بررسی پارامترهای فرایندی و مدل‌سازی نمودارهای شکست جذب زیستی توریم در یک ستون بستر ثابت با جاذب پوست پرتقال

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده‌ی مواد و سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران

2 دانشکده‌ی مهندسی شیمی، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

چکیده

هدف از این پژوهش، بررسی پارامترهای فرایندی و مدل­‌سازی نمودارهای شکست جذب زیستی فلز سنگین توریم با جاذب پوست پرتقال از محلول­‌های آبی در حالت جریان پیوسته‌­ی ستون در یک بستر ثابت است. برای این منظور، آزمایش­‌هایی با اندازه­‌ی ذرات جاذب (0.4 تا mm2)، نرخ جریان (1.5 تا mL/min6)، ارتفاع بستر (4 تا cm8) و غلظت اولیه­­‌ی فلز (30 تا mg/L90) در pH بهینه‌­ی 3.8 و دمای C˚25 بررسی شده است. جاذب با اندازه­‌ی ذرات 0.4 تا mm0.8 بیش­ترین ظرفیت جذب ستونی به میزان mg/g87.7 داشت. مشاهده شد که با کاهش ارتفاع، افزایش غلظت ورودی و افزایش نرخ جریان، نقطه­‌ی شکست نمودار کاهش می­‌یابد. هم­چنین با کاهش اندازه­‌ی ذرات جاذب و نرخ جریان محلول ورودی به ستون، ظرفیت جذب ستون افزایش می­‌یابد. نتایج آزمایشگاهی به کمک مدل­‌های توماس، یان و مدل مقدار - پاسخ اصلاح شده (MDR) برازش شد. با توجه به نتایج به دست آمده می‌­توان گفت مدل‌­های یان و MDR تطابق بهتری با نتایج تجربی دارند. نتایج آنالیز XRF و غلظت یون­‌های کلسیم و پتاسیم در محلول خروجی از ستون نشان دادند که تبادل یون برای جذب توریم روی جاذب پوست پرتقال، سازوکار غالب است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Process Parameters and Breakthrough Modeling of Thorium Biosorption on Orange Peel in a Fixed-Bed Column

نویسندگان [English]

  • A.A Gh. Khamseh 1
  • Sina Pourian 2
  • S. A Ghorbanian 2
چکیده [English]

The aim of this research work is the investigation of process parameters and breakthrough modeling of thorium biosorption on orange peel in a fixed-bed column. For this purpose, a number of  experiments have been performed on the surbents with diameters (0.4–2 mm), flow rates (1.5-6 mL/min), bed heights (4-8 cm) and feed inlet concentration (30-90 mg/L) at 25˚C and optimized pH of 3.8. The highest sorption capacity of 87.7 mg/g, occurred for the sorbents with 0.4-0.8 mm in diameter. The breakthrough point decreased with decreasing the bed height, increasing feed inlet concentration and increasing flow rate. Meanwhile, the sorption capacity increased with decreasing the bed height and flow rate. The experimental results were fitted by Thomas, Yan and Modified Dose-Response (MDR) models. Based on the experimental outcomes, the Yan and MDR models showed better results in comparison with the Thomas model. The XRF analysis results and calcium and potassium concentrations in the outlet stream of the bed showed that the ion exchange mechanism of the thorium biosorption by the orange peel sorbent is superior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biosorption
  • Adsorption Column
  • Thorium
  • Orange Peel
  • Continuous Adsorption Modeling
  • Adsorption Mechanism
[1] K. Furukawa, K. Arakawa, A road map for the realization of global-scale thorium breeding fuel cycle by single molten-fluoride flow, Energy Conv. and Manag. 49 (2008) 1832-1848.

 

[2] M.S. Wickleder, B. Fourest P.K. Dorhout, The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 4th edition, Springer,  Vol. 1 (2010) 52-55.

 

[3] K.C. Bhainsa, S.F. D’Souza, Thorium biosorption by Aspergillus fumigatus, a filamentous fungal biomass, J. Hazard. Mat.165 (2009) 670-676.

 

[4] B. Volesky, Sorption and Biosorption, BV-Sorbex, Inc., Canada, (2003).

 

[5] H.F. Walton, R.D. Rocklin, Ion Exchange in Analytical Chemistry, CRC Press, Boca Raton, FL, (1990).

 

[6] R. Keim, Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry, Uranium Supplement, Cation-Exchange and Chromatography, Springer-Verlag, Berlin, (1993).

 

[7] N. Demirel, M. Merdivan, Thorium (IV) and uranium (VI) sorption studies on octacarboxymethyl–C–methyl calixresorcinarene impregnated on a polymeric support, Analytica Chimica Acta 485  (2003) 213-219.

 

[8] Z. Talip, M. Eral, U. Hicsonmez, Adsorption of thorium from aqueous solutions by perlite, J. Environ.  Radio. 10 (2009) 139-143.

 

[9] M. Metaxas, V. Kasselouri-Rigopoulou, P. Galiatsatou, C. Konstantopoulou, D. Oikonomou, Thorium removal by different adsorbents, J. Hazard. Mat. 97 (2003) 71-82.

 

[10] A. Dyer, L.C. Jozefowicz, The removal of thorium from aqueous solutions using zeolites, J. Radio. Nucl. Chem. 159 (1992) 47-62.

 

[11] U. Kumar, Agricultural products and by-products as a low cost adsorbent for heavy metal removal from water and wastewater: A review, Scient. Res.and Essay 1 (2006) 33-37.

 

[12] F. Fu, Q. Wang, Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review, J. Environ. Manag. 92 (2011) 407-418.

 

[13] M. Ghasemian, A.R. Keshtkar, R. Dabbagh, S.J. Safdari, Biosorption of uranium (VI) from aqueous solutions by Ca-pretreated Cystoseira indica alga: Breakthrough curves studies and modeling, J. Hazard. Mat. 189 (2011) 141-149.

[14] D. Lu, Q. Cao, X. Li, X. Cao, F. Luo, W. Shao, Kinetics and equilibrium of Cu (II) adsorption onto chemically modified orange peel cellulose biosorbents, Hydrometallurgy 95 (2009) 145-152.

 

[15] S. Schiewer, M. Iqbal, The role of pectin in Cd binding by orange peel biosorbents: A comparison of peels, depectinated peels and pectin acid, J. Hazard. Mat. 177 (2010) 899-907.

 

[16] A. Chatterjee, S. Schiewer, Biosorption of Cadmium (II) Ions by Citrus Peels in a Packed Bed Column: Effect of Process Parameters and Comparison of Different Breakthrough Curve Models', Clean-Soil Air Water 39 (2011) 874-881.

 

[17] A.B. Perez Marin, M.I. Aguilar, V.F. Meseguer, J.F. Ortuno, J. Saez, M. Llorens, Biosorption of chromium (III) by orange (Citrus Sinensis) waste: Batch and continuous studies, Chem. Eng. J. 155 (2009) 199-206.

 

[18] A. Movafaghpour, Kinetic and isotherm studies for biosorption of Thorium on orange peel, Tehran University, M.SC. Thesis (2013).

 

[19] E. Malkoc, Y. Nuhoglu, Removal of Ni (II) ions from aqueous solutions using waste of tea factory: Adsorption on a fixed-bed column, J. of Hazard. Mat. 135 (2006) 328-336.

 

[20] M. R. Lasheen, N. S. Ammar, H. S. Ibrahim, Adsorption/desorption of Cd (II), Cu (II) and Pb(II) using chemically modified orange peel: Equilibrium and kinetic studies, Solid State Sciences 14 (2012) 202-210.

 

[21] Thomas, H. C., Heterogeneous ion exchange in following system, J. Am. Chem. Sec. 66 (1994) 1646-1664.

 

[22] Z. Aksu, F. Gonen, Biosorption of phenol by immobilized activated sludge in a continuous packed bed: prediction of breakthrough curves, Process Bioch. 39 (2004) 599-613.

 

[23] R. Gnanasambandam, A. Proctor, Determination of pectin degree of esterification by diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, Food Chem. 68 (2000) 327–332.