در اين پژوهش، هدف اصلي، توسعه سامانه‌اي كارآمد براي جداسازي يون مس در حضور پروتئين آلبومين سرم گاوي(BSA) با بهره‌گيري از هيدروژل آلژينات تركيب‌شده با كربن فعال با استفاده از جريان الكتريسيته بود. سامانه جذب شامل يك سلول الكتروشيميايي با الكترودهاي گرافيتي بود كه هيدروژل‌ها نقش رزين‌هاي تبادل يوني و جاذب را بازي مي‌كردند. بررسي تورم نشان داد كه بيشترين مقدار تورم در 8=pH با 3100% پس از 48 ساعت حاصل شد. ويژگي‌هاي دانه‌هاي سنتز شده با استفاده از آناليز‌هاي FT-IR، SEM، BET، XRF و ICP-OES تجزيه‌ و تحليل گرديد. نتايج آناليز BET دانه¬هاي هيدروژل¬ نشان داد كه با افزودن كربن فعال به ساختار آلژينات، سطح ويژه دانه‌ها بيش از 270 برابر افزايش يافت. پتانسيل زتا در آب (5/5=pH) براي آلژينات mV 5/36- و براي آلژينات كربني mV 6/43- اندازه‌گيري شد كه بيانگر افزايش پايداري سيستم است. بر اساس داده‌هاي XRF، مقدار CaO از 6/85% پيش از جذب به حدود 13-10% كاهش و CuO پس از جذب به 71-60% افزايش يافت كه اين آناليز و آناليز ICP-OES تأييدكننده مكانيسم تبادل يوني مي‌باشند. تأثير پارامترهاي عملياتي شامل ولتاژ اعمالي (صفر، 5 و 6 ولت)، pH محيط (آب مقطر و بافر با 4=pH)، دما (26، 33 و C°40) بر راندمان جذب غلظت اوليه مس (ppm 2500-200) و پروتئين BSA (با غلظت ppm250) هر يك به‌تنهايي و در محيط مدل (مخلوط مس و BSA) مورد بررسي قرار گرفت. در حضور جريان الكتريكي 5 ولت ميزان جذب BSA در دانه¬هاي آلژينات كربني حداكثر 20% مشاهده شد درحاليكه بيشترين ظرفيت جذب مس با غلظت اوليه ppm 2500 مس، به بيش از mg/g 141 در دماي C°40 و 4=pH رسيد. تحليل سينتيكي نشان داد مدل شبه درجه دوم (99/0=R²) و مدل الوويچ در غلظت‌هاي بالاي مس بهترين تطابق را دارند. پارامترهاي ترموديناميكي نشان دادند كه فرآيند جذب گرماگير (0ΔH‎>) و خودبه‌خودي (0ΔG<‎) است. بررسي ايزوترم‌ها نيز نشان داد كه مدل لانگموير با ضريب 99/0=R² بهترين انطباق را داشته است. به‌طوركلي، تركيب آلژينات با كربن فعال و اعمال ولتاژ الكتريكي موجب افزايش چشمگير ظرفيت جذب مس با حداقل جذب BSA، پايداري ساختاري و رفتار سينتيكي مطلوب در حذف يون‌هاي فلزي از مخلوط پروتئيني گرديد.

1404/09/11

Experimental study on copper ion electro-sorption from BSA solution using a carbon-alginate hydrogel

5/12/2026 12:00:00 AM

In this study, the primary objective was to develop an efficient system for the separation of copper ions in the presence of bovine serum albumin (BSA), utilizing an alginate-based hydrogel incorporated with activated carbon under an applied electric current. The adsorption system consisted of an electrochemical cell equipped with graphite electrodes, where the hydrogels acted as ion-exchange resins an‎d adsorbent media. Swelling analysis revealed that the maximum swelling ratio (3100%) occurred at pH 8 after 48 hours. The structural an‎d physicochemical characteristics of the synthesized beads were analyzed using FT-IR, SEM, BET, XRF, an‎d ICP-OES techniques. BET surface area analysis showed that incorporating activated carbon into the alginate matrix enhanced the specific surface area of the beads by more than 270 times. The zeta potential measured in water at pH 5.5 was -36.5 mV for pure alginate an‎d -43.6 mV for the carbon–alginate composite, indicating improved system stability. According to XRF data, the CaO content decreased from 85.6% before adsorption to approximately 10-13%, while CuO content increased to 60-71% after adsorption. These findings, along with ICP-OES results, confirmed the ion-exchange mechanism of copper adsorption. The effects of operational parameters-including applied voltage (0, 5, an‎d 6 V), solution pH (distilled water an‎d buffer at pH 4), temperature (26, 33, an‎d 40 °C), an‎d initial copper concentration (200-2500 ppm)-were examined both individually an‎d in a model solution containing copper an‎d BSA (250 ppm). In the presence of a 5 V electric current, the maximum BSA adsorption on carbon-alginate beads reached approximately 20%, whereas the highest copper adsorption capacity (141 mg g⁻¹) was achieved at 40 °C an‎d pH 4 with an initial copper concentration of 2500 ppm. Kinetic analysis demonstrated that the pseudo second order model (R² = 0.99) an‎d the Elovich model provided the best fit, particularly at higher copper concentrations. Thermodynamic parameters indicated that the adsorption process was endothermic (ΔH ‎> 0) an‎d spontaneous (ΔG <‎ 0). Furthermore, isotherm studies revealed that the Langmuir model exhibited the highest correlation (R² = 0.99). Overall, the integration of activated carbon into the alginate hydrogel matrix, combined with the application of an electric field, significantly enhanced copper adsorption capacity while minimizing BSA uptake. The resulting composite system demonstrated superior structural stability, favorable kinetic behavior, an‎d efficient removal of metal ions from protein-containing solutions.

هيدروژل آلژيناتي , جذب الكتريكي , يون مس , سرم آلبومين گاوي , كربن فعال

alginate hydrogels , electrosorption , copper ions , bovine serum albumin , activated carbon

Hanieh Hanafi Bojd

Dr. Parisa Hejazi