بررسی نانوجاذب‌های شبه‌هیدروتالسیت دارای روی و منیزیم در جذب و واجذب بُر از محیط آبی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه علوم خاک، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

3 استاد بازنشسته گروه علوم خاک، رشته پیدایش و رده بندی خاک، دانشکده کشاورزی ، دانشگاه فردوسی مشهد

4 استادیار، گروه علوم خاک، رشته شیمی و حاصلخیزی خاک، دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد

5 دانشکده علوم پایه، گروه شیمی، دانشگاه پیام نور تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: بُر، یکی از عناصر کم‌‌مصرف مورد نیاز گیاهان است. غلظت زیاد این عنصر در آب‌‌های کشاورزی، خصوصاً در مناطق خشک و نیمه‌‌خشک، سبب بروز سمیت در گیاهان کشت‌‌شده در این مناطق می‌‌گردد. روش‌‌های مختلفی برای کاهش غلظت بُر در آب و خاک پیشنهاد شده است که روش جذب سطحی از مهمترین آنها به حساب می‌‌آید. در طی سال‌‌های اخیر، استفاده از انواع هیدروکسیدهای لایه‌‌ای دوگانه (LDHs) یا ترکیبات شبه‌‌هیدروتالسیت ، به عنوان جذب‌‌کننده‌‌های آنیونی از محلول‌‌های آبی، مورد توجه خاص قرار گرفته است. از مهمترین دلایل موثر در استفاده از جاذب‌‌ها، مقرون به صرفه‌‌بودن است. حال اگر علاوه بر راندمان بالای جذب، قابلیت استفاده مجدد نیز وجود داشته باشند، به صورت کاربردی و در سطوح وسیع قابل استفاده خواهد بود. لذا با توجه به این نکات، علاوه بر سنجش قابلیت جذب بُر توسط انواع LDH، کیفیت واجذب بُر نیز مورد ارزیابی قرار گرفت؛ چرا که در قابلیت استفاده مجدد از آن نقشی بسزا دارد.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق دو نوع هیدروکسید لایه‌ای دوگانه، با انواع مختلف فلزات (منیزیم- آلومنیوم و روی- آلومنیوم) در ابعاد نانومتر و با استفاده از روش هم‌رسوبی تهیه شد و در شرایط آزمایشگاهی، خصوصیات جذب سطحی هر کدام به منظور خروج عنصر بُر از آب مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخصات شبه‌هیدروتالسیت‌ها توسط روش‌های آنالیز شیمیایی پراش اشعهی X (XRD)، تبدیل فوریهی مادون قرمز FTIR، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس EDS تعیین شد. تمایل این مواد برای جذب گونههای مختلف بُر در محلول، تحت اثر pH ، زمان تماس ، مقدار مادهی جذبکننده و غلظت بُر محلول (همدماهای جذب سطحی لانگ مویر و فروندلیچ) بررسی شد.
یافتهها: با توجه به خصوصیات بافری LDHها، خروج بُر از محلول تحت تاثیر pH اولیه و نهایی محلول نبود. بیشترین مقدار بُر جذبشده توسط Mg-Al-LDH و Zn-Al-LDH، به ترتیب در 10 و 20 دقیقه اول اتفاق افتاد. زمان تعادل لازم برای جذب بُر از محلول آبی در مورد هر دو نوع LDH، 80 دقیقه تشخیص داده شد. ظرفیت جذب بُر در محدودهی مقادیر آزمایشی (5-5/0گرم در لیتر) روند افزایشی داشت و با استفاده از مقدار 5 گرم در لیتر Mg-Al-LDH و Zn-Al-LDH به ترتیب، 52 و60 درصد از بُر اولیهی محلول خارج شد. دادهها با همدماهای جذب سطحی مدل لانگمویر که از انواع همدماهای L-Type هستند، تطابق داشت که نشان میدهد، B(OH)4- به صورت ترجیحی روی مواد شبههیدروتالسیت جذب شده است. Zn-Al-LDH با بیشترین مقدار جذب 3 میلیگرم در گرم دارای توانایی بیشتری برای جذب بُر نسبت به Mg-Al-LDH (با بیشترین مقدار جذب 48/2 میلیگرم در گرم) بود. از طرفی واجذب بُر از Zn-Al-LDH توسط محلول 200 میلیگرم در لیتر نیترات سدیم بیشتر از Mg-Al-LDH بود.
نتیجهگیری: استفاده 5/0 گرم از هر یک از شبههیدروتالسیتها در یک لیتر آب آلوده به بُر با غلظت 2 میلیگرم در لیتر، غلظت بُر را به کمتر از 5/0 میلیگرم در لیتر یعنی حد توصیه شدهی سازمان بهداشت جهانی (WHO) برای آبهای شرب، کاهش داد. . هر دو نوع LDH برای خروج عنصر بُر از محلولهای آلوده قابلیت بالایی دارند؛ ولی با هدف استفاده مجدد از جاذب و بالتبع «مقرون به صرفه بودن آن»، نانوجاذب Zn-Al-LDH به دلیل جذب و واجذب بالاتر از نانوجاذب Mg-Al-LDH، قابلیت کاربردی بهتری می تواند داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of Zn&Mg Hydrotalcite-Like Nanoparticles for Adsorption and Desorption of Boron from Aqueous Media

نویسندگان [English]

  • Ebrahim Fattahi Kiasari 1
  • Amir Fotovat 2
  • GholamHossein Haghnia 3
  • Akram Halajnia 4
  • Hamidreza Mardani 5
1 1Ph.D. Student, Dept. of Soil Science, Ferdowsi University of Mashhad
2 Professor, Soil Science Department, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad,
3 Professor, Department of Soil Sciences, Soil genesis and classification, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad
4 Assistant Professor, Department of Soil Sciences, Soil Chemistry and Fertility, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad
5 Faculty of Basic Sciences, Department of Chemistry, Payame Noor University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Boron is one of the micronutrient elements needed by plants. High concentrations of this element in agricultural waters, especially in arid and semi-arid regions, cause toxicity in plants grown in these areas. various methods have been proposed to reduce the concentration of boron in water and soil that surface adsorption is one of the most important. in recent years, the use of layered double hydroxides (LDHs) or hydrotalcite (HT)-like, compounds as anionic adsorbents from aqueous solutions has been taken into special consideration. One of the most important reasons for the use of attractions is affordability. Now, if, in addition to high adsorption efficiency, they can be reused, can be used on a large scale. Therefore, in view of these points, in addition to measuring the adsorption capacity of LDH types, the desorption quality was also evaluated, because it plays a significant role in its reusability.
Materials and methods: in this research, two types of layered double hydroxides (LDHs) with different kinds of metal ions (Mg-Al and Mg-Fe) were prepared by co-precipitation method in nanometer dimensions, and their adsorption features were evaluated in vitro to remove boron from aqueous solution. The Hydrotalcite-like features were determined by chemical analysis, X-ray diffraction (XRD), Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR) and Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The affinity of these materials for adsorption of different species of boron in solution was studied as a function of pH, contact time, LDHs quantity and B concentration (Langmuir and Freundlich adsorption isotherms).
Results: Boron removal was independent of the solutions' initial and final pH because of the high buffering capacity of the LDHs. the highest amount of boron was adsorbed on Mg-Al-LDH and Zn-Al-LDH, at the first 10 and 20 minutes, respectively. It was found that 80 min is enough time for the equilibrium state to be reached in boron adsorption for two types of LDHs. Boron adsorption capacity increasing the adsorbent quantity (0.5-5 gr/lit) and application of 5 gr/lit of Mg-Al-LDH and Zn-Al-LDH absorbed 52% and 60% of the initial boron amount, respectively. The adsorption isotherms, described by the Langmuir model, are of L-Type isotherm, suggesting that B(OH)4- is adsorbed preferentially on HT-like materials. Zn-Al-LDH with the maximum adsorption capacity of 3 mg/gr had a higher adsorption capacity for boron than Mg-Al-LDH (with the highest adsorption of 2.48 mg/gr). On the other hand, the desorption of boron from Zn-Al-LDH by 200 mg sodium nitrate solution per lit, was higher than that of Mg-Al-LDH.
Conclusion: After the treatment of a solution containing 2 mg of boron per liter using 0.5 gr of both adsorbents, the final boron concentration reduces to below the recommended limit by WHO for drinking water (0.5 mgL-1). Both types of LDH are highly capable of removing the boron element from contaminated solutions; but with the aim of reusing the adsorbent and, consequently, its "cost-effectiveness", Zn-Al-LDH nano-adsorbent could be more proper to use than Mg-Al-LDH nano-adsorbent, due to higher adsorption and desorption.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Boron
  • LDHs
  • Adsorption
  • desorption
  • Isotherm
1.Ay, A.N., Zümreoglu-Karan, B., and Temel, A. 2007. Boron removal by hydrotalcite-like, carbonate-free Mg–Al–NO3–LDH and a rationale on the mechanism. Microporous and Mesoporous Materials, 98: 1-3. 1-5.
2.Bafkar, A., and Baboli, N. 2019. Investigation of the efficiency of nitrate removal from aqueous solution using oak leaf nanostructure adsorbent. Gorgan, J. Water Soil Cons. 25: 5. 233-247.
(In Persian)
3.Bagherifam, S., Komarneni, S., Lakzian, A., Fotovat, A., Khorasani, R., Huang, W., Ma, J., and Wang, Y. 2014. Evaluation of Zn-Al-SO4 layered hydroxide for the removal of arsenite and arsenate from a simulated soil solution: Isotherms and kinetics. Applied Clay Science, 95: May 2014. 119-125.
4.Cavani, F., Trifiro, F., and Vaccari, A. 1991. Hydrotalcite-type anionic clays: preparation, properties. Catalysis Today, 11: 2. 173-301.
5.Chen, X., Mi, F., Zhang, H., and Zhang, H. 2012. Facile synthesis of a novel magnetic core-shell hierarchical composite submicrospheres Fe3O4@CuNiAl-LDH under ambient conditions. Materials Letters, 69: February 2012. 48-51.
6.Das, J., Das, D., Dash, G.P., and Parida, K.M. 2002. Studies on Mg/Fe hydrotalcite-like compounds (HTlc)-I. Removal of inorganic selenite (SeO32-) from aqueous medium. J. Coll. Interface Sci. 251: 1. 26-32.
7.Ferreira, O.P., Moraes, S.G., Duaran, N., Cornejo, L., and Luiz Alves, O. 2006. Evaluation of boron removal from water by hydrotalcite-like compounds. Chemosphere, 62: 1. 80-88.
8.Halajnia, A., Oustan, S., Najafi, N., Khataee, A.R., and Lakzian, A. 2012. The adsorption characteristics of nitrate on Mg–Fe and Mg–Al layered double hydroxides in a simulated soil solution. Applied Clay Science, 70: December 2012. 28-36.
9.Hatami, H., Fotovat, A., and Halajnia, A. 2018. Comparison of adsorption and desorption of phosphate on synthesized Zn-Al-LDH by two methods in a simulated soil solution. Applied Clay Science, 152: February 2018. 333-341.
10.Hermosin, M.C., Pavlovic, I., Ulbibarri, M.A., and Cornejo, J. 1996. Hydrotalcite as sorbent for trinitrophenol. Sorption capacity and mechanism. Water Research, 30: 1. 171-177. 
11.Isaacs-Paez, E.D., Leyva-Ramos, R., Jacobo-Azuara, A., Martinez-Rosales, J.M., and Flores-Cano, J.V. 2014. Adsorption of boron on calcined AlMg layered double hydroxide from aqueous solutions. Mechanism and effect of operating conditions. Chem. Engin. J. 245: June 2014. 248-257.
12.Kameda, T., Oba, J., and Yoshioka, T., 2015. New treatment methods for boron in aqueous solution using Mg-Al Layered double hydroxide: Kinetics and equilibrium studies. J. Hazard. Mater. 293: August 2015. 54-63.
13.Majidi, A., Rahnemaie, R., Hassani, A., and Malakouti, M.J. 2010. Adsorption and desorption processes of boron in calcareous soils. Chemosphere, 80: 7. 733-739.
14.Mardani, H.R. 2017. (Cu/Ni)-Al layered double hydroxides @ Fe3O4 as efficient magnetic nanocomposite photocatalyst for visible-light degradation of methylene blue. Research on Chemical Intermediates, 43: May 2017. 5795-5810.
15.Nabizadeh, S., Sadegh-Zadeh, F., Jalili, B., and Emadi, S.M. 2019. Adsorption of methylene blue using biochar, soil and treated soil with biochar from aqueous solutions. Gorgan, J. Water Soil Cons. 25: 6. 281-292. (In Persian)
16.Newman, S.P., and Hones, W. 1998. Synthesis, characterization and applications of layered double hydroxides containing organic guests. New J. Chem. 22: 2. 105-115.
17.Parks, J.L., and Edwards, M. 2005. Boron in the environment. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 35: 2. 81-114.
18.Peak, D., Luther, G.W., and Sparks, D.L. 2003. ATR-FTIR spectroscopic studies of boric acid adsorption on hydrous ferric oxide. Geochimica et Cosmochimica Acta, 67: 14. 2551-2560.
19.Pourfaraj, R., Kazemi, S.Y., Fatemi, S.J., Biparva, P. 2018. Synthesis of α- and ß-CoNi binary hydroxides nanostructures and luminol Chemiluminescence study for H2O2 detection. J. Photochem. Photobiol.: Chemistry, 364: September 2018. 534-541.
20.Seida, Y., and Nakano, Y. 2002. Removal of phosphate by layered double hydroxides containing iron. Water Research, 36: 5. 1306-1312.
21.Sparks, D.L. 2003. Environmental Soil Chemistry. Second Edition. Library of Congress Control Number: 2002104258. 187-190.
22.Tahir, M.A., Nawaz, H., and Iqbal, M. 2016. Solar Red and Brittle Blue direct dyes adsorption onto Eucalyptus angophoroides bark: equilibrium, kinetics and thermodynamic studies. J. Environ. Chem. Engin. 4: 2. 2431-2439.
23.Wolska, J., and Bryjak, M. 2013. Methods for boron removal from aqueous solutions- A review. Desalination, 310: February 2013. 18-24.
24.Yan, L., Yang, K., Shan, R., Yan, T., Wei, J., Yu, S., Yu, H., and Du, Bin. 2015. Kinetic, isotherm and thermodynamic investigations of phosphate adsorption onto core–shell Fe3O4@LDHs composites with easy magnetic separation assistance. J. Coll. Inter. Sci. 448: 15 June 2015. 508-516.
25.Yılmaz, A.E., Boncukcuoglu, R., Yılmaz, M.T., and Kocakerim, M.M. 2005. Adsorption of boron from boron- containing wastewaters by ion exchange in a continuous reactor. J. Hazard. Mater. 117: February 2005. 221-226.