بخشی از مقاله
چکیده:
هدف از این مطالعه حذف یون آمونیوم توسط نانو رس مونتموریلونیت از آبها و پسابها بود. اثر غلظت جاذب، pH، زمان و اثر دما به منظور تعیین شرایط بهینه مورد بررسی قرار گرفت. بیشترین میزان حذف آمونیوم در غلظت 2 گرم بر لیتر برابر 31/5، در پهاش 7 برابر9/6، در زمان 120 دقیقه برابر14/0 و در دمای 15 درجه سانتیگراد برابر 18/9 میلیگرم بر گرم رس بدست آمد. سپس با در نظر گرفتن شرایط بهینه، ایزوترمهای جذب در غلظتهای 0، 20، 40 ، 60، 80 و 100 میلیگرم بر لیتر آمونیوم - N H4+ - N - انجام شد. ایزوترم جذب آمونیوم با نانو رس مونتموریلونیت به معادله فروندلیچ با ضریب همبستگی - R2= 0.916 - بیشترین برازش را داشت که نشان دهنده سطوح جذبی غیرهمگن و چند لایه است. همچنین ماکزیمم جذب نانو رس مونتموریلونیت 9/8 میلیگرم بر گرم نیتروژن برآورد گردید که این نتایج نشان داد نانو رس مونتموریلونیت در حذف آمونیوم از آبها و پسابها موثر میباشد.
واژههای کلیدی: جذب، آمونیوم، نانو رس، مونتموریلونیت
مقدمه:
با افزایش جمعیت و افزایش سطح بهداشت جوامع، مصرف آب در شهرها و خانهها به ویژه در بعضی از شهرهای بزرگ کشورهای جهان سوم افزایش چشمگیری پیداکرده است و در حال حاضر در بسیاری از مناطق خشک و کم آب دنیا به دلیل کمبود آب شیرین استفاده از فاضلابهای تصفیه نشده شهری و صنعتی در کشاورزی و صنعت به جای منابع آب شیرین در حال گسترش است . - Pescod and Arar, 2013 - آمونیوم یکی از اشکال اولیه آلودگی به نیتروژن در محیط زیست میباشد. افزایش این ترکیب در آبهای پذیرنده نه تنها موجب بروز پدیده پیری زودرس در دریاچهها، برکهها و رودخانهها میشود، بلکه باعث بالا رفتن میزان نیاز به اکسیژن محلول آب به منظور تصفیه و بروز سمیت برای گونههای زنده در محیطهای آبی میشود . - Saltali et al., 2007; Zhang, 2011 - به علاوه رشد بیش از حد جلبکها در این منابع آبی، موجب بروز پدیده خوردگی بیولوژیکی و گرفتگیهای بیولوژیکی در لولههای انتقال پساب و یا صنایع به کار برنده این پسابها میشود - Booker et al., . - Widiastuti et al., 2011; 1996 روش های متداول حذف آمونیوم از آب و پساب شامل: هوادهی، کلر زنی، تبادل یونی، جذب سطحی با کربن فعال و نیتریفیکاسیون - دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی میباشد - . - Cheung et al., 1997
مواد جاذب نانو به دلیل سطح ویژه زیاد دارای مکانهای جذب سطحی بالایی هستند. یکی از خصوصیات مشخص کننده مواد نانو این است که رفتاری متفاوت با رفتار مواد درشت ساختاری و یا میکروساختاری دارند. زمانی که اندازه ذرات یک ماده از یک اندازه خاص کوچکتر میشود، علاوه بر ترکیب و ساختار ماده، ابعاد ماده نیز یکی از عوامل تاثیرگذار بر روی خواص آن خواهد بود - Han . - et al., 2007 آنچه که فناوری نانو میتواند در اختیار قرار دهد، بهبود کیفیت فاضلاب تصفیه شده برای استفاده مجدد در کشاورزی، کشت آبی، مصارف صنعتی یا حتی شرب و شستشو است - Celik . - Ayati et al., 2006 و همکاران - 2001 - مقدار جذب و تبادل کاتیونی یون آمونیوم را به وسیله کانیهای زئولیت از گروه کلینوپتیولایت و سپیولایت1 در روش ستونی مورد بررسی قرار دادند. آنها نشان دادند که ظرفیت تبادل کاتیونی در رس کلینوپتیولایت بالاتر از سپیولایت میباشد. آزمایشها در آب مقطر و آب معمولی انجام گرفت و در هر دو حالت رس کلینوپتیولایت مقدار زیادی از یونهای آمونیوم را جذب کرد.
در بررسی که توسط Wang و همکاران - - 2007 بر روی حذف آمونیوم از محلول آبی با استفاده از کلینوپتیلولایت چینی طبیعی انجام شد مشخص شد که بهترین pH حذف آمونیوم 6 میباشد و همچنین با افزایش زمان تماس نرخ جذب آمونیوم ثابت می-شود. کاظمیان و همکاران - 1387 - با روش های نیتریفیکاسیون و تبادل یونی با استفاده از زئولیت طبیعی کلینوپتیلولایت به حذف ترکیبات نیتروژنه موجود در فاضلاب و پسابها پرداختند و احیای بیولوژیکی زئولیت اشباع از آمونیوم را مورد بررسی قرار دادند. هدف کلی از تحقیق حاضر تعیین توان نانو رس مونتموریلونیت در حذف آمونیوم از آبها و پسابها میباشد. اثرات پارامترهای مختلف همانند تغییرات pH، دما، زمان، غلظت جاذب و غلظت جذب شونده - آمونیوم - در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش:
در این تحقیق برای ساختن محلول اولیه آمونیوم از نمک سولفات آمونیوم که از شرکت مرک آلمان خریداری شده است استفاده شد و جاذب نانو رس مونتموریلونیت از شرکت ALDRICH آمریکا خریداری شد. اندازه ذرات با تکنیک XRD مجددا مورد بررسی قرار گرفت. اندازهگیری آمونیوم به روش رنگ سنجی - روش TAN، - 2005 و با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 650 نانومتر انجام شد. آزمایشات بهینهسازی اثر غلظت جاذب بر میزان جذب: مقادیر مختلف از نانو رس مونتموریلونیت شامل غلظتهای 1، 2، 3، 4 و 5 گرم بر لیتر با استفاده ازحجم 12/5 سیسی از محلول 100 میلیگرم بر لیتر آمونیوم ساخته و در دمای 25 درجه سانتیگراد نگهداری شد. نمونهها به مدت 2 ساعت در ابتدا و انتهای زمان 24 ساعت بر روی دستگاه شیک قرار داده شد سپس نمونهها به مدت سه دقیقه در دور 3000 در دستگاه سانتریفوژ قرار گرفت. سپس میزان جذب آمونیوم در غلظتهای مختلف جاذب بعد از 24 ساعت مورد بررسی قرار گرفت. کلیه آزمایشات در سه تکرار اندازهگیری شد.
اثر pH بر میزان جذب: ابتدا پهاش محلول جذب شونده - آمونیوم 100 میلیگرم بر لیتر - در مقادیر 2 تا 8 تنظیم شد. سپس 12/5 سیسی از محلول 100 میلیگرم بر لیتر آمونیوم در مجاورت 0/025 گرم - غلظت 2 گرم بر لیتر - از نانو رس مونتموریلونیت به مدت 24 ساعت در دمای 25 درجه سانتیگراد قرار داده شد. سپس سانتریفوژ و میزان جذب آمونیوم برای جاذب مورد نظر محاسبه شد. اثر زمان بر میزان جذب: 0/025 گرم - غلظت 2 گرم بر لیتر - از نانو رس مونتموریلونیت در مجاورت 12/5 سیسی از محلول اصلی آمونیوم قرار گرفت سپس میزان جذب در فواصل زمانی 10 تا 180 دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی اثر زمان معادلات سینتیکی شبه مرتبه اول - - 1 و شبه مرتبه دوم - - 2 مورد بررسی قرار گرفت که به صورت زیر میباشد:
qe مقدار یونهای جذب شده بر روی جاذب بر حسب میلیگرم بر گرم در زمان تعادل، qt مقدار یونهای جذب شده بر روی جاذب بر حسب میلیگرم بر گرم در زمان مورد نظر، K1 ثابت معادله بر حسب یک بر دقیقه و K2 ثابت سرعت بر حسب گرم بر میلیگرم در هر زمان تعادل میباشد - Lagergren, 1898؛ . - Blanchard et al., 1984 اثر دما بر میزان جذب: حذف آمونیوم در دماهای 15، 20، 25، 30، 35 و 40 درجه سانتیگراد انجام شد و همانند مراحل قبلی میزان جذب برای غلظت 100 میلیگرم بر لیتر آمونیوم اعمال شد و میزان جذب آمونیوم در دماهای فوق مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی ماهیت جذب از معادلات ترمودینامیکی زیر استفاده میشود:
* برابر با انرژی آزاد گیبس”کیلو ژول بر مول“،R ثابت گازها میباشد و برابر با 8/314 ژول بر مول در درجه کلوین، T دما بر حسب کلوین و kd برابر با qe/ce میباشد - . - Kochkodan et al., 2015
از آنجاییکه *برابر×است×باْ + - 7 6 * در اینجا + - کیلو ژول بر مول - برابر با تغییرات آنتالپی میباشد، 6œ - ژول بر مول در کلوین - برابر با تغییرات آنتروپی می- باشد 2015 - . - Kochkodan et al.,
ایزوترم جذب آمونیوم
در این مرحله با در نظر گرفتن شرایط بهینه - غلظت 2 گرم بر لیتر - 0/025 گرم جاذب - ، پهاش 7، زمان تماس 120 دقیقه و دمای 15 درجه سانتیگراد - ایزوترم جذب آمونیوم در غلظتهای 0، 20، 40، 60، 80 و 100 میلیگرم بر لیتر انجام شد. 0/025 گرم - غلظت 2 گرم بر لیتر - از جاذب وزن و در مجاورت مقدار مشخصی از محلول با غلظتهای مشخص 0 تا 100 میلیگرم بر لیتر آمونیوم با پهاش 7 قرار گرفت. سپس دمای 15 درجه سانتیگراد و زمان تعادل 120 دقیقه بر آن اعمال شد و میزان جذب آمونیوم برای جاذب مونتموریلونیت محاسبه گردید. در این مطالعه از دو مدل فروندلیچ و لانگمویر برای توصیف دادههای جذب استفاده شد که به صورت زیر میباشد:
شکل خطی معادله لانگ مویر در فرمول شماره 3 ارائه شده است: که در آن غلظت تعادلی ماده حل شونده در محلول بر حسب میلیگرم در لیتر، qe ماده جذب شده بر حسب میلی گرم در گرم جاذب ، qm نشان دهنده حداکثر جذب بر حسب میلیگرم در گرم جاذب و نشان دهنده ثابت لانگمویر بر حسب لیتر بر گرم است - . - Mahdavi et al., 2012 مدل لانگمویر در جذب همگن استفاده میشود، بنابراین هر یک از مولکولها برای جذب به انرژی فعالسازی نیاز دارند. معادله فروندلیچ یک مدل جذب سطحی تجربی میباشد. شکل خطی معادله فروندلیچ در فرمول شماره 4 ارائه شده است، که در آن Ce و qe همانند معادله لانگمویر و n و KF ثابتهای فروندلیچ میباشند . - Mahdavi et al., 2012 - در مدل فروندلیچ فرض بر جذب چند لایه، با توزیع غیر یکنواخت جذب گرما و جذب بر روی سطوح ناهمگن است.
نتایج وبحث:
در این تحقیق اندازه کریستالی نانو رس مونتموریلونیت برابر 45/5 نانو متر میباشد که با دستگاه XRD و معادله شرر تعیین شد - . - Nagappa and Chondrappa, 2007 نتایج حاصل از اثر غلظت جاذب و pH در شکل 1 نشان داده شده است:
