بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، حذف رنگ آبی blue basic 9 از محلول آبی در یک سیستم بسته توسط جاذب کلینوپتیلولیت با بررسی تاثیر پارامتر های زمان، pH ، غلظت اولیهی محلول، مقدار جاذب و در نهایت یافتن ایزوترم و سینتیک مناسب جذب رنگزا انجام شد. نتایج نشان داد جذب رنگزای متیلن بلو با R2 معادل 0,999 از مدل ایزوترم لانگمویر و با 0,99 <R2 از سینتیک شبهی درجه دوم تبعیت می کند. جذب متیلن بلو توسط کلینوپتیلولیت پس از 120 دقیقه به حالت تعادل می رسد . حداکثر ظرفیت جذب تک لایه ای برای شرایط آزمایشگاهی موجود در این مطالعه 11,3636 mg/g به دست آمده است.
واژه های کلیدی:جذب سطحی، کلینوپتیلولیت، متیلن بلو، ایزوترم، سینتیک
مقدمه
رنگزا ها در بسیاری از صنایع همانند نساجی، رنگرزی، صنعت چاپ و پلاستیک مصرف می شوند که به دلیل ویژگی سمیت و سرطان زایی جزء آلاینده هایی به شمار می روند که باعث ایجاد مشکلاتی در سلامت و محیط زیست می شود 1]و.[2وجود رنگزای آلی در پساب، به دلیل جلوگیری از نفوذ نور به داخل آب، اختلال در عمل فتوسنتز، کاهش انتقال اکسیژن به داخل آب و حلالیت گاز ها و اثرات سمی آن ها صدمات جبران ناپذیری به محیط زیست وارد می نماید.[3] بنابراین لازم است این گونه پساب ها قبل از تخلیه به محیط زیست، با استفاده از روش های مناسب حذف شوند. متیلن بلو یک رنگزای آلوده کنندهی پساب از نوع کاتیونی با فرمول C16H18N3SCl است که در صنایع نساجی و رنگرزی استفاده می شود و معمولاً شاخصی برای عملکرد جاذب به شمار می رود.[4]
در حذف رنگزا ها از پساب، روش های مختلف فیزیکی، شیمیایی وبیولوژیکی مثل رسوب گذاری، انعقاد و لخته سازی، تعویض یون، روش های الکتروشیمیایی، ازناسیون و فرآیند جذب سطحی به کار گرفته شده است 5]و.[6 در بین این روش ها، جذب سطحی یکی از ساده ترین، کم هزینه ترین و موثرترین فرآیند های فیزیکی در حذف رنگ از پساب است. [7] جذب یک