جذب زیستی کروم به‌وسیلۀ سارگاسوم ایلیسیفولیوم، سینتیک و بهینه‌سازی با استفاده از طراحی روش سطح پاسخ (RSM)

نوع مقاله: پژوهشی- فارسی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه شیمی، دانشکدۀ علوم پایه، دانشگاه ایلام، ایلام، ایران

2 دانشیار گروه میکروبیولوژی، دانشکدۀ علوم پایه، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران

3 دانشیار گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ایلام، ایلام، ایران

10.22108/bjm.2020.120748.1258

چکیده

مقدمه: آلودگی محیط‌زیست به‌ویژه با فلزات سمی و سنگین از مشکلات اساسی در چند دهۀ اخیر است؛ بنابراین حذف این آلاینده‌ها از محیط‌زیست اهمیت فراوانی دارد.
مواد و روش‏‏ها: در این پژوهش، جذب زیستی فلز کروم شش‌ظرفیتی (6+Cr) به‌وسیلۀ جلبک قهوه‌ای سارگاسوم ایلیسیفولیوم بررسی شد. میزان جذب محلول‌های حاوی فلز 6+Cr در طول موج 540 نانومتر با دستگاهUV-VIS اندازه‌گیری شد. همچنین مؤلفه‌های تأثیرگذار در جذبْ نظیر غلظت اولیۀ فلز، مقدار جلبک، اسیدیته، دما و زمان تماس مطالعه شد. از مدل‌های ایزوترم لانگمویر و فروندلیش برای بررسی مطالعات تعادلی هم‌دمایی استفاده شد.
نتایج: بیشینۀ ظرفیت جذب فلز، 203 میلی‌گرم بر گرم وزن خشک سارگاسوم ایلیسیفولیوم مشاهده شد. داده‌های آزمایشگاهی با مدل سنتیک «شبه‌درجۀ دوم» بهتر توصیف شد. با استفاده از روش سطح پاسخ (RSM) برمبنای نرم‌افزار آماریMinitab14.1، شرایط بهینۀ بیشینۀ ظرفیت جذب به‌قرارِ زیر به دست آمد:اسیدیته برابر با 2، مقدارجاذب 2/0گرم بر لیتر، غلظت اولیۀ فلز 200 میلی‌گرم بر لیتر، دمای 25 درجۀ سانتی‌گراد و زمان تعادل 7 ساعت.
بحث و نتیجه‏گیری: نتایج نشان داد ایزوترم فروندلیش برای توصیف سیستم، مناسب‌تر است. مطالعات ترمودینامیکی نیز نشان داد فرایند گرمازا و خودبه‌خودی است و با گذشت زمان بی نظمی افزایش یافته است. گروه های عاملی موجود در دیوارۀ سلولی سارگاسوم ایلیسیفولیوم، موجب احیای بیشتر فلز کروم شش‌ظرفیتی 6+Cr به کروم سه‌ظرفیتی 3+Cr شده و مقداری دیگر از کروم (3+Cr) داخل محلول باقی مانده است. با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) مشخص شد گروه‌های آمینو، کربوکسیل، سولفونیک‌اسید و هیدروکسیل در فرایند جذب کروم توسط جلبک نقش اصلی را دارند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Biosorption of Hexavalent Chromium by Sargassum ilicifolium, Kinetics, and Optimization using Response Surface Design Method (RSM)

نویسندگان [English]

  • Omran Abdi 1
  • Salman Ahmadi-asbchin 2
  • reza tabaraki 3
1 Department of Chemistry, Faculty of Basic Science, Ilam University, Ialam, Iran
2 Department of Microbiology, Faculty of Basic Science, University of Mazandaran, Babolsar, Iran
3 Department of Chemistry, Faculty of Basic Science, Ilam University, Ialam, Iran
چکیده [English]

Introduction: Environmental pollution with toxic and heavy metals has been a major problem in recent decades. Therefore, the removal of these pollutants from the environment is very important.
Materials and methods: In this study, the biosorption of hexavalent chromium (Cr+ 6) was investigated by brown alga Sargassum ilicifolium. The absorbance of Cr+6 solutions at 540 nm was obtained by UV-VIS. Also, the effective parameters in absorption such as initial metal concentration, amount of algae, pH, temperature, and contact time were investigated. The Langmuir and Freundlich isotherms were used to study the equilibrium studies.
Results: In these conditions, the maximum adsorption capacity was 203 mg/g of Sargassum ilicifolium. Laboratory data with the pseudo-second-order kinetics were described better. Using Response Surface Methodology (RSM), optimum conditions of maximum adsorption capacity were determined at pH 2, adsorbent content of 0.2 g/l, initial metal concentration of 200 mg/L at 25 °C, and the equilibration time of 7 h.
Discussion and conclusion: The results showed that the Freundlich isotherm was more suitable for describing the system. Thermodynamic studies have also shown that the process was exothermic and spontaneous and increased with time due to disorder. Due to the functional groups present in the algal cell wall, part of Cr+6 was reduced to Cr+3 and Cr+3 that were remained in solution. Fourier transform infrared spectroscopy of (FT-IR) showed that amino, carboxyl, sulfonic acid, and hydroxyl groups played a major role in the process of chromium uptake by Sargassum ilicifolium.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biosorption
  • Heavy Metals
  • Sargassum ilicifolium
  • Cr+ 6
  • Response Surface Methodology

مقدمه

وجود آلاینده‌های زیست‌محیطی یکی از مشکلات اساسی دو قرن اخیر است که به‌صورتِ مستقیم یا غیرمستقیم باعث آسیب به حیات بشر می‌شود. از دیدگاه بوم‌شناسی، اگر در هر مرحله از زنجیرۀ غذایی اختلال ایجاد شود، انسان که آخرین مصرف‌کنندۀ زنجیرۀ غذایی است، متضرر خواهد شد که این اختلال با ورود آلاینده‌های ذکرشده رخ می‌دهد. مقدار مُجاز این آلاینده‌ها به‌ویژه فلزات سمی و سنگین، در آب و خاک در حد میلی‌گرم یا میکروگرم در لیتر آب یا گرم خاک است. فلزات سنگین به گروهی از فلزات اطلاق می‌شود که چگالی بیشتر از ۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب داشته باشند. رشد فزایندۀ فعالیت کارخانجات صنعتی و تکنولوژی مدرن امروزی، فلزات سنگین را وارد چرخۀ زیست‌محیطی موجودات زنده کرده است و سبب شده انسان‌ها، حیوانات، گیاهان و به‌طورِکلی محیط‌زیست در معرض این فلزات سمی قرار بگیرند. در جدول تناوبی هرچه به‌سمتِ گازهای نجیب پیش برویم، اکسید فلزات سنگین در طبیعت پایدارتر می‌شود و در سیستم زیستی با مولکول‌های آلی، کمپلکس‌های پایدارتری را تشکیل می‌دهند. از نقش های مضر این فلزات می‌توان به دخالت در سوخت‌وساز بدن با مختل‌کردن عمل آنزیم‌های حیاتی اشاره کرد. میزان سمیت فلزات سنگین را می‌توان از روی الکترونگاتیویتۀ آنها طبقه‌بندی کرد (1).

کروم، عنصر فلزی سخت، براق، به‌رنگِ خاکستری‌ـ‌نقره ای است که بسیار جلاپذیر است. کروم هرگز به‌صورتِ آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود. برای سخت‌شدن فولاد، از کروم استفاده می‌شود؛ بنابراین برای ساخت محصولات فولاد ضدزنگ استفاده می‌شود. تقریباً تمام کروم دنیا از سنگ معدنی کرومیت به دست می‌آید (2). معادن مهم این سنگ در کشورهای زیمبابوه، ایالات متحده، روسیه، نیوزلند، ترکیه، آلبانی، فنلاند، ایران و فیلیپین وجود دارد (2). کروم با نمک‌های مس به‌عنوانِ محافظ چوب به کار می‌رود. پودر کرومیت به‌عنوانِ رنگ طبیعی در شیشه، سرامیک و آجرنما به کار می‌رود (3). ترکیبات شش‌ظرفیتی کروم بسیار آسان‌تر از کروم سه‌ظرفیتی جذب بدن می‌شوند و سمیت بیشتری دارند. اصلی‌ترین راه ورود کروم از راه دستگاه گوارش است؛ اما بیشترین آسیب کروم شش‌ظرفیتی مربوط به دستگاه تنفسی و پوستی است. علاوه‌بر این، مشکلاتی در مخاط دهان، مخاط بینی، گلو و حنجره رخ می‌دهد؛ به‌طوری‌که برونشیت، گرفتگی تنفسی و تورم، از بیماری‌هایی هستند که براثرِ تنفس کروم شش‌ظرفیتی ایجاد می‌شوند. علائم بیماری‌های حاصل از کروم شش‌ظرفیتی در دستگاه تنفسی شامل عطسه‌کردن، خس‌خس‌کردن، تنفس‌های کوتاه و منقطع و خارش بینی است (3).

متأسفانه کروم شش‌ظرفیتی ازطریقِ پوست سالم نیز جذب بدن می‌شود؛ درحالی‌که کروم سه‌ظرفیتی فقط ازطریقِ پوست آسیب‌دیده جذب می‌شود؛ بنابراین کروم سه‌ظرفیتی می‌تواند سرطان‌زا باشد؛ ولی چون قدرت نفوذ کمی به پوست دارد، در محیط‌های کاری به‌عنوانِ عامل سرطان‌زا مطرح نمی‌شود و تنها شکلِ شش‌ظرفیتی کروم در محیط‌های کاری قدرت نفوذ به پوست را دارد و به سلول نفوذ می‌کند (3). تماس با مقادیر زیاد کروم شش‌ظرفیتی، سبب ایجاد درماتیت حساسیتی می‌شود و می‌تواند وارد بافت‌های سلولی شود و به DNA و مواد ژنتیکی سلول آسیب برساند و این صدمه به موتاسیون خواهد انجامید (4). مطالعات نشان داده است احیای داخل سلولی کروم شش‌ظرفیتی عوارض سرطان‌زایی آن را افزایش می‌دهد؛ درحالی‌که احیای خارج سلولی کروم شش‌ظرفیتی به‌عنوانِ عامل حفاظتی مطرح می‌شود (4).

معمولاً فلزات سنگین به‌صورتِ ترکیبات محلول در فاضلاب وجود دارند و صنایع مختلف ازقبیلِ معادن فلزی، کامپیوتر و الکترونیک، کارخانجات تولید کود شیمیایی و... در تولید این نوع فاضلاب‌های حاوی فلزات سنگین نقش دارند (5). روش‌های اصلی حذف فلزات سنگین در محیط آبی شامل روش‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی می‌شود (6). روش‌های فیزیکوشیمیایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس، زئولیت، تبخیر لخته‌سازی، تعویض یونی، الکترودیالیز و جذب شیمیایی هستند (6 و 7).

بااین‌حال، متأسفانه بسیاری از روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلف که برای حذف فلزات سنگین از آب به کار می‌روند، معایبی دارند؛ مثلاً رسوب‌دهی شیمیایی و روش‌های الکتروشیمیایی در غلظت‌های پایین یون‌های فلزی تأثیری ندارند و باعث تولید مقدار بسیار زیادی لجن می‌شوند که مشکلات بسیاری به‌همراه خواهند داشت. همچنین تبادل یونی، اسمز معکوس و جذب سطحی توسط کربن فعال در غلظت‌های بسیار پایین یون فلزی ازنظرِ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیستند؛ بنابراین همگی روش‌های ذکرشده، کارایی کم و هزینۀ زیادی دارند (8).

در روش‌های زیست‌فناوری از فرایندهای زیستی به‌منظورِ حذف هرچه بهتر پسماندهایی خاص استفاده می‌شود (9). روش‌های زیستی میکروبی حذف فلزات سنگین که تاکنون مطالعه شده‌اند، شامل تبدیل زیستی، رسوب‌دهی زیستی و جذب زیستی می‌شوند (2).

جاذب‌های زیستی و غیرزیستی شامل قارچ‌ها، باکتری‌ها، جلبک‌ها، ضایعات صنعتی، ضایعات کشاورزی و سایر مواد پلی ساکاریدی می‌شوند (8). بیشتر این جاذب‌ها، منشأ و خاستگاه زیستی دارند، گزینش‌پذیرند و چند بار می‌توان از آنها استفاده کرد و تنها محدودیت آنها عمر کوتاه نسبت به سایر جاذب‌هاست (10). در سال‌های اخیر، به جلبک‌ها به‌ویژه جلبک‌های قهوه‌ای، به‌دلیلِ خواص دیوارۀ سلولی منحصربه‌فردشان که باعث ظرفیت جذب بالای آن می‌شود، توجه بسیاری شده است (11). دیوارۀ سلولی جلبک‌های قهوه‌ایْسلولز پیکره‌ساختاری و آلژینیک‌اسید دارد که پلیمری از مانوریک‌اسید و گلورونیک‌اسید است. در سطح دیوارۀ سلولی این جلبک‌ها گروه کربوکسیل و سولفات، گروه‌های عاملی فعال محسوب می‌شوند (12).

در این پژوهش، جذب زیستی کروم توسط جلبک قهوه‌ای سارگاسوم ایلسیفولیوم مطالعه می‌شود. ابتدا با روش‌های معمول، این فرایند بررسی می‌شود؛ به‌طوری‌که مؤلفه‌های تأثیرگذاری مانند غلظت‌های مختلف فلز، غلظت سارگاسوم ایلیسیفولیوم، اثر اسیدیته، اثر دما و ترمودینامیک جذب فلز به‌وسیلۀ سارگاسوم بررسی می‌شوند.درادامه از روش سطح پاسخ[1] استفاده می‌شود که مجموعه‌ای از روش‌های آماری و ریاضی است و برای افزایش بازده فرایندی که پاسخ‌ها تحتِ‌تأثیر چندین متغیر هستند به کار می‌رود؛ به‌بیانی دیگر، روش پاسخ سطحیْ بهینۀ جذب فلز کروم به‌وسیلۀ سارگاسوم ایلیسیفولیوم را تعیین می‌کند که آیا با روش‌های معمول هماهنگی دارد یا متفاوت است و اگر متفاوت است، چگونه است. روش سطح پاسخ مزایای متعددی ازجمله کاهش تعداد مراحل آزمایش، زمان، هزینه و همچنین صرفه‌جویی در مصرف مواد دارد. از آنالیز واریانس ANOVA به‌عنوانِ روش آماری آنالیز پاسخ‌ها استفاده می‌شود. روش سطح پاسخ برمبنای نرم‌افزارآماری Minitab14.1 برای دست‌یابی به سطوح پاسخ مناسب به‌منظورِ بهینه‌سازی حذف فلز کروم از محلول‌های آبی بهره گرفته می‌شود که مزایای متعددی ازجمله کاهش تعداد مراحل آزمایش، زمان، هزینه و همچنین صرفه‌جویی در مصرف مواد دارد (13).

 

مواد و روش‌ها

نمونه‌برداری: جاذب زیستی مدنظر، جلبک قهوه‌ای سارگاسوم ایلیسیفولیوم است که از سواحل دریای عمان از شهر چابهار جداسازی شد. در پژوهش پیشین نویسندگان این پژوهش شناسایی شدند (14). با استفاده از آب دریا و سپس آب‌مقطر دوبار تقطیر جلبک جمع‌آوری و شست‌وشو شد. در نهایت برای خشک‌شدن جلبک به‌مدتِ پنج روز زیر نور خورشید قرار داده شد و پس از خشک‌شدن کامل، جلبک به ذراتی با اندازۀ 1/0 تا 5/0 میلی‌متر خرد و استفاده شد.

تهیۀ محلول‌های فلزی کروم: محلول‌های ذخیرۀ کروم (1000 میلی‌گرم در لیتر) از حل‌کردن نمک پتاسیم‌دی‌کرومات (خریداری‌شده از شرکت مرک آلمان) در آب دوبار تقطیر تهیه شد. در مراحل مختلف، محلول‌های لازم از رقیق‌کردن این محلول تهیه و استفاده شد. همچنین برای تنظیم اسیدیتۀ محلول‌های کروم از اسیدسولفوریک 1/0 مولار و سدیم‌هیدروکسید 1/0 مولار استفاده شد.

آزمایش‌های جذب زیستی: به‌منظور بررسی جذب فلز توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم، مقادیر مشخص (بستگی به نوع آزمایش؛ ولی عموماً 2/0 گرم بر لیتر) از جلبک داخل ارلن مایر 250 میلی‌لیتری قرار داده شد. این ارلن ازپیش، غلظت‌های مشخص فلز و اسیدیته‌های مختلف را داشت. آنگاه یک مگنت داخل ارلن قرار داده شد و روی هم‌زن (مدل آلفا-HS860) با سرعت 100 دور در دقیقه به‌مدتِ 7 ساعت قرار گرفت. بعد از این زمان، سوسپانسیون توسط کاغذ صافی 45میکرومتری (مدلWhatman) صاف شد. محلول‌های سوپرناتانت رقیق شدند تا در گسترۀ خطی نمودار کالیبراسیون قرار گیرند و به نمونه‌ها معرف 5/1 دی‌فنیل‌کربازید اضافه شد ( معرف از حل‌کردن 2/0 گرم دی‌فنیل‌کربازید در 100 میلی‌لیتر حلال استون به دست آمد) در هر بالن 25میلی‌لیتری یک میلی‌لیتر معرف به محلول کروم رقیق‌شده اضافه می‌شود بعد از گذشت 10 دقیقه رنگ محلول صورتی مایل به ارغوانی می‌شود و با استفاده از دستگاه UV-VIS (مدلVarian 300 Bio) در طول موج 540 نانومتر جذب آن خوانده شد و از روی منحنی کالیبراسیون غلظت نهایی فلز محاسبه شد. باید یادآور شد واکنش‌گر دی‌فنیل‌کربازید فقط با کروم شش‌ظرفیتی کمپلکس می‌دهد و با کروم سه‌ظرفیتی واکنش نمی‌دهد.

برای بررسی اثر غلظت اولیۀ فلز، مقدار جلبک و اثر اسیدیتۀ نخستین، آزمایش در شرایط مختلف انجام گرفت تا شرایط بهینۀ بیشینۀ ظرفیت جذب (qmax) مشخص شود. مؤلفۀ q (میلی‌گرم فلز برگرم سارگاسوم ایلیسیفولیوم خشک) از رابطۀ زیر محاسبه شد:

 

1

 

 

که در آن، V حجم محلول (لیتر)، Ci غلظت اولیۀ فلز، Ce غلظت تعادلی فلز (میلی‌گرم در لیتر) و M مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم (گرم) است (13).

بهینه‌سازی فرایند جذب کروم با استفاده از روش سطح پاسخ: در این طرح، ابتدا براساسِ آزمایش‌های مقدماتی، دامنۀ تغییرات متغیرها، غلظت اولیۀ فلز (200-50) میلی‌گرم بر لیتر،  اسیدیتۀ نخستین (3-2)، مقدار جاذب (8/0-2/0) گرم بر لیتر برای سه متغیر (غلطت اولیۀ فلز، اسیدیتهو مقدار جاذب سارگاسوم ایلیسیفولیوم) انتخاب شد. در این طرح X1 (اسیدیته)، X2 (غلظت اولیۀ فلز)، X3 (مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم) سه متغیر مؤثر و ظرفیت جذب (q) متغیر پاسخ بود. تمامی اندازه‌گیری‌ها 3 بار تکرار شد. سپس براساسِ تعداد متغیرها و سطوح آنها جدول طراحی آزمایش تعیین شد. در این آزمایش، سه متغیر محاسبه شد و با درنظرگرفتن کدهای درج‌شده شرایط 16 حالت متفاوت ازنظرِ اسیدیته، غلظت اولیۀ فلز و مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم تعیین شد و آزمایش‌ها انجام شدند. مقادیر کدهای تعریف‌شدۀ آزمایش برای مقادیر بیشتر از نقطۀ مرکزی، 1+ و برای مقادیر کمتر از نقطۀ مرکزی،1- بودند. از طرح آماری سطح پاسخ و آنالیز واریانس برای مقایسۀ میانگین‌ها استفاده شد و نتایج با احتمال 05/0 ≥ P معنی‌دار در نظر گرفته شد. تجزیۀ آماری معادلات چندمتغیری با استفاده از نرم‌افزار آماری Minitab14.1 انجام شد و ضرایب مربوطه و آثار متغیرها تعیین شد.

طراحی آزمایش: پس از تعیین محدودۀ متغیرهای آزمایش نظیر اسیدیته، غلظت اولیۀ فلز (میلی‌گرم بر لیتر) و مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم (گرم بر لیتر) متغیرها به‌صورتِ کدهای 1± و صفر مطابق طراحی مرکب مرکزی نمادگذاری شدند که در جدول 1 آورده شده است و مقادیر ظرفیت جذب به‌دست‌آمده مطابق طراحی آزمایش انجام‌شده در جدول 2 آمده است.

بررسی ترمودینامیکی فرایند، مطالعات سینتیکی و ایزوترم‌های جذب فلز: مؤلفه‌های ترموینامیکی، منعکس‌کنندۀ امکان‌پذیری و خودبه‌خودی‌بودن فرایندها، گرماگیر یا گرمازابودن واکنش و تغییرات انتروپی در طی عمل جذب هستند؛ بنابراین مطالعات ترمودینامیکی می‌تواند به شناخت هرچه بیشتر فرایند جذب و درنتیجه به‌کارگیری تمهیداتی برای افزایش راندمان جذب کمک کند. به این منظور، واکنش در دماهای 298، 308 و 418 کلوین انجام شد و با استفاده از تغییرات انرژی آزاد گیبس دربرابر دما، آنتالپی و آنتروپی فرایند مشخص شد. ابتدا ثابت تعادل محاسبه شد (14):

2

 

مؤلفۀCad,eqبیان‌گرمیزان غلظتی از فلز است که به‌وسیلۀ جلبک سارگاسوم ایلیسیفولیوم جذب شده است. مؤلفۀ Ceq بیان‌گر غلظتی از فلز است که در محلول در حالت تعادل مانده است و درنهایت از روی ثابت تعادل انرژی آزاد گیبس تعیین می‌شود (12):

3

ΔG =- RTlnkc

که R ثابت گازها (314/8) برحسب (مول کلوین/ ژول) و T دما برحسب کلوین است.

4

ΔG = ΔH-TΔS

بنابراین برای توصیف چگونگی انجام فرایند، مطالعات ترمودینامیک انجام شد. مؤلفه‌های آنتالپی (HΔ)، آنتروپی (SΔ) و انرژی آزاد گیبس (GΔ) سیستم بررسی و محاسبه شدند.

 

جدول 1- متغیرهای مستقل و محدوده و سطوح آنها ( محدودۀ متغیرهای فلز کروم)

متغیرهای مستقل

نماد ریاضی

کد و سطح متغیر

1+

0

1-

اسیدیته

X1

3

5/2

2

غلظت فلز(میلی‌گرم در لیتر)

X2

200

125

50

مقدار جاذب(گرم در لیتر)

X3

8/0

5/0

2/0

 

جدول 2- مقادیر ظرفیت جذب فلز کروم به‌دست‌آمده مطابق طراحی آزمایش انجام‌شده با سه متغیر مستقل و نتایج آن

آزمایش

X1

X2

X3

اسیدیته

غلظت فلز (میلی‌گرم در لیتر)

مقدار جاذب (گرم در لیتر)

ظرفیت جذب (میلی‌گرم در گرم)

1

1

1

1

3

200

8/0

1/51

2

1

1-

1

3

50

8/0

8/33

3

1-

1-

1-

2

50

2/0

9/84

4

0

1-

0

5/2

50

5/0

1/38

5

0

0

0

5/2

125

5/0

3/63

6

1-

1

1

2

200

8/0

3/74

7

1

1-

1-

3

50

2/0

0/66

8

0

0

1-

5/2

125

2/0

7/191

9

0

0

1

5/2

125

8/0

3/60

10

1-

1

1-

2

200

2/0

0/203

11

1-

0

0

2

125

5/0

0/86

12

1

1

1-

3

200

2/0

6/135

14

1-

1-

1

2

50

8/0

6/36

15

0

0

0

5/2

125

5/0

0/76

16

0

1

0

5/2

200

5/0

6/108

 

 

سینتیک جذب برای تعیین مکانیسم کنترل فرایندهای جذب سطحی استفاده می‌شود. مکانیسم فرایند جذب به خواص فیزیکی و شیمیایی جاذب بستگی دارد. برای بررسی سنتیک‌های شبه‌درجۀ یکم و دوم، همچنین بررسی مدل سینتیک وبر‌ـ‌موریس از معادلات 5 تا 9 استفاده شد (16).

به‌طورکلی، مدل‌های سینتیک شبه‌درجۀ اول و شبه‌درجۀ دوم برای بیان کمی سینتیک جذب به کار برده می شود. به‌بیانِ ساده، در مدل سینتیک شبه‌درجۀ اول سرعت تغییرات برداشت جسم حل‌شده در زمان، به‌طورِ مستقیم متناسب با تغییرات در غلظت اشباع و مقدار برداشت با زمان است. برای سینتیک شبه‌درجۀ اول از رابطۀ (5) فرم خطی معادلۀ درجۀ اول استفاده شد.

5

 

qeمقدار فلز جذب شده در حالت و زمان تعادل، qt مقدار فلز جذب‌شده در زمان t (در هر زمان) است. مؤلفۀ 1 kثابت سرعت مرتبۀ یک 1-(دقیقه) یا ثابت جذب است.

دربارۀ سینتیک شبه‌درجۀ دوم نشان می‌دهد که جذب شیمیایی مرحلۀ کندکنندۀ سرعت است و فرایندهای جذب سطحی را کنترل می‌کند و برمبنای جذب فاز جامد است که در آن سرعت اشغال مکان‌های جذب، متناسب با مجذور تعداد مکان‌های اشغال‌نشده است. برای سینتیک شبه‌درجۀ دوم از رابطۀ (6) هو‌ـ‌مک‌کای استفاده شد و روابط سنتیک شبه‌درجۀ دوم به‌صورتِ زیر دیده می‌شود (15):

6

 

K2 ثابت سرعت مرتبۀ دوم (میلی‌گرم‌دقیقه/گرم)، qe مقدار فلز جذب‌شده در زمان و حالت تعادل (میلی‌گرم در گرم) و  qtبیان‌گر مقدار فلز جذب‌شده در زمان t است.

در بخش دیگر از پژوهش، سنتیک وبر‌ـ‌موریس مطالعه شد.

این مدل از رابطۀ زیر پیروی می‌کند:

7

 

که rpشعاع ذره، D نفوذپذیری مؤثر حل‌شده‌ها در ذرات است،  qtبیان‌گر مقدار فلز جذب‌شده در زمان t است، Ki ثابت نفوذ بین‌ذره‌ای است. از رسم نمودار q برحسبِ t1/2 و از شیب آن Ki محاسبه می‌شود که مقدار آن در این آزمایش برابر با (mg/g.min1/2) 64/8 بود (11).

بررسی ایزوترم‌های جذب فلز به‌وسیلۀ مدل‌های لانگمویر و فروندلیچ بررسی شد. در مدل لانگمویر فرض می‌شود که سطح جاذب، همگن است و برهم‌کنشی بین مواد جذب‌شده وجود ندارد و سطوح با انرژی یکسان دردَسترس هستند و هیچ انتقال انرژی به مواد جذب‌شده وجود ندارد (19-15). فرم خطی مدل لانگمویر در معادلۀ زیر نشان داده شده است (11).

8

 

که qe مقدار فلز جذب‌شده در زمان تعادل و qmax بیشینۀ ظرفیت جذب و bثابت لانگمویر (l/mg) است و نشان‌دهندۀ قدرت پیوند جاذب با فلز است و به آن ضریب تمایل به جذب و انرژی جذب زیستی هم می‌گویند. وقتی مقدار آن بین صفر تا یک باشد، یعنی جذب زیستی مطلوب است (20 و 21).

مدل شناخته‌شدۀ دیگر ایزوترم فروندلیج است. در این مدل، جذب تک‌لایه با سطوح ناهمگن است. سایت‌های فعال سطح جاذب با توزیع غیریک‌نواخت همراه با برهم‌کنش بین مولکول‌های جذب‌شده است و فرم لگاریتمی آن در معادلۀ زیر نشان داده شده است:     

9

logCe logqe = logKF + 1/n

که KF و nثابت‌های فروندلیش هستند و به‌ترتیب نشان‌دهندۀ ظرفیت جذب و شدت جذب‌اند.

