اثر کربن فعال بر حذف آلاینده های مضر آب آرشیو مقالات

پیش‌گفتار

مواد بدست آمده در کارخانه‌های داروسازی، پیش‌ماده‌ها و متابولیت های آنها همراه با فاضلاب تصفیه نشده وارد تاسیاست گندزدایی آب می‌شوند . روش های تصفیه مورد استفاده در تاسیسات تصفیه آب شهرها، برای حذف آنها از فاضلاب به اندازه کافی موثر نمی باشند. با توجه به این داده‌ها، در فاضلاب هایی که از تاسیسات تصفیه شهری عبور کرده اند، چیزی در حدود 170 مرحله ی آماده سازی مختلف دارویی شناسایی شد.

بنابراین جانداران آبزی پیوسته در معرض اثرات پیچیده‌ ترکیب آماده‌سازی‌های دارویی  هستند. فعالیت مواد PP با سمیت حاد و مزمن برای جانداران آبزی و خطر بالقوه‌ای برای سلامت انسان مشخص شده است. بعلاوه، نتیجه‌ ریختن آماده‌سازی‌های پزشکی و متابولیت‌های آنها در آب، شکل‌گیری مقاومت ژنتیکی به PP در ریزجانداران موجود در تاسیسات تصفیه و در آب آشامیدنی است. 

حذف عمیق انتخابی PP از آب را می‌توان با استفاده از روش‌های جذب انجام داد. مواد شیمایی با اهداف خاص که اغلب جزو آماده‌سازی‌های پزشکی هستند با گسترش نسبتا گسترده‌ ماده مولکولی مشخص شده‌اند که اهمیت ارزیابی احتمال استفاده از کربن‌های فعال (AC) با ساختار مختلف منفذ و شیمی سطح برای حذف جذب سطحی PP از آب مشخص شده‌اند.

استفاده از کربن‌های فعال با منافذ ریز برای تصفیه آب آنتی بیوتیک‌ها، آماده‌سازی‌های ضد اشتعالی و داروهای دردزا، داروهای ضد درد و مسکن‌ها، که بیشترین استفاده را دارند در منابع بررسی شده‌است. بطور مشخص، جذب متوازن در مورد ناپروکسین، کاربامازپین،پرمیدون، ایبوبروفن و دیکلوفناک روی دستگاه کالگون فیلترابزورب 300 (300F) و 400 (400F) جاذب براساس پوسته نارگیل PICA CTIF TE بررسی شد.

در همان حال، استفاده از روش‌های جذب سطحی در تصفیه آب‌های حاوی آماده‌سازی‌هایی از جمله سولفانیلامید، سولفاتیازول، لوامیزول و نوواکین به اندازه کافی بررسی نشده است.

هدف این مقاله، تعیین کارایی حذف مواد فعال PP بوسیله کربن‌های فعال از فاز آب در شرایط توازن است. مشکل بررسی شامل بررسی موازنه اکولوژی جذب سطحی وابسته به ظرفیت جاذب‌ها برحسب شیمی سطح کربن فعال و خصوصیات فیزیک شیمی PP، محاسبه‌ی انرژی جذب  است.

نتایج تجربی

آماده‌سازی‌های زیر: سولفانیلامید، سولفاتیازول، لوامیزول و نوواکین (ماده عامل؛ پروکئین) به عنوان هدف پژوهش انتخاب شدند. معیار اصلی انتخاب، تولید انبوه و کاربرد آنها در پزشکی و دامپزشکی بود.

آماده‌سازی‌های سولفانیلامید (سولفانیلامید و سولفانیدازول) دارای اثر جلوگیری از تولید باکتری است؛ پروکئین به عنوان یک داروی بیهوشی عطری برای بیهوشی موضعی استفاده شده؛ لوامیزول حاوی یک بخش ایمیدازوتیازول دارای طیف گسترده‌ای از عمل است.

در محلول‌های آبی با pH از 4 تا 9 مولکول سولفانیلامید در اندازه کوچک یونیزه شده‌اند بنابراین انحلال‌پذیری آنها واقعا وابسته به pH نیست. انحلال‌پذیری سولفاتیازول، پروکئین و لوامیزون به علت توانایی مولکول‌های ماده‌ها برای یونیزه شده، قویا به pH وابسته است. سولفاتیازول در یک واسط اسیدی تقریبا نامحلول است درحالیکه در یک واسط قلیایی انحلال‌پذیری آن به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. لوامیزول و پروکئین در یک واسط قلیایی واقعا نامحلول هستند درحالیکه در یک واسط خنثی و بخصوص یک واسط اسیدی انحلال‌پذیری به شدت افزایش می‌یابد. 

Filtrasorb F400  کالگون با کربن فعال در تصفیه آب و توسعه آن در موسسه جذب سطحی و مشکلات اندواکولوژی، NAS اوکراین و کربن فعال هسته درشت (KAU) استفاده گسترده‌ای دارد که نشان داده عملکرد خوبی در حذف فنول‌های مشتق کلرین و نیترو و SAS دارد که به عنوان جادب‌هایی برای تصفیه از موادفعال PP در پژوهش انتخاب می‌شوند. خصوصیات ساختار منفذدار جاذب‌ها با استفاده از تحلیل جذب سطحی همدمای نیتروژن از فاز گازی در دمای 77 کلوین و n کلرانیلین از فاز آبی در k290 بود (جدول1).

جدول 1 خصوصیات ساختاری- جذب سطحی کربن‌های فعال

حجم ریزمنفذها و حجم کل جدب کربن فعال تعیین شده توسط آن در جذب از فاز گاز بزرگتر است. مولکول‌های جذب شونده مرجع؛ نیتروژن در مقایسه با مولکول‌های n کلرانیلین ابعاد ون در والز کوچکتری دارد در نتیجه کمترین اندازه منافذ قابل دسترسی برای جذب سطحی آنها کوچکتر خواهد بود. جذب متقابل مولکول‌های حلال و جذب شونده که برعلیه نیروهای جذب سطحی عمل می‌کند نسبت به جذب مولکول‌های جذب شونده بین خود آنها اساسی‌تر است، که منجر به پرشدن تک مولکولی لایه جذب می‌شود. بار دیگر در جذب از محلول آبی، بیشترین اندازه منافذی که مکانیزم حجمی پرکردن دارند کوچکتر خواهد بود زیرا در این صورت برای پرکردن با افزایش انرژی جذب انتخابی، منافذ مسئولی هستند که ابعادشان بیشتر از دو قطر مولکول جذب شده نیست. خصوصیات ساختار جذب سطحی بدست آمده در جذب سطحی از فاز آبی کاملا بازتاب دهنده خصوصیات واقعی جاذب برای استفاده بیشتر در تصفیه آب است.

علاوه بر ساختار آن، فرایندهای جذب سطحی تحت تاثیر شیمی سطح جذب کننده‌ها هستند (جدول2). ظرفیت‌های تبادل استاتیک تبادل کاتیون و آنیون (KCOE و ACOE) با روش بوهم تعیین شدند.

جدول 2 توزیع گروه‌های کارکردی سطح کربن‌های فعال

مشخص شد که هردو جاذب مقدار کمی از گروه سطحی دارند. یکی از ویژگی‌های مشخص کربن‌ها شیوع گروه‌های تبادل آنیون درحالیکه بیشتر گروه‌های تبادل کاتیون‌ شامل اسید ضعیف هستند.

نتایج و بحث

براساس داده‌های بدست آمده ما تفاوت‌های اساسی در جذب سطحی PP بررسی شده توسط کربن‌های فعال 400F و KAU یافتیم (شکل را ببینید). 

بررسی جذب همدمایی PP در شرایط پایدار در کل وابستگی معکوس بین انحلال‌پذیری ماده و کارایی حذف آن از محلول برای ناحیه غلظت متوسط را نشان داد. بنابراین در محدوده مقادیر محلول‌های متوازن، سولفانیمید یکی از کوچکترین مقادیر انحلال‌پذیری همراه با سولفاتیازول را دارد و با بالاترین مقدار جذب سطحی روی هردو کربن مشخص شده است. 

اثر اصلی کارایی جذب ماده جاندار از فاز آب با مقدار تخلخل قابل دسترسی جاذب انجام شده است. این پارامتر به ابعاد و فضای مولکول‌های جذب سطحی و همچنین ساختار متخلخل جاذب وابسته است. شعاع کمینه محاسبه شده از تابش مولکول به صفحه شامل 357/0 نانومتر در سولفانیمید و 456/0 نانومتر در سولفاتیازول است. این شاهدی است بر اینکه حتی منافذ شعاع کمینه (جدول 1 را ببینید) برای پرکردن حجمی برای مولکول‌های مواد تحت بررسی قابل دسترس هستند، زیرا شعاع متوسط منافذ کربن فعال مورد بررسی طبق داده‌های جذب سطحی از فاز آب 7/0- 57/0 نانومتر هستند. بعلاوه، خصوصیت مهم دیگر آن ناحیه تابش مولکولی بر صفحه با شعاع مشخص مولکول یا همان صفحه فرود است. برای سولفانیمید این مقدار  507/0است که کمی بزرگتر از محل فرود مولکول n کلورانیلین  است. متعاقبا، برای جذب سطحی سولفانیمید، ریزمنافذ بیشتری نسبت به سولفاتیازول  در دسترس است که در نظم جذب آنها بازتاب شده است (شکل را ببینید). 

باید اشاره کرد که انحلال‌پذیری پروکئین بیشتر از لوامیزول است. هرچند، به علت خصوصیات فضای لوامیزول- چرخه‌های بنزن و ایمیدازوتیازول در صفحه‌های واقعا عمودی مرتب شده‌اند- احتمال ترتیب محکم مولکول‌ها روی سطح کربن کاهش یافته و بنابراین قدرت جذب سطحی انتخابی آن کاهش می‌یابد. مشخص است که پیکره‌بندی ساده‌تر مولکول پروکئین احتمال دوری از مشکلات مشابه قرارگرفتن اتم‌ها در جذب سطحی در منافذ کربن فعال را محتمل می‌کند. یک صفحه فرود بزرگ از پروکئین (749/0 در مقابل  611/0) به تعامل جذب بزرگتری نسبت به سطح کربن اشاره دارد که مزایای بیشتری از نظر کارایی حذف آن در مقایسه با لوامیزول دارد.

مقادیر جذب PP در ناحیه غلظت توازن متوسط روی 400F مشخص شد که در کل 20/-5% بزرگتر از کربن KAU است. بطور مشخص برای سولفانیمید در غلظت توازن مقادیر جذب روی 400F 13% بالاتر هستند (شکل را ببینید). شاید این به حجم منافذ ریز قابل دسترس برای جاذب مرتبط باشند. داده‌های ساختار کربن فعال (جدول 1 را ببینید) به مزیت ناچیز 400F در حجم منافذ ریز و حجم جذب عمومی در KAU اشاره دارد.

بیشترین مقدار عملی بوسیله مقادیر جذب سطحی توازن در ناحیه غلظت بسیار پایین  نشان داده شده است. هرچند، تعیین آنها همراه است با مشکلات تحلیلی؛ لزوم استفاده از روش‌های فوق حساس و طراحی مواد، که باعث افزایش خطای تحلیل نتایج بدست آمده می‌شود. در این مورد پیش‌بینی مقادیر جذب سطحی در ناحیه غلظت کم با استفاده از مدلهای جذب سطحی مختلف امری حیاتی است.

پیش‌بینی مقادیر جذب PP روی کربن فعال محاسبه شده با استفاده از مدل فرندلیش تفاوت اساسی در نظم جذب برای ناحیه غلظت‌های توازن  در مقایسه با ناحیه غلظت متوسط را نشان داد. بنابراین در غلظت باقیمانده در محلول PP  جذب روی KAU در سری‌های پروکئین (mg/g38) سولفانیمید(mg/g31)  > سولفاتیازول (mg/g28) > پروکئین(mg/g31) > لوامیزول (mg/g26) > سولفانیمید (mg/g23) کاهش می‌یابد. 

در ناحیه pH محلول‌های توازن ایزوترم‌های سولفانیمید و سولفاتیازول در کربن فعال (28/8- 85/6) سطح KAU بطور برجسته دارای شارژ منفی خواهد بود درحالیکه سطح 4000F – مثبت خواهد بود زیرا شارژ نقطه صفر KAU در ناحیه اسید ضعیف است درحالیکه 400F- در ناحیه قلیایی ضعیف است.

سولفانیمید در این ناحیه pH واقعا غیرگسسته است و مشخصا به علت شکل‌گیری پیوند هیدروژن با گروه‌های آمینو می‌تواند وارد تعامل با گروه‌های سطح کربن شود. سطح KAU در مقایسه با 400F شامل گروه‌های کربوکسیل بیشتری است که می‌تواندمنجربه مقدار جذب بیشتر مولکول‌های سولفانیمید شود. 

مولوکول‌های سدیم سولفاتیازول در یک محلول آبی بسیار رقیق اندکی از بدست آوردن شارژ منفی جدا می‌شوند. سولفاتیازول آنیون- تبادل کننده فرصت تعامل با مراکز شارژ شده مثبت روی سطح کربن فعال را بدست می‌آورد. 400F در مقایسه با KAU دارای گروه‌های تبادل آنیون بیشتری است و درکل با شارژ مثبت ضعیف سطح مشخص شده که مشخص می‌کند روی 400F جذب سطحی موثرتری دارد.

مولکول پروکئین حاوی کسر آنیلین است و بنابراین جذب سطحی آن روی کربن فعال باعث افزایش مراکز سطح اسید می‌شود که تعداد آنها روی KAU بزرگتر از 400F است. 

مولکول‌های لوامیزول دارای شارژ منفی روی یک اتم نیتروژن سوم از چرخه ایمیدازوتیال هستند. شاید آن به علت جذب بصورت مشکولی باعث افزایش سطح شارژ مثبت 400F شود. 

بنابراین، نتایج بررسی‌های انجام شده نشان داد که هر دو کربن فعال در خصوص PP وابستگی جذب نشان می‌دهند؛ KAU با 28% کارایی از سولفانیمید آب و با 22% پروکئین حذف می‌شود درحالیکه 400F دارای 45% ظرفیت جذب بیشتری نسبت به سولفاتیازول است و متعاقبا 117% نسبت به لوامیزول.

ما کاهش انرژی جذب گیب مواد بررسی شده روی کربن فعال را براساس ایزوترم‌های تجربی بدست آمده از جذب محاسبه کردیم (جدول 3 را ببینید). گسترش محدوده مقادیر کاهش پتانسیل جذب PP روی کربن‌های بررسی شده بیشتر از 10% نیست.

جدول3. پتانسیل‌های جذب ایزوبار- ایزوترمال ماده روی جاذب‌های فعال KAU، 400F و دوده غیرمتخلخل

انرژی جذب سطحی گیب این ماده به اندازه کافی بالا است که امکان قضاوت در مورد انرژی قابل ملاحظه از کربن فعال با ریزمنفذ و چشم‌انداز خوب برای استفاده از کربن‌های KAU و 400F برای خالص کردن آلودگی‌های مورد مطالعه را فراهم می‌کند.

برنامه ریزی شده در آینده انرژی جنبشی جذب سطحی آماده‌سازی‌های پزشکی بررسی شده روی کربن فعال همچنین جذب سطحی در شرایط پویا بررسی شوند. 

نتیجه‌گیری

مشخص شده که اصولا جاذب‌های ریزمنفذ KAU و 400F دارای ظرفیت جذب بالا نسبت به PP می‌باشند که کارایی جذب در ناحیه غلظت‌های توازن 0/1-1/0 در سری‌های سولفانیمید > سولفاتیازول > پروکئین > لوامیزول کاهش می‌یابد.

مقادیر جذب سطحی در ناحیه غلظت‌های توازن کم (نزدیک به صفر) در سنجش بزرگ توسط طبیعت، مقدار و وضعیت گروه‌های سطح کربن فعال و واحدهای ساختاری PP تعیین شده‌اند.

برای حذف کارامد از آب ترکیب PP با ویژگی‌های فیزیک شیمیایی مختلف انتظار می‌رود فیلترهای ترکیبی براساس جاذب‌های ریزمنفذ با شیمی سطح متفاوت ساخته شود.