فصلنامه مدیریت محیط زیست شهری

بهینه‌سازی و مدل سازی حذف نیکل از محلو‌‌ل‌های آبی با استفاده از بیوچار میوه سرو پوشش‌یافته با کیتوسان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه محیط زیست، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان

2 پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان

10.48306/juem.2026.581369.1152
چکیده
در پژوهش حاضر، بیوچار حاصل از میوه درخت سرو با استفاده از کیتوسان به‌عنوان یک پلیمر زیستی غنی از گروه‌های آمینی، اصلاح سطحی شد تا عملکرد آن در حذف یون‌های نیکل (II) از محلول‌های آبی ارتقا یابد. به منظور بررسی مکانیسم‌های احتمالی حذف نیکل از محلول‌های آبی، جاذب بیوچار خام و بیوچار اصلاح‌شده با استفاده از آنالیزهای BET، FTIR وFE-SEM مشخصه‌یابی گردیدند. نتایج BET نشان داد که پوشش‌دهی کیتوسان، سطح ویژه بیوچار را از 13/2 به m²/g 75/5 افزایش داده و قطر متوسط منافذ را از 97/10 به nm 26/6 کاهش داده است. طیف‌سنجی FTIR ظهور پیک‌های جدید در cm⁻¹ ۱۶۲۰ (گروه آمیدی C=O))) و cm⁻¹ ۳۴۳۰ (ارتعاش کششی N–H) را تأیید کرد که مؤید تثبیت موفق گروه‌های آمینی و آمیدی بر سطح جاذب است. فرآیند حذف نیکل با استفاده از روش سطح پاسخ با چهار متغیر غلظت اولیه نیکل، pH، دوز جاذب و زمان تماس بهینه‌سازی گردید. مدل درجه سوم کاهش یافته با ضریب تعیین بالای 0.98 برای هر دو جاذب، تطابق بسیار خوبی با داده‌های تجربی نشان داد. در شرایط آزمایشگاهی، بیوچار اصلاح‌شده با کیتوسان به ۵۵ درصد حذف نیکل دست یافت، در حالی‌ که بیوچار خام تنها ۵۱ درصد حذف را نشان داد. این بهبود عملکرد، حاصل هم‌افزایی سازوکارهای جذب فیزیکی در شبکه متخلخل توسعه‌یافته، کمپلکس‌سازی سطحی با گروه‌های آمینی/آمیدی، و تبادل یونی است. یافته‌های این مطالعه حاکی از آن است که اصلاح بیوچار میوه سرو با کیتوسان، به‌رغم ارتقای قابل قبول ظرفیت جذب نیکل، نیازمند مطالعات تکمیلی در سیستم‌های صنعتی واقعی است.

کلیدواژه‌ها


1. Das, K. K., Reddy, R. C., Bagoji, I. B., Das, S., Bagali, S., Mullur, L., and Biradar, M. S., Primary concept of nickel toxicity–an overview. Journal of Basic and Clinical Physiology and Pharmacology, 2019. 30(2): p. 141-152. Doi: 10.1515/jbcpp-2017-0171.
2.  Siddiqui, M. N., Ali, I. and Asim, M., Quick removal of nickel metal ions in water using asphalt-based porous carbon. Journal of Molecular Liquids, 2020. 308: p. 113078. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.113078.
3. Azimi, A., Azari, A., Rezakazemi, M. and Ansarpour, M., Removal of heavy metals from industrial wastewaters: a review. ChemBioEng Reviews, 2017. 4(1): p. 37-59. DOI: 10.1002/cben.201600010.
4.Vakili, M., Rafatullah, M., Yuan, J., Zwain, H. M., Mojiri, A., Gholami, Z. and Yu, G., Nickel ion removal from aqueous solutions through the adsorption process: A review. Reviews in Chemical Engineering, 2021. 37(6): p. 755-778. DOI: 10.1515/revce-2019-0047.
5.Ali, I., The quest for active carbon adsorbent substitutes: inexpensive adsorbents for toxic metal ions removal from wastewater. Separation and Purification Reviews, 2010. 39(3-4): p. 95-171. DOI: 10.1080/15422119.2010.527802.
6. Shakoor, M. B., Ali, S., Rizwan, M., Abbas, F., Bibi, I., Riaz, M. and Rinklebe, J., A review of biochar-based sorbents for separation of heavy metals from water. International Journal of Phytoremediation, 2020. 22(2): p. 111-126. DOI: 10.1080/15226514.2019.1647405.
7.Leng, L., Xiong, Q., Yang, L., Li, H., Zhou, Y., Zhang, W. and Huang, H., An overview on engineering the surface area and porosity of biochar. Science of the Total Environment, 2021. 763: p. 144-204. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.144204.
8.Verma, A. K., Singh, T., Noumani, A., Singh, S., Ergunova, O. and Sharma, N. R., Engineered biochar composites for improved adsorption stability and remediation of the wastewater. Discover Civil Engineering, 2026. 3(1): p. 61. DOI: 10.1007/s44290-026-00454-6.
9.    Akacha, I., Merzougui, A., Bouzid, K. and Benaoune, S., Cypress cones solid waste derived biochar for efficient uptake of paracetamol from synthetic wastewater: characterization, kinetic, isotherm, and thermodynamic studies. Biomass Conversion and Biorefinery, 2025. 15(16): p. 22901-22918. DOI: 10.1007/s13399-025-06787-z.
10.Saffari, M. and Moazallahi, M., Comparative evaluation of nickel ions removal from aqueous solutions using hydrochar and biochar of cypress cones. International Journal of Global Warming, 2022. 27(3): p. 247-270. DOI: 10.1504/IJGW.2022.
11.Saffari, M. and Moazallahi, M., Nickel behavior as affected by various physical‑chemical modified biochars of cypress cones in a calcareous nickel‑spiked soil. Archives of Agronomy and Soil Science, 2023. 69(6): p. 981-998. DOI: 10.1080/03650340.2022.2047945.
12. Zia, Q., Tabassum, M., Gong, H. and Li, J., A review on chitosan for the removal of heavy metals ions. Journal of Fiber and Bioengineering and Informatics, 2019. 12(3): p. 103-128. DOI: 10.3993/jfbim00301.
13.Aranaz, I., Alcántara, A. R., Civera, M. C., Arias, C., Elorza, B., Heras Caballero, A. and Acosta, N., Chitosan: An overview of its properties and applications. Polymers, 2021. 13(19): p. 3256. DOI: 10.3390/polym13193256.
14.Bąk, J., Thomas, P. and Kołodyńska, D., Chitosan-modified biochars to advance research on heavy metal ion removal: roles, mechanism and perspectives. Materials, 2022. 15(17): p. 6108. DOI: 10.3390/ma15176108.
15. Xiao, F., Cheng, J., Cao, W., Yang, C., Chen, J. and Luo, Z., Removal of heavy metals from aqueous solution using chitosan-combined magnetic biochars. Journal of Colloid and Interface Science, 2019. 540: p. 579-584. DOI: 10.1016/j.jcis.2019.01.068.
16.  Ngo, H. H., Guo, W., Nguyen, T. H., Luong, T. M. L., Nguyen, X. H., Phan, T. L. A. and Nguyen, M. K., New chitosan-biochar composite derived from agricultural waste for removing sulfamethoxazole antibiotics in water. Bioresource Technology, 2023. 385: p. 129384. DOI: 10.1016/j.biortech.2023.129384.
17. Chin, J. F., Heng, Z. W., Teoh, H. C., Chong, W. C. and Pang, Y. L., Recent development of magnetic biochar cross-linked chitosan on heavy metal removal from wastewater–modification, application and mechanism. Chemosphere, 2022. 291: p. 133035. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.133035.
18.Afzal, M. Z., Sun, X. F., Liu, J., Song, C., Wang, S. G. and Javed, A., Enhancement of ciprofloxacin sorption on chitosan/biochar hydrogel beads. Science of the Total Environment, 2018. 639: p. 560-569. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.05.129.
19. Shabani, H., Delavar, M. A. and Taghavi Fardood, S., Sorption of Cd(II) ions by chitosan modified peanut shell biochar from aqueous solution. Advances in Environmental Technology, 2019. 5(4): p. 203-211. DOI: 10.22104/aet.2020.4332.1220.
20. Ma, X., Zhang, X., Li, Y., Xiong, Q., Wu, H., Mei, J. and Zhang, Z., Preparation of chitosan coated fly ash-supported biochar sphere for enhanced removal of Cr(VI) from polluted water and soil. Journal of Water Process Engineering, 2024. 68: p. 106294. DOI: 10.1016/j.jwpe.2024.106294.
21. Dewage, N. B., Fowler, R. E., Pittman, C. U., Mohan, D. and Mlsna, T., Lead (Pb2+) sorptive removal using chitosan-modified biochar: batch and fixed-bed studies. RSC Advances, 2018. 8(45): p. 25368-25377. DOI: 10.1039/C8RA04600J.
22.Burk, G. A., Herath, A., Crisler, G. B., Bridges, D., Patel, S., Pittman, C. U. and Mlsna, T., Cadmium and copper removal from aqueous solutions using chitosan-coated gasifier biochar. Frontiers in Environmental Science, 2020. 8: p. 541203. DOI: 10.3389/fenvs.2020.541203.
23.Zhu, C., Lang, Y., Liu, B. and Zhao, H., Ofloxacin adsorption on chitosan/biochar composite: kinetics, isotherms, and effects of solution chemistry. Polycyclic Aromatic Compounds, 2019. DOI: 10.1080/10406638.2018.1464039.

مقالات آماده انتشار، اصلاح شده برای چاپ
انتشار آنلاین از 31 خرداد 1405

  • تاریخ دریافت 22 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 13 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 29 خرداد 1405
  • تاریخ اولین انتشار 31 خرداد 1405
  • تاریخ انتشار 31 خرداد 1405