بخشی از مقاله
چکیده:
در پژوهش حاضر یک بستر جاذب به نام لیکا-نانوتیتانیا ساخته و بکارگیری شده است. این بستر جاذب توسط حذف مولکول های رنگزای دایرکت رد 16 از محیط آبی مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور اجرای آزمایشات، 12 عدد از بسترهای جاذب ساخته شده به ابعاد 2cm - در - 12cm در دیواره داخلی یک منشور شش ضلعی از جنس استیل جاسازی گردید و به صورت یک سیستم برگشتی ناپیوسته با محلول آزمایشی در تماس قرار گرفت. اثرات pH اولیه محیط و غلظت اولیه آلاینده مورد مطالعه قرارگرفت. با بررسی نحوه برازش داده های تجربی با ایزوترم های مختلف در نهایت مشخص گردید که ایزوترم فروندلیچ می تواند بخوبی فرآیند جذب را در شرایط تعادلی توصیف نماید. همچنین روند فرآیند جذب دایرکت رد16 بر حسب زمان در غلظت های اولیه مختلف از آن بررسی گردید که سینتیک شبه مرتبه دوم داده های تجربی را توانست به خوبی مدل نماید. در شرایط pH اولیه 3 و غلظت اولیه10 میلی گرم بر لیتر از دایرکت رد 16،بازده فرآیند حذف به روش جذب سطحی بر روی جاذب مذکور در مدت زمان نسبتاً کوتاه 15 دقیقه به %90 رسید.
واژه های کلیدی: لیکا، نانو تیتانیا، دایرکت رد 16، جذب سطحی، ایزوترم، سینتیک.
مقدمه
معضل آلودگی زیست محیطی صنایع مختلف در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه در درجه ای از اهمیت است که توجه بخشی از محققین را به خود جلب نموده است. استفاده از روش جذب سطحی جهت حذف آلودگی های آلی و معدنی از آب به دلیل عدم استفاده از مواد شیمیایی دارای جذابیت می باشد. تا کنون جاذب های متنوعی در زمینه تصفیه آب و پساب بکار گرفته شده اند که از میان می توان به دانه های شیشه ای، پلی استایرن، سرامیک ها، خاک های دیاتومه، زئولیت، مگنتیت، چیتوسان، کربن فعال، نانو لوله های کربنی و لیکا اشاره نمود .[1]دانه های لیکا در واقع کلوخه های رس سبک منبسط شده می باشند که دارای یک ساختار متخلخل در مرکز و یک پوسته غیر متخلخل سرامیکی می باشد که از نظر شیمیایی بی اثر است ودارای مصارف متنوعی از جمله حفظ رطوبت خاک در باغبانی، عایق، سبک کردن بلوک های سیمانی و کاربرد به عنوان فیلتر هستند .[1]
از طرف دیگر، نحوه تماس جاذب با جریان آب آلوده دارای تأثیر بسزایی در عملکرد و هزینه های واحد عملیاتی دارد. بکار گیری جاذب به صورت بستر ثابت در مقایسه با حالت سوسپانسیون می تواند منجر به حذف هزینه های اضافی مربوط به جداسازی ذرات بستر از جریان پساب تصفیه شده گردد، علاوه بر اینکه موجب تسهیل در کنترل واحد عملیاتی نیز می گردد .[2]در این تحقیق برای نخستین بار از ساختار متخلخل درونی دانه های لیکا به عنوان یک جاذب به صورت بستر ثابت جهت حذف یک آلاینده آلی الگو استفاده می شود. همچنین جهت بهبود خواص آب دوستی و جذبی لیکا بر روی سطح آن ذراتنانو تیتانیا پوشش داده می شود. اثر برخی پارامترهای تأثیر گذار بر روی بازده جذب از قبیل pH اولیه محیط و غلظت اولیه آلاینده بررسی می گردد. به علاوه ایزوترم و سینتیک فرآیند جذب مورد مطالعه قرار می گیرد.
بخش تجربی
جهت ساخت بسترهای لیکا به ترتیب زیر عمل شد. خاک رس و بنتونیت به نسبت 2 به 1/5 با هم ترکیب شده و به میزان 1/5 درصد وزنی روغن موتور به آن اضافه می گردید و سپس با افزودن مقدار مناسبی از آب یک خمیر چسبناک تهیه گردید. این خمیر بر روی سطح تعداد 12 قطعه سرامیک مستطیلی شکل هر کدام به ابعاد 2cm - در - 12cm که از قبل تهیه شده بودند، با ضخامت تقریبی 0/5 سانتی متر کشیده شد. این قطعات سپس در یک کوره الکتریکی جعبه ای قرار گرفتند و برنامه دمایی-زمانی به شرح زیر بر روی آنها اجرا گردید:30 دقیقه توقف در دمای 105 ˚C، مدت 2 ساعت توقف در دمای 250 درجه و در نهایت 25 دقیقه توقف در دمای 1220 درجه سانتیگراد.
