بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی کارایی حذف آرسنات از آب توسط ترکیبی از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز
شده به روش سبز و امواج آلتراسونیک
چکیده
آرسنیک از جمله آلاینده های شیمیایی حاصل از فعالیتهای طبیعی و انسانی است. آرسنیک محلول در آب به شـدت سمی بوده و از طریق آشامیدن وارد بدن انسانها شده باعث ایجاد عوارض بهداشتی، سـلامتی و حتـی سـرطان خواهـد شـد. هدف از این مطالعه بررسی کارایی حذف آرسنات از آب توسط ترکیبی از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز شده به روش سبز و امواج آلتراسونیک می باشد. این مطالعه در مقیاس آزمایشگاهی است و از عصاره چای سبز به عنـوان یـک عامـل کاهنـده زیست تخریب پذیر، غیر سمی و "سبز" بجای سدیم بوروهیدرید برای سـنتز نـانو ذرات آهـن صـفر ظرفیتـی اسـتفاده شـد، همچنین تاثیر پارامترهای: میزان دز جاذب، pH و توان امواج آلتراسونیک بر کارایی حذف مورد مطالعه قرار گرفت. یافته هـا: بر اساس نتایج بدست آمده بازدهی حذف آرسنات تحت تاثیر هر سه پارامتر مورد بررسی می باشد. بـا افـزایش دز نـانو ذرات بازدهی حذف آرسنات افزایش یافته اما بدنبال افزایش pH و توان امواج آلتراسونیک بازدهی حذف کاهش می یابد.
کلمات کلیدی: حذف آرسنات، نانو ذره آهن صفر ظرفیتی، سنتز سبز، امواج آلتراسونیک
.1 مقدمه
آرسنیک فلز خاکستری و متبلـور بـا عـدد اتمـی 33، جـرم اتمـی 74/92 گـرم، نقطـه ذوب 718 °C ، دارای چهـار ظرفیت(3،صفر، +3 و (+5 بوده و در طبیعت عمدتاً به صورت اکسید های آرسنیک غیر آلی، آرسنیت (III) و آرسـنات (V) و اشکال متیله مانند (CH3)3As، (CH3)3AsOOH وجود دارد .[1, 6] آرسنیک در آبهای طبیعی به اشکال آلی و غیـر آلی وجود دارد اما فرم غالب آن، آرسنیک غیر آلی می باشد که شکل نگران کننده آن است. ظرفیت و گونـه هـای آرسـنیک غیر آلی بستگی به شرایط اکسیداسیون– احیا و pH آب دارد. بطور کلی شکل سه ظرفیتی آرسنیک در آب زیرزمینی و شکل پنج ظرفیتی آن در آبهای سطحی یافت می شود، اما این قاعده همیشه در مورد آبهای زیر زمینی صادق نیست به نحوی کـه
هر دو شکل آن می تواند به طور همزمان در یک منبع یافت شود..[1,2,7] بـا توجـه بـه pH، آرسـنات در چهـار شـکل H3AsO4، H2AsO4-، ،-HAsO42، AsO4 3- و آرســـنیت بـــه صـــورتهای AsO32-، HAsO32-، H2AsO3-، H3AsO3، H4AsO3+، در محلول وجود دارند. در pH> 3 اشکال یونی آرسـنات حـاکم هسـتند در حالیکـه در pH< 9 خنثی و در pH>9 به صورت یونی وجود دارد .[1, 5, 7] تحقیقات نشان داده است که تعدادی از سفره هـای بـزرگ آب زیر زمینی در دنیا دارای مشکل حضور آرسنیک در غلظت بالای 50 میکروگرم در لیتر هستند. بدترین آلودگیها در بخشـی از آرژانتین، بنگلادش، شیلی، چین، مجارستان، هند، مکزیک، تایوان رومانی و بخشهای زیادی از ایـالات متحـده بـه ویـژه در ناحیه جنوب غربی وجود دارد. بدترین بحرانهای بهداشتی مرتبط با آرسنیک در هشت ناحیه ایالت بنگال غربی در هند و 24 ناحیه بنگلادش وجود دارد. در بنگال غربی 3/93 میلیون نفر در نواحی آلوده به آرسنیک در مساحتی بالغ بر 34000 کیلومتر مربع ساکن هستند. در این نواحی فراوان ترین غلظت های اندازه گیری شده آرسنیک بین 0/3 تا ppm 0/7 بـوده و مقـادیر بالاتری از جمله 1/86 و ppm 5 در دو ناحیه دیده شده است .[1, 4] استفاده طـولانی از آب آشـامیدنی حـاوی آرسـنیک خطرناک است. به طور کلی اثرات ایجاد شده توسط آرسنیک به دو دسته اثرات حاد و مزمن تقسیم بندی می شوند. از نشـانه های تماس مزمن با آرسنیک می توان به افزایش پیگمانتاسیون، دی پیگمانتاسیون، کراتـوزیس، سـرطان پوسـت و تعـدادی سرطان های داخلی، مشکلات جدی پوستی، نفص تولد و مشکلات تولید مثلی اشاره نمود .[3, 5, 6, 8, 9] به نظـر مـی رسد بیماریهای قلبی و عصبی نیز به آلودگی آرسنیک ارتباط داشته باشند. غلظت بالای آرسنیک در آب علاوه بر سوء اغذیـه و هپاتیت، باعث تشدید اثرات سمی آن می شود.[9, 14, 15] سازمان بهداشت جهانی و آژانـس حفاظـت محـیط زیسـت آمریکا غلظت مجاز برای آرسنیک را 10 µL-1 تعیین کرده اند. روشهای متفاوتی برای حذف آرسنیک از آب وجود دارد که از آن جمله می توان به هوادهی/ انعقاد و ترسیب، تبادل یونی، ته نشینی، الکترودیالیز، اسمز معکوس و جذب بر روی آلومینیـوم یا آهن اشاره نمود .[3, 16, 22] با وجود اینکه این روشها بطور گسترده به کار می رونـد امـا دارای مشـکلات عدیـده ای مانند هزینه بالای بهره برداری، تصفیه پسماند، مقدار زیاد ماده مصرفی و حجم لجن تولیدی بالا هستند. روشهای جـذب بـر روی کربن فعال و آلومینای فعال تا حدی این مشکلات را کمتر کرده است .[3, 17]
در سالهای اخیر تمایل به استفاده از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی برای کاهش آلودگی های موجود در محیط زیسـت افزایش یافته است که دلیل این امر توانایی بالای این نانو ذرات بویژه به عنوان جاذب به دلیل سطح مقطع جـذب و واکـنش پذیری بالا در ابعاد نانو می باشند .[9, 10, 12, 15, 16, 18-21] روشهای فیزیکی و شیمیایی متنوعی برای سنتز نـانو ذرات آهن با ابعاد و مشخصات ظاهری متفاوت وجود دارد. به عنوان مثال نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی را می توان به کمـک سدیم بوروهیدرید به عنوان یک عامل کاهنده سنتز کرد. از نگرانی های موجود در این روش سنتز سمیت سدیم بوروهیدریـد، اکسید شدن سریع و همچنین تجمع نانو ذرات آهن در یک ساختار زنجیره ایی می باشد که موجب کاهش سطح مقطع جذب در مقایسه با میزان حجم نانو ذرات خواهد شد. پایداری نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی در برابـر تجمـع ذرات را مـی تـوان بـه کمک دافعه الکترواستاتیک، کاربرد سورفاکتانت های آلی و یا استفاده از عوامل پوشش دهنده بهبود بخشید. سـنتز سـبز نـانو ذرات آهن به عنوان یک روش جدید برای افزایش ثبات این نانو ذرات در برابر تجمع و همچنین کمک به غلبـه بـر نگرانـی های مربوط به سمیت ناشی از کاربرد سدیم بوروهیدرید به عنوان یک عامل کاهنده روتین در سنتز معمـول ایـن نـانو ذرات، می باشد. در این مطالعه نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی با استفاده از عصاره چای سبز سنتز خواهد شد. چای سبز محتـوی پلـی فنول بوده که می تواند همزمان به عنوان عامل کاهنده و پوشش دهنده عمل نماید.[22, 23]
عمده ترین اهداف مطالعه حاضر ارزیابی کاربرد نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز شده به روش سبز به عنـوان یـک جاذب به منظور حذف آرسنات از آب، بررسی تاثیر میزان دز جاذب، pH و توان امواج آلتراسونیک بر بازدهی حذف آرسنات از آب می باشد.
2
.2 مواد و روشها
1-2 سنتز سبز نانو ذرات آهن
نانو ذرات آهن با افزودن محلول سولفات آهن 0/1 مولار به عصاره چای سبز با غلظـت 20 گـرم بـر لیتـر در دمـای محیط سنتز شد. جهت تهیه عصاره چای سبز با غلظت 20 گرم بر لیتر ، ابتدا 1 لیتر آب مقطر دیونیزه را داخل بشری ریختـه حرارت می دهیم تا بجوش آید سپس20 گرم از چای سبز را به آن اضافه کرده به کمـک فویـل آلومینیـومی دهانـه بشـر را پوشانیده به مدت 5 دقیقه حرارت می دهیم. پس از گذشت این زمان به مدت یک ساعت بشر را در دمای محیط قرار داده تا محتویات آن ته نشین شده و به دمای محیط برسد. سپس عصاره چای سبز ته نشین شده را با استفاده از کاغذ صافی فیلتـر می کنیم. همچنین برای تهیه محلول سولفات آهن با غلظت 0/1 مولار مقدار 28/7 گرم از سـولفات آهـن هفـت آبـه را بـه کمک ترازو وزن کرده در یک لیتر آب مقطر دیونیزه حل می کنیم. پس از آماده سازی محلولها، محلول 0/1 مـولار سـولفات آهن را به صورت قطره قطره به عصاره چای سبز با نسبت حجمی 2به 3 و در شرایط اختلاط با سرعت600 دور بر دقیقه بـه کمک دستگاه همزن مغناطیسی اضافه می کنیم. تشکیل نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی با ظهور رسوب سیاه رنـگ در محـیط مشخص می شود. در نهایت خصوصیات ظاهری و ساختاری نانو ذرات آهن سنتز شده توسـط تکنیـک هـای FESEM و XRD تعیین گردید.[22-27]
2-2 آزمایش های حذف آرسنات
بـــه منظـــور تهیـــه محلـــول ذخیـــره آرســـنات، مقـــدار 4/164 گـــرم از نمـــک آرســـنات ســـدیم هیدراتـــه (Na2HAsO4.7H2O) با ترازو اندازه گیری شد و پس از انحلال در 1000 میلی لیتر آب مقطر دیونیزه محلول با غلظت 1000 میلی گرم در لیتر تهیه شد. سپس با رقیق سازی محلول ذخیره ، محلول آرسنات با غلظت 5 میلی گرم بر لیتر بدسـت آمد. کلیه مواد شیمیایی مورد استفاده دارای درجه خلوص آزمایشگاهی و ساخت شرکت مرک بود. مراحل آزمـایش در دمـای 20 ±0/5 درجه سلسیوس انجام شد .
آزمایش به ناپیوسته انجام گردید. در این روش 100 میلی لیتر محلول آرسنات با غلظت اولیه 5 میلی گرم بر لیتـر در داخل ارلن مایرهایی با حجم 250 میلی لیتر به مدت 20 دقیقه تماس با نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی قـرار گرفـت. بـه علـت تغییر فرم های غالب آرسنیک در محدوده های مختلف pH ، جهت بررسـی رانـدمان حـذف آرسـنات از آب و تعیـین pH بهینه، مقادیر pH در این مطالعه برابر 3، 5، 7، 9 و 11 در نظر گرفته شد. برای تنظیم محدوده pH از محلـول هـای اسـید کلریدریک و هیدروکسید سدیم 1 مولار استفاده شد. به منظـور کنتـرل و سـنجش pH از دسـتگاه pH متـر کـالیبره شـده (jenway 3150) استفاده گردید. جهت بررسی تاثیر مقدار جاذب بـر رانـدمان حـذف آرسـنات مقـادیر 0/1، 0/33، 0/55، 0/78 و 1گرم بر لیتر استفاده شد همچنین به منظـور بررسـی تـاثیر امـواج آلتراسـونیک بـر رانـدمان حـذف آرسـنات امـواج آلتراسونیک با توانهای 0، 75، 150، 225 و 300 وات مورد استفاده قرار گرفت.
لازم به ذکر است در نمونه هایی که توان امواج آلتراسونیک درآنها صفر در نظر گرفته شده بـود بـه منظـور اخـتلاط مناسب نانو ذرات با محلول از دستگاه همزن مغناطیسی با سرعت 350 دور در دقیقه استفاده شد. برای جداسازی نانو ذرات از محلول پس از اتمام زمان واکنش نمونه ها به مدت 5 دقیقه در حالت سکون قرار داده شد در ادامـه بـه مـدت 15 دقیقـه بـا سرعت 3000 دور در دقیقه سانترفیوژ شد و در نهایت 50 میلی لیتر از نمونه با استفاده از کاغذ صـافی بـا قطـر منافـذ 0/45 میکرون فیلتر شد. مقادیر غلظت باقی مانده آرسنات با استفاده از دستگاه جذب اتمی (تکنیک تولید هیدروژن) مطابق با روش های استاندارد آزمایش آب و فاضلاب تعیین گردید.
3
.3 نتایج و بحث
1-3 خصوصیات نانو ذرات سنتز شده
در شکل 1 تصویر نانو ذرات سنتز شده نشان داده شده است. نتایج حاصل از FESEM نشان دهنده شـکل کـروی ذرات و اندازه ایی در محدوده 20 تا 70 نانومتر می باشد.
شکل -1 تصاویر FESEM از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز شده
آنالیز XRD بر روی نانو ذرات سنتز شده نیز در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به شکل در زوایای 35 و 27/2 2
منحنی دارای دو پیک بوده که به ترتیب مربوط به FeOOH و اکسید های آهن می باشند. همچنین در زاویه 44/71 2
منحنی دارای بالاترین پیک بوده که طبق استاندارد JCPDS Card#001-1252 پیک Fe0 مشخص گردید.
شکل -1 تصویر XRD از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز شده
2-3 نتایج آزمایش های حذف آرسنات
نتایج حاصل از تاثیر پارامترهای مختلف بر کارایی حذف آرسنات توسط نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سـنتز شـده بـه روش سبز در نمودار های مندرج در شکلهای 3 تا 5 آورده شده است. برای تعیین میزان تاثیر و محاسبه کارایی فرآیند در هـر مرحله از آزمایش ها از رابطه 1 استفاده شد:
که در آن C0 و C به ترتیب غلظت های اولیه و ثانویه آرسنات بر حسب میلی گرم بـر لیتـر و E کـارایی حـذف بـر حسب درصد می باشد .[16]
