بخشی از مقاله
جداسازي يون منيزيوم از آب دريا وباقيمانده آب اسمزمعکوس با روش تسهيل شده توده غشاي مايع
چکيده
منيزيم فلزي به عنوان آلياژ در ساخت بدنه، قطعات موتور، موتورهاي جت ، موشک ها، و راکت استفاده مي شود. منيزيم يکي از مواد ضروري موجود در بدن است و نقش مستقيم در جذب کلسيم داردو يک نقش حياتي در حفظ سلامت استخوانها و دندان ايفا مي کند و همچنين بايکنواخت نگهداشتن گردش خون در بدن باعث کاهش بي خوابي و خواب بهترشده و کمک به از بين رفتن استرس مي کند.اما مقدار زياد آن در آب آشاميدني اثرمنفي دارد ازسوي ديگر پساب حاصل از اسمز معکس داراي مقدار زيادي نمک منيزيوم است که مي تواند براي محيط زيست خطرناک باشد.سيستم توده غشاي مايع بگونه اي طراحي شده که قادر است منيزيوم را از پساب اسمزمعکوس وآب دريا جداکند.اين سيستم شامل يک مايع غشاي آلي است (کلروفرم.دي کلرومتان وتتراکلرو متان و...حاوي عامل انتقال دهنده)در بهترين شرايط فيزيکي وشيميايي يون منيزيوم از فاز تغذيه کننده انتقال مي يابد ودر فاز محصول رها مي شود.در اين مطالعه برراي رسيدن به بهترين شرايط جداسازي پارامترهايي چونph ،دما،نوع وغلظت کرون اتر حامل ،نوع حلال آلي ،قدرت يوني وغيره بهينه شدند. .نتايج نشان مي دهد که بهترين استخراج در ٣٣=ph با استفاده از ليگاند١٨کرون۶ حل شده در حلال کلروفرم بعنوان حامل در حضور کلرايد سديم ٠٫٠١مولار حاصل شده است .
کلمات کليدي
توده غشاي مايع ،انتقال،اترتاجي،منيزيوم،اسمزمعکوس،آب دريا
١- مقدمه
غشا داراي نفوذپذيري انتخابي است وبه ترکيبات خاص اجازه عبور مي دهد.در فرآيند غشايي معمولا دوفاز وجود دارد که توسط فاز سوم(غشا)بطور فيزيکي از هم جدا شده اند .غشا انتقال جرم بين دو فازرا کنترل مي کند. فازها بصورت مخلوطي از اجزامي باشندويکي از اجزا موجود در مخلوط تحت شرايط موجود وغشا انتخابي، بيش از سايرين انتقال مي يابد.بطور خلاصه دو عمل اصلي نفوذپذيري يا تراوش وانتخابگري توسط غشا انجام مي شود.تکنولوژي غشاي مايع {١٫٢} بهتر از روش هاي معمولي مانند روش استخراج حلال{٣٫٤} جذب سطحي {٥} وتغييريون{٦} ورسوب شيميايي{٧٫٨} واسمزمعکوس ميباشد{٩} .
نخستين بار در سال ١٩٠٢ نرنست وريزنفلد در مورد خصوصيات استحکام وغلظت يک لايه روغني جداکننده بين دومحلول الکتروليت بعنوان غشا تحقيق کردندوبا گسترش روش ها براي توليد غشاي مايع امولسيوني توجه بيشتري به ساخت غشاي مايع مصنوعي شد{١٠}که به اين روش توده غشاي مايع مي گويند ونمونه اي از آن در(شکل ١)نشان داده شده است .
شکل ١-(الف )يک سل Uشکل است که غشاي آلي دآبري ققسرمات ر مدناحرندي.(ببص)وسرل ت مپنال سب مابرين اي دوغشفاز آلي چگالتر از فازآبي
جداسازي غشايي به دليل هزينه هاي پايين سرمايه گذاري ،سادگي ،سازگاري با محيط زيست ،عدم نياز به تخصص بالاوبازدهي بالاي انرژي توجه بسياري را بخود جلب کرده است . دراين روش وجود يک ليگاند انتقال دهنده بعنوان عامل تسهيل کننده موجب افزايش بازدهي وسرعت در نتيجه گيري خواهد شد، اگرچه مشکل اساسي اين روش عدم پايداري غشاست .
در روش جداســـازي اســـتفاده هـــاي گوناگوني از انـواع غشاي مـايع مـي شودو اين روش تاکنون پيشرفت چشمگيري داشــته اســت {١٣}-{١١}،بخصــوص در سالهاي اخير در موردآ ناليز فلـزات موجــود در آبهــاي طبيعــي ومحيطهــاي بيولـــوژي گزارشـــات زيـــادي شـــده است {١٤}،{١٥}. تکنولـوژي غشا بطور وسيعي براي جداسازي آسان وتسهيل شده يونهـــاي فلـــزي بکارگرفتـــه مـــي شود{١١}.{١٨-١۶}يکي از ويژگيهاي مهم تکنولوژي غشاي مـايع ا ين اسـت کـه مراحل ا ستخراج وا ستريپينگ (برهنـه سازي)واصــلاح در يــک مرحلــه بصــورت پيوسته انجام مي شود{١١}.
ماکروسـيکلها از قبيـل کـرون اترهـا .آزاکرون ها.کرپتاندها وکلکسي آرنها در انتخاب گزينشي فلـزات ومولکولهـا بخوبي شناخته شده اند {٢٣-١٩}پدرسون درسال ١٩٦٧ توانايي انتخابي کمپلکس هاي شيمي کرون اترها را با کـاتيون هاي فلزي کشف کرد.کرون اترها انـواع گوناگوني دارنـدواز ا تم هـاي کـربن واکسيژن تشکيل شده اند اهميـت عمده اترهاي تاجي نا شي از توا نايي فوق العاده آنها در حلال پوش کردن کاتيون هاي فلزي است بگونه اي که کاتيون را در مرکـز حفـره پلـي اتـري خـود بـا تقارني خاص محبوس مي کنند واين عمـل خود نيز به اندازه يون واندازه حفره اتر تاجي بستگي دارد و با تو جه بـه اين ويژگي کرون اترها در اين تحقيـق ازکــرون اتــري بــا نــام آيوپــاک ١٦٫١٣٫١٠٫٧٫٤٫١-هگــزا اکســا ســيکلو اکتا دکان (١٨کرون٦). بعنوان حامـل انتقال يون منيز يوم اسـتفاده شده است .(شکل ٢)
کروشنــاکتل ر٢ها-.ساازختاچرپ سـبــاهخترمااسنـيت تبعنـــادماد:٢ا١ز- کــرون-٤. ١٥-کــرون -٥. ١٨-کــرون-٦. داي فنيــــل - ١٨-کــــرون-٦ . داي آزا -١٨- کرون-٦
شناسايي يون منيزيوم بعنوان يک عنصر در سال ١٧٥٥ توسط جوزف کلب در ادينبرگ اسکاتلند انجام شد اما تا قبل از همفري ديوي کسي آن را جداسازي نکرد.منيزيوم هشتمين فلزفراوان پوسته زمين ونهمين فلز فراوان درکل جهان مي باشدو غلظت بالايي از نمک دريا را اين يون تشکيل مي دهد{٢٤} وغلظت آن دردرياحدود ppm١٣٠٠ ودر خليج فارس ppm١٦٠٠ ميباشد وبا توجه به اهميت اين يون در صنعت وپزشکي وسلامت انسان وهمچنين غلظت بالاي اين يون نسبت به ديگر يونها درآب دريا وپساب اسمز معکوس،جداسازي اين يون ارزشمند مورد هدف قرار گرفت اگرچه تا کنون روش هاي صنعتي وآزمايشگاهي متنوعي براي جداسازي اين يون بکاربرده شده است .{٢٥-٢٧}
در اين تحقيق استخراج يون فلزي منيزيوم به دليل مزاياي روش ذکرشده با روش توده غشاي مايع با عامل تسهيل کننده ١٨-کرون-٦ تحت شرايط بهينه مورد بررسي قرار گرفت . با توجه به اينکه در آب دريا يونهاي سديم وپتاسيم نيز داراي غلظت بالاتري نسبت به منيزيوم بوده وهمچنين کلسيم نيز بمانند منيزيوم داراي دوبارمثبت ميباشد اثرتداخل اين يونها نيز در درصد عبور وانتقال يون منيزيوم با عامل تسهيل کننده مورد بررسي قرار گرفت .
٢-آزمايشات
٢-١-مواد
کلرايد منيزيوم،کلرايد سديم ،کلريد اميرکبير . سال دوازدهم . شماره ٤٨ . پاييز ١٣٨٠ پتاسيم ،کلرات پتاسيم ،يديدپتاسيم ،نيترات سديم ،برميد سديم ، اسيدکلريدريک وسود و edta ومعرف اريوکروم بلک تي وهمچنين کلرايد آمونيوم وآمونياک براي تهيه بافر با ١٠=ph همه با درصدخلوص بالا از شرکت معتبر مرک تهيه شد وليگاند ١٨-کرون-٦ و داي بنزو-١٨-کرون-٦ هردو از شرکت معتبر سيگماآلدريچ خريداري گرديد .در تمامي محلولسازي هاي انجام شده وآب مورد مصرف در طي انجام آزمون ،از آب ديونيزه چهاربار تقطيراستفاده شد.
٢-٢-روش
غلظت ها در ابتدابطور استاندارد شده در آزمايشات بکاربرده شد ودرنهايت پس از بهينه کردن شرايط آب واقعي دريا تحت شرايط بهينه حاصل تست گرديد. با توجه به شکل ١-ب در سل مناسب انتخابي فاز آبي خوراک (٥ سي سي)وفاز آبي محصول(٥سي سي)توسط يک فاز آلي (٢٠سي سي)جدا شده اند.درون سل شيشه اي اصلي با قطر داخلي٣٫٧سانتيمتر،يک لوله آزمايشي ته باز با ارتفاع کوتاه و قطر٢سانتيمترتعبيه شد تا دو فاز آبي را جدااز هم ومرتبط با فازآلي در قسمت پايين بعنوان فاز غشا قرار دهد{٢٨}.
فازآبي خوراک حاوي کلريد منيزيوم(٥سي سي ٠٫٠٥٩مولار)وکلريد سديم (٥سي سي ٠٫٠١مولار)بعنوان يون مقابل در ٣٣=PH ثابت نگهداشته شد،وفاز آبي محصول نيز شامل تيوسيانات پتاسيم (٥ سي سي.١مولار)بعنوان ليگاند در ٢٩=PH تنظيم گرديد.فاز غشا (٢٠سي سي .حاوي ليگاند ١٨-کرون-٦با غلظت ٠٫٠٠١ مولاربعنوان عامل انتقال دهنده ) بصورت پل بين دوفاز آبي قرار داشته ودوفاز آبي را درتماس با يکديگر قرار مي دهد.فاز آلي توسط يک مگنت ٢ سانتي پوشيده شده با تفلون ،بطور يکنواخت وآهسته با دور ثابت ١٠٠دور در دقيقه همزده شد.
تحت اين شرايط بخش هاي مختلف روش در کنار يکديگر بطور کامل ميکس شده وبين دوفاز آبي با فاز آلي برهمکنش مناسب صورت مي گيرد{١٥}. درنهايت آزمون به مدت ٢.٥ساعت تحت شرايط بهينه شده در دماي کنترل شده وثابت c ١±٣٥ صورت گرفته ودرطي اين مدت فازها در ارتباط وبرهمکنش باهم گرفته وپس از طي مدت زمان ذکرشده سل ازروي همزن برقي برداشته شده وبه آرامي دوفاز آبي باسرنگ از سطح غشا جدا مي شود.
پس از اين مرحله براي تعيين ميزان غلظت منيزيوم ،در حضور معرف اريوکروم بلک تي هرکدام از فازها با تيترانت EDTA در 10=PH تيتر مي شود.
-بحث ونتايج
باتوجه به اين که هدف اين تحقيق بررسي چگونگي جداسازي يون منيزيوم از آب دريا مي باشد،لذا در ابتدا شروع آزمايشات باتوجه به غلظت بالاي يون منيزيوم دردريا انتخاب فازآلي با چگالي بالاتر از آب انتخاب شد وبراي اين منظور انواع حلالهاي سنگين موجود مورد تست وآزمون قرار گرفت که در نتيجه آن کلروفرم به دليل درصد انتقال بيشتر پذيرفته شد که مي توان اين نتيجه را به کم بودن ثابت تعادل اين حلال آلي ودهنده تر وپذيرنده تر بودن آن نسبت به دو حلال ديگرمربوط دانست {١٥}.
انتقال وجداسازي يون منيزيوم در سرتاسرتوده غشاي مايع براساس واکنش ليگاند کرون تاجي بصورت يک کيليت باردار مي باشد واين کمپلکس حاصل پس از گذر از سطح مشترک فازآلي وفاز آبي خوراک به سوي سطح مشترک فازآلي وفازآبي دهنده منتقل مي شود؛اما در غياب ليگاند برهنه سازي انتقال بسيار جزيي مشاهده گرديد وبا توقف حرکت مگنت وساکن شدن همزدن فازآلي سريع کدر و سفيد رنگ مي شود که نشان از بازگشت يون منيزيوم از فازآبي محصول به فاز آلي مي باشدلذا براي برطرف کردن اين مسئله ليگاند استريپينگ تيوسيانات پتاسيم بکاربرده وبراي کنترل دماي واکنش ازيک حمام آب برروي همزن برقي مجهز به ترموستات استفاده شد.
باتوجه به اينکه هدف اين تحقيق جداکردن منيزيوم ازآب دريا ويا پساب هاي حاصل از اسمزمعکوس مي باشد و در اين دو محيط يون هاي ديگر فلزي نيز وجود دارند لذا با توجه به غلظت بالاي سديم (ppm١٣٦٨٠) وپتاسيم (ppm٨٠٠) وکلسيم (ppm٤٥٠) درآب دريا اثرتداخل اين کاتيون ها نيزبرانتقال يون منيزيوم مورد سنجش قرار گرفت .قابل توجه است که به دليل تنظيم phفازهاي آبي در حالت اسيدي، در پايان پس از طي مدت زمان لازم وجداکردن فاز محصول وخوراک با سرنگ ،قبل از انجام عمل تيتراسيون ابتدا بايد فازهاي آبي اسيدي خنثي شود زيرا معرف اريوکروم به PH حساس بوده ودر PHاسيدي ساختارش شکسته شده وبه رنگ زرد مايل به قهوه اي مي رسد که در اين صورت تيترانت ونقطه پايان با خطا همراه خواهد بود.
٣-١-انواع حلال آلي
دراولين مرحله از بهينه کردن فاکتورهاي موثر.ابتدا انتخاب حلال مناسب مورد هدف قرار گرفت ؛فازآلي بايد داراي ويژگيهايي چون:فراريت ووسکوزيته پايين .توانايي تبادل وبده وبستان خوب با فازآبي بوده وهمچنين بايد در زمان يکسان ضريب توزيع بالايي داشته باشد.{١٥} براي اين منظور حلال هايي چون دي کلرومتان،تري کلرومتان (کلروفرم)،تتراکلرو متان مقايسه شد که نتايج در جدول ١ وشکل ٣نشان داده شده است .
جدول١-انتخاب حلال آلي مناسب .فازخوراک حاوي کلرايد منيزيوم ٠٫٠٥٩مولار
شکل 3 – تاثیر نوع غشا در درصد انتقال:فازخوراک داراي غلظت ٠٫٠٥٩مولار کلرايد منيزيوم در دماي ٢٤درجه و٧٤=ph
٣-٢-نوع ليگاند حامل انتخابي
يکي ديگر از پارامترهايي که از اهميت ويژه اي برخوردار است وبايد بطور شايسته انتخاب گردد؛انتخاب حامل انتقال دهنده يون فلزيست که در فاز غشا ايفاي نقش مي کند.
براي اين منظور با توجه به امکانات موجود، دو ماکروسيکل اتري به نام هاي ١٨کرون ٦ وداي بنزو ١٨کرون ٦ مورد تست قرار گرفت .اتر تاجي داي بنزو ١٨ کرون ٦ همانطور که از نامش پيداست وبا توجه به شکل ٢ داراي دو حلقه فنيليست که به صورت متقارن به کربن هاي اتر تاجي متصل شده است ؛اين دو ليگاند با غلظت هاي مشخص شده در شرايطي که در جدول٢نمايش داده شده برميزان درصدعبور منيزيوم تاثيرگذاشته اند.بگونه اي که ١٨کرون ٦ دردرصد نسبتا بالاتري از عبورنقش داشته وبعنوان ليگاندموثر برگزيده شد(شکل ٤)
جدول ٢-اثر نوع ليگاند در درصدعبور يون منيزيوم از غشا در دماي ٢٤درجه سانتگاد 7.4=h
شکل ٤- اثر نوع ليگاند: درصدعبور يون منيزيوم ٠٫٠٥٩مولاراز فازآلي کلروفرم با غلظت ثابت ٠٫٠١مولارازدوليگاند متفاوت.در دماي ٢٤درجه سانتيگراد و7.4=ph در مدت زماني يکسان
٣-٣-اثرغلظت ليگاند حامل در درصد انتقال
پس از تعيين نوع کرون اتر حل شده در فاز آلي غشا ،ميزان غلظتي از آن که مي تواند در انتقال موثرباشد مورد بررسي قرار گرفت که طبق شکل ٥،غلظت ٠٫٠٠١مولار ليگاند حامل با درصد عبور ٢٠٫٣٣درصد تاثيربيشتري در انتقال داشته وبنظر مي رسد در غلظت بالا به دليل افزايش غلظت وکند شدن حرکت ميزان انتقال يون فلزي در مدت زمان اعمال شده کاهش مي يابدواز غلظت خاصي به پايين ميزان انتقال پايين وثابت باقي مي ماند.
شکل ٥-اثر غلظت ليگاند حامل در انتقال:فازخوراک حاوي کلرايد منيزيوم ٠٫٠٥٩مولار،فازآلي کلروفرم با غلظتهاي متغيري از ليگاند ١٨کرون٦ . ٧٤=ph ودماي ٢٤ ودرمدت زماني ثابت .
٣-٤-اثرنوع وغلظت يون مقابل درفازخوراک
يون منيزيوم به تنهايي قادر به نفوذ چشمگيري به فاز غشاي آلي نيست و وجود يون مقابل با غلظتي مشخص مي تواند در افزايش ضريب توزيع وافزايش سرعت انتقال غشا براي کمپلکس ليگاند طبيعي يون موثر باشد.در اين تحقيق انواع نمکهايي چون .NaBr.NaNo٣.KCL.KI.KCLO٣ NaCl باغلظت ٠٫٠١مولار به عنوان يون مقابل وياشمارشگر وکلرايد منيزيوم با غلظت ٠٫٠٥٩ مولار محلول سازي شد.طبق نتايج نمايان شده در جدول ٣ و شکل ٦ حضور نمک NaBr ٢٢درصد عبور غلظت منيزيوم را موجب شد که نسبت به نمکهاي ديگر بالاترين درصد عبور ميباشد وبعدازNaBr،Nacl وKCLO٣ اثري يکسان در حدود ٢٠درصد ،بربازده انتقال داشته اند، اما به دلايل اقتصادي ودردسترس بودن بيشتر NaCL ازاين نمک بعنوان يون مقابل استفاده شد ؛درتعيين غلظت بهينه يون مقابل NaCl از غلظت ٢مولارتا ٠٫٠٠٠٠١مولار اين نمک با MgCl٢مولار ساخته شده ودر کنار
