حذف فلزات سنگين از محلول‌هاي آبي با استفاده از نانو صفحات اكسيد گرافن: بهينه سازي با روش سطح پاسخ

Removal of heavy metals of cadmium and lead from aqueous solutions using graphene oxide nanosheets process optimization by response surface methodology

زمينه و هدف‌: آلودگي آب با فلزات سنگين يك مشكل اساسي و در حال توسعه در جهان است. در اين مطالعه حذف فلزات سنگين كادميوم و سرب با استفاده از جاذب اكسيد گرافن صورت گرفت. روش بررسي‌: نانو صفحات اكسيد گرافن به روش هامرز، سنتز گرديد و ويژگي‌هاي آن با استفاده ازFTIR ، XRD و SEM بررسي شد. اﺛـﺮ ﻣﺘﻐﻴﺮﻫـﺎي ﻣﺴﺘﻘﻞ pH، زﻣﺎن ﺗﻤﺎس و ﻏﻠﻈﺖ اوليه محلول ﺑﺮ عملكرد حذف فلزات سنگين كادميوم و سرب ﺑﺎ روش ﺳﻄﺢ ﭘﺎﺳﺦ ﺑﺮ ﻣﺒﻨﺎي ﻃﺮاﺣﻲ ﺑﺎﻛﺲ ﺑـﻨﻜﻦ (Box-Behnken) ﻣـﻮرد ارزﻳـﺎﺑﻲ ﻗـﺮار ﮔﺮﻓـﺖ. با به‌كارگيري مدل Quadratic ميزان جذب براي فلز كادميوم و سرب تقريبا 99 درصد به‌دست آمد. از آﻧـﺎﻟﻴﺰ وارﻳـﺎﻧﺲ ANOVA، ﺑﻪ‌ﻋﻨﻮان روش آﻣﺎري آﻧﺎﻟﻴﺰ ﭘﺎﺳﺦ‌ﻫﺎ اﺳﺘﻔﺎده شد. يافته‌ها‌: تصاويرSEM ‌، متوسط اندازه صفحات اكسيد گرافن را 1 تا µm 3 نشان داد. پس از بهينه سازي توسط روش سطح پاسخ حداكثر ظرفيت جاذب، ﺑﺮاي ﺳﺮب مقدار mg/g 136 و ﺑﺮاي كادميوم مقدار mg/g 68 به‌دست آمد. بررسي اﻳﺰوﺗﺮم‌ها ﻧﺸﺎن داد، ﺟﺬب كادميوم از ايزوﺗﺮم لانگموير و ﺟﺬب سرب از ايزوﺗﺮم ﻓﺮوﻧﺪﻟﯿﭻ ﭘﯿﺮوي ﻣﯽ‌ﮐﻨﺪ. نتيجه‌گيري‌: نتايج نشان داد كه ﮔﺮاﻓﻦ اﮐﺴﺎيد ﻋﻤﻠﮑﺮد ﺧﻮﺑﯽ در ﺣﺬف دو آﻻينده كادميوم و ﺳﺮب از محلول‌هاي آﺑﯽ دارد. مهمترين عوامل تاثير‌گذار بر جذب فلزات مورد مطالعه، pHمحلول و غلظت اوليه بود. بررسي نتايج و تحليل RSM نشان داد كه داده‌هاي حاصل از آزمايش با مدل پيش بيني شده مطابقت داشت.

Background and Objective: Water pollution due to heavy metals is a critical and increasing problem worldwide. In this study, removal of cadmium and lead heavy metals using a graphene oxide (GO) adsorbent was examined. Materials and Methods: GO nanosheets were synthesized through Hummer’s method, and its characterizations were examined using FTIR, XRD, and SEM. The effect of independent variables pH, contact time and initial concentration of the solution on removal efficiency of Cd2+and Pb2+ using response surface methodology was evaluated according to Box-Behnken experimental design. Applying quadratic model, adsorption rate of Cd2+ and Pb2+ achieved 99%. ANOVA was applied for statistical analysis of responses. Results: According to SEM images, the average size of graphene oxide sheets was 1 to 3 µm. After optimization through RSM, the adsorption capacity for Pb2+ and Cd2+ was 136 mg/g and 68 mg/g, respectively. Examination of the isotherms suggested that Cd2+ and Pb2+ adsorption follows Langmuir and Freundlich isotherm, respectively. Conclusion: the results show that the graphene oxide performed well in removing both Cd2+ and Pb2+ ions from aqueous solutions. The most influential parameters on the above-mentioned heavy metals adsorption were pH of the solution and the initial concentration.