بخشی از مقاله
چکیده:
با توجه به منابع محدود اورانیوم، این عنصر ارزشمند باید از پسماندها جدا شده و به چرخه مصرف بازگردد. در این پژوهش استخراج اورانیوم از محلولهای آبی توسط نانوتیتینیای اصلاح شده در یک سیستم ناپیوسته به عنوان تابعی از pH محلول، میزان جاذب، غلظت اولیه یون اورانیوم، دما و زمان تماس بررسی شد. دادههای تجربی تطابق خوبی با مدل ایزوترم لانگمویر داشت و از مدل سینتیکی درجه دوم پیروی میکنند. همچنین بررسی ترمودینامیکی نشان داد فرآیند جذب خودبهخودی و گرماده میباشد.
-1 مقدمه:
از آنجا که امروزه حدود شانزده درصد کل توان مصرفی جهان از انرژی هستهای تولید میشود، اورانیوم نقش مهمی در تولید انرژی دارد. به علت توسعه تکنولوژی هستهای و افزایش نیروگاههای هستهای، مصرف این ماده افزایش یافته است. در قسمتهای مختلف چرخه سوخت، پسماند اورانیوم به وجود میآید که باید این عنصر ارزشمند از پسماندها جدا شده و به چرخه مصرف بازگردد .[1] جاذبهای متعددی برای حذف فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفتهاند که در این میان نانوتیتانیا به دلیل وجود درصد بالای اتمهای موجود در سطح، نسبت بالای سطح ذرات به حجم واحد و نزدیکی اندازه دانهها به اندازه اتمها، دارای ویژگیهای منحصر بفردی است.
[2] در این پژوهش پس از اصلاح سطح نانو تیتانیا توسط 1NPA، کارایی آن در جذب اورانیوم از محلولهای آبی مورد مطالعه قرار گرفت. اثر پارامترهای عملیاتی شامل pH، مقدار جاذب، زمان تماس، غلظت اولیه محلول و دما بر فرآیند جذب اورانیوم از محلولهای آبی مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهای مدلهای ایزوترمی نظیر لانگمویر، فرندلیچ و دوبینین-رادوشکوییج و سینتیک جذب نظیر شبه درجه اول، شبه درجه دوم و نفوذ درون ذرهای تعیین میگردد. علاوه بر این پارامترهای ترمودینامیکی فرآیند شامل تغییرات آنتالپی، آنتروپی و انرژی آزاد گیبس تعیین میگردد.
-2 روش کار
-1-2 مواد و تجهیزات مورد استفاده
مواد استفاده شده در این تحقیق شامل 50 - NPA درصد وزنی - از شرکت Aldrich، پودر نانوتیتانیا - 80 آناتاز و 20 روتایل - ، اورانیوم نیترات شش آبه UO2 NO3 6 H2O، آب مقطر، نیتریک اسید و سدیم 2 هیدروکسید میباشد. همچنین تجهیزات استفاده شده در این تحقیق نیز شامل pHمتر، همزن مغناطیسی، کوره، سانتریفیوژ و شیکر میباشد.
-2-2 روش اصلاح سطح نانوتیتانیا
یک میلیمول از اصلاح کننده - NPA - را در 50 mL آب مقطر حل کرده و سپس 0/4 g پودر نانوتیتانیا به آن اضافه و مخلوط حاصل به مدت 24 h ساعت در دمای محیط به وسیله همزن مغناطیسی، هم زده شد. فاز جامد جدا شده سانتریفیوژ با آب مقطر شستوشو داده و نمونهی مرطوب به دست آمده به مدت 24 h ساعت در دمای 55 C در کوره خشک شد .[3]
-3-2 آزمایشهای جذب
برای انجام آزمایشهای جذب، 0/05 g جاذب به 25 mL محلول یون فلزی با غلظت 50 mg L-1 در ظرف پلی اتیلنی اضافه و به مدت 3 h داخل شیکر قرار داده شد. پس از جداسازی جاذب با استفاده از سانتریفیوژ، غلظت اولیه و نهایی یون فلزی با استفاده از آنالیز ICP تعیین و ظرفیت و درصد جذب طبق معادلههای 1 و 2 محاسبه شدند. میزان مادهی جذب شده در واحد جرم جاذب بر حسب mg g-1 در زمان t، CO و Ct به ترتیب غلظت اولیه و غلظت در زمان t برای یون فلزی بر حسب mg L-1، v حجم محلول بر حسب mL و m جرم جاذب بر حسب mg میباشد. اثر pH بر میزان جذب اورانیوم در محدودهی 3 تا 8 بررسی شد. برای تنظیم pH از غلظتهای مختلف نیتریک اسید و سدیم هیدروکسید استفاده شد. برای یافتن مقدار جاذب بهینه، آزمایش جذب در مقادیر متفاوت 0/01 g تا 0/4 g انجام شد. زمان تعادلی با انجام آزمایش در بازهی 5 min تا 200 min تعیین گردید.
همچنین برای بررسی اثر غلظت اولیه فلز و دما، میزان جذب اورانیوم در محدودهی 10 mg L-1 تاmg L-1 400 و در سه دمای25 C، 40 C و 55 C اندازهگیری شد. برای بررسی سینتیک جذب سطحی از مدل شبه مرتبهی اول، شبه مرتبهی دوم و نفوذ درون ذرهای استفاده شد که به ترتیب با معادلههای 3، 4 و 5 مشخص شدهاند. ضرایب K1، K2 و Kid ثابت میزان جداسازی مدل سینتیکی شبه مرتبه اول، دوم و نفوذ درون ذرهای به ترتیب با واحدهای min-1 ، g mg- 1 min -1 و میباشند. qt و qe به ترتیب مقدار مادهی جذب شده در زمان t و در تعادل بر حسب mg g-1 و C ثابت مرتبط با ضخامت لایه مرزی بر حسب mg g-1 است. همچنین برای بررسی ایزوترم از مدلهای لانگمویر، فرندلیچ و دوبینین-رادوشکوییج استفاده شده است که به ترتیب با معادلههای 6، 8 و 9 نشان داده شدهاند.
در این معادلهها، qe و qm به ترتیب مقدار مادهی جذب شونده برروی جاذب در تعادل و ماکزیمم ظرفیت جداسازی ماده جذب شونده بر حسب mg L-1، Ce غلظت تعادلی ماده جذب شونده در محلول بر حسب mg L-1 و KL ضریب لانگمویر است که واحد آن عکس واحد غلظت میباشد و RL نشان دهندهی نوع ایزوترم میباشد. KF ثابت فرندلیچ بر حسب mg Ln g-1 mg-n است که مرتبط با ظرفیت جذب میباشد و n ثابت بدون بعد فرندلیچ است. در این روابط R ثابت عمومی گازها بر حسب J mol-1 K -1 و T دمای مطلق بر حسب کلوین میباشد. در مدل دوبینین- رادوشکوییج، K ضریب فعالیت است که واحد آن mol 2 J-2 بوده و مرتبط با متوسط انرژی آزاد جذب سطحی - E - میباشد و پتانسیل پولانی است که بر حسب J mol -1 میباشد. همچنین پارامترهای ترمودینامیکی جذب بر اساس معادلات 12 و 13 محاسبه شده است.