تشخیص سطوح فعال در فرایند جذب: برای تشخیص سطوح فعال و گروه‌های عاملی درگیر در فرایند جذب زیستی به‌وسیلۀ جلبکِ مطالعه‌شده از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه FT-IR استفاده شد. برای انجام این آزمایش، ابتدا جلبک سارگاسوم ایلیسیفولیوم در محیط طبیعی خشک شد. آنگاه در انکوباتور با دمای 70 درجۀ سانتی‌گراد به‌مدتِ یک شبانه‌روز قرار گرفت تا کاملاً خشک شود. اگر نمونه به‌طورِ کامل خشک نباشد و حاوی آب باشد، حضور آب می‌تواند در ایجاد طیف برای سطوح جلبک مزاحمت ایجاد کند. برای تهیۀ نمودار FT-IR نمونه‌ها در برمید پتاسیم قرار داده شد و در دستگاه طیف‌سنج، طیف آن خوانده شد. یک بار پیش از فرایند جذب (سارگاسوم ایلیسیفولیوم بدون تماس با محلول حاوی فلز) و یک بار هم پس از جذب فلز (ارلن حاوی فلز و جلبک پس از حدود 3 ساعت، سانتریفوژ و سارگاسوم ایلیسیفولیوم باقی‌مانده در انتهای فالکون به‌روشِ بالا خشک شد) از جلبک طیف‌سنجی انجام گرفت تا گروه‌های فعال سطح جلبک مشخص شود.

آزمایش واجذب[2]: برای بازیابی فلز و استفادۀ دوباره از سارگاسوم به‌عنوانِ جاذب زیستی مطالعه‌شده، از فرایند واجذب استفاده می‌شود. موفقیت فرایند واجذب به انتخاب ترکیب رهاساز خوب وابسته است که این خود به‌شدت به جاذب زیستی و مکانیزم جذب وابسته است. برای انجام این آزمایش، بعد از فرایند جذب فلز توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم، جمع‌آوری شد (با انجام سانتریفوژ، سارگاسوم ایلیسیفولیوم در انتهای فالکون باقی می‌ماند) و با آب‌مقطر دوبار تقطیر شست‌وشو داده شد و واجذب به سه طریق انجام گرفت: در روش اول، با اضافه‌کردن اسیدنیتریک 2/0 مولار به نمونۀ حاوی جلبک و هم‌زدن به‌مدتِ یک ساعت، میزان واجذب بررسی شد. در روش دوم، با اضافه‌کردن اسیدکلریدریک 2/0 مولار و هم‌زدن به‌مدتِ یک ساعت میزان واجذب مطالعه شد. در روش سوم، سارگاسوم ایلیسیفولیوم‌ها در معرض اموج فراصوت در حمام آلتراسونیک (مدل RK103H Bandelin) به‌مدتِ 20 دقیقه قرار گرفتند تا مقدار فلز واجذب‌شده تعیین شود.

 

نتایج

بررسی اثر زمان تماس: اثر زمان در جذب 6+Cr توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم در شکل 1 نشان داده شده که بعد از گذشت 420 دقیقه، سرعت جذب ثابت شده است.

 

شکل 1- اثر زمان جذب کروم توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم (دما: C25o، مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم: 2/0گرم بر لیتر، غلظت اولیۀ فلز: 200 میلی‌گرم بر لیتر و اسیدیته برابر با 2)

 

اثر دما و مطالعات ترمودینامیک: نمودار GΔ دربرابر T در شکل 2 رسم شد و از روی شیب آن آنتروپی (SΔ) و عرض‌ازمبدأ آن آنتالپی (HΔ) تعیین شد که مقدار آنتروپی برابر با 054/0(کلوین/ژول) و مقدار آنتالپی 23/16(ژول) مشاهده شد. مقدار منفی انرژی آزاد گیبس نشان‌دهندۀ خودبه‌خودی‌بودن واکنش است و مقدار مثبت آنتالپی و آنتروپی به‌ترتیب نشان‌دهندۀ گرماگیربودن فرایند و افزایش بی‌نظمی سیستم با پیشرفت واکنش است؛ یعنی فرایند، برگشت‌ناپذیر است.

در گسترۀ دمایی20 تا 40 درجۀ سانتی‌گراد با افزایش دما بیشینۀ ظرفیت جذب افزایش می‌یابد؛ چون گرما سایت‌های دردَسترس را فعال می‌کند و انرژی جنبشی لازم را فراهم می‌کند. همچنین ازطرفِ دیگر، در بعضی موارد فرایند جذب گرمازاست و افزایش دما مفید نیست و همچنین در برخی موارد هم افزایش دمای بیشتر از40 درجۀ سانتی‌گراد باعث آسیب فیزیکی به سارگاسوم ایلیسیفولیوم می‌شود (18)؛ بنابراین برای انجام ادامۀ این پژوهش‌ها دمای اتاق انتخاب شد که در این حالت شرایط کار هم راحت‌تر است و برای فرایندهای صنعتی حقیقی نیز مناسب‌تر است.

 

شکل 2- نمودادر تغییرات GΔ دربرابر T

 

بهینه‌سازی مؤلفه‌ها با روش سطح پاسخ

طراحی آزمایشبرازش مدل [3]: تابع پاسخ بر داده‌های تجربی برازش شد و اثر متغیرهای مستقل، توان دوم آنها و برهم‌کنش متغیرها توسط تجزیۀ واریانس (ANOVA) آنالیز شد. ضرایب رگرسیون و آنالیز واریانس معادلۀ چندجمله‌ای درجۀ دو برای ظرفیت جذب در جدول 3 خلاصه شده است. مقدار زیادِ  R2نشان‌دهندۀ همبستگی زیادِ مدل با داده‌های آزمایشگاهی است. معنی‌دارنبودن مقدار عدمِ‌برازش (05/0<P) نشان‌دهندۀ برازش خوب مدل پیش‌بینی‌شده است.

تحلیل سطح پاسخ برای ظرفیت جذب (q):  نتایج مربوط به سطح پاسخ برای ظرفیت جذب فلز به‌صورتِ سه‌بعدی در شکل 3 نشان داده شده است. باتوجه‌به این شکل، مشخص شد شرایط بهینه برای جذب فلز در حالت هم‌زمانی مؤلفه‌ها به‌قرارِ زیر است:

بهینۀ اسیدیته برای جذب فلز به‌وسیلۀ جلبکْ دو بود، برای مؤلفۀ غلظت اولیۀ فلز بهترین غلظت حدود 200 میلی‌گرم بر لیتر بود و برای بهینۀ مؤلفۀ میزان و مقدار جلبک در حدود 2/0 میلی‌گرم بر لیتر بود.

مؤلفۀ اسیدیته یکی از فاکتورهای مهم و تأثیرگذار بر فرایند جذب یون‌های فلزی از محلول‌های آبی است (21). مؤلفۀ اسیدیته نه‌تنها در فعال‌سازی سایت‌های جذب، بلکه در شیمی محلول ازجمله هیدرولیز و تشکیل کمپلکس توسط لیگاندهای آلی و معدنی، واکنش‌های ردوکس، رسوب‌گیری و نیز تغییر شکل‌های نمکی فلزی هم دخالت دارد. با افزایش اسیدیته ظرفیت جذب کاهش می‌یابد. در مقادیر کم اسیدیتۀ بار منفی گونه‌های کروم باعث می‌شود به‌وسیلۀ جایگاه‌های گروه‌هایی با بار مثبت که روی سطح سارگاسوم ایلیسیفولیوم قرار دارند، جذب شوند؛ ولی با افزایش اسیدیته بار منفی روی سطح سارگاسوم ایلیسیفولیوم افزایش می‌یابد و باعث دافعۀ گونه‌های کروم با بار منفی می‌شود (16).

 

جدول 3- ضرایب رگرسیون مدل چندجمله‌ای جذب زیستی (که x1 ، x2و x3به‌ترتیب اسیدیته، غلظت فلز (میلی‌گرم بر لیتر) و مقدار جاذب (گرم بر لیتر) است)

 

ضرایب

P

X0

-90/119

717 /0

X1

68/190

493/0

X2

25/2

028/0

X3

538/0-

033/0

X12

17/42-

446/0

X22

004/0-

174/0

X32

41/363

045/0

X1 X2

23/0-

290/0

X1 X3

25/50

349/0

X2 X3

74/0-

067/0

مدل

 

007/0

خطی

 

047/0

توان دو

 

167/0

برهم‌کنش

 

161/

عدم‌برازش

 

292/0

R2

93/0

 

 

 

 

شکل 3- نمای سه‌بعدی ظرفیت حذف فلز کروم در سه حالت (A)متغیرهای اسیدیته/غلظت فلز، حالت (B) متغیرهای اسیدیته/مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم و حالت C) ) متغیرهای مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم/غلظت فلز

 

 

با افزایش مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم ظرفیت جذب کاهش می‌یابد. با افزایش مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم جایگاه‌های دردَسترس سطح آنها افزایش می‌یابند؛ ولی ظرفیت کلی جذب در واحد وزن سارگاسوم ایلیسیفولیوم (جذب مخصوص) کاهش می‌یابد. همچنین ممکن است بین جایگاه‌های پیوندی درنتیجۀ افزایش مقدار فلز نیز تداخل به وجود آید (14).

با افزایش غلظت نخستینِ فلز، ظرفیت جذب افزایش می‌یابد؛ درصورتی‌که در غلظت‌های کم نسبت تعداد مول‌های فلز به تعداد سایت‌های دردَسترس کم است؛ اما با افزایش غلظت، تعداد مول‌های فلزی زیاد می‌شود؛ درنتیجه ظرفیت جذب افزایش می‌یابد که این مقدار برای مشخص‌شدن بیشینۀ ظرفیت جذب و اشباع‌شدن سایت‌های جاذب لازم و ضروری است. آزمایش‌هایی بدین‌منظور انجام می‌شود تا بیشترین مقدار فلز که می‌تواند جذب شود، مشخص شود (17).

بررسی سنتیک (سنتیک شبه‌درجۀ اول[4] ، سنتیک شبه‌درجۀ دوم[5] ، سنتیک وبر‌ـ‌موریس[6]): سنتیک شبه‌درجۀ اول از روی شیب نمودار ( log(qe −qtدربرابرِt ، k1 و از روی عرض‌ازمبدأ آن مؤلفۀ qe (پیش‌بینی‌شده توسط سنتیک درجۀ اول) محاسبه می‌شود (18). شکل 4 نمودار سنتیک شبه‌درجۀ اول را نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل 4- نمودار سنتیک شبه‌درجۀ اول (دما: Co 25، مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم: 2/0گرم بر لیتر، غلظت اولیۀ فلز: 200 میلی‌گرم بر لیتر و اسیدیته برابر با 2)

 

برای سنتیک شبه‌درجۀ دوم به‌صورتِ زیر بررسی شد: با استفاده از شیب و عرض‌ازمبدأ نمودار t/qt دربرابرِ t می‌توان به‌ترتیب 2K و qe را محاسبه کرد (18 و 19). شکل 5 نمودار سنتیک شبه‌درجۀ دوم را نشان می‌دهد.

مقادیر R2 و ثابت سرعت برای سینتیک شبه‌درجۀ اول به‌ترتیب برابر با 98/0 و (min/1)011/0 به دست آمد؛ ازطرفی سینتیک شبه‌درجۀ دوم به‌ترتیب برابر با 999/0 (g/mg.min) 000045/0 به دست آمد. همچنین مقادیر پیش‌بینی‌شدۀ qcal شبه‌درجۀ دوم با داده‌های آزمایشگاهی هم‌خوانی بیشتری دارد؛ به این معنی که مقدار بیشینۀ ظرفیت جذب (qmax) به‌دست‌آمده از داده‌های آزمایشگاه، 203 میلی‌گرم بر گرم بود و مقدار پیش‌بینی‌شده توسط معادلات شبه‌درجۀ اول و دوم به‌ترتیب برابر با 4/194 و 200 میلی‌گرم بر گرم بوده است؛ بنابراین مجموعۀ داده‌ها مدل شبه‌درجۀ دوم را برای تفسیر سیستم کاراتر نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل 5- نمودار سنتیک شبه‌درجۀ دوم (دما: Co 25، مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم: 2/0گرم بر لیتر، غلظت اولیۀ فلز: 200 میلی‌گرم بر لیتر و اسیدیته برابر با 2)

 

 

سنتیک وبر‌ـ‌موریس: شکل 6 نمودار سنتیک وبر‌ـ‌موریس برای جذب کروم توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم را نشان داده است. همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، فرایند جذب سه‌مرحله‌ای است: بخش نخست، شیب روبه‌بالا دارد که مربوط به نفوذ مادۀ جذب‌شده از درون محلول به سطح بیرونی جاذب (نفوذ بیرونی) است و بخش دوم، مرحلۀ آهستۀ جذب را توصیف می‌کند که مربوط به نفوذ مولکول‌های مادۀ جذب‌شونده به درون خلل و فرج جاذب (نفوذ درون ذره‌ای) است و مرحلۀ تعیین‌کنندۀ سرعت است. مرحلۀ سوم مربوط به تعادل نهایی است و به‌دلیلِ رقیق‌شدن ذرات موجود در محلول، سرعت جذب کروم به‌وسیلۀ سارگاسوم زیاد نیست (19).

ایزوترم جذب سطحی لانگمویر و فروندلیچ: ایزوترم لانگمویر از رسم نمودار qe/Ce دربرابرِ Ce از روی شیب آن بیشینۀ ظرفیت ۲۰۰ (میلی‌گرم در گرم)= qmaxو از روی عرض‌ازمبدأ آن ثابت لانگمویر(b) برابر با 024/0 محاسبه شد و این داده‌ها در شکل ۷ نشان داده شده است.


 

 

شکل 6- نمودار سنتیک وبر‌ـ‌موریس جذب فلز کروم به‌وسیلۀ سارگاسیوم ایلیسیفولیوم (محور افقی زمان به‌توانِ 5/0 محور عمودی ظرفیت جذب میلی‌گرم بر گرم)

 

 

شکل 7- ایزوترم لانگمویر جذب کروم توسط جلبک سارگاسوم ایلیسیفولیوم (Ceغلظت تعادلی فلز در محلول و محور عمودی نسبت بین غلظت تعادلی بر روی ظرفبت جذب در هر لحظه است)

 

 

در معادلۀ ایزوترم فروندلیش مؤلفه‌های KF و n ثابت‌های فروندلیش هستند و به‌ترتیب نشان‌دهندۀ ظرفیت جذب و شدت جذب‌اند که این مقادیر در این پژوهش برابر با 5/13 و 92/1 به دست آمد. مقادیر 1/n بین 1/0- 1 نشان‌دهندۀ ظرفیت جذب خوب برای فلز است (21و23). شکل 8 ایزوترم فروندلیش جذب کروم توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم در شرایط بهینه را نشان می‌دهد.

جدول 4 میزان جذب کروم شش‌ظرفیتی توسط جلبک سارگاسیوم ایلیسیفولیوم را با چند جاذب دیگر مقایسه شده است که نشان می‌دهد جلبک سارگاسوم ایلیسیفولیوم دارای ظرفیت جذب خوب و مناسبی نسبت به سایر جاذب‌هاست.

 

 

 

شکل 8- ایزوترم فروندلیش جذب کروم توسط جلبک سارگاسیوم ایلیسیفولیوم (محور افقی انتگرال غلظت تعادلی In(Ce) و محور عمودی انتگرال ظرفیت تعادلی qe)

 

جدول 4- مقایسۀ جذب کروم شش‌ظرفیتی توسط جاذب‌های مختلف

جاذب

ظرفیت جذب(میلی‌گرم در گرم)

منبع

Lentinus sajor-caju (fungi(

18

(24)

Lyngbya putealis (bacteria(

6/113

(25)

Bacillus coagulans (bacteria(

9/39

(14)

Bacillus megaterium (bacteria(

7/30

(14)

Cupressus Female Cone (cultural waste(

119

(14)

Cone biomass (cultural waste(

8/201

(26)

durian shell (cultural waste(

117

(27)

Oedogonium hatei (raw alga(

31

(28)

Oedogonium hatei (acid treated(

5/32

(28)

Palmaria palmate (red alga(

8/33

(25)

Polysiphonia lanosa (red alga(

7/45

(25)

Spirogyra condensate (green alga(

8/14

(26)

Ulva lactuca (green alga(

6/27

(25)

Ulva spp (green alga(

2/30

(25)

Sargassum siliquosum (brown alga(

4/66

(26)

Sargassum muticum (brown alga)

1/196

(26)

Fucus vesiculosus (brown alga)

6/42

(25)

Sargassum sp. (brown alga)

3/53

(28)

Sargassum ilicifolium (brown alga)

203

این پروژه

 

 


تشخیص سطوح فعال در فرایند جذب با استفاده از FT-IR: برای تشخیص سطوح فعال و گروه‌های عاملی درگیر در فرایند جذب از طیف‌بینی مادون قرمز تبدیل فوریه FT-IR استفاده شد که شکل 9 طیف جلبک سارگاسوم ایلیسیفولیوم پیش و پس از جذب کروم را نشان می‌دهد. موجِ بعضی از گروه‌های عاملی براثرِ جذب فلز تغییر یافته و شدت برخی دیگر نیز تغییر یافته است. گروه‌هایی که در جذب کروم دخالت دارند، شامل C=O، 3–SO ، –CN می‌شوند. گروه کربوکسیل دو پیک دارد که شامل یکی در ناحیه 1-cm1400 و دیگری در 1-cm 1600می‌شود. همچنین پیک ناحیۀ 1-cm 1100 نشان‌دهندۀ گروه 3SO در سولفونیک‌اسید و پلی‌ساکاریدها مثل فوکویدان است و درنهایت پیک پهن در ناحیۀ 1-cm 3200 تا 1-cm 3400 نشان‌دهندۀ گروه‌های OH و NH است (18).

 

 

 

شکل 9- طیف FT-IR، جلبک سارگاسوم ایلیسیفولیوم (a پیش از جذب فلز کروم (سارگاسوم بدون فلز) (b بعد از جذب کروم بررسیفرایند واجذب

 


نتایج این پژوهش نشان داد با استفاده از اسیدنیتریک 2/0 مولار و در معرض امواج فراصوت قراردادن سارگاسوم ایلیسیفولیوم چرخۀ جذب‌ـ‌واجذب دو بار به‌طورِ مؤثر تکرارپذیر است. اگر از عامل رهاساز اسیدکلریدریک 2/0 مولار استفاده شود و دوباره سارگاسوم ایلیسیفولیوم استفاده شود، توانایی جذب فلز را دارد و این فرایند جذب‌ـ‌واجذب سه بار به‌طورِ مؤثر تکرارپذیر است و قابلیت جذب فلز درنهایت به‌میزانِ 44درصد در بار نهایی و سوم باقی مانده است.
بحث و نتیجه‌گیری.

روش‌های جذب زیستی به استفاده از واکنشگرهای گران‌قیمت نیاز ندارد. همچنین این روش‌ها فلزات سنگین را به‌طورِ مؤثری جذب می‌کنند. در این پژوهش جذب زیستی کروم شش‌ظرفیتی توسط جلبک قهوه‌ای سارگاسوم ایلیسیفولیوم بررسی شد. آثارِ مؤلفه‌های غلظت نخستینِ فلز، دما، اسیدیته، مقدار جاذب و زمان ارزیابی شد. ظرفیت جذب برای کروم با مؤلفۀ غلظت نخستینِ فلز و و مؤلفۀ دما رابطۀ مستقیم دارد؛ ولی با مقدار سارگاسوم ایلیسیفولیوم رابطۀ معکوس دارد. پس از حدود 7 ساعت، فرایند جذب توسط سارگاسوم ایلیسیفولیوم به تعادل رسید و شرایط آزمایش با استفاده از روش سطح پاسخ (RSM) بهینه شد و مقدار بهینۀ اسیدیته برابر با 2، مقدار جاذب 2/0گرم بر لیتر، غلظت نخستینِ فلز 200 میلی‌گرم بر لیتر در دمای 25 درجۀ سانتی‌گراد به دست آمد و در این شرایط، بیشینۀ ظرفیت جذب، 203 میلی‌گرم بر گرم مشاهده شد. داده‌های آزمایشگاهی با سنتیک شبه‌درجۀ دوم، بهتر توصیف شدند. بررسی مطالعات تعادلی نشان داد ایزوترم فروندلیش با داده‌ها هم‌خوانی بهتری دارد و جذب تک‌لایه ناهمگن مشاهده شد. طیف‌بینی مادون قرمز تبدیل فوریه FT-IR نشان داد که گروه‌های آمینو، کربوکسیل و سولفونیک در فرایند جذب کروم توسط جلبک دخالت دارند. قسمتی از کروم شش‌ظرفیتی به‌دلیلِ گروه‌های عاملی مانند کربوکسیل و آمین موجود در دیوارۀ سلولی جلبک، به کروم سه‌ظرفیتی احیا می‌شود. برای بازیابی فلز و جاذبِ استفاده‌شده، از فرایند واجذب استفاده شد که مشخص شد با استفاده از اسیدکلریدریک 2/0 مولار چرخۀ جذب‌ـ‌واجذب برای جلبک و کروم سه بار به‌طورِ مؤثر تکرارپذیر است. جلبک قهوه‌ای سارگاسیوم ایلیسیفولیوم ازنظرِ ویژگی خاصی که دیوارۀ سلولی آن دارد، یعنی حاوی سلولز، آلژنیک‌اسید و... است، ظرفیت جذب خوبی برای فلزات سنگین دارد.

دلیل اصلی راندمان بالای جذب کروم به‌وسیلۀ سارگاسوم ایلیسیفولیوم، حضور آلژینیک‌اسید است. آلژینیک‌اسید ساختار ویژۀ مانورونیک‌اسید و گلوکورونیک‌اسید دارد. این ترکیبات در جلبک مدل‌های شانه‌تخم‌مرغی تشکیل داده است که مکانیسم اصلی در اتصال به فلزات سنگین و سمی است (8،1). رومرا و همکاران در سال 2007 به این دلیل مهم پرداخته‌اند. وولسکی و همکاران در دانشگاه مک‌گیل کانادا به‌طورِ کامل بر جلبک‌های قهوه‌ای دیگرگونه پژوهش کرده‌اند و نتایج مشابه این پژوهش به دست آورده‌اند؛ بدین‌نحو که مدل شانه‌تخم‌مرغی[vii] را بررسی کردند و نقش اصلی آن را در جذب فلزات سمی به اثبات رساندند (8). یاکوب و همکاران در سال 2005 بر جذب زیستی کروم شش‌ظرفیتی به‌وسیلۀ میکروجلبک کلامیدوموناس رینهارتی[viii] پژوهش کردند و میزان جذب را در حدود 2/21 میلی‌گرم بر گرم نشان دادند که از پژوهشِ حاضر کمتر بوده است و مکانیسم جذب و نقش مؤلفه‌های تأثیرگذار پژوهش آنها با پژوهشِ حاضر هم‌خوانی دارد. در پژوهشِ آنها میزان واجذب کروم به‌وسیلۀ هیدروکسید سدیم 1/0 مولار در حدود 95درصد گزارش داده شد که با نتایج پژوهش حاضر هم‌خوانی دارد (29). باتوجه‌به شرایط جغرافیای ایران که سواحل غنی از انواع جلبک‌ها دارد، جلبک می‌تواند به‌عنوانِ ابزار مؤثر و مهم برای حذف فلزات سنگین موجود در پساب‌های صنعتی کارخانجات استفاده شود. ازلحاظِ اقتصادی و زیست‌محیطی هم مقرون‌به‌صرفه است.

(1) Romera E., Gonzalez F., Ballester A., Blazquez M.L., Munoz J.A. Comparative study of biosorption of heavy metals using different types of algae. Bioresource Technology 2007; 98: 3344– 3353.
(2) Rand G.M.Fundamentals of an aquatic toxicology, Florida, USA: Ecological Service Inc: North Palm Beach; 1995.
(3) Sokolowska-Gajda J., Freeman H.S., Reife A. Synthetic dyes based on environmental considerations:2, Iron complexed formazan dyes. Dyes Pigments 1996; 30: 1– 20.
 
(4) Martin W., Griswold S. Human Health Effects of Heavy Metals. Environmental Science Technology 2009; 15: 1- 6.
(5) Jacob J.W., Removal of Heavy Metals from Waste Water, Brigham Young University; 2000.
(6) Furness R.W., Rainbow P.S. Heavy metals in the marine environment. Boca Raton FU: CRC press; 1990.
(7) Broom G.P., Squires R.C., Simpson M.P.J., Martin I. The treatment of heavy metal effluents by cross flow microfiltration. Journal of Membrane Science 1994; 87: 219- 230.
(8) Voleskey B. Detoxification of metal-bearing effluents: biosorption for the next century. Hydrometallurgy 2001; 59: 203- 216.
(9) Bitton G. Waste water microbiology. Environmental Health Perspectives 1999; 107: 533- 561.
(10) Chojnacka K. Biosorption and bioaccumulation the prospects for practical applications, Review article. Environment International 2010; 36: 299– 307.
(11) Lee Y., Chang, S.H. The biosorption of heavy metals from aqueous solution by Spirogyra and Cladophora filamentous macroalgae. Bioresource Technology 2011; 102: 5297– 5304.
(12) Davis T.A., Volesky B., Mucci A. A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae. Water Research 2003; 37: 4311– 4330.
(13) Bas D., Boyacı I.H. Modeling and optimization I: Usability of response surface methodology. Journal of Food Engineering 2007; 78: 836– 845.
(14) Vijayaraghavan K., Yun Y. Research review paper Bacterial biosorbents and biosorption. Biotechnology Advances 2008; 26: 266– 29
(15) Tabaraki R., Nateghia A., Ahmady-Asbchin S. Biosorption of lead (II) ions on Sargassum ilicifolium: Application of response surface methodology. International Biodeterioration & Biodegradation 2014; 93: 145- 152
(16) Deng L., Zhang Y., Qin J., Wang X., Zhu X. Biosorption of Cr (VI) from aqueous solutions by nonliving green algae. Cladophora albida, Minerals Engineering 2009; 22: 372– 377.
(17) Ertugay N., Bayhan Y.K. Biosorption of Cr (VI) from aqueous solutions by biomass of Agaricus bisporus. Journal of Hazardous Materials 2008; 154: 432– 439.
(18) Ho Y.S. Review of second-order models for adsorption systems. Journal of Hazardous Materials2006; 136: 681– 689.
(19) Ozer A., Gurbuz G., Alimli A.C., Korbahti B.K. Biosorption of copper (II) ions on Enteromorpha prolifera: Application of response surface methodology (RSM). Chemical Engineering Journal 2009; 146: 377– 387.
(20) Jalali-Rad R., Ghafourian H., Asef Y., Dalir S.T., Sahafipour M.H., Gharanjik B.M. Biosorption of cesium by native and chemically modified biomass of marine algae: introduce the new biosorbents for biotechnology applications. Journal of Hazardous Materials2004; 116: 125– 134.
(21) Ahluwalia S.T S., Goya D. Review Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from wastewater. Bioresource Technology 2007; 98: 2243– 2257.
(22) Ramkumar J, Chandramouleeswaran S, Sudarsan V, Mishra R, Kaushik C, Raj K, Mukherjee T., Tyagi A.K. Borosilicate glasses modified with organic ligands: A new selective approach for the removal of uranyl ion. Journal of Hazardous Materials 2008; 154: 513- 518.
(23) Arica M.Y., Bayramoglu G. Cr (VI) biosorption from aqueous solutions using free and immobilized biomass of Lentinus sajor-caju: preparation and kinetic characterization. Colloids Surface A 2005; 253: 203– 211.
(24) Murphy V., Hughes H., McLoughlin P. Comparative study of chromium biosorption by red, green and brown seaweed biomass. Chemosphere 2008; 70: 1128– 1134.
(25) Lu W., Shi J., Wang C.H., Chang J. Biosorption of lead, copper and cadmium by an indigenous isolate Enterobacter sp. J1 possessing high heavy metal resistance. Journal of Hazardous Materials 2006; 134: 80– 86.
(26) Kurniawan A., Ochie V., Sisnandy A., Trilestari K., Sunarso J., Indraswati N., Ismadji S. Performance of durian shell waste as high capacity biosorbent for Cr(VI) removal from synthetic wastewater. Ecological Engineering 2011; 37: 940- 947.
(27) Gupta V.K., Rastogi A. Biosorption of hexavalent chromium by raw and acid-treated green alga Oedogonium hatei from aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials 2009; 163: 396– 402.
(28) Farzadkia M., Gholami M., Kermani M., Yaghmaeian K. Biosorption of Hexavalent Chromium from Aqueous Solutions by Chemically Modified Brown Algae of Sargassum sp. and Dried Activated Sludge. Asian Journal of Chemistry 2012; 24: 5257-5263.
(29) Yakup AM., lhami T., Emine Y., Ozlem I., Gülay B. Utilization of native, heat and acid-treated microalgae Chlamydomonas
reinhardtii preparations for biosorption of Cr (VI) ions. Process Biochemistry 2005; 40: 2351- 235.