ساخت جاذب میکرومقیاس با منشا سیانوباکتری به روش هیدروترمال برای پیش‌تغلیظی کادمیم از آب

آلودگی ناشی از فلزات سنگین به دلیل سمیت و تجزیه‌ناپذیری آن‌ها یک خطر بسیار جدی برای محیط‌زیست و همچنین سلامتی بشر محسوب می‌شود. اندازه‌گیری و پایش غلظت‌های ناچیز (حتی کمتر از حد تشخیص دستگاه) در مورد آلاینده‌های خطرناک و زیست پایداری همچون فلز سنگین کادمیم در نمونه‌های آب طبیعی یک ضرورت است. استخراج فاز جامد با استفاده از جاذب‌های کربنی کارآمدترین و رایج‌ترین روش پیش‌تغلیظی فلزات سنگین از نمونه‌های محیطی است. جاذب کربنی مورد استفاده در استخراج فاز جامد باید علاوه بر هزینه کم و زیست‌سازگاری، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مطلوبی داشته باشد. در این پژوهش از یاخته‌های سیانوباکتری آفانوکاپسا به‌عنوان یک پیش‌ماده ارزان‌قیمت برای ساخت یک جاذب میکرومقیاس با استفاده از روش هیدروترمال بهره‌گیری شد. ویژگی‌های کیفی و جذبی این جاذب با استفاده از آزمون‌های تجزیه دستگاهی و آزمایش‌های شیمیایی مبتنی بر کادمیم ارزیابی شد. جاذب ساخته شده به صورت ذرات به نسبت کروی (با اندازه کمتر از 10 میکرومتر) با سطحی ناهموار و سطح ویژه 382/02 مترمربع بر گرم بود. این جاذب به نوعی خاصیت بافری داشت که کارایی جذب کادمیم توسط آن در محدوده وسیعی از ph (3 تا 8) بیش از 90 درصد بود. سطح جاذب به لحاظ گروه‌های عامل اکسیژن‌دار و نیتروژن داری همچون هیدروکسیل، ایزوتیوسیانات و کربونیل غنی بود. هم‌دمای جذب کادمیم بهترین برازش را با مدل غیرخطی فروندلیچ و سرعت جذب کادمیم بهترین برازش را با مدل غیرخطی شبه‌مرتبه دوم داشت. متغیرهای محاسباتی مرتبط با مدل فروندلیچ از جمله شدت جذب نشان داد که جاذب تمایل زیادی به جذب غلظت‌های کم کادمیم دارد. کادمیم بیشترین و کمترین رقابت را برای جذب روی جاذب، به‌ترتیب با کاتیون‌های فلزات قلیایی و کاتیون‌های فلزات سنگین داشت. مقاومت جاذب در برابر افزایش قدرت یونی و غلظت کاتیون‌های رقیب به‌ترتیب برابر با 4 و 20 میلی‌گرم بر لیتر بود. کارایی شست‌وشوی جاذب بارگذاری‌شده در نسبت جاذب به محلول (1 به 1000)، در غلظت 0/3 نرمال و حجم 160 میکرولیتر شوینده (اسید نیتریک) به بیشترین مقدار خود رسید. با توجه به یافته‌های این پژوهش می‌توان گفت جاذب کربنی با منشا سیانوباکتری آفانوکاپسا به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد خود می‌تواند جاذب کارآمدی برای استفاده در استخراج فاز جامد کادمیم به‌منظور کاهش آلودگی زیست‌محیطی باشد.

production of cyanobacterial microscale adsorbent by hydrothermal method for pre-concentration of cadmium from water

heavy metal pollution is considered a serious risk to the environment and human health due to its toxicity and indestructibility. measuring and monitoring little concentration (even lower than the detection limit of the device) in the case of dangerous and biostable pollutants such as cadmium in natural water samples is a necessity. solid-phase extraction using carbon adsorbents is the most efficient and common method of pre-concentration of heavy metals from environmental samples. the carbon adsorbent used in solid phase extraction must have favorable physical and chemical characteristics, along with low cost and biocompatibility. in this research, aphanocapsa cyanobacterial cells were used as a cheap precursor to make a microscale absorbent using the hydrothermal method. the qualitative and absorption characteristics of this adsorbent were evaluated using instrumental analysis tests and chemical tests based on cadmium. the absorbent is made in the form of relatively spherical particles (with a size of less than 10 micrometers) with a rough surface and a specific surface area of 382.02 square meters per gram. the efficiency of cadmium absorption of absorbent was in a wide range of ph (3 to 8) and more than 90% due to the buffering effect. the absorbent surface was rich in oxygen and nitrogen functional groups, such as hydroxyl, isothiocyanate, and carbonyl. the cadmium absorption isotherm was the best fit with the freundlich nonlinear model, and the cadmium absorption rate was the best fit with the pseudo-second-order nonlinear model. the calculation variables related to the freundlich model, including the inverse of the absorption intensity, showed that the adsorbent has a great tendency to absorb low concentrations of cadmium. cadmium had the most and least competition for absorption on the adsorbent with alkali metal cations and heavy metal cations, respectively. the resistance of the adsorbent against the increase of ionic strength and the concentration of competing cations was equal to 4 and 20 mg/liter, respectively. the washing efficiency of the adsorbent loaded in the adsorbent-to-solution ratio (1:1000), at a normal concentration of 0.3 and a volume of 160 microliters of detergent (nitric acid), reached its maximum value. according to the findings of this research, the carbon adsorbent originating from the cyanobacterium aphanocapsa can be an efficient adsorbent to use in the solid phase extraction of cadmium to reduce environmental pollution due to its unique properties.