Investigation of the Efficiency, Kinetics and Isothermic Behavior of Hexavalent Chromium Adsorption from Aqueous Solutions by Using Bioactive Adsorbents (Oak, Pomegranate and Egg Shell)

Document Type : Research Paper

Authors

• eisa solgi ¹
• Masoud Hatami-manesh ²

¹ Associate Professor, Department of Environment, Faculty of Natural Resources and Environment, ‎Malayer University, Malayer, Iran

² ‎, Department of Environment, Faculty of Natural Resources and Environment, Malayer University, ‎Malayer, Iran

Abstract

Chromium is one of the most important pollutants in aquatic environments that, at high concentrations, cause different ecological threats and health risks for human society. Thus, it is very necessary to remove it from aquatic Solutions. Therefore, the aim of this study was to investigate the efficiency of removal hexavalent chromium by biological absorbers (oak, pomegranate, and egg shell), and the study of isotherm and kinetics of their absorption. In order to achieve to the optimal removal of chromium, the variables affecting on adsorption process such as pH, coagulation speed, reaction time and initial concentration of adsorbent material were investigated. Also, for adsorption isotherms and kinetics study the first order and second order pseudo kinematic models and Langmuir and Freundlich isotherms were used. The results showed removal efficiency of Cr increased with increasing the dose of adsorbent, contact time, and coagulation speed. But by changing the pH, depending on the absorbent type, the absorption efficiency was changed and the highest absorption efficiency for egg, oak and pomegranate shell was obtained at pH 10, 4 and 2, respectively. The kinetics was second-order for all three adsorbents and absorption isotherms from the Freundlich model for egg and pomegranate and for oak shell was more consistent with Langmuir model. According to the obtained results can be concluded that egg, oak and Pomegranate shell respectively, have high more efficiency in removing hexavalent chromium from aqueous solutions.

Keywords

• Heavy Metals
• Chromium
• Kinetic Models
• Adsorption Isotherm
• Aqueous Solution

20.1001.1.22285946.1398.10.37.6.5

---

References

1-Y. Wang, M. Qiao, Y. Liu and Y. Zhu, "Health risk assessment of heavy metals in soils and vegetables from wastewater irrigated area, Beijing-Tianjin city cluster, China", Journal of Environmental Sciences, Vol. 24, pp.690-698, 2012.

2-C. Men, R. Liu, F. Xu, Q. Wang, L. Guo and Z. Shen, "Pollution characteristics, risk assessment, and source apportionment of heavy metals in road dust in Beijing, China", Science of The Total Environment, Vol. 612, pp.138-147, 2018.      

3- ث. مرتضوی و م. حاتمی‌منش،" سنجش بار آلودگی فلزات سنگین در رسوبات و گیاه آبزی علف چشمه (Nasturtium microphyllum)  رودخانه بشار یاسوج"، مجله مهندسی بهداشت محیط، دوره 5، شماره 2، ص ۱۵۷-۱۷۲ ، سال 1396.       

4-X. Yang, J. Duan, L. Wang, W. Li, J. Guan, S. Beecham and D. Mulcahy, "Heavy metal pollution and health risk assessment in the Wei River in China", Environmental monitoring and assessment,  Vol. 187, pp.111-119, 2015.  

5-M. Mendoza-Carranza, A. Sepúlveda-Lozada, C. Dias-Ferreira and V. Geissen, "Distribution and bioconcentration of heavy metals in a tropical aquatic food web: a case study of a tropical estuarine lagoon in SE Mexico", Environmental Pollution, 210, pp.155-165, 2016.

6- R. Ghosh, A. Sahu, S. Pushpavanam, "Removal of trace hexavalent chromium from aqueous solutions by ion foam fractionation", Journal of hazardous materials, Vol. 367, pp. 589-598, 2019.

7- Y.G. Gu, H.H. Huang and Q. Lin, "Concentrations and human health implications of heavy metals in wild aquatic organisms captured from the core area of Daya Bay’s Fishery Resource Reserve, South China Sea", Environmental toxicology and pharmacology, Vol. 45, pp. 90-4, 2016.       

8- J. Zhou, Y. Wang, J. Wang, W. Qiao, D. Long and L. Ling, "Effective removal of hexavalent chromium from aqueous solutions by adsorption on mesoporous carbon microspheres", Journal of colloid and interface science, Vol. 462, pp. 200-207, 2016. 

9- M.R. Samani, D. Toghraie, "Removal of hexavalent chromium from water using polyaniline/wood sawdust/poly ethylene glycol composite: an experimental study". Journal of Environmental Health Science and Engineering, Vol. 17, pp. 53-62, 2019.

10- ا. انتظاری، ر. خسروی، ف. ارغوان، ع.ا. تقی­زاده، م. خدادادی و ه. اسلامی، "بررسی حذف کروم شش طرفیتی از محلول­های آبی با استفاده از کربن فعال گرانولی و پودری تولید شده از دانه اسپند"، مجله علوم پزشکی رفسنجان، دوره 15 شماره7، ص 656- 645، سال 1395.

11- ف. ارغوان، ر. خسروی، ع.ا. تقی­زاده، م. تقوی، ا. انتظاری، م. خزاعی و ر. فلاح زاده،" بررسی کارایی حذف کروم شش ظرفیتی از محلول­های آبی با استفاده از کربن فعال پودری تولید تحت تاثیر امواج فراصوتی"، مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند، دوره 23، شماره 3، ص 245- 235، سال 1395.        

12- ا. محمدپور، م. ر. یافتیان، ع. زمانی، پ. غربانی،" مطالعه کارائی زیست فیلتر ستونی چای کمپوست برای حذف برخی یون‌های فلزی سنگین از محلول‌های آبی"، فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین, دوره 7, شماره 28, ص 67-80، سال 1396.          

13- س.م. قاسمی، ح. اصغرنیا، م. علی­محمدی، ع. احمدنژاد، د. بلارک و ک. کریمیان، "بررسی سینیتیکی وایزوترمی حذف روی از آب به وسیله پوسته بلال طبیعی و اصلاح شده با اسید تارتاریک"، مجله مهندسی بهداشت محیط، دوره 4 شماره1، ۵۸-۶۹، سال 1395.      

15- A. Bhatnagar, A. K. Minocha, "Biosorption optimization of nickel removal from water using Punica granatum peel waste, Colloids and Surfaces B": Biointerfaces, Vol. 76, pp. 544-548, 2010.

15- ن. ناصح، ل. تقوی، ب. باریکبین، ع. حریفی، "بررسی کارآیی حذف کروم ششظرفیتی از محلولهای آبی، با استفاده از جاذب طبیعی پوسته سبز بادام و خاکستر حاصل از آن"، مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند، دوره 2، شماره 3؛ 220-213، سال 1392.

16- س. زارعی ، م. دهواری ، ب. جمشیدی، م. سعدانی، "بررسی ایزوترم و سینتیک جذب نیکل توسط خاکستر میوه بلوط از محلول‌های آبی"، مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان، دوره 13 شماره 9، ۸۹۷-۹۰۸، سال 1393.

17- ب. شمسی­زاده، ح. اسماعیلی، "مطالعه رفتار سینتیکی و تعادلی جذب یون کادمیم از محلول آبی با استفاده از نانو ذرات پوست تخم مرغ"، نشریه محیط زیست طبیعی ، دوره 70، شماره 1، 99-112، سال 1396.

18- ص. قاسمی و ر. مافی غلامی، "بررسی حذف کادمیوم توسط خاک‌اره درخت کنار از پساب سنیتیک و تعیین ایزوترم‌ها و سینتیک جذب"، مجله اکوبیولوژی تالاب، دوره 3، شماره7، ص 80-68، سال 1394.         

19- I. Langmuir. "The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum, Journal of the American Chemical Society, Vol. 40,pp 1361–1403, 1918.

20- H.M.F. Freundlich. " Über die adsorption in lösungen ", Zeitschrift für Physikalische Chemie, Vol 57, pp 385–470, 1906.          

21- Y.S. Ho, G. McKay, "Kinetic models for the sorption of dye from aqueous solution by wood", Journal of Environmental Science and Health Part B, Vol 76 , pp183–191,1998.        

22- Y.S. Ho, G. McKay, Pseudo-second-order model for sorption processes, Process Biochemistry. Vol 34, pp 451–465, 1999.          

23- R. Kaur, J. Singh, R. Khare, S.S. Cameotra and A. Ali, "Batch sorption dynamics, kinetics and equilibrium studies of Cr (VI), Ni (II) and Cu (II) from aqueous phase using agricultural residues", Applied Water Science, Vol. 3, pp. 207-18, 2013.

24- K.A. Krishnan, K. G. Sreejalekshmi and R. S. Baiju, "Nickel (II) adsorption onto biomass based activated carbon obtained from sugarcane bagasse pith", Bioresource Technology, Vol102, pp. 10239-47, 2011.     

25- R. Vimala and N. Das, "Biosorption of cadmium (II) and lead (II) from aqueous solutions using mushrooms: a comparative study", Journal of hazardous materials, Vol. 168, pp.376-82, 2009.  

26- K.M. Sreenivas, M. B. Inarkar, S. V. Gokhale and S. S. Lele, "Re-utilization of ash gourd (Benincasa hispida) peel waste for chromium (VI) biosorption: Equilibrium and column studies", Journal of Environmental Chemical Engineering, Vol. 2, pp. 455-62, 2014.      

27- E. S. El-Ashtoukhy, N.K. Amin and O. "Abdelwahab, Removal of lead (II) and copper (II) from aqueous solution using pomegranate peel as a new adsorbent", Desalination, Vol. 223, pp.162-73, 2008.

28- R. S. Orozco, P.B. Hernández, G.R. Morales, F.U. Núñez, J.O. Villafuerte, V.L. Lugo, N.F. Ramírez, C.E. Díaz and P. C. Vázquez, "Characterization of lignocellulosic fruit waste as an alternative feedstock for bioethanol production", BioResources, Vol. 9, pp.1873-85, 2014.

29- Z. Shamohamadi and M. Khaje, "Sdudy of Effect Variation Dosage Absorbent Sawdust on Uptake kinetics in Aqueous Solution", Journal of Environmental Studies, Vol. 36, pp. 61-68, 2011.

30- ق. عسکری، ع. صیدمحمدی ، ج. مهرعلی پور و ع. احمدزاده، "بررسی جذب فلوراید با استفاده از پودر تهیه شده از پوسته حلزون از محیط های آبی"، مجله علمی پژوهان، دوره 11 شماره 2، ص ۳۹-۴۷، سال 1391.

31- V.K.Gupta, A. Rastogi, A. Nayak, " Adsorption studies on the removal of hexavalent chromium from aqueous solution using a low cost fertilizer industry waste material", Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 342, pp.135-141, 2010.

32- ه. مریخ­پور، س. سبحان اردکانی،" ارزیابی کارایی جاذب نانو رس بنتونیت در حذف کروم و کبالت از محلولهای آبی: مطالعه سینتیک و ایزوترم جذب"، مجله دانشکده علوم پزشکی نیشابور، دوره 5 ،شماره 3، 9-25، سال 1396.      

33- V. Lugo-Lugo , C. Barrera-Díaz , F. Ureña-Núñez , B. Bilyeu , I. " LinaresHernández , , Biosorption of Cr(III) and Fe(III) in single and binary systems onto pretreated orange peel ", Journal of Environmental Management, vol 112 , pp. 120-127, 2012.   

34- P. C. Mishra and R.K. Patel, "Removal of lead and zinc ions from water by low cost adsorbents", Journal of hazardous materials, Vol.168, pp. 319-251, 2009.

35- K. Riahi, S. Chaabane and B.B. Thayer, "A kinetic modeling study of phosphate adsorption onto Phoenix dactylifera L. date palm fibers in batch mode", Journal of Saudi Chemical Society, Vol.21, pp.143-52, 2017.           

36- E.Asrari, H. Tavallali, M.Hagshenas, "Removal of Zn(II) and Pb(II) ions Using Rice Husk in Food Industrial Wastewater", Journal of Applied Sciences and Environmental Management, 14(4), 159– 162, 2010.        

37- ح. پرویزی­مساعد؛ س. سبحانی­اردکانی، ا.ح. حمیدیان، حذف فلزات سنگین Cr(VI) و Zn(II) از پساب توسط پوسته برنج، نشریه محیط زیست طبیعی، مجله منابع طبیعی ایران، دوره 65، شماره 3، 315-327، سال 1391.

38- فروتن، رئوف، ح. اسماعیلی، م. کوثری­فرد،" بررسی رفتار سینتیکی جذب یون سرب از محلول های آبی با استفاده از برگ درخت کنار زغالی شده"، مجله محیط زیست طبیعی، منابع طبیعی ایران، دوره 69، شماره 4: 1061-1075، سال 1395.

39- T. Karthikeyan, S. Rajgopal, L.R. Miranda, "Chromium (VI) adsorption from aqueous solution by Hevea Brasilinesis sawdust activated carbon", Journal of hazardous materials, Vol.124, pp.192-9, 2005.