بخشی از مقاله
مقدمه: سزیم و استرانسیم به علت نیمه عمر طولانی و بازده تولید بالا در فرایند شکافت هستهای، از مهمترین رادیونوکلئیدهای موجود در پسمانهای رادیواکتیو به شمار میروند. پسمانهای رادیواکتیو حاوی این رادیونوکلئیدها از مهمترین و خطرناکترین آلایندههای زیست محیطی میباشند و تصفیه آنها مورد توجه ویژه قرار گرفته است.[1,2] استفاده از جاذب های معدنی و بویژه زئولیت ها به علت پایداری بالا در برابر تشعشع و دمای بالا، ظرفیت جذبی و گزینش پذیری مناسب مورد توجه ویژه قرار گرفته اند. به علاوه با تغییر سایز جاذب ها از میکرومتر به مقیاس نانو علاوه بر افزایش ظرفیت، سینتیک فرایند جذب نیز به شدت قابل افزایش است[3] اما یکی از مشکلات اساسی در استفاده از نانوجاذب ها و جاذب های پودری میکرومتری، جداسازی آنها از محیط، پس از سنتز و همچنین تکمیل فرایند جذب است. سنتز و استفاده از کامپوزیت های مغناطیسی می تواند راه حل این معضل باشد.[4-6] پس از فرایند تعویض یون، جاذب با استفاده از یک آهنربای دائمی یا الکتریکی به سادگی و به سرعت از محیط جذب جدا می شود. در این تحقیق نانوکامپوزیت مغناطیسی که به اختصار MZNC نامیده می شود، ساخته شد. در مرحله اول ساخت
996
نانوکامپوزیت، نانوزئولیت A سنتز و در مرحله دوم نانوذرات مگنتیت بر روی آنها تشکیل داده شد. سپس قابلیت جذبی آنها به منظور حذف یون های سزیم و استرانسیم بررسی شد.
-2 بخش تجربی
-1-2 مواد و تجهیزات: تترااتیل اورتو سیلیکات (TEOS, 98%) ، تترامتیل آمونیوم هیدروکساید (TMAOH, 25%)، تترامتیل آمونیوم برماید (TMABr, 98%) و آلومینیوم ایزوپروپکساید (97%) برای سنتز نانوزئولیت استفاده شد. به منظور سنتز اکسید آهن ازFeCl3-6H2O وFeCl2-4H2O ومحلول غلیظ آمونیاک از شرکت مرک استفاده شد. به منظور جداسازی کامپوزیت مغناطیسی از محلول، از یک آهنربای دائمی استفاده شد. غلظت یون های سزیم و استرانسیم با دستگاه نشر اتمی القایی مدل (GBC integra XL) اندازهگیری شد.
-2-2 سنتز نانوکامپوزیت مغناطیسی: نانوکامپوزیت طی یک فرایند دو مرحله سنتز شد. در مرحله اول، نانوزئولیت سنتزشد. به منظور سنتز نانوزئولیت محلول TMAOH، سود، آلومینیوم ایزوپروپکساید و TMABrبا هم مخلوط می شوند تا یک محلول شفاف تشکیل شود (محلول .(1 محلول TMAOH و TEOS با اتانول مخلوط شده و برای 2 ساعت همزده می شود تا یک محلول هموژن دیگر تشکیل شود (محلول .(2 دو محلول تهیه شده با هم مخلوط شده و به منظور انجام عمل کریستاله کردن، برای 60 ساعت در دمایœC 98 حرارت داده شدند.
در مرحله دوم به منظور سنتز نانوکامپوزیت، مخلوط مرحله اول در یک بالون تهگرد به مدت 1 ساعت با استفاده از گاز N2 اکسیژن زدایی شد. سپس مخلوطی از محلولهای 1 مولار FeCl3-6H2O و 2 مولار FeCl2-4H2O (در HCl با غلظت2 مولار) که به مدت 5 دقیقه اکسیژن زدایی شده بود به مخلوط در حال به هم خوردن با یک همزن مکانیکی با سرعت 1500 دور در دقیقه، قطره قطره اضافه شد. بلافاصله پس از اضافه شدن مخلوط کلرید های آهن، رسوب سیاه رنگی تشکیل شد. نانوکامپوزیت سنتز شده با استفاده از آهنربا از محلول جدا و چهار مرتبه با استفاده از آب دوبار تقطیر و اکسیژن زدایی شده، شستشو داده شد. سپس در دمای 60°C خشک و برای مراحل بعدی مورد استفاده قرار گرفت.
-3-2 فرآیند جذب: جهت انجام فرآیند جذب، 0/1 گرم از جاذب در مجاورت 10 میلـی لیتـر محلـول بـه مدت زمان های مشخص، در دمای 25 درجه سانتیگراد به هم زده شـد. در مطالعـه ایزوتـرم جـذبی، غلظـت محلول یون های سزیم و استرانسیم 0/1-0/001 نرمال بود. پس از جداسازی جاذب با استفاده از یک آهنربـا,
997
غلظت یون های سزیم و استرانسیم باقیمانده بـا اسـتفاده از دسـتگاه ICP-AES انـدازه گیـری شـد. مقـدار ظرفیت جذب (q) از رابطه زیر محاسبه شد.
q = (Ci - C f) × V/m (1)
در این رابطه Ci و Cf به ترتیب غلظت محلول قبل و بعد از فرایند جذب است. V حجم محلول و m مقدار جاذب است.
-3 نتایج و بحث:
-1-3 تعیین ساختار نانوکامپوزیت سنتز شده: به منظور شناسایی ساختار زئولیت و کامپوزیت سنتز شده آزمون XRD انجام شد. نتایج حاصله در مقایسه با طیف مرجع زئولیت A در شکل (1) نشان داده شده است. مقایسه الگوی نانوکامپوزیت با طیف مرجع نشان داد که زئولیت سنتز شده دارای ساختار کریستالی زئولیت A می باشد. خط طیفی دیده شده در 35/55 œ= 2 مربوط به اکسید آهن به فرم مگنتیت است. وجود خطوط طیفی زئولیت A و مگنتیت تایید کننده سنتز نانوکامپوزیت مغناطیسی مدنظر می باشد. بر اساس معادله شرر سایز ذرات نانوزئولیت و مگنتیت در نانوکامپوزیت به ترتیب 65/8 و 23/3 نانومتر تخمین زده شد.
شکل –1 الگوی XRD نانوکامپوزیت((MZNC در مقایسه با مرجع زئولیتA
-2-3 بررسی اثر زمان تماس: شکل 2 اثر زمان تماس بر میزان جذب سزیم و استرانسیم توسط نانوکامپوزیت زئولیت A در مقایسه با یک کامپوزیت مغناطیسی مشایه در ابعاد میکرومتری را نشان می دهد. در مورد تمامی جاذبها، سرعت جذب در مراحل اولیه بالا و به تدریج با گذشت زمان کاهش یافته و پس از رسیدن به تعادل، ثابت می شود. از آنجاکه واکنش تبادل یون یک واکنش تعادلی و استوکیومتری است، با
998
h = k2 qe2
t/qt = 1/( k2qe2) + (1/qe)t
افزایش زمان تماس فازهای محلول با کامپوزیتها، واکنش تعویض به سمت کامل شدن و تعادل نزدیک می شود. در نتیجه میزان جذب افزایش یافته و سپس ثابت می شود. شیب منحنی جذب در ابتدا بسیار زیاد بوده که نشان دهنده سرعت بالای فرایند جذب است. در 30 دقیقه ابتدایی بیش از 80% از ظرفیت جذب کامپوزیت برای سزیم و استرانسیم بدست می آید. این مقدار برای نانوکامپوزیت تنها در 15-20 دقیقه اول بدست می آید. این نتایج نشان می دهد که سرعت فرایند جذب توسط نانوکامپوزیت بسیار سریعتر از کامپوزیت است. این سرعت بالای جذب را می توان ناشی از ابعاد نانومتری ذرات نانوکامپوزیت دانست.
شکل- 2 اثر زمان بر روی میزان جذب سزیم و استرانسیم توسط کامپوزیت((MZC و نانوکامپوزیت((MZNC
به منظور ارزیابی سرعت فرایند جذب و تعیین مرحله تعیین کننده سرعت، برازش داده های تجربی اثر زمان بر میزان جذب در معادله سینتیکی شبه درجه دوم بررسی و پارامترهای سینتیکی استخراج شد. مدل سینتیکی شبه درجه دوم بعد از انتگرالگیری در شرایط حدی، به صورت معادله (2) نوشته می شود. در این معادله k2 ثابت سرعت جذب شبه درجه دوم (g mg- 1 min -1) است. پارامتر سرعت اولیه جذب، mmol g-) h
(1 min-1 نیز از رابطه (3) قابل محاسبه است. (جدول (1 (2)
(3)
داده های تجربی با این مدل با ضرایب همبستگی بسیار خوبی برازش می شوند که نشان می دهد سرعت کلی فرایند جذب توسط یک مرحله جذب شیمیایی کنترل می شود. مقایسه ثابت سرعت جذب توسط نانوکامپوزیت با کامپوزیت نشان داد که جذب توسط نانوکامپوزیت با سینتیک سریع تری انجام می شود. این سینتیک سریع را می توان با توجه به ابعاد نانومتری زئولیت توجیه کرد.