بعد از آماده سازی بسترهای لیکا، به منظور رسیدن به یک پوشش مناسب از نانوذرات تیتانیا از روش غوطه وری استفاده گردید. شکل 1 تصویر SEM تهیه شده از بستر لیکا و بستر لیکا-نانوذرات تیتانیا را نمایش می دهد.جهت اجرای فرآیند جذب سطحی، تعداد 12 عدد از بسترهای جاذب لیکا ساخته شده در ابعاد 2cm - در - 12cm در دیواره داخلی یک منشور شش ضلعی از جنس استیل ضد زنگ جاسازی گردید و به صورت یک سیستم برگشتی ناپیوسته با محلول آزمایشی در تماس قرار گرفت. شکل 2 یک طرح شماتیکی از این واکنشگاه در دو نمای جانبی و نمای بالا را همراه با تجهیزات آن نمایش می دهد.
جهت اجرای هر آزمایش ابتدا محلول هایی با غلظت اولیه مشخص از ماده رنگی دایرکت رد 16 به عنوان یک آلاینده الگو - تهیه شده از شرکت الوان ثابت همدان - بعد از تنظیم pH آن توسط محلول های رقیقی از اسید کلریدریک و یا سدیم هیدروکسید و کنترل اسیدیته توسط یک pH متر به واکنشگاه منتقل می گردید. به منظور به هم خوردن محیط واکنشی و حفظیکنواختی آن در طول اجرای فرآیند پمپ سیرکولاسیون تعبیه شده در پایین واکنشگاه راه اندازی می گردید تا یک جریان پیوسته از محلول واکنشی در تماس با بسترها قرار گیرد. به منظور رصد فرآیند جذب آلاینده، در زمان های مقتضی نمونه هایی با حجم 3 میلی لیتر از محلول درون واکنشگاه برداشته می شد و سنجش میزان باقی مانده از آلاینده به روش اسپکتروفوتومتری صورت می گرفت.
جذب نور نمونه ها در طول موج بیشینه مربوط به هر کدام از pHهای عملیاتی توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر اندازه گیری می شد و سپس به کمک نمودارهای کالیبراسیون مقتضی مربوطه، غلظت ماده رنگزا در نمونه ها به دست می آمد.بدین ترتیب از پارامتر های بازده جذب - AdE - و ظرفیت تعادلی جاذب - qe - جهت ارائه نتایج تجربی در هر زمان از فرآیند بر اساس رابطه های زیر استفاده شد:در این رابطه [DR16]0 ، V و m مربوط به غلظت تعادلی ماده رنگزا بر حسب میلیگرم بر لیتر، حجم محلول بر حسب لیتر و جرم جاذب بر حسب گرم هستند.
نتایج و بحث
تأثیر میزان pH اولیه محلول بر میزان بازده حذف دایرکت رد 16 توسط فرآیند جذب سطحی مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن در شکل 3 ارائه گردیده است. همانطور که مشخص است بازده در محیط با pH قلیایی 10 تقریبا صفر و در pH های طبیعی - بدون افزایش اسید یا باز به محلول - و اسیدی 4 بسیار اندک می باشد. این در حالی می باشد که در pH اسیدی 3 بازده به میزان قابل توجهی افزایش یافته و به بیشینه مقدار خود می رسد. در این شرایط بعد از گذشت25 دقیقه از زمان فرآیند بازده به حدود 97 درصد رسیده است. با افزایش بیشتر pH به حدود 2، فرآیند با کاهش جزئی در بازده روبرو می گردد.
نتایج بدست آمده با توجه به تأثیر اسیدیته محیط بر روی بار سطحی ذرات بستر قابل درک است. در pH طبیعی سطح بستر بدون بار می باشد لذا برهم کنش الکتروستاتیکی بین آن و مولکول دایرکت رد 16 قابل تصور نیست و این امر موجب جذب شدن ضعیف و ناپایدار ماده رنگزا بر روی سطح بستر می باشد. اما در مقادیر کمتر - محیطهای اسیدی - بستر می تواند دارای بار مثبت گردد که در 3 pH برهمکنش جذبی ایجاد شده بین سطح مثبت و گروه سولفونیک منفی در ساختار دایرکت رد16 منجر به بازده بالای حذف می گردد. اما در pH قلیایی 10 دافعه الکتروستاتیک بین آلاینده و سطح منفی مانع از جذب می گردد.در گام بعدی به بررسی سینتیکی اجرای فرآیند جذب سطحی در 3 pH و در غلظت های اولیه مختلف از ماده رنگزای دایرکت رد 16 پرداخته شد.
در این ارتباط دو مدل سینتیکی مرتبه اول لاگرگرن - lagergren - و مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم - معادله - 3 مورد استفاده قرار گرفتند که در این راستا تنها مدل دوم توانست به خوبی با داده های تجربی همخوانی نشان دهد.در این معادلهt ، qe، qt و k2 به ترتیب مربوط می شوند به زمان تماس محلول با جاذب، ظرفیت جذبکنندگی جاذب در نقطه تعادل و در هر زمان، و ثابت سرعت جذب مرتبه دوم. جهت محاسبه پارامترهای k2 و qe در غلظت های اولیه مختلف از ماده آلاینده خطوط تغییرات t/qt بر حسب t در شکل 4 رسم گردید و از شیب و عرض از مبداء آنها این پارامترها قابل محاسبه می باشند. همچنین شکل 5 نشان می دهد که توافق خوبی بین پارامتر ظرفیت تعادلی جاذب بدست آمده از طریق مدل - qe model - و ظرفیت تعادلی تجربی جاذب - qe experimental - وجود دارد که تأیید کننده کیفیت خوب عملکرد مدل شبه مرتبه دوم در توصیف سینتیک فرآیند جذب ماده دایرکت رد 16 می باشد.
