سامانه مدیریت نشریات علمی دانشگاه شهید بهشتی

ربیعی ابیانه, مریم, نبی بیدهندی, غلامرضا, دریابیگی زند, علی. (1401). حذف فلز سنگین سرب (Pb) از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل با کاربرد بیوچار تهیه شده از زایدات فضای سبز شهری. , 20(4), 183-204. doi: 10.48308/envs.2022.1206
مریم ربیعی ابیانه; غلامرضا نبی بیدهندی; علی دریابیگی زند. "حذف فلز سنگین سرب (Pb) از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل با کاربرد بیوچار تهیه شده از زایدات فضای سبز شهری". , 20, 4, 1401, 183-204. doi: 10.48308/envs.2022.1206
ربیعی ابیانه, مریم, نبی بیدهندی, غلامرضا, دریابیگی زند, علی. (1401). 'حذف فلز سنگین سرب (Pb) از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل با کاربرد بیوچار تهیه شده از زایدات فضای سبز شهری', , 20(4), pp. 183-204. doi: 10.48308/envs.2022.1206
ربیعی ابیانه, مریم, نبی بیدهندی, غلامرضا, دریابیگی زند, علی. حذف فلز سنگین سرب (Pb) از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل با کاربرد بیوچار تهیه شده از زایدات فضای سبز شهری. , 1401; 20(4): 183-204. doi: 10.48308/envs.2022.1206

حذف فلز سنگین سرب (Pb) از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل با کاربرد بیوچار تهیه شده از زایدات فضای سبز شهری

فصلنامه علوم محیطی
مقاله 10، دوره 20، شماره 4، 1401، صفحه 183-204    اصل مقاله (584.52 K)
نوع مقاله: مقاله پژوهشی
شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/envs.2022.1206
نویسندگان
مریم ربیعی ابیانه1؛ غلامرضا نبی بیدهندی* 2؛ علی دریابیگی زند3
1گروه مهندسی محیط‌زیست، پردیس بین المللی کیش، دانشگاه تهران، کیش، ایران
2دانشکده محیط‌‌زیست، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران‌
3دانشکده محیط‌‌زیست، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
سابقه و هدف: شیرابه موجود در محل دفن پسماندهای شهری، پساب بسیار سمی و خطرناکی است که معمولاْ به دلیل ماهیت پیچیده به عنوان منبع بالقوه آلودگی شناخته می‌شود. فلزات سنگین از مهمترین آلاینده‌های موجود در شیرابه هستند که با ورود به زنجیره غذایی و به دلیل توانایی تجمع‌پذیری زیستی، اثرات بهداشتی خطرناکی برای انسان به دنبال خواهند داشت. پژوهش حاضر با هدف بررسی کارایی بیوچار ارزان قیمت و قابل دسترس تولید شده از زایدات فضای سبز شهری در جذب فلز سنگین سرب (Pb) از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری، بررسی پارامترهای موثر بر آن و مدل‌سازی سینتیک و ایزوترم واکنش‌های جذب، صورت گرفت.
مواد و روش‌ها: شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل به عنوان نمونه واقعی برای انجام آزمایش‌های جذب، مورد استفاده قرار گرفت. سرشاخه‌های هرس شده درختان شهری، جمع‌آوری و به عنوان منبع زیست توده برای ساخت بیوچار استفاده شدند. تولید بیوچار با فرآیند پیرولیز در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و زمان ماند یک ساعت، صورت گرفت. سپس مشخصات جاذب شامل سطح مخصوص (BET) و ویژگی‌های ظاهری (SEM) تعیین شدند. آزمایش‌های جذب در مقیاس آزمایشگاهی و به صورت ناپیوسته انجام گرفت. تاثیر پارامترهای زمان تماس (۳۰ تا ۳۰۰ دقیقه)، مقدار بیوچار (یک تا ۵۰ گرم بر لیتر) و اندازه ذرات بیوچار (۲-۱ میلی‌متر و ۷۵-۶۳ میکرومتر) بر جذب Pb بررسی شد و در نهایت بهترین الگوی فرآیند جذب، از طریق بررسی میزان انطباق داده‌های تجربی جذب با مدل‌های سینتیک و ایزوترم، مشخص گردید.
نتایج و بحث‌: آنالیز کیفیت شیمیایی نمونه شیرابه برداشت شده از محل دفن پسماندهای شهری بابل مشخص کرد که غلظت یون Pb در آن برابر با ۹۴/۴ میلی‌گرم در لیتر است. سطح ویژه BET‌ بیوچار تولید شده از زایدات فضای سبز شهری ۴۴/۲۹۲ مترمربع به ازای هر گرم تعیین شد که نشان دهنده آن است که جاذب دارای سطح ویژه مناسبی برای جذب است. همچنین میکروگراف SEM‌ نشان داد که بیوچار تهیه شده دارای تخلخل بالا است و سطح ناهمگنی دارد که این مساله می‌تواند قابلیت و شانس این جاذب را در جذب آلاینده افزایش دهد. در مراحل بعدی، میزان جذب Pb از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل مورد بررسی قرار گرفت. مطابق یافته‌ها، راندمان جذب Pb از شیرابه محل دفن پسماندهای شهری بابل با افزایش زمان تماس و افزایش نسبت بیوچار به شیرابه، افزایش می‌یابد. همچنین کاهش اندازه ذرات بیوچار موجب افزایش بازده جذب می‌شود. حداکثر راندمان جذب توسط بیوچار با اندازه ذرات ۲-۱ میلی‌متر در زمان تماس ۹۰ دقیقه و مقدار بیوچار ۲۰ گرم بر لیتر به میزان ۰۶/۸۹ درصد به دست آمد. در حالی که کاربرد بیوچار با اندازه ذرات ۷۵-۶۳ میکرومتر در شرایط زمان تماس ۱۲۰ دقیقه و مقدار بیوچار ۲۰ گرم بر لیتر، منجر به حذف کامل و ۱۰۰ درصدی یون Pb از شیرابه مورد مطالعه گردید. همچنین سینتیک شبه مرتبه دوم و ایزوترم لانگمیر به عنوان مناسب‌ترین مدل‌ها جهت توصیف فرآیند جذب Pb تشخیص داده شدند.
نتیجه‌گیری: استفاده از بیوچار تهیه شده از زایدات فضای سبز به عنوان جاذب کم هزینه و ارزان قیمت، نه تنها آلایندگی فلزات سنگین و مخاطرات بهداشتی ناشی از آنها را در شیرابه محل دفن پسماندهای شهری کاهش می‌دهد، بلکه موجب مدیریت زایدات فضای سبز از طریق تبدیل آنها به یک ماده ارزشمند و تقلیل آثار سوء محیط‌زیستی در نتیجه دفع آنها خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
بیوچار؛ جذب سطحی؛ فلزات سنگین؛ پسماندهای شهری؛ شیرابه
عنوان مقاله [English]
Adsorption of Lead (Pb) from Landfill Leachate onto Pruning Residues Biochar
نویسندگان [English]
Maryam Rabiee Abyaneh1؛ Gholamreza Nabi Bidhendi2؛ Ali Daryabeigi Zand3
1Department of Environmental Engineering, Kish International Campus, University of Tehran, Kish, Iran
2Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran
3Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]
Introduction: Landfill leachate is a highly toxic and hazardous form of wastewater due to its complex composition characteristics. Effective removal of heavy metals from landfill leachate is of great concern due to the fact that toxic metals can seriously threaten the food chain, and therefore the human health. The main objective of this work was to study the utilizing of low-cost pruning residues in the production of biochar and its application in removal of lead (Pb) from landfill leachate.
Material and methods: Leachate produced in Babol municipal solid waste landfill was used as an adsorbent solution. Pruning residues were collected and used for biochar preparation. Biochar produced under the pyrolytic temperature of 700°C with a 1-hour retention time. The adsorption mechanism of pruning waste biochar to Pb was analyzed through BET surface area and scanning electron microscope (SEM) tests. Batch experiments were performed to study the effects of adsorption parameters on Pb removal. The influence of contact time (30-300 min), adsorbent dosage (1-50 g/L), as well as particle size (1-2 mm and 63-75 µm) was investigated. Moreover, the kinetic and isotherm models were applied to the experimental data to predict the adsorption parameters.
Results and discussion: The results obtained from the analysis of the untreated Babol landfill leachate was revealed that the Pb concentration was about 4.94 mg L-1. The surface area of the produced biochar was determined to be 292.44 m2 g-1. SEM microstructure of the biochar showed the developed surface area with visible pores. All of these data seem to suggest a great potential for pruning residues biochar to Pb removal. The adsorption of Pb was mainly affected by contact time, adsorbent dose, and biochar particle size. Higher contact time and adsorbent dosage showed higher uptake of Pb. Whereas, the uptake of Pb ions onto pruning residues biochar was substantially reduced with increase the biochar particle size. Maximum Pb percentage removal was observed at a contact time of 90 min and with an optimum biochar dosage of 20 g L-1 (89.06% removal) for biochar with 1-2 mm particle size. While, biochar with particle size of 64-75 µm can removed Pb to almost 100% at a contact time of 120 min and with an optimum biochar dosage of 20 g L-1. The kinetic study showed that adsorption can be well described by the pseudo-second order kinetic model. This supports the chemisorption theory behind the pseudo-second order kinetic model for the adsorption system. The results of isotherm models implied that the behaviors of the isotherms are more appropriate for the Langmuir model, showing a monolayer adsorption capacity for Pb.
Conclusion: Findings of this research demonstrated the applicabil‌ity of pruning residues biochar as an economic adsorbent for the removal of the Pb from landfill leachate. On the other hand, the crop residue burning poses a threat to the environment and human health due to the emission of toxic gasses and particulate matter. So, conversion of pruning residues to biochar and its application to heavy metal removal is a useful and environment-friendly alternative to crop residue and biomass burning.
کلیدواژه‌ها [English]
Biochar, Adsorption, Heavy metals, Municipal waste, Leachate
مراجع

Abdelfattah, I., Ismail, A.A., Al Sayed, F., Almedolab, A. and Aboelghait, K.M., 2016. Biosorption of heavy metals ions in real industrial wastewater using peanut husk as efficient and cost effective adsorbent. Environmental Nanotechnology, Monitoring and Management. 6, 176-183.

Abdullah, N.H., Shameli, K., Abdullah, E.C. and Abdullah, L.C., 2019. Solid matrices for fabrication of magnetic iron oxide nanocomposites: synthesis, properties, and application for the adsorption of heavy metal ions and dyes. Composites Part B: Engineering. 162, 538-568.

Aghababaei, A., Ncibi, M.C. and Sillanpää, M., 2017. Optimized removal of oxytetracycline and cadmium from contaminated waters using chemically-activated and pyrolyzed biochars from forest and wood-processing residues. Bioresource technology. 239, 28-36.

Ahmadi, M., Delavar, M., Golchin, A. and Hassani, A., 2020. Lead removal from contaminated water using biochar and biomass of olive wast in bath adsorption systems: isotherms and kinetic studies. Journal of Water and Soil Conservation. 27, 109-126. (In Persian with English abstract)

Albalasmeh, A., Gharaibeh, M.A., Mohawesh, O., Alajlouni, M., Quzaih, M., Masad, M. and El Hanandeh, A., 2020. Characterization and Artificial Neural Networks Modelling of methylene blue adsorption of biochar derived from agricultural residues: Effect of biomass type, pyrolysis temperature, particle size. Journal of Saudi Chemical Society. 24, 811-823.

Alsulami, Q.A., Hussein, M.A., Alsheheri, S.Z., Elshehy, E.A. and El-Said, W.A., 2022. Unexpected ultrafast and high adsorption performance of Ag (I) and Hg (II) ions from multiple aqueous solutions using microporous functional silica-polymer sponge-like composite. Journal of Materials Research and Technology. 17, 2000-2013.

APHA, 2005. Standard methods for the examination of water and wastewater. American Public Health Association (APHA), Washington, D.C., USA.

Asrari, E. and Nejabat, M., 2021. Cadmium Elimination Feasibility Study Using Bentonite Modified Green Concrete. Journal of Civil and Environmental Engineering. 5, 153-160. (In Persian with English abstract)

Azari, A., Salari, M., Dehghani, M.H., Alimohammadi, M., Ghaffari, H., Sharafi, K., Shariatifar, N. and Baziar, M., 2017. Efficiency of Magnitized Graphene Oxide Nanoparticles in Removal of 2,4-Dichlorophenol from Aqueous Solution. Journal of Mazandaran University of Medical Science. 26, 265-281. (In Persian with English abstract)

Babol Municipality, 2019. Integrated waste management plans of Babol. Deputy of Urban Services, Babol Municipality, Babol, Iran. (In Persian with English abstract)

Chemerys, V. and Baltrėnaitė, E., 2017. Pine-derived biochar as option for adsorption of Cu, Zn, Cr, Pb, Ni and decreasing of BOD5 in landfill leachate. Mokslas-Lietuvos ateitis/Science-Future of Lithuania, 9, 406-412.

Chand, P., Bafana, A. and Pakade, Y.B., 2015. Xanthate modified apple pomace as an adsorbent for removal of Cd (II), Ni (II) and Pb (II), and its application to real industrial wastewater. International Biodeterioration and Biodegradation. 97, 60-66.

Cho, D.W., Yoon, K., Ahn, Y., Sun, Y., Tsang, D.C., Hou, D., Ok, Y.S. and Song, H., 2019. Fabrication and environmental applications of multifunctional mixed metal-biochar composites (MMBC) from red mud and lignin wastes. Journal of Hazardous Materials. 374, 412-419.

Elkady, M., Shokry, H. and Hamad, H., 2020. New activated carbon from mine coal for adsorption of dye in simulated water or multiple heavy metals in real wastewater. Materials. 13, 2498.

Esmaeili, H., Tamjidi, S. and Abed, M., 2020. Removal of Cu (II), Co (II) and Pb (II) from synthetic and real wastewater using calcified Solamen Vaillanti snail shell. Desalination and Water Treatment. 174, 324-335.

Fan, Y., Wang, H., Deng, L., Wang, Y., Kang, D., Li, C. and Chen, H., 2020. Enhanced adsorption of Pb (II) by nitrogen and phosphorus co-doped biochar derived from Camellia oleifera shells. Environmental Research. 191, 110030.

Fathi, S., Rezei Kalantary, R., Rashidi, A. and Karbasi, A., 2017. Removal of hexavalent chromium from water by functionalized magnetic nano porous graphene (NPG/Fe3O4@COOH). Journal of Environmental Studies. 43, 135-148. (In Persian with English abstract)

Foroutan, R., Mohammadi, R., Farjadfard, S., Esmaeili, H., Saberi, M., Sahebi, S., Dobaradaran, S. and Ramavandi, B., 2019. Characteristics and performance of Cd, Ni, and Pb bio-adsorption using Callinectes sapidus biomass: real wastewater treatment. Environmental Science and Pollution Research. 26, 6336-6347.

Ji, Y., Zheng, N., An, Q., Sun, S., Wang, S., Li, X., Li, P., Hua, X., Dong, D., Zhao, C. and Li, Z., 2022. The effect of carbonization temperature on the capacity and mechanisms of Cd (II)-Pb (II) mix-ions adsorption by wood ear mushroom sticks derived biochar. Ecotoxicology and Environmental Safety. 239, 113646.

Han, Y., Cao, X., Ouyang, X., Sohi, S.P. and Chen, J., 2016. Adsorption kinetics of magnetic biochar derived from peanut hull on removal of Cr (VI) from aqueous solution: effects of production conditions and particle size. Chemosphere. 145, 336-341.

Hanandeh, A.E., Mahdi, Z. and Imtiaz, M.S., 2021. Modelling of the adsorption of Pb, Cu and Ni ions from single and multi-component aqueous solutions by date seed derived biochar: Comparison of six machine learning approaches. Environmental Research. 192, 110338.

Iamsaard, K., Weng, C.H., Yen, L.T., Tzeng, J.H., Poonpakdee, C. and Lin, Y.T., 2022. Adsorption of metal on pineapple leaf biochar: Key affecting factors, mechanism identification, and regeneration evaluation. Bioresource Technology. 344, 126131.

Jin, Z., Xiao, S., Dong, H., Xiao, J., Tian, R., Chen, J., Li, Y. and Li, L., 2022. Adsorption and catalytic degradation of organic contaminants by biochar: Overlooked role of biochar’s particle size. Journal of Hazardous Materials. 422, 126928.

Karimi, Y., Marofi, S. and Zare, M.A., 2018. Removal of Lead from Polluted Water Using Corn Silk as a Cheap Biosorbent. Journal of Health Research in Community, Mazandaran University of Medical Sciences. 4, 35-48. (In Persian with English abstract)

Khaefi, F., Hosseinpur, A. and Motaghian, H., 2021. Short-Term Effect of Sewage Sludge Biochar on Availability and Fractionation of Pb in a Contaminated Calcareous Soil. Iranian Journal of Soil Research. 34, 501-513. (In Persian with English abstract)

Kończyk, J., Kluziak, K. and Kołodyńska, D., 2022. Adsorption of vanadium (V) ions from the aqueous solutions on different biomass-derived biochars. Journal of Environmental Management. 313, 114958.

Li, S.Q., Yu, C., Wu, Z.X., Cai, X.Q. and Zha, F.S., 2020. Effect of Kaolin particle size on the removal of Pb (II) from aqueous solutions by Kaolin-supported nanoscale zero-valent iron. Materials Research Express. 7, 045002.

Liu, L., Huang, Y., Zhang, S., Gong, Y., Su, Y., Cao, J. and Hu, H., 2019. Adsorption characteristics and mechanism of Pb (II) by agricultural waste-derived biochars produced from a pilot-scale pyrolysis system. Waste Management. 100, 287-295.

Nguyen, B.T., Dai Dinh, G., Dong, H.P. and Le, L.B., 2022. Sodium adsorption isotherm and characterization of biochars produced from various agricultural biomass wastes. Journal of Cleaner Production. 346, 131250.

Nobari, S., Khodadadi Darban, A. and Jamshidi-Zanjani, A., 2019. Investigation of Lead and Copper Removal from Synthetic Sewage Sludge of Sungun Copper Plant Using Hematite Adsorbent. Journal of Mineral Resources Engineering. 4, 135-149. (In Persian with English abstract)

Pap, S., Boyd, K.G., Taggart, M.A. and Sekulic, M.T., 2021. Circular economy based landfill leachate treatment with sulphur-doped microporous biochar. Waste Management. 124, 160-171.

Puppa, L.D., Ducousso, M., Batisse, N., Dubois, M., Verney, V., Xavier, V. and Delor-Jestin, F., 2020. Poplar wood and tea biochars for trichloroethylene remediation in pure water and contaminated groundwater. Environmental Challenges. 1, 100003.

Rallet, D., Paltahe, A., Tsamo, C. and Loura, B., 2022. Synthesis of clay-biochar composite for glyphosate removal from aqueous solution. Heliyon. 8, e09112.

Saffari, M. Moazallahi, M. and Modiri, S., 2022. Evaluation of Animal Bone and Its Bone Char Application Effects on Desorption Kinetics and Chemical forms of Nickel in a Saline Calcareous Soil. Iranian Journal of Soil and Water Research. 52, 3047-3058. (In Persian with English abstract)

Sakhiya, A.K., Vijay, V.K. and Kaushal, P., 2022. Efficacy of rice straw derived biochar for removal of Pb+2 and Zn+2 from aqueous: Adsorption, thermodynamic and cost analysis. Bioresource Technology Reports. 17, 100920.

Samadi, S., Karkhaneh, A, Moghaddamborna, M. and Zakaria, S.A., 2019.  Removal of Lead (II) and cadmium ions from south Tehran wastewater using zeolite N.P./GO nanocomposites. Journal of Applied Research in Chemistry. 3, 61-73. (In Persian with English abstract)

Sayyadian, K., Moezi, A., Gholami, A., Panahpour, E. and Mohsen far, K., 2020. Different Biochars Production and Their Effect on Removal of Cd (II), Ni (II) and Pb(II) from Irrigation water. Journal of Environmental Science and Technology. 22, 51-63. (In Persian with English abstract)

Shokouhi Rad, A., 2020. The Synthesis of Polyaniline/Fe3O4 to Removal of Lead Ions from Water and Wastewater Samples. Journal of Water and Wastewater. 31, 169-183. (In Persian with English abstract)

Tayebi, H. and Navaei Diva, T., 2018. Adsorption of Cu2+ ions from aqueous solution using surface modification of carbon nanotubes. Journal of Nanomaterials. 10, 189-199. (In Persian with English abstract)

Tomczyk, A., Sokołowska, Z. and Boguta, P., 2020. Biochar physicochemical properties: pyrolysis temperature and feedstock kind effects. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 19, 191-215.

Unugul, T. and Nigiz, F.U., 2020. Preparation and characterization an active carbon adsorbent from waste mandarin peel and determination of adsorption behavior on removal of synthetic dye solutions. Water, Air, and Soil Pollution. 231, 1-14.

Wang, X., Chang, V.W.C., Li, Z., Song, Y., Li, C. and Wang, Y., 2022. Co-pyrolysis of sewage sludge and food waste digestate to synergistically improve biochar characteristics and heavy metals immobilization. Waste Management. 141, 231-239.

Wu, F., Chen, L., Hu, P., Zhou, X., Zhou, H., Wang, D., Lu, X. and Mi, B., 2022. Comparison of properties, adsorption performance and mechanisms to Cd (II) on lignin-derived biochars under different pyrolysis temperatures by microwave heating. Environmental Technology and Innovation. 25, 102196.

Xiang, W., Zhang, X., Cao, C., Quan, G., Wang, M., Zimmerman, A.R. and Gao, B., 2022. Microwave-assisted pyrolysis derived biochar for volatile organic compounds treatment: characteristics and adsorption performance. Bioresource Technology. 355, 127274.

Yu, X.L. and He, Y., 2018. Optimal ranges of variables for an effective adsorption of lead (II) by the agricultural waste pomelo (Citrus grandis) peels using Doehlert designs. Scientific Reports. 8, 1-9.

Zarei, F., Marjani, A. and Hassani Joshaghani, A., 2020. Synthesis and Characterization of Novel Adsorbent Based on Mesoporous Fibrous Silica (KCC-1) for Removal of Heavy Metal from Aqueous Solution via Adsorption Approach. Journal of Water and Wastewater. 31, 58-72. (In Persian with English abstract)

Zhang, J., Gong, J.L., Zenga, G.M., Ou, X.M., Jiang, Y., Chang, Y.N., Guo, M., Zhang, C. and Liu, H.Y., 2016. Simultaneous removal of humic acid/fulvic acid and lead from landfill leachate using magnetic graphene oxide. Applied Surface Science. 370, 335-350.

آمار
تعداد مشاهده مقاله: 13,116
تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 6,913