بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش، کلینوپتیلولیت طبیعی به عنوان جاذبی ارزان قیمت به منظور حذف اورانیم از محلولهای آبی استفاده شد. در بسیاری از مطالعات انجام شده، جذب یونهای اورانیم از محلولهای آبی اغلب در شرایط آزمایشگاهی مانند حل کردن ماده پرتوزا در آب مقطر بررسی شده است. در این پژوهش پساب سنتزی به گونهای که آب آشامیدنی راشبیهسازی کند تولید شد و حذف اورانیم در حضور یونهای مختلف موجود در آب آشامیدنی توسط زئولیت طبیعی بررسی شد. دو فرم اصلاح شده کلینوپتیلولیت تهیه و ظرفیت جذب آنها برای حذف اورانیم از آب شبیهسازی شدهمورد بررسی قرار گرفت که حداکثر راندمان حذف اورانیم 98/9 بهدست آمد.
کلمات کلیدی: کلینوپتیلولیت، اورانیم، آب شبیهسازی شده، تبادل یون، اکسید فلزی.
مقدمه:
اورانیم یکی از خطرناکترین فلزات سنگین در محیط زیست است که میتواند به طور طبیعی و یا از طریق فعالیتهای انسانی از جمله دفع پسماند کارخانههای هستهای، وارد منابع آبی شود .[1] در برخی از پسابها اورانیوم با غلظت قابل توجهی وجود دارد که دفع آن در محیط بدون کاهش غلظت اورانیوم آن تا کمتر از حد مجاز - 2 g/L - مشکلات زیست محیطی به دنبال خواهد داشت. آلودگی پسابها به اورانیم تهدید بزرگی برای آبهای سطحی و زیر زمینی است زیرا اورانیم بر خلاف آلایندههای آلی، تجزیه بیولوژیکی یا شیمیایی نمیشود بنابراین برای مدت زمان طولانی در خاک باقی میماند و وارد آبهای زیر زمینی میشود.پس لازم است پساب آلوده پیش از تخلیه به محیط زیست تصفیه شود.
حذف آلایندههای پرتوزا نیاز به فنآوری و تکنیکهای اقتصادی توجیه پذیر و کارآمد دارد. از سوی دیگر، هدف اصلی پس از بهره گیری از انرژی هستهای، کاستن میزان اورانیم مصرفی و بهرهگیری کاملتر از آن است. طبق برآورد آژانس بین المللی انرژی اتمی1، در سال 1995، میزان ذخایر اورانیم کره زمین در حدود 5 تا 6 میلیون تن برآورد شده است - گزارش شماره 7209، . - 2014 چنانچه اورانیم با شتاب فعلی مصرف شود، در آینده نه چندان دور میزان تقاضا از تولید بیشتر خواهد شد و در نهایت تولید برق با استفاده از انرژی هستهای دچار بحران خواهد شد. بنابراین دستیابی به روشی که بتوان اورانیم موجود در پسمانهای هستهای را به طور گزینشی جداسازی نمود تا بتواندمجدداً در چرخه سوخت مورد استفاده قرار گیرد اهمیت فراوانی دارد.
روشهای مختلفی برای حذف اورانیوم از پساب وجود دارد که در بین آنها تبادل یونی یکی از موثرترین روشهای حذف است، زیرا بدون نیاز به انرژی میتواند درصد بالایی از اورانیم را از پساب حذف کند .[2] بنابراین از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است. در این پژوهش به طور خاص به کاربرد روش تبادل یون با استفاده از زئولیت کلینوپتیلولیت در حذف اورانیم از پساب پرداخته و با استفاده از اکسید فلز کارایی آن به صورت بهینه افزایش داده شد. نتایج این پژوهش بر روی مواد تبادلگر یونی معدنی میتواند منجر به تولید نانو ترکیباتی شود که برای حذف هستههای مختلف به ویژه یونهای اورانیم از آبهای آلوده و کاهش ورود آنها به محیط زیست استفاده شود. همچنین به دلیل کاربرد گسترده تبادل گرهای یونی معدنی در صنعت هسته ای این نتایج میتواند در شاخههای مختلف این صنعت مانند پسمانداری محلولهای پرتوزا که از نیروگاههای اتمی تولید میشوند و یا در مراحل مختلف تولید و آمادهسازی سوخت هستهای مورد استفاده قرار گیرد.
روش کار :
ابتدا زئولیت دانه بندی و با استفاده از محلول هیدروکلریک اسید رقیق شده شستشو داده شد. زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت با استفاده از چرخه آمونیوم به فرم سدیمی تبدیل شد. فرم سدیمی کلینوپتیلولیت در مقایسه با فرم طبیعی و سایر فرمها - فرم کلسیمی، پتاسیمی و ... - بهترین مبادله کننده یون برای حذف برخی کاتیونها محسوب میشود .[3] سپس زئولیت در داخل کوره قرار گرفت تا مولکولهای آمونیاک آزاد شده و زئولیت به فرم هیدروژنی تبدیل شود .[4] فرم هیدروژنی با استفاده از محلول 1N سدیم نیترات طی 72 ساعت به فرم سدیمی تبدیل شد. به منظور بهبود ظرفیت جذب اورانیم، اصلاح شیمیایی سطوح زئولیت با استفاده از نانو ذرات روی اکسید انجام شد.
پس از طی مراحل اصلاح جاذب، با توجه به نتایج بهدست آمده از طیف XRD و جذب اتمی، بهترین نمونه نانوکامپوزیت سدیم کلینوپتیلولیت/ روی اکسید برای انجام آزمایشهای جذب و مقایسه نتایج آن با نتایج به دست آمده از فرم سدیمی زئولیت، انتخاب شد. آب آشامیدنی سنتزی از ترکیب آب دییونیزه با مقادیر معینی از منیزیم کلرید، کلسیم سولفات، سدیم بیکربنات، پتاسیم نیترات، سدیم کربنات و سدیم فلوراید تهیه شد. نوع و مقدار ترکیبات موجود در آب سنتزی با در نظر گرفتن حداکثر مقادیر مجاز تعیین شده توسط مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران تعیین شد.به منظور تعیین pH بهینه برای حذف اورانیم، اثر pH های مختلف بر جذب اورانیم توسط سدیم کلینوپتیلولیت و نانو کامپوزیت سدیم کلینوپتیلولیت/ اکسید روی مورد بررسی قرار گرفت.
در بررسی اثر pH متغیرهایی نظیر غلظت اولیه محلول، مقدار جاذب، دما و زمان تماس ثابت نگه داشته شدند. با افزایش pH از 3/2 تا 7/2 جذب اورانیم افزایش مییافت، افزایش بیشتر pH با کاهش جذب همراه بود. از این رو pH=7/2 به عنوان pH بهینه انتخاب شد. اثر درجه حرارت بر جذب اورانیم در گستره دمایی بین 27 تا 60œC مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که دمای اتاق دمای مناسبی برای جذب اورانیم در زئولیت بود. بنابراین دمای 27œC به عنوان دمای بهینه انتخاب گردید.به منظور بررسی اثر زمان و تعیین زمان تعادل، مقدار 0/2 گرم سدیم کیلینوپتیلولیت و نانوکامپوزیت سدیم کیلینوپتیلولیت/ روی اکسید در زمانهای مختلف در تماس با مقدار ثابتی از غلظت یون اورانیم - 8/27mg/L - قرار داده شد.
نسبت فاز جامد به محلول 1:100 و زمان تماس از صفر تا 24 ساعت در نظر گرفته شد. pH هر محلول با اضافه کردن مقدار مناسبی سدیم هیدروکسید و کلریدریک اسید 0/05N تنظیم شد. در بررسی اثر تماس زئولیت اصلاح شده با روی بر راندمان جذب اورانیم، مراحل بالا برای این فرم از زئولیت نیز انجام شد. اثر غلظت اولیه اورانیم در حذف اورانیم از محلولهای آبی، با استفاده از محلولهایی از اورانیم با غلظت اولیه بین 5 تا 100mg/l با رقیق کردن حجم مربوطه از آب سنتزی، تهیه شد. 0/2 گرم فرم سدیمی زئولیت کلینوپتیلولیت به هر ظرف اضافه و به مدت 24 ساعت درون دستگاه تکان دهنده قرار گرفت. مراحل بالا برای زئولیت اصلاح شده با روی نیز تکرار شد. پس از طی 24 ساعت، محلول و جاذب با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ از هم جدا و غلظت اورانیم باقی مانده در محلول اندازهگیری شد. مقدار اورانیم باقی مانده در محلول قبل و بعد از آزمایشهای جذب توسط دستگاه ICP-OES مشخص شد.
نتایج:
به منظور بررسی اثر زمان تماس و تعیین زمان تعادل، سدیم کیلینوپتیلولیت و نانوکامپوزیت سدیم کیلینوپتیلولیت/ روی اکسید در زمانهای مختلف در تماس با مقدار ثابتی از غلظت یون اورانیم قرار داده شد. با افزایش زمان تماس به دلیل افزایش احتمال برخورد یونهای اورانیم با ذرات جاذب، مقدار جذب افزایش و در نتیجه حذف یونهای اورانیم از محلول افزایش مییابد.
ضریب توزیع - Kd,mL/g - 1 و راندمان جذب - R,% - 2 به ترتیب به صورت زیر محاسبه میشوند:
