روشهای فيزيکي ـ شيميايي زماني که گراسيلاريا است. همچنين سينتيک و همدما نيز مورد بررسي غلظت فلزهای سنگين و سمي در محيطهای آلوده در بازهی قرار گرفته است.
11 تا 111 ميلي گرم در ليتر باشد، غير مؤثر بوده و اقتصادی
نيستند. درحالي که غلظتهای مجاز يونهای فلزهای سنگين بخش تجربي
بر طبق نظر آژانس حفاظت از محيط زيست امريکا کمتر از آماده سازی جاذب زيستي
1 ميلي گرم در ليتر است [7 ـ 5]. در مطالعهای جذب فلز کروم برای انجام اين پژوهش جلبکهای )گراسيلاريا2(، )سيستوسيرا3( شش ظرفيتي بهوسيله دانههای پليمر زانتان مورد بررسي پس از جمع آوری جاذبها از دريای عمان در ابتدا يک بار با آب دريا قرار گرفت. اين پژوهشگران مشخص کردند. اين پليمر توانايي و سپس سه بار با آب مقطر شستشو داده شد تا ذرههای شن و نمک حذف فلز از محلولهای آبي را دارد و همدمای جذب از از آنها جدا شوند و سپس به مدت 5 روز در برابر نور خورشيد مدل لانگموير پيروی ميکند [8]. خشک شد و به قطعههای 11 تا 15 ميليمتر خرد شد. اين جلبکها
مشخص شده است، در جلبکها گروههای گوناگون موجود از مرکز اقيانوس شناسي چابهار دريافت شد. جلبک )فوکوس4( نيز در سلولز و در باکتریها و قارچها گروههای فسفات و کربوکسيل از ساحل شهر پورنيک غرب فرانسه کنار ساحل اقيانوس آتلانتيک ديواره در جذب فلز مؤثر ميباشند [11 ، 9]. نقش باکتری گرم مثبت جداسازی شد. نخست با آب معمولي و سپس با آب مقطر شستشو
همچنين نگراني زماني افزايش مي يابد که روشهای فيزيکو ـ شيميايي برای تصفيه چنين پسابهايي نتواند با استانداردهای محيط زيستي يا سميت ظاهر ميشود. نيکل و ترکيبهای آن با فرايندهای صنعتي منجر به افزايش انتشار آلودگي در زيست بوم ميشوند]9[.
جذب زيستي به عنوان يک روش سازگار با محيط زيست، دارای عملکرد درخشان بوده و روش کم هزينه داخلي برای تيمار پساب ميباشد]12[. عمل تصفيه زيستي پسابها توسط باکتریها ، برخي از قارچها ، جلبکها و پروتوزوآها انجام ميگيرد تا تغيير تبديل پساب به حالتي بيضرر بررسي شود، اما به تازگي جلبکها به علت توانايي تصفيه پسابها بيشتر مورد توجه قرار گرفتهاند ]13[. در ترکيبهای ديواره سلولي جلبکها غير از سلولز مواد ديگری از جمله آلژينات، آگار و فوکويدان وجود دارد که نقش کليدی در جذب زيستي کاتيونهای فلزی بازی ميکنند]14[ .
هدف از اين پژوهش، مقايسه جذب فلز نيکل بهوسيله باکتری و جلبکهای قهوهای سارگاسوم، فوکوس و جلبک قرمز
باسيلوس )ليگنيفورميس1( در جذب فلز نيکل مورد بررسي قرار گرفت، نقش پارامترهايي مانند pH، غلظت باکتری ،سينتيک و همدمای جذب فلز بررسي شد ]11[.
-20031925553

نيکل يک نمونه خوب از فلزاتي است که به طور گسترده در فناوریهای جديد استفاده ميشود. نيکل ماده ضروری برای چندين گونه جانوری، گونههای گياهي و ميکروارگانيسمها است و درصورتيکه مقدار آن کم يا زياد شود به ترتيب نشانههای نبود
)3( Fucus
)5( Glucose Mineral Salts (GMS)
32

داده شده و قطعههای 11-15 ميلي متر جداسازی شد. اين جلبک بهوسيله نويسنده در فرانسه جداسازی شد [6].
همچنين از باکتری ميلهای شکل، گرم مثبت، باسيلوس )89-Bacillus sp strain AEJ( جدا شده از کوير مرنجاب شهر کاشان استان اصفهان استفاده شد. برای کشت باکتری مورد نظر از محيط کشت GMS)5( استفاده شد. محيط کشت مورد استفاده آبگوشت بود.
)0( Bacillus licheniformis
)2( Gracilaria sp
)4( Sargassum
محلول نيکل دو ظرفيتي با حل کردن نمک نيکل کلريد يک آبه)1( شرکت مرک آلمان در آب مقطر تهيه شد ]15[. برای همه آزمايشها نمونه شاهدی دارای محلول نيکل بدون حضور جاذبهای زيستي بوده و همه شرايط برابر با آزمايشهای دارای جاذبها مي باشد. برای انجام اين آزمايشها جرم خشک جلبکها و توده سلولي تر باکتری مورد استفاده قرار گرفت.

بررسي تأثير pH محلول فلزی برروی جذب نيکل به وسيله جاذبها
pH ، يک عامل مهم در فرايند جذب ميباشد زيرا بين يونهای فلزی و پروتونها برای جايگاههای فعال سطح جاذبها رقابت ايجاد ميشود. از آنجاييکه pH محلول ميتواند اثر مهمي در حذف فلزهای سنگين از محيطهای آلوده داشته باشد بنابراين يک عامل مهم برای جذب زيستي يوننيکل بهوسيله جاذبها ميباشد.
شرايط انجام اين آزمايشها اينگونه است: دمای حدود 25 درجه سلسيوس، غلظت اوليه فلز نيکل در حدود 4 ميلي گرم در ليتر، pH بين 2تا 8 با استفاده از آب مقطر، ميزان جاذب حدود 1گرم برای تنظيم pHهای گوناگون از 2 تا 8 از pH متر ديجيتالي مدل 781 ساخت کشور سوئيس مجهز به الکترود ترکيبي کالومل شيشه و افزودن HCl و NaOH 1 مولار ، استفاده شد ]16[ . غلظت نيکل پيش و پس از هر آزمايش با دستگاه جذب اتمي)2( شرکت ترمو انگليس سريال 5M مورد تجزيه قرار گرفت]17[ .

بررسي سينتيک جذب يون نيکل بهوسيله جاذبهای زيستي
آزمايشهای مربوط به سينتيک جذب فلز نيکل توسط جاذبها
)باکتری باسيلوس و جلبکهای گراسيلاريا ،سيستوسيرا و فوکوس( در يک راکتور 1 ليتری )راکتور در اينجا منظور ظرف شيشهای با ظرفيت 1 ليتر با درب پلاستيکي آبي رنگ و دهانه باريک ميباشد( با ميزان 1 گرم از جاذب زيستي انجام شد. همه تودههای افزوده شده جلبکها خشک بودند و فرايند غير فعال بوده است. در مورد باکتری از زی توده تر استفاده شد، و فرايند جذب ميتوانست هم فعال يعني وابسته به متابوليسم و هم غير فعال يعني غيروابسته به متابوليسم باشد. pH تعادلي مربوط به حالت بهينه جذب فلز، برای باکتری در حدود 2/1± 7 و برای جلبک در حدود 2/1±5/5 بود که برای تنظيم pH از سديم هيدروکسيد و هيدروکلريک اسيد استفاده شد.
جسم توده زيستي در واحد حجم محلول آبي با واحد گرم بر ليتر ميباشد.
34
در همه آزمايشها از آب دو بار تقطير استفاده شد.

برای بررسي ساز و کار جذب و کنترل مراحل سرعت واکنش مانند انتقال جرم و پيشرفت واکنشهای شيميايي، مدلهای سينتيکي کاربرد دارد.

بررسي همدمای جذب لانگموير
همدمای جذب لانگموير يکي از قانونهای معتبر جذب فيزيکي بهوسيله توده زيستيهای غيرزنده است که در بسياری از موردها صادق ميباشد. برای جذب تک لايه ای روی سطح تعداد محدودی از موقعيتهای جذب يکسان، بهکار ميرود. که معادله آن بهصورت زير است:

A S AS  )1(

که در آنA مقدار جذب شده، S سطح جاذب
آزمايشهای همدمای جذب يون نيکل توسط جاذبهای
باکتری باسيلوس و جلبکهای فوکوس، سيستوسيرا و گراسيلاريا مطالعه شد. معادله لانگموير برای اين منظور مورد بررسي قرار گرفت.
تفسير همدما: )معادله لانگموير( معادله همدمای لانگموير به شکل هذلولي ميباشد.

qe  1q b Cm L eb CL e )2(

که در آن:
Ce غلظت نيکل در محلول در حالت تعادل )ميلي مول بر ليتر(
Qe غلظت نيکل در روی جاذب در حالت تعادل )مول بر گرم( Qm بيشينه نيکل جذب شده )مول بر گرم( bL ثابت مربوط به وابستگي بين جاذب و فلز )ليتر بر مول( مقدار qe به ازای هر Ce بهصورت تجربي از معادله زير بهدست ميآيد:

qe 

C C0X0 e )3(

که oC و Ce به ترتيب غلظت جاذب زيستي در جريانهای ورودی و خروجي و Xo، ميزان مصرفي توده زيستي است که مقدار
38804851087755

)0( NiCl2H2O )2( Atom
معادله لانگموير به صورت زير به شکل خطي در ميآيد:

19021779522

q1e bq Cm e1 q1m )4(

که مقدارهای Qm و b را ميتوان، به ترتيب از شيب و عرض از مبدا آن بهدست آورد.
بهطور کلي فرضيههای زير در مورد اين معادله در نظر گرفته ميشود:
تعداد جايگاههای جذب ثابت ميباشد.
تمامي جايگاههای جذب يکسان هستند.
تنها يک ماده جذبشونده وجود دارد.
يک مولکول جذبشونده با يک جايگاه فعال واکنش ميدهد.
روش اندازهگيری بيشينه ظرفيت تعادلي qe از فرمول بالا استفاده شد. و با استفاده از آن نمودار وارون غلظت تعادلي و عکس ظرفيت تعادلي رسم شد.
نتيجهها و بحث
اثر pH
در فرايند جذب زيستيpH به عنوان مؤثرترين عامل در جذب زيستي شناخته شده است ]18[. جاذبهای جلبکي دارای ميزان زيادی گروههای کربوکسيل است که از گلورونيک اسيد و مانورونيک اسيد موجود در ديواره سلولي به دست ميآيد که تغيير pH گروههای کربوکسيل ديواره را تحت تأثير قرار ميدهد ]19[.
در ديواره باسيلوس حضور گروههای کربوکسيل تعيين کننده ميباشد.
با توجه به شکل 1 نتيجههای آزمايش نشان داد که در pHهای پايينتر از 3 گروهای کربوکسيل پروتونه شده و مقدار جذب فلز کاهش مييابد. اما به تدريج با افزايش pH ميزان جذب افزايش يافته و سرانجام بيشترين جذب در pH بهينه حدود نزديک به خنثي ميباشد.
32
ميزان کاهش جذب در pH پايين به اين علت ميباشد که يون +H در محلول با فلز نيکل برای اتصال به سطح جاذب رقابت ميکند. از نگاهي ديگر جايگاهای ثابت سطح جاذب دو ترکيب فلز و يون +H رقابت ميکنند. در pHهای بالاتر سطح جاذب دارای بار منفي ميشود و در نتيجه جذب فلز افزايش مييابد. در صورتي که با افزايش بيشتر سطح pH، با تشکيل کمپلکس هيدرواکسيد آنيوني، باعث کاهش فلز آزاد در محلول ميشود، در نتيجه جذب فلز کاهش مييابد. بهطوری که

31

8

6

3

2

1

9
/
1

8
/
1

7
/
1

6
/
1

2
/
1

3
/
1

4
/
1

2
/
1

3
/
1

1

qe (mmol/g)

31



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید