کد مقاله : JFST-2308-1883 (R6) بازدید : 10 صفحه: 195 - 219

نوع مقاله: پژوهشی

بررسی کارایی جذب زیستی پوست انار در بهبود شاخص‏ های آلودگی پساب صنعتی و بهینه ‌سازی فرآیند با روش سطح پاسخ

محورهای موضوعی : بیوتکنولوژی و میکروبیولوژی موادغذایی

نسرین هاشمی ¹ , مسعود هنرور ² , الهه قره خانی ³

1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه علوم و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - دانشیار، گروه علوم و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 - استادیار، گروه شیمی، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/06/08 تاریخ پذیرش : 1403/01/21 تاریخ انتشار : 1403/12/19

کلید واژه: آلودگی آب, جذب زیستی, تصفیه فاضلاب, پوست انار.,

چکیده مقاله :

بحران آب و آلودگی محیط زیست ناشی از پساب‏های صنعتی باعث ایجاد توجه ویژه به تصفیه و استفاده مجدد از پساب‏های صنعتی شده است. در این پژوهش تأثیر پوست انار پودر شده به‏عنوان جاذب زیستی ارزان قیمت جهت بررسی شاخص‏های کدورت، غلظت جامدات معلق (TSS)، سختی(TDS)، اکسیژن خواهی شیمیایی (COD)و اکسیژن خواهی بیولوژیکی (BOD) استفاده شد. اندازه‏گیری شاخص‏های آلودگی در شرایط pH=4-8، زمان 100-20 دقیقه، دما 50-20 درجه سانتیگراد و غلظت جاذب7-1 گرم بر لیتر انجام شد. نتایج این پژوهش از طریق نرم افزار دیزاین اکسپرت مورد تجزیه و تحلیل قرارگرفت. نتایج بررسی نشان داد که اثر دما روي کل مواد جامد معلق بیشتر از سایر پارامترهاي دیگر است؛ درحالی که اکسیژن خواهی شیمیایی و pH داراي بیشترین اثر روي اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی هستند. علاوه بر این، عملکرد روش سطح پاسخ براي داده‏هاي اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی بهتر از داده‏هاي کل مواد جامد معلق بود. در کاهش میزان اکسیژن خواهی شیمیایی، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی و کل جامدات محلول از محلول، pH بیشترین اثرگذاری را داشت؛ به گونه‌ای که در pH معادل 4کمترین میزان اکسیژن خواهی شیمیایی، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی و کل جامدات محلول مشاهده شد (اکسیژن خواهی شیمیایی543، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی2/245 و کل جامدات محلول 148 میلی‌گرم در لیتر). آنچه از نتایج مشخص است، میزان اکسیژن خواهی شیمیایی و اکسیژن خواهی بیولوژیکی به صورت چشمگیری کاهش داشت اما میزان کل جامدات محلول نسبت به پساب خام افزایش داشت. همچنین با افزایش جاذب، افزایش اکسیژن‏خواهی شیمیایی و اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی مشاهده شد. تاثیر هر یک از پارامترها بر روی شاخص‏های آلودگی اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی، اکسیژن خواهی شیمیایی، کل جامدات محلول، کل مواد جامد معلق، کدورت و مقادیر p-value کمتر از 05/0 نشان می‏ دهد که مدل، معنی دار بوده است.

چکیده انگلیسی:

The water crisis and environmental pollution caused by industrial wastewater have led to special attention to the treatment and reuse of industrial effluents. In this research, the impact of powdered pomegranate peel as a low-cost biosorbent was studied for the examination of turbidity, total suspended solids (TSS), hardness (TDS), chemical oxygen demand (COD), and biological oxygen demand (BOD) indices. Pollution indices were measured under conditions of pH=4-8, time 20-100 minutes, temperature 20-50 degrees Celsius, and adsorbent concentration of 1-7 grams per liter. The results of this study were analyzed using the Design Expert software. The analysis showed that the temperature had the most significant effect on TSS (total suspended solids) compared to other parameters, while COD (chemical oxygen demand) and pH had the highest impact on BOD (biological oxygen demand). Furthermore, the response surface method performed better for BOD data than TSS data. The reduction in chemical oxygen demand, biological oxygen demand, and total dissolved solids from the solution, as well as pH, had the most significant effects. The lowest levels of chemical oxygen demand, biological oxygen demand, and total dissolved solids were observed at pH 4 (543, 2.245, and 148 mg/L, respectively). The results indicate a significant reduction in chemical oxygen demand and biological oxygen demand, while total dissolved solids increased compared to raw wastewater. Additionally, an increase in the adsorbent led to an increase in chemical oxygen demand and biological oxygen demand. The impact of each parameter on pollution indices (BOD, COD, TDS, TSS, Turbidity) and p-values less than 0.05 demonstrate the significance of the model.

منابع و مأخذ:

1. توکلی محدثه. ارزیابی جاذب‌های طبیعی در تصفیه آب و فاضلاب. پژوهش و فناوری محیط زیست. 1399؛ 5(7): 54- 39doi: https://doi.org/10.29252/.5.7 .
2. قانعیان محمد تقی، جمشیدی بهزاد، امرالهی محسن، دهواری محبوبه، تقوی محمود. کاربرد فرآيند جذب زيستي توسط پودر هسته انار در حذف كروم شش ظرفيتي
از محيط آبي. مجله علوم پزشکی دانشگاه سمنان (کومش).1392؛ 15(2): 211-206.
3. معزی پور بیتا، احمدی محمد، معزی پورآیدا، عبدالخانی علی. بررسی کیفیت و میزان آلودگی حاصل از فرایند بازیافت ضایعات ام دی اف. فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست. 1398؛ 21(9): 170-161.
4. نرگس هادی گل، فهیم دانش مریم، حسینی سپیده. بررسی پتانسیل زغال فعال تولیدی از پوست انار به عنوان جاذب رنگ و فلزات دو و سه ظرفیتی در محیط های مایع. نشریه پژوهشهای علوم و صنایع غذایی ایران. 1398؛ 15(2):380-363. doi:https://doi.org/10.22067/ifstrj.v15i4.68925
5. Abbasi Z, Alikarami M, Homafar A. Adsorption study on pomegranate peel: removal of Ni 2+ from aqueous solution and Co2+. Inorganic Chemistry. 2009; 3:3-6
6. Baloch M, Mangi S. Treatment of Synthetic Greywater by Using Banana, Orange and Sapodilla Peels as a Low Cost Activated Carbon. Journal of Materials and Environmental Sciences. 2019; 10(10) :966-986
7. Bhatti H, Sadaf S, Aleem A. Treatment of textile effluents by low cost agricultural wastes: Batch biosorption study. J. Anim. Plant Sci. 2015; 25: 284-289
8. Chelladurai SJS, Murugan K, Ray AP, Upadhyaya M, Narasimhataj V, Gnanasekaran S. Optimization of process parameters using response surface methodology: A review. Materials Today: Proceedings. 2021; 37: 1301-1304.
doi: https://doi.org/10.30498/ijb.2023.330285.3288
9. Erabee I, Ahsan A, Jose B, Aziz MMA, Ng A, Idrus S. Adsorptive treatment of landfill leachate using activated carbon modified with three different methods. KSCE Journal of Civil Engineering. 2018; 22(4): 1083-1095. doi: https://doi.org/10.1007/s12205-017-1430-z
10. Esdaki Z, Ansari R, Ostovar F. Removal of Nickel (II) ions from aqueous solutions using Iron (III) oxide nanoparticles: study of kinetic, isotherm and thermodynamic models. Iranian Journal of Health and Environment. 2019; 12(3): 383-396
11. Fan S, Pei S, Shen T, Xu G, Li Y, Fan W. Fabrication of Superhydrophobic Magnetic Sawdust as Effective and Recyclable Oil Sorbents. Materials. 2019; 12(20): 3432. doi: https://doi.org/10.3390/mal2203432
12. Ghasemi M, Mashhadi S, Azimi-Amin J. Fe3O4/AC nanocomposite as a novel nano adsorbent for effective removal of cationic dye: Process optimization based on Taguchi design method, kinetics, equilibrium and thermodynamics. Journal of Water and Environmental Nanotechnology. 2018; 3(4): 321-336. doi: https://doi.org/10.22090/jwent.2018.04.005
13. Giri R, Kumari N, Behera M, Sharma A, Kumar S, Kumar N. Adsorption of hexavalent chromium from aqueous solution using pomegranate peel as low-cost biosorbent. Environmental Sustainability. 2021; 4: 401-417. doi: https://doi.org/10.1007/s42398-021-00192-8
14. Guo R, Meng Q, Zhang H, Zhang X, Li B, Cheng Q. Construction of Fe2O3/Co3O4/exfoliated graphite composite and its high efficient treatment of landfill leachate by activation of potassium persulfate. Chemical Engineering Journal. 2019; 355: 952-962. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.08.168
15. Kataria N, Garg V. Application of EDTA modified Fe3O4/sawdust carbon nanocomposites to ameliorate methylene blue and brilliant green dye laden water. Environmental research. 2019; 172: 43-54. doi: https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.02.002
16. Khaleel E, Samarrai Gh, Husain A. Comparison Effective Powder Of Pomegranate Peel And Date Kernel With Nanoparticles Silver In Reuse Car Wash Effluent. Nat. Volatiles & Essent. Oils. 2021; 8(4): 13312-13324
17. Liu X, Tian J, Li Y, Sun N, Mi S, Xie Y. Enhanced dyes adsorption from wastewater via Fe3O4 nanoparticles functionalized activated carbon. Journal of Hazardous Materials. 2019; 373: 397-407. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.03.103
18. Moafi H, Ansari R, Ostovar F. Ag2O/Sawdust nanocomposite as an efficient adsorbent for removal of hexavalent chromium
ions from aqueous solutions. Journal of Materials and Environmental Science. 2016; 7(6): 2051-2068
19. Pashaei H, Ghaemi A, Nasiri M, Karami B. Experimental modeling and optimization of CO2 absorption into piperazine solutions using RSM-CCD methodology. ACS omega. 2020; 5: 8432-8448. doi: https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03363
20. Rabbani J, Ahmad SR, Iqbal MK. Conjugative effect of low cost adsorbent with laccase enzyme for reduction of pulp and paper effluent load, its kinetics and thermodynamics. Pakistan Journal of Science. 2022; 74(3).‏
doi: https://doi.org/10.57041/pjs.v74i3.786
21. Rice, E.W., Baird, R.B., Eaton, A.D. 2017. Standard methods for the examination of water and wastewater, American public health association, American water works association, water environment federation.
22. Saeed MO, Azizli K, Isa MH, Bashir MJ. Application of CCD in RSM to obtain optimize treatment of POME using Fenton oxidation process. Journal of Water Process Engineering. 2015; 8: 7-16. doi: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2014.11.001
23. Sharafinasab H, Ostovar F. Evaluation of the Iron (III) oxide/sawdust nanocomposite efficiency in COD removal from landfill leachate: optimization and evaluation of adsorption isotherms. Journal of Environmental Research and Technology. 2021; 8(8):75.
doi: https://doi.org/10.29252/.5.8.75

متن کامل:

Journal of Innovation in Food Science and Technology , Vol 17, No 1, Spring 2025

Homepagr: https://sanad.iau.ir/journal/jfst E-ISSN: 2676-7155

(Original Research Paper)

Assessing the Efficiency of Pomegranate Peel Biomass Adsorption in Improving Industrial Wastewater Pollution Indices and Optimizing the Process Using the Response Surface Method

Nasrin Hashemi1, Masoud Honarvar2*, Elaheh Gharah Khani3

1-M.Sc Graduated of Food Science and Technology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

2-Associate Professor, Department of Food Science and Technology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

3-Assistant Professor, Department of Chemistry, Saveh Branch, Islamic Azad University, Saveh, Iran.

Received:30/08/2023 Accepted:09/04/2024

Abstract

Keywords: Water Pollution, Biosorption, Wastewater Treatment, Pomegranate Peel.

* Corresponding Autor: M-honarvar@hotmail.com

E-ISSN: 2676-7155 سایت مجله: https://sanad.iau.ir/journal/jfst

(مقاله پژوهشی)

بررسی کارایی جذب زیستی پوست انار در بهبود شاخص‏ های آلودگی پساب صنعتی و بهینه ‌سازی فرآیند با روش سطح پاسخ

نسرین هاشمی 1، مسعود هنرور2*، الهه قره خانی3

1-دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه علوم و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2-دانشیار، گروه علوم و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

3-استادیار، گروه شیمی، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران.

تاریخ دریافت:08/06/1402 تاریخ پذیرش: 21/01/1403

چکیده

واژههای کلیدی: آلودگی آب، جذب زیستی، تصفیه فاضلاب، پوست انار.

1- مقدمه

آب همواره يكي از منابع راهبردي و حياتي بوده كه توجه زيادي در هر عصري به خود معطوف كرده است. همانطور كه آمارها نشان مي‏دهد حجم آب مصرفي ساليانه در كشور ایران 5/3 ميليارد متر مكعب است كه 50 تا 70% آن به‏صورت پساب به محيط زیست باز مي‏گردد. تخلیه پساب‏های غیر استاندارد صنعتی و استفاده از آنها در کشاورزی و یا تخلیه به آب‏های سطحی، مخاطرات بهداشتی و زیست محیطی زیادی را به دنبال خواهد داشت. به منظور جلوگیری از تهدید بهداشت عمومی، آلوده شدن خاک، ورود آلاینده‏ها به منابع آب و آلودگی محصولات کشاورزی،کنترل کیفی پساب و شناسایی ترکیبات آن به منظور انتخاب روش مناسب تصفیه، اهمیت بسیار زیادی دارد (3). روش‏های مختلفی برای حذف آلاینده‏ها از پساب وجود دارد که در این میان فرآیند جذب سطحی به‌عنوان جایگزینی مناسب نسبت به سایر روش‏های گران ‌قیمت تصفیه پساب شناخته ‌شده است (1). قانعیان و همکاران در مطالعه ای از پودر هسته انار در حذف کروم 6 ظرفیتی از محیط آبی استفاده کردند. نتايج نشان داد كه افزايش جرم جاذب و زمان تماس منجر به افـزايش رانـدمان حـذف و افـزايش pH و غلظت اوليه كروم منجر به كاهش راندمان حذف مي‏گردد. مطابق با نتايج، بهترين راندمان حـذف در pH اسـيدي رخ داده و جذب در زمان 120 دقيقه به تعادل رسيد. در جرم جاذب0.6 g/100 ml،pH=2 و غلظـت 2mg/L كـروم شش ظرفيتي، راندمان حذف برابر با %99/5به دست آمد. نتايج به دست آمده نشان داد كه پودر هسته انار، جاذب طبيعي مناسـبي بـراي حـذف كـروم شـش ظرفيتي مي‏باشد (2) . هادی گل و همکاران(1398) از زغال فعال پوست انار به عنوان جاذب رنگ و فلزات دو و سه ظرفیتی در محیط‏های مایع استفاده کردند که نتایج نشان داد که بیشترین جذب فلزات در شرایط pH=3.5، در زمان 200 دقیقه و غلظت ماده جاذب 2/5 گرم در لیتر روي می‏دهد. در شرایط بهینه، جذب فلزات سنگین سرب، جیوه و آرسنیک نیز مورد ارزیابی قرارگرفت و نتایج نشان داد که جاذب، باعث کاهش 80 درصدي این یون‏ها می‏شود. در مرحله بعد توانایی رنگبري و کاهش فلزات سنگین زغال فعال تولیدي در محیط روغن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد این جاذب توانایی خوبی براي رنگبري و پایداري اکسیداسیون روغن دارد. در رابطه با کاهش فلزات سنگین روغن نیز ماده جاذب تولیدشده از پوست انار عملکرد بهتري نسبت به خاك رنگبر تجاري نشان داد(4). در تحقیقی پتانسیل استفاده از پوست انار را به ‏عنوان یک محلول اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای حذف کروم (VI) از محلول آبی توسط گیری¹ (2021) بررسی شد و ویژگی‏های جذب آن مورد مطالعه قرار گرفت. مواد تهیه شده با استفاده از طیف‌سنجی قرمز تبدیل فوریه ²و میکروسکوپ الکترونی روبشی با آنالیز پراش انرژی پرتو ایکس ³مشخص شد. راندمان حذف پوست انار و تأثیر پارامترهای تجربی بر جذب کروم (VI) از طریق آزمایش‏های پیوسته ارزیابی شد. راندمان حذف آلاینده‏ ها توسط پوست انار به pH محلول کروم(VI) وابسته است و pH=2 بهینه است. علاوه بر این، مشاهده شد که حذف کروم (VI) با افزایش مقدار جاذب، دما، زمان تماس و سرعت همزدن افزایش می‌یابد در حالی که با افزایشpH، غلظت‌های اولیه و قدرت یونی کاهش می‌یابد. ظرفیت حذف عالی (96%) در 6pH=، مقدار 300 میلی گرم جاذب و زمان تماس 30 دقیقه مشاهده شد. سینتیک جذب کروم (VI) به‏خوبی با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم مطابقت داشت و ظرفیت جذب محاسبه‌شده مدل مطابقت خوبی با مقادیر تجربی نشان داد. ایزوترم لانگمویر مکانیسم جذب کروم (VI) را بر روی پوست انار توصیف کرد که نشان‏دهنده جذب تک لایه کروم

[1] - Giri

[2] - Fourier Transform Infrared Spectrometer(FT-IR)

[3] - Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive x-ray Spectroscopy (SEM-EDX)

(VI) با ظرفیت جذب (qmax) معادل 87/20 میلی‏گرم بر گرم است. مطالعات ترمودینامیکی بیشتر جذب خود به خودی و گرماگیر بودن کروم (VI) روی سطح جاذب را نشان داد. یافته‏های این مطالعه نشان می‏دهد که پوست انار می‏تواند به ‏عنوان یک جاذب زیستی کارآمد، سازگار با محیط زیست و کم هزینه برای حذف کروم (VI) از پساب آلوده استفاده شود (13) در مطالعه‏ای توسط بهاتی و همکاران (2015) از زیست توده‏های مختلف کشاورزی ذرت، باگاس نیشکر، چوب پنبه، آفتابگردان و پوسته بادام زمینی در حذف آلاینده‏های پساب کارخانجات نساجی استفاده شد. پارامترهای مختلف مانند مقدار جاذب، سرعت هم زدن و دما بهینه‏سازی شدند. برای حذف رنگ، زیست توده ذرت بهترین جاذب می‏باشد که راندمان حذف آن 79% است. راندمان حذف جاذب‏ها در شرایط 3/0گرم در 500 میلی‏لیتر جاذب، سرعت هم زدن 120 دور بر دقیقه و دمای 300°K، حداکثر می‏باشد. همچنین مطالعات ترمودینامیکی تغییرات انرژی آزاد گیبس¹، آنتالپی²و آنتروپی³ انجام شد که نتایج نشان داد فرآیند زیستی گرمازا است. در حذف رنگ پساب با استفاده از جاذب ذرات در مقدارهای 05/0، 1/0، 15/0، 2/0، 3/0 گرم، راندمان حذف در 3/0 گرم 4/40 درصد بیشترین مقدار است در حالی که در جاذب نیشکر میزان راندمان حذف 4/14 درصد گزارش شده است (7). شرفی نسب و همکاران(2021) حذف نیاز شیمیایی اکسیژن⁴ از فاضلاب کارخانه زیتون را با استفاده از باگاس نیشکر بررسی کردند. یک طرح فاکتوریل از آزمایش‏ها برای به دست آوردن شرایط بهینه برای هر پارامتری که بر فرآیند جذب تأثیر می‎گذارد، استفاده شد. تأثیر غلظت باگاس نیشکر، pH محلول، زمان واکنش، دما و سرعت هم زدن بر درصد حذف اکسیژن خواهی شیمیایی در نظر گرفته شد. راندمان حذف بالای07/55 % حذف نیاز شیمیایی اکسیژن در دمای 60 درجه سانتی‏گراد، مقدار جاذب 10 گرم در لیتر، pH =12 زمان تماس یک ساعت و سرعت هم زدن 80 دور در دقیقه اتفاق افتاد (23). در مطالعه‏ای توسط ربانی و همکاران(2023) ترکیبی از زغال چوب (60 درصد) و خاک آبرفتی (40 درصد) مخلوط با آنزیم لاکاز برای کاهش بار پساب صنعت خمیر و کاغذ استفاده شد. مخلوط جاذب زغال چوب (60%) و خاک آبرفتی (40%) برای جذب اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی⁵، نیاز شیمیایی اکسیژن، رنگ و لیگنین پساب مورد استفاده قرار گرفت. تاثیر pH، دما، غلظت جاذب و زمان جذب بر روی روش حذف مورد مطالعه قرار گرفت. تعادل جذب پس از 50 دقیقه با سرعت هم زدن 500 دور در دقیقه در pH معادل 0/6 در 25 درجه به دست آمد. نتایج نشان داد که نیاز شیمیایی اکسیژن، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی، رنگ و لیگنین به ترتیب 86، 80، 60 و 62 درصد حذف شدند. علاوه بر این، آنزیم لاکاز نیز کاهش این پارامترها را به‏عنوان نیاز شیمیایی اکسیژن 95٪، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی 93% ، رنگ 83% و لیگنین 75٪ افزایش داد. جذب تعادل دسته‏ای تجربی برای نیاز شیمیایی اکسیژن و اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی توسط مدل‏های فروندلیچ و لانگمویر و سینتیک‏ها نیز با شبه مرتبه اول و شبه مرتبه دوم مورد بحث قرار گرفت. نتایج پارامترهای ترمودینامیک تغییرات انرژی آزادگیبس، آنتالپی و آنتروپی نشان داد که فرآیند جذب، گرماگیر و غیر خود به خودی است. در نتیجه، استفاده از آنزیم لاکاز در ترکیب با یک مخلوط جاذب، نتایج امیدوارکننده‏ای را ارائه می‏دهد و قابل اجرا است (20). پوست انار دارای مزیت‏هایی مانند ارزان قیمت و در دسترس بودن، سازگار با محیط زیست، دارای پکتین و پلی‏ساکارید است و به دلیل دارا بودن بار منفی یون‏های مثبت را به خود جذب می‏کند. همچنین تاثیر مثبتی بر روی انواع آلاینده‏ها دارد. بنا به دلایل ذکر شده در این پژوهش از پوست انار به‏عنوان جاذب زیستی استفاده گردید.

[1] 1- Gibbs free Energy Changes(ΔG°)

[2] 2-Standard Enthalpy of Reaction(ΔH°)

[3] 3- Entropy Change(ΔS°)

[4] 4-Chemical Oxygen Demand (COD)

[5]

2- مواد و روش ها

در این پژوهش برای کاهش شاخص ‏های آلودگی فاضلاب از پوست انار به عنوان جاذب زیستی استفاده گردید. مواد مورد استفاده دارای خلوص تجزیه‏ای بوده که این مواد از شرکت مِرک تهیه شده بود. لیست مواد مورد استفاده به شرح ذیل می‏باشد:

سدیم هیدروکسید، اسید سولفوریک غلیظ، سولفات جیوه، سولفات نقره، فتانترولین، سولفات آهن آمونیاکی، پتاسیم هیدروژن فتالات

پوست انار جمع آوری شده از کارخانه کنسانتره‏ گیری میوه‏ جات، شستشو داده شد و پس از خشک شدن به وسیله دسیکاتور(رطوبت 0.019%) با دستگاه آسیاب گلوله‏ای ماهواری شرکت امین آسیا فناور پارس مدل NARYA-MPM-2*250 H آسیاب شد و در شرایط مختلف دما، زمان، pH و جاذب با غلظت 7-1 گرم بر لیتر به پساب اضافه گردید. با روش‏های استاندارد میزان شاخص‏های کدورت، غلظت جامدات معلق¹، سختی کل جامدات محلول، اکسیژنخواهی شیمیایی و اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی قبل و بعد از افزودن جاذب اندازه‏گیری شد.

2-1- تهیه جاذب

پس از تهیه جاذب به صورت پودر، پودر جمع آوری شده چند بار با آب مقطر تا زمان بی رنگ شدن محلول شسته شد و سپس در دمای اتاق خشک گردید. سپس 100 گرم از پوست انار خشک شده با 50 میلی‎لیتر محلول سدیم هیدروکسید 50/0 مولار درون یک بشر در دمای اتاق به مدت یک روز همزده شد تا سطح آن فعال شود(13).

2-2- اندازه‏ گیری اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی

اندازه‌گیری اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی نمونه‏ها به‏ واسطه استفاده از دستگاه اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی متر WTW مدل (BSB-620-T) انجام گرفت. جهت اندازه‏گیری اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی ابتدا نمونه به اندازه‏ای که قابل اندازه‏گيری توسط دستگاه باشد رقيق شد. 164 ميلی ليتر محلول رقيق شده در ظروف مخصوص آزمايش اکسیژن-‏خواهی بیولوژیکی ريخته و سپس دو عدد کریستال سدیم هیدروکسید، در جای مخصوص بالای ظرف قرار داده شد. نشانگر، روی عدد صفر تنظیم گردید. دستگاه را به مدت 5 دقيقه روشن کرده در حالی که اتصالات شل هستند. پس از سپری شدن زمان، اتصالات، محکم شده و درپوش دستگاه گذاشته شد. بعد از 5 روز، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی يادداشت گردید (21).

2-3- اندازه‏ گیری اکسیژن خواهی شیمیایی

جهت اندازه‏گیری اکسیژن خواهی شیمیایی، لوله‏های شیشه‏ای و سرپوش‏ها پیش از استفاده با اسید سولفوریک 20% شستشو داده تا از آلودگی جلوگیری شود. جهت دقت بیشتر، از وسایل حجمی اندازه‏گیری با کلاس A استفاده گردید. نمونه در لوله شیشه‏ای ریخته و محلول هاضم به آن اضافه گردید. با دقت، محلول اسیدسولفوریک داخل لوله اضافه شد به‏ طوری که لایه اسید در زیر محلول هاضم نمونه تشکیل گردید. لوله‏ها در محفظه هضم دستگاه Photometer مدل AL100 که از قبل تا 150 درجه گرم شده است قرار داده و برای 2 ساعت فرآیند هضم انجام شد. 05/0 تا 1/0 میلی لیتر (1 تا 2 قطره) شناساگر فروئین به محلول اضافه نموده و همراه با هم زدن به‏وسیله یک همزن مغناطیسی تیتراسیون با محلول سولفات آهن آمونیاکی استاندارد FAS 1/0 مولار انجام گردید. به روش مشابه یک محلول شاهد که دارای حجمی از آب مقطر به اندازه حجم نمونه است و تمام واکنشگرها به آن اضافه شده‏اند هضم و تیتر گردید (21).

(1)

COD as mg O2/L=

[1] 1- Total Suspended Solids

A: حجم FAS مصرفی برای شاهد

B: حجم FAS مصرفی برای نمونه

M: مولاریته FAS

8000= میلی اکی‏والان اکسیژن×1000 میلی لیتر بر لیتر

2-4- اندازه ‏گیری کل جامدات محلول

برای اندازه‏ گيری کل مواد محلول به مدت يک ساعت، ظرف تبخير (Plate)در آون در درجه حرارت 2± 180درجه سانتی‏گراد خشک گردید و در دسيکاتور قرار داده شد. سپس وزن یادداشت شد. حجم نمونه برای تعيين کل جامدات محلول به صورتی انتخاب شد که بين 10 تا 200 ميلی‏گرم باقی ‏مانده خشک حاصل گردد. نمونه بعد از اختلاط کامل، صاف و سه مرتبه با آب مقطر شست و شو داده شد. سپس زمان داده تا هر بار شستن تکمیل گردد و در نهایت سه دقيقه بعد از تکمیل فيلتراسيون، مجدد زمان داده شد. محلول صاف شده وارد ظرف خشک شده و بر روی حمام بخار خشک قرار داده شد. سپس ظرف تبخير(Plate) حداقل يک ساعت در آون در درجه حرارت 2±180درجه سانتی‏گراد قرار داده و در دسيکاتور گذاشته شد تا دما ثابت گردد و وزن یادداشت گردید (21).

(2)

TSS( ) =

=A وزن ظرف و مواد معلق

B = وزن ظرف

V =حجم نمونه (ميلی ليتر(

2-5- اندازه‏ گیری کل مواد جامد معلق¹

ابتدا کاغذ صافی در آون با دمای 105-103 درجه سانتی ‏گراد خشک شد و برای رسیدن به وزن ثابت، داخل دسیکاتور گذاشته شد. نمونه را از کاغذ صافی عبور داده سپس کاغذ صافی حاوی مواد معلق به مدت يک ساعت در آون با دمای 105-103 درجه سانتی‏گراد قرار داده شد تا خشک شود. پس از قرار دادن نمونه در دسيکاتور و ثابت شدن دما، وزن کاغذ صافی و رسوب یادداشت گردید (21).

(3)

TSS( ) =

=Aوزن کاغذ صافی و مواد معلق

B= وزن کاغذ صافی

V= حجم نمونه (ميلی ليتر(

2-6- اندازه‏ گیری کدورت

جهت تعيين ميزان کدورت پساب از دستگاه 20 spectronic به همراه سل‏ های استاندارد استفاده گردید. به این منظور، سل دستگاه کدورت ‏سنج با آب مقطر شسته، 1 يا 2 بار نمونه مورد نظر که از قبل به شدت مخلوط شده بود تا خط نشانه درون سل ريخته شد و اطراف سل خشک گردید. همين کار ابتدا با آب مقطر درون يک سل تميز برای کاليبره کردن دستگاه انجام شد. سل حاوی آب مقطر درون دستگاه قرار داده شد. سپس دستگاه روی طول موج 450 نانومتر تنظیم گردید و ميزان کدورت پس از گذشت 15 ثانيه یادداشت شد. سپس همين کار بعد از کاليبره شدن دستگاه با نمونه انجام گردید(21).

2-7- اندازه‏گیری pH

تنظيم دستگاه با استفاده از محلول‏ های تامپون، معمولا 4، 7 و 9 صورت گرفت. سپس pH محلول مورد آزمایش با قرار دادن الکترودها درون محلول به صورت یک عدد که بر روی صفحه pH سنج مشخص شد، یادداشت گردید(21).

[1] 1-Total Suspended Solids(TSS)

2-8- تجزیه و تحلیل آماری

‌جهت طراحی آزمایش و بررسی نتایج، از نرم ‌افزار دیزاین اکسپرت نسخه 13 (DESIGN EXPERT 13/0 USA) استفاده گردید. روش سطح پاسخ (RSM) یک تکنیک ریاضی و آماری برای طراحی آزمایش‌ها است. هدف از طراحی آزمایش بهینه‏سازی پاسخی است که تحت تأثیر چندین متغیر مستقل است و اینکه کدام یک از متغیرها اثر بیشتری بر پاسخ خواهند داشت. بسیاری از محققان از روش‌ سطح پاسخ برای بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند استفاده کرده‌اند و یک معادله رگرسیون را برای پیش‌بینی پاسخ توسعه داده‌اند که به صورت معادله زیر ارائه می‌گردد(8):

که در آن S پاسخ ، a0 میانگین پاسخ ها است . ai، aii و aij ضرایب پاسخ هستند. عبارت‏های دوم، سوم و چهارم به ترتیب بیانگر اثر خطی، مرتبه بالاتر و اثر متقابل می‏باشد.

3- نتایج و بحث

3-1- طراحی آزمایش

پارامتر	نماد	واحد	سطوح پارامترهای مستقل
پارامتر	نماد	واحد	( 2-)	1-	0	1+	( 2+)
pH	A	-	4	5	6	7	8
زمان	B	min	20	40	60	80	100
دما	C	°C	20	5/27	35	5/42	50
غلظت	D	g/lit	1	5/2	4	5/5	7

در این پژوهش از طراحی مرکب مرکزی (¹CCD)، برای مطالعه تاثیر متغیرهای pH، دما، زمان و غلظت مورد استفاده قرار گرفت.

[1] 1-Central Composite Designs

طراحی آزمایش در نرم افزار دیزاین اکسپرت به روش سطح پاسخ به صورت کامل تصادفی و در سه تکرار انجام شد. جهت بررسی آنالیز واریانس از روش تحلیل آماری ANOVA طرح فاکتوریل استفاده شد.

3-2- بررسی آناليز واريانس نتایج به دست آمده برای هر پاسخ

با توجه به جدول 1 تا 5 و مدل فاکتوریل، مقادیر p-value کمتر از 05/0 نشان‏دهنده معنی‌دار بودن مدل و سطح اثرگذاری پارامترهایی است که از این قانون تبعیت می‌کنند. اگر اثرهای بی‌اهمیت زیادی وجود داشته باشد که از این قاعده تبعیت نکند، حذف آن‌ها ممکن است مدل را بهبود بخشد. اما در این حالت نیاز به حذف این برهمکنش نمی‌باشد، زیرا مقدار و تعداد آن اندک است. همچنین با توجه به معنی‏دار بودن مدل می‌توان نتیجه گرفت که سیستم از کفایت کافی برخوردار است. همچنین مقادیر بالای F-value برای هر پارامتر و یا برهمکنش متغیرها، نشان از اثرگذاری بیشتر آن متغیر یا برهمکنش بر پاسخ می‌باشد. از دیگر مواردی که می ‌توان اثبات کرد که مدل دارای برازش مناسبی است، شاخص‌ ضریب همبستگی است (R2) که هر چقدر به 1 نزدیکتر باشند، مدل از برازش رگرسیونی مناسب ‌تری برخوردار می ‌باشد. از همین جهت ضریب همبستگی برای اکسیژن‏ خواهی شیمیایی، اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی، کل جامدات محلول، کل مواد جامد معلق و کدورت به ‌ترتیب برابر با 9907/0، 9885/0، 9987/0، 9978/0 و 9890/0 بود که نشان از برازش بسیار مناسب نتایج و مدل‌ های پیشنهادی است.

جدول 2- نتایج تجزیه واریانس پاسخ ‏ها

	اکسیژن خواهی شیمیایی		اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی		کل جامدات محلول		کل مواد جامد معلق		کدورت
Source	Mean squar	p-value	Mean squar	p-value	Mean squar	p-value	Mean squar	p-value	Mean squar	p-value
Model	5.239E+06	< 0.0001	1.104E+06	< 0.0001	1950.37	< 0.0001	18571.18	< 0.0001	94.32	< 0.0001
A-pH	2.047E+07	< 0.0001	4.315E+06	< 0.0001	21360.67	< 0.0001	1.470E+05	< 0.0001	0.4788	0.1034
B-Time	22570.67	0.1031	3915.79	0.1798	42.67	0.0006	42.67	0.3121	3.38	0.0001
C-Temperature	2.185E+05	< 0.0001	42117.88	0.0001	704.17	< 0.0001	1700.17	< 0.0001	1.72	0.0037
D-NPs Dosage	2.468E+05	< 0.0001	55261.45	< 0.0001	2562.67	< 0.0001	58806.00		371.70	< 0.0001
Residual	7884.69		2056.48		2.32		39.00
Lack of Fit	9103.52	0.1115	2402.49	0.0813	2.74	0.2540	48.35	0.1752		0.8605
Pure Error	3009.37		672.43		1.47		20.30

3-3- بررسی و آنالیز نتایج نمودارهای احتمال

نمودار احتمال نرمال یک تکنیک گرافیکی برای ارزیابی توزیع معمول داده‏ ها می ‏باشد(8). داده ‌ها در برابر توزیع نرمال تئوری به گونه ‌ای رسم می ‌شوند که نقاط باید یک خط مستقیم تقریبی را تشکیل دهند که نتایج پژوهش از این قاعده تبعیت می ‌نمایند و تأیید می‌ کنند که خطاها به طور نرمال با ثابت میانگین و واریانس صفر اما نامشخص توزیع شده‌ اند (شکل1) (19)، همچنین انحراف از این خط مستقیم نشان- دهنده خروج از حالت نرمال است.

شکل 1- نمودارهای احتمال نرمال از نتایج بررسی شده در پژوهش

شکل 2 نشان می‌دهد که نتایج پیش‌بینی شده توسط مدل با نتایج تجربی (واقعی) همبستگی مناسبی دارند؛ همچنین رفتار خطی نقاط نیز نشان‏دهنده تطابق کافی بین داده‌های واقعی و به دست آمده است(22). همان طور که مشخص است، باقی مانده‌های حداقل مربعات ابزار مهمی برای بررسی کفایت مدل‏ها هستند. در این شکل‌ها، توزیع تصادفی نقاط بالا و پایین محور x بین 3+ و 3- بدون هیچ روند خاصی قابل مشاهده است. شکل (3) نیز ثابت می‌کند که مقادیر باقیمانده نسبت به هر آزمایش از الگوی قابل پیش‌بینی تبعیت نمی‌کنند(19).

شکل 2- نمودار مقادیر پیش ‌بینی شده نسبت به مقادیر تجربی (واقعی)

شکل 3- نمودار مقادیر باقیمانده‌ ها نسبت به مقادیر پیش ‌بینی شده

شکل 4- نمودار باقیمانده ‌ها نسبت به هر پاسخ

3-4- تاثیر متغیر ها بر میزان اکسیژن خواهی شیمیایی

با توجه به این که کاهش میزان اکسیژن خواهی شیمیایی از اهداف این پروژه است، بنابراین در شکل ‌های 5، 6 و 7 بخش‌ های آبی رنگ نمودارها مورد بحث و بررسی نتایج است. آنچه در این شکل ‌ها بیش از هر چیزی جلب توجه می‌ نماید، اثر بسیار زیاد افزایش pH بر افزایش درصد اکسیژن خواهی شیمیایی می ‌باشد که اثر قابل ملاحظه ای داشت. در pH=4، افزایش زمان (شکل 5)، دما (شکل 6) و پودر جاذب (شکل7)، سبب کاهش چشمگیر درصد اکسیژن خواهی شیمیایی شدند. همچنین در بر همکنش زمان با دما (شکل 8) و مقدار پودر جاذب (شکل 9)، در همه دما ها با افزایش دما و میزان پودر جاذب، درصد اکسیژن خواهی شیمیایی نیز کاهش یافت. در بر همکنش میان مقدار پودر جاذب و دما (شکل 10)، با افزایش همزمان دما و میزان پودر جاذب،

درصد اکسیژن خواهی شیمیایی نیز بسیار کاهش می ‌باید، به‏ گونه‌ ای که در NPS=7g/lit و دمای 50 درجه سانتی ‌گراد، کمترین میزان اکسیژن خواهی شیمیایی در دسترس است. زیاد¹ و همکارانش نیز در سال 2019 با بررسی جاذب کربن فعال اصلاح‏شده با نانوذرات Fe3o4 دریافتند که افزایش مقدار جاذب، به دلیل افزایش سطح تماس و وجود سایت‏های بیشتر، افزایش راندمان حذف اکسیژن‏ خواهی شیمیایی و اکسیژن‏

شکل 5- بر همکنش زمان-pH بر حذف اکسیژن‏ خواهی شیمیایی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 6- بر همکنش دما-pH بر حذف اکسیژن خواهی شیمیایی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 7- بر همکنش میزان پودر جاذب-pH بر حذف اکسیژن خواهی شیمیایی به صورت سه بعدی و دو بعدی

خواهی بیولوژیکی را در پی دارد (17). افزایش دما، تاثیر مثبتی بر فرآیند حذف داشت و سبب افزایش حذف اکسیژن- ‏خواهی شیمیایی و اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی شد. این اثر را می‌توان به‌دلیل تحرک بیشتر آلاینده‌ها و در نتیجه تماس بیشتر با سطح جاذب دانست که در مطالعه انجام شده توسط قاسمی و همکارانش در سال 2018 نیز گزارش شده است و جاذب مگنیت اکسید آهن/کربن فعال، افزایش راندمان حذف را با افزایش دما (تا محدوده مشخصی) نشان داد (12).

[1] 1- Xiaoduo

شکل 8- بر همکنش دما-زمان بر حذف اکسیژن خواهی شیمیایی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 9- بر همکنش میزان پودر جاذب-زمان بر حذف اکسیژن خواهی شیمیایی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 10- بر همکنش میزان پودر جاذب-دما بر حذف اکسیژن خواهی شیمیایی به صورت سه بعدی و دو بعدی

3-5- تاثیر متغیر ها بر میزان اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی

با توجه به اینکه هدف از این پژوهش کاهش میزان اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی بود، بنابراین در شکل ‌های 11، 12 و 13 بخش‌ های آبی رنگ نمودارها مورد تحلیل و بررسی نتایج قرار داده شد. آن چه در این شکل‌ ها بیش از هر چیزی جلب توجه می ‌نماید، اثر بسیار زیاد کاهش pH بر کاهش درصد اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی می‌ باشد. به‏ گونه‌ ای که در pH=4، افزایش زمان (شکل 11)، دما (شکل 12) و پودر جاذب (شکل 13)، سبب کاهش چشمگیر درصد اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی شد (البته روند افزایش زمان بر کاهش درصد اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی تقریبا یکسان می ‌باشد). همچنین در بر همکنش زمان با دما (شکل 14) و مقدار پودر جاذب (شکل 15)، در همه دما ها با افزایش دما و میزان پودر جاذب، درصد اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی نیز کاهش یافت؛ به ‏صورتی که در بالاترین مقدار از هر متغیر، کم ترین درصد اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی مشهود بود. در بر همکنش میان مقدار پودر جاذب و دما (شکل 16)، با افزایش همزمان دما و میزان پودر جاذب، درصد اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی نیز به شدت کاهش یافت، به‏ گونه ‌ای که در NPS=7g/lit و دمای 50 درجه سانتی گراد، کمترین میزان اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی مشاهده شد و بیانگر اثر مستقیم این دو پارامتر بر یکدیگر می ‌باشد. همانطور که مشاهده می شود بیشترین میزان حذف اکسیژن خواهی شیمیایی، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی در pH=4 اتفاق افتاد و با افزایش بیشتر pH درصد جذب کاهش یافت. در حقیقت می‌توان این‏گونه تفسیر کرد که به دلیل قلیایی بودن محیط و سطح مثبت جاذب، جذب سطحی کم است و زمانی که pH پساب کاهش می‌یابد؛ جاذبه الکتروستاتیک بین جاذب و آلاینده‌های موجود در پساب به وجود میآید و حذف اکسیژن خواهی شیمیایی واکسیژن‏خواهی بیولوژیکی بالاتری مشاهده می‌شود (14). جذب با افزایش زمان افزایش یافت. در ابتدا جذب سریع بود و با گذشت زمان آهسته‏تر شد تا زمانی که جاذب، اشباع شود. از این لحظه به بعد با افزایش زمان تماس، تغییر قابل ملاحظه‌ای در ظرفیت جذب جاذب پدید نمی‌آید و در واقع شرایط تعادل برقرار می‌شود. برای توجیه این روند می‌توان این‏گونه اظهار نمود که در مراحل اولیه، تعداد زیادی از سایت‌های سطحی برای جذب در دسترس هستند اما با گذشت زمان، سایت‌های جذبی باقیمانده به دلیل دافعه بین مولکول‌های حل شونده و فاز جامد به سختی اشغال می‌شود. در این حالت جذب آلاینده از سایت‌های سطحی به سایت‌های درونی جاذب نفوذ می‌کند(20). این نتایج در مطالعات بسیاری مانند استوار و همکاران (2019) مشاهده و مورد تایید قرار گرفته است و افزایش زمان تماس، به عنوان عاملی مثبت در جهت افزایش راندمان حذف با افزایش برخورد آلاینده و جاذب تعیین شده است (18). داس و همکاران (2014) تأثیر زمان بر جذب یون‏های سرب (II) توسط خاک آبرفتی را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که میزان حذف در ابتدا سریع بوده و سپس به تدریج با گذشت زمان کاهش یافت تا زمانی که به تعادل رسید و افزایش قابل توجهی در حذف مشاهده نشد. افزایش مقدار جاذب، به دلیل افزایش مساحت سطح و در دسترس بودن سایتهای جذبی، حذف اکسیژن‏ خواهی شیمیایی واکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی را افزایش داده است. اما با افزایش بیشتر مقدار جاذب، جذب آلاینده تقریباً ثابت میماند. برخلاف آن، ظرفیت جذب جاذب با افزایش مقدار جاذب،کاهش چشمگیری پیدا میکند که به این دلیل است که با افزایش مقدار جاذب تعدادی از سایتهای جذبی در طول فرآیند جذب، غیر اشباع باقی میمانند (10). شیائودو و همکاران (2019) با بررسی جاذب کربن فعال اصلاح‏شده با نانوذرات Fe3o4 دریافتند که افزایش مقدار جاذب، به دلیل افزایش سطح تماس و وجود سایت‏های بیشتر، افزایش راندمان حذف را در پی دارد (17). افزایش دما، تاثیر مثبتی بر فرآیند حذف داشت و سبب افزایش حذف اکسیژن‏خواهی شیمیایی و اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی شد. این اثر را می‌توان به‌دلیل تحرک بیشتر آلاینده‌ها و در نتیجه تماس بیشتر با سطح جاذب دانست که در مطالعه انجام شده توسط قاسمی و همکاران (2018) نیز به تأیید رسید و جاذب مگنیت اکسید آهن/کربن فعال، افزایش راندمان حذف با افزایش دما (تا محدوده مشخصی) را نشان داد (12).

شکل 11- بر همکنش زمان-pH بر حذف اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 12- بر همکنش دما-pH بر حذف اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 13- بر همکنش میزان پودر جاذب-pH بر حذف اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 14- بر همکنش دما-زمان بر حذف اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 15- بر همکنش میزان پودر جاذب-زمان بر حذف اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 16- بر همکنش میزان پودر جاذب-دما بر حذف اکسیژن ‏خواهی بیولوژیکی به صورت سه بعدی و دو بعدی

3-6- تاثیر متغیر ها بر میزان کل جامدات محلول

در این بخش نیز، هدف پژوهش، دسترسی به کم ترین میزان کل جامدات محلول بود. بنابراین هر عاملی که سبب افزایش این پارامتر گردد از مطلوبیت کمتری برخوردار است. در بر همکنش‌ های میان pH با زمان (شکل 17) و دما (شکل 18)، با کاهش pH و افزایش زمان و دما، درصد کل جامدات محلول به پایین ‏ترین حد ممکن رسید تا آنجایی که میزان کل جامدات محلول در pH=4، زمان 100 دقیقه و دمای 50 درجه سانتی‏ گراد، کم ترین حد ممکن بود. کاهش pH در برهمکنش با مقدار پودر جاذب نیز تاثیر بسیار زیادی دارد، به‏ گونه‌ ای که با کاهش همزمان pH و مقدار پودر جاذب، روند نزولی کل جامدات محلول شدت گرفته و بیانگر اثر مستقیم این دو پارامتر بر یکدیگر است (شکل 20). از بر همکنش‌ های زمان با دما و میزان پودر جاذب مشخص است که عکس یکدیگر عمل می‌ کنند، بدین صورت که افزایش زمان و دما باعث کاهش کل جامدات محلول، اما افزایش میزان پودر جاذب باعث افزایش کل جامدات محلول شد (شکل20). همچنین (شکل 22)، بر همکنش و اثر مستقیم و قابل تأمل دما بر میزان پودر جاذب برای کاهش کل جامدات محلول را نشان می‏ دهد. همان طور که مشاهده می‏ شود در (g/lit) 1=NPs با افزایش دما از 20 تا 50 درجه سانتی‌ گراد، کاهش مقدار کل جامدات محلول شدیداً نزولی می ‌باشد که این مهم، بیانگر اثر بسیار زیاد دما بر کاهش کل جامدات محلول در حضور پودر جاذب است. جات بلوچ و همکاران (2019) در مطالعه ‏ای تاثیر پوست موز، پرتقال و ساپوریلا بر پساب صنعتی را بررسی کردند که نتایج نشان داد راندمان حذف کل جامدات محلول با کاهش دزاج جاذب افزایش می ‏یابد که این نتیجه منطبق با نتایج حاصل از این پژوهش می ‏باشد (6). ابراهیم خلیل و همکاران (2021) در مطالعه ‏ای تاثیر جاذب ‏های پوست انار، هسته خرما و نانو ذره نقره بر پساب کارواش را بررسی کردند که نتایج نشان داد بعد از نانو ذره نقره، پوست انار باعث افزایش کل جامدات محلول شد(16).

شکل 17- بر همکنش زمان-pH بر حذف کل جامدات محلول به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 18- بر همکنش دما-pH بر حذف کل جامدات محلول به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 19- بر همکنش میزان پودر جاذب-pH بر حذف کل جامدات محلول به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 20- بر همکنش دما-زمان بر حذف کل جامدات محلول به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 21- بر همکنش میزان پودر جاذب-زمان بر حذف کل جامدات محلول به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 22- بر همکنش میزان پودر جاذب-دما بر حذف کل جامدات محلول به صورت سه بعدی و دو بعدی

3-7- تاثیر متغیر ها بر میزان کل مواد جامد معلق

در بررسی کاهش میزان کل مواد جامد معلق، از اثر بر همکنش متغیر pH با زمان، دما و دوز پودر جاذب مشخص است بهترین بازه pH برای کاهش کل مواد جامد معلق، بین 5-4 می ‏باشد که در pH=5، افزایش زمان از 100-20 (دقیقه( موجب کاهش کل مواد جامد معلق شد (شکل 23). همین روند در خصوص بر همکنش pH-دما نیز صادق است، با این تفاوت که در بازه دمایی 35-5/27 (درجه سانتی‌ گراد)، میزان کل مواد جامد معلق حداقل بود (شکل 24). در بر همکنش pH با میزان پودر جاذب (شکل 25)، با افزایش همزمان پارامترهای مذکور ابتدا روندی نزولی و سپس صعودی داشت که در pH=4-5.5و (g/lit) NPS=4، میزان کل مواد جامد معلق به حداقل می ‌رسد. در بر همکنش زمان با دما و میزان پودر جاذب، در بازه دمایی 60-50 (درجه سانتی‌گراد)، افزایش دما و کاهش میزان پودر جاذب (شکل 28) سبب کاهش کل مواد جامد معلق می ‌گردد. اثر بر همکنش دما با پودر جاذب، بیانگر این است که کاهش پودر جاذب و افزایش دما، سبب کاهش کل مواد جامد معلق می ‌شود (شکل28). جات بلوچ و همکاران(2019) در مطالعه ‏ای تاثیر پوست موز، پرتقال و ساپوریلا بر پساب صنعتی را بررسی و گزارش کردند راند مان حذف کل مواد جامد معلق با کاهش دزاج جاذب افزایش می‏ یابد که این نتیجه منطبق با نتایج حاصل از این پژوهش می ‏باشد(6). ابراهیم خلیل و همکاران (2021) در مطالعه ‏ای تاثیر جاذب ‏های پوست انار، هسته خرما و نانو ذره نقره بر پساب کارواش را بررسی کردند که نتایج نشان داد پس از نانو ذره نقره، در پوست انار با افزایش دزاج جاذب، افزایش کل مواد جامد معلق مشاهده شد(16).

شکل 23- بر همکنش زمان-pH بر حذف کل مواد جامد معلق به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 24- بر همکنش دما-pH بر حذف کل مواد جامد معلق به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 25- بر همکنش میزان پودر جاذب-pH بر حذف کل مواد جامد معلق به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 26- بر همکنش دما-زمان بر حذف کل مواد جامد معلق به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 27- بر همکنش میزان پودر جاذب-زمان بر حذف کل مواد جامد معلق به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 28- بر همکنش میزان پودر جاذب-دما بر حذف کل مواد جامد معلق به صورت سه بعدی و دو بعدی

3-8- تاثیر متغیر ها بر میزان کدورت

در این بخش نیز همانند چهار پاسخ گذشته، هدف پژوهش، دستیابی به کمترین مقدار کدورت می ‌باشد. در همین خصوص بر همکنش‌ متغیر ها مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت که مشخص گردید کاهش pH و زمان، بر کاهش کدورت اثر مستقیم دارد و روند آن به شدت نزولی است (شکل 29). اثر pH و دما بر کاهش کدورت این ‏گونه استنباط می ‌شود که کاهش pH و افزایش دما سبب کاهش میزان کدورت می ‏گردد(شکل30). در بر همکنش pH با پودر جاذب، کاهش پودر جاذب در تمامی pH ها سبب کاهش کدورت می ‌گردد و هنگامی که پودر جاذب و pH در حداقل میزان ممکن باشند، میزان کدورت نیز به حداقل می‌ رسد (شکل 31). اثر کاهش زمان و افزایش دما نیز سبب

کاهش کدورت می ‌شود و اثر کاهش زمان نسبت به دما بیشتر بود (شکل32). روند و تحلیل بر همکنش میان زمان و پودر جاذب، مانند شکل 33 می ‌باشد. در نهایت بر همکنش دما با میزان پودر جاذب بر کاهش کدورت نشان می ‌دهد در حداقل مقدار ممکن از پودر جاذب، با افزایش دما از 20 تا 50 درجه سانتی ‌گراد، کدورت به حداقل می ‌رسد (شکل34). ابراهیم خلیل و همکاران (2021) در مطالعه ‏ای تاثیر جاذب ‏های پوست انار، هسته خرما و نانو ذره نقره را بر پساب کارواش، بررسی و گزارش کردند. پس از نانو ذره نقره، پوست انار بیشترین میزان حذف را دارد که با کاهش کدورت همراه است. اما در این پژوهش به دلیل شرایط آزمایشگاهی و عدم فیلتراسیون کامل، افزایش کدورت مشاهده شد(16).

شکل 29- بر همکنش زمان-pH بر حذف کدورت به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 30- بر همکنش دما-pH بر حذف کدورت به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 31- بر همکنش میزان پودر جاذب-pH بر حذف کدورت به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 32- بر همکنش دما-زمان بر حذف کدورت به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 33- بر همکنش میزان پودر جاذب-زمان بر حذف کدورت به صورت سه بعدی و دو بعدی

شکل 34- بر همکنش میزان پودر جاذب-دما بر حذف کدورت به صورت سه بعدی و دو بعدی

3-9- بهینه ‌یابی نتایج (بهینه ‏سازی)

هدف این بخش یافتن مقادیر بهینه از متغیرهای pH، زمان، دما و مقدار پودر جاذب برای دستیابی به کمترین مقدار اکسیژن خواهی شیمیایی، اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی، کل جامدات محلول، کل مواد جامد معلق و کدورت می ‌باشد. بنابراین همین اهداف با توجه به بازه اثرگذاری هر متغیر که در بخش تحلیل ‌های نمودارهای سه بعدی و دو بعدی مشخص گردید برای نرم‌ افزار تعریف شد (جدول 3).

جدول 3- بازه ‌ها و اهمیت هر پارامتر جهت بهینه ‏یابی

متغیرها	هدف	حد پایین	حد بالا	اهمیت
pH	minimize	4	7	3
Time	is in range	40	80	3
Temperature	minimize	27/5	42/5	3
NPs Dosage	is in range	2/5	5/5	3
پاسخ‌ها	هدف	حد پایین	حد بالا	اهمیت
اکسیژن خواهی شیمیایی	minimize	543	4050	5
اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی	minimize	245/2	1871	5
کل جامدات محلول	minimize	148	268	5
کل مواد جامد معلق	minimize	615	947	5
کدورت	minimize	12/12	27/1	5

مطابق با اهدافی که برای هر فاکتور و پاسخ در نظر گرفته می‌شود، نرم‌افزار یک نمودار گرافیکی از آن‌ها و یک جدول بهینه ارائه می‌دهد (جدول 5). ضریب مطلوبیت برای رسیدن به اهداف با توجه به مقادیر بهینه هر متغیر 5/88 درصد بود که برای دستیابی به اهداف مناسب است. طبق شرایط بهینه در جدول 4 که توسط نرم‌افزار تعریف شده است، آزمایش‌ها تکرار شدند که نتایج تجربی آزمایش‌ها برای اکسیژن خواهی شیمیایی، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی، کل جامدات محلول، کل مواد جامد معلق و کدورت به‌ ترتیب برابر با 42/2%، 85/%0، 72/3%، 55/1 %و 5 % بود (جدول5). این امر بیانگر تشخیص صحیح نرم‌افزار جهت بهینه‏یابی نتایج می‌باشد.

جدول5- نتایج بهینه‏ یابی توسط نرم‌ افزار دیزاین اکسپرت و نتایج تجربی حاصل از بهینه‏ یابی

شماره

زمان

دما

مقدار پودر جاذب

اکسیژن خواهی شیمیایی

اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی

کل جامدات محلول

کل مواد جامد معلق

کدورت

مطلوبیت

54/8

27/5

3/7

555/51

250/11

145/2

644/81

18/38

0/886

54/8

27/5

3/7

542

248

140

635

17/5

4- نتیجه‏ گیری

این مطالعه با هدف ارزیابی تأثیر پوست انار به‏عنوان یک جاذب ارزان با دسترسی بسیار آسان در کاهش اکسیژن‏خواهی شیمیایی، اکسیژن‏خواهی بیولوژیکی، کل جامدات محلول، کل مواد جامد معلق و کدورت از پساب‌ صنعتی انجام شد. نتایج نشان داد پوست انار به‏عنوان یک زیست توده طبیعی با فرآیند جذب کارآمد،کم هزینه و سازگار با محیط زیست است. نتایج نشان می‏دهد که کاهش pH موجب کاهش اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی شد و افزایش زمان، دما و مقدار پودر جاذب موجب کاهش اکسیژن‏ خواهی شیمیایی و اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی و افزایش pH موجب افزایش اکسیژن خواهی شیمیایی شد. همچنین کاهش pH، افزایش زمان و دما موجب کاهش کل جامدات محلول و با کاهش pH و زمان و افزایش دما موجب کاهش کدورت گردید.

با افزودن جاذب به پساب، میزان کل جامدات محلول و کل مواد جامد معلق نیز افزایش یافت که به علت ذرات نامحلول جاذب در پساب می‌باشد. همچنین افزودن جاذب به محلول سبب افزایش کدورت شد. ضمنا افزایش جاذب به میزان (g/lit) 7، موجب کاهش اکسیژن‏خواهی شیمیایی و اکسیژن‏ خواهی بیولوژیکی شد.

5- سپاسگزاری

مقاله حاضر نتایج طرح تحقیقاتی بوده است که در دانشگاه علوم و تحقیقات تهران در سال1402 به تصویب رسیده است. لذا نویسندگان این مقاله از معاونت محترم پژوهشی دانشگاه در این طرح، کمال تشکر را دارند.

6- منابع

1. توکلی محدثه. ارزیابی جاذب‌های طبیعی در تصفیه آب و فاضلاب. پژوهش و فناوری محیط زیست. 1399؛ 5(7): 54- 39doi: https://doi.org/10.29252/.5.7 .

2. قانعیان محمد تقی، جمشیدی بهزاد، امرالهی محسن، دهواری محبوبه، تقوی محمود. کاربرد فرآيند جذب زيستي توسط پودر هسته انار در حذف كروم شش ظرفيتي

از محيط آبي. مجله علوم پزشکی دانشگاه سمنان (کومش).1392؛ 15(2): 211-206.

3. معزی پور بیتا، احمدی محمد، معزی پورآیدا، عبدالخانی علی. بررسی کیفیت و میزان آلودگی حاصل از فرایند بازیافت ضایعات ام دی اف. فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست. 1398؛ 21(9): 170-161.

4. نرگس هادی گل، فهیم دانش مریم، حسینی سپیده. بررسی پتانسیل زغال فعال تولیدی از پوست انار به عنوان جاذب رنگ و فلزات دو و سه ظرفیتی در محیط های مایع. نشریه پژوهشهای علوم و صنایع غذایی ایران. 1398؛ 15(2):380-363. doi:https://doi.org/10.22067/ifstrj.v15i4.68925

5. Abbasi Z, Alikarami M, Homafar A. Adsorption study on pomegranate peel: removal of Ni 2+ from aqueous solution and Co2+. Inorganic Chemistry. 2009; 3:3-6

6. Baloch M, Mangi S. Treatment of Synthetic Greywater by Using Banana, Orange and Sapodilla Peels as a Low Cost Activated Carbon. Journal of Materials and Environmental Sciences. 2019; 10(10) :966-986

7. Bhatti H, Sadaf S, Aleem A. Treatment of textile effluents by low cost agricultural wastes: Batch biosorption study. J. Anim. Plant Sci. 2015; 25: 284-289

8. Chelladurai SJS, Murugan K, Ray AP, Upadhyaya M, Narasimhataj V, Gnanasekaran S. Optimization of process parameters using response surface methodology: A review. Materials Today: Proceedings. 2021; 37: 1301-1304.

doi: https://doi.org/10.30498/ijb.2023.330285.3288

9. Erabee I, Ahsan A, Jose B, Aziz MMA, Ng A, Idrus S. Adsorptive treatment of landfill leachate using activated carbon modified with three different methods. KSCE Journal of Civil Engineering. 2018; 22(4): 1083-1095. doi: https://doi.org/10.1007/s12205-017-1430-z

10. Esdaki Z, Ansari R, Ostovar F. Removal of Nickel (II) ions from aqueous solutions using Iron (III) oxide nanoparticles: study of kinetic, isotherm and thermodynamic models. Iranian Journal of Health and Environment. 2019; 12(3): 383-396

11. Fan S, Pei S, Shen T, Xu G, Li Y, Fan W. Fabrication of Superhydrophobic Magnetic Sawdust as Effective and Recyclable Oil Sorbents. Materials. 2019; 12(20): 3432. doi: https://doi.org/10.3390/mal2203432

12. Ghasemi M, Mashhadi S, Azimi-Amin J. Fe3O4/AC nanocomposite as a novel nano adsorbent for effective removal of cationic dye: Process optimization based on Taguchi design method, kinetics, equilibrium and thermodynamics. Journal of Water and Environmental Nanotechnology. 2018; 3(4): 321-336. doi: https://doi.org/10.22090/jwent.2018.04.005

13. Giri R, Kumari N, Behera M, Sharma A, Kumar S, Kumar N. Adsorption of hexavalent chromium from aqueous solution using pomegranate peel as low-cost biosorbent. Environmental Sustainability. 2021; 4: 401-417. doi: https://doi.org/10.1007/s42398-021-00192-8

14. Guo R, Meng Q, Zhang H, Zhang X, Li B, Cheng Q. Construction of Fe2O3/Co3O4/exfoliated graphite composite and its high efficient treatment of landfill leachate by activation of potassium persulfate. Chemical Engineering Journal. 2019; 355: 952-962. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.08.168

15. Kataria N, Garg V. Application of EDTA modified Fe3O4/sawdust carbon nanocomposites to ameliorate methylene blue and brilliant green dye laden water. Environmental research. 2019; 172: 43-54. doi: https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.02.002

16. Khaleel E, Samarrai Gh, Husain A. Comparison Effective Powder Of Pomegranate Peel And Date Kernel With Nanoparticles Silver In Reuse Car Wash Effluent. Nat. Volatiles & Essent. Oils. 2021; 8(4): 13312-13324

17. Liu X, Tian J, Li Y, Sun N, Mi S, Xie Y. Enhanced dyes adsorption from wastewater via Fe3O4 nanoparticles functionalized activated carbon. Journal of Hazardous Materials. 2019; 373: 397-407. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.03.103

18. Moafi H, Ansari R, Ostovar F. Ag2O/Sawdust nanocomposite as an efficient adsorbent for removal of hexavalent chromium

ions from aqueous solutions. Journal of Materials and Environmental Science. 2016; 7(6): 2051-2068

19. Pashaei H, Ghaemi A, Nasiri M, Karami B. Experimental modeling and optimization of CO2 absorption into piperazine solutions using RSM-CCD methodology. ACS omega. 2020; 5: 8432-8448. doi: https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03363

20. Rabbani J, Ahmad SR, Iqbal MK. Conjugative effect of low cost adsorbent with laccase enzyme for reduction of pulp and paper effluent load, its kinetics and thermodynamics. Pakistan Journal of Science. 2022; 74(3).‏

doi: https://doi.org/10.57041/pjs.v74i3.786

21. Rice, E.W., Baird, R.B., Eaton, A.D. 2017. Standard methods for the examination of water and wastewater, American public health association, American water works association, water environment federation.

22. Saeed MO, Azizli K, Isa MH, Bashir MJ. Application of CCD in RSM to obtain optimize treatment of POME using Fenton oxidation process. Journal of Water Process Engineering. 2015; 8: 7-16. doi: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2014.11.001

23. Sharafinasab H, Ostovar F. Evaluation of the Iron (III) oxide/sawdust nanocomposite efficiency in COD removal from landfill leachate: optimization and evaluation of adsorption isotherms. Journal of Environmental Research and Technology. 2021; 8(8):75.

doi: https://doi.org/10.29252/.5.8.75

اشتراک گذاری

آدرس مقاله

بررسی کارایی جذب زیستی پوست انار در بهبود شاخص‏ های آلودگی پساب صنعتی و بهینه ‌سازی فرآیند با روش سطح پاسخ

سکوی نشر دانش

پیوندهای سایت

مراکز مرتبط

پشتیبانی

صفحات رسمی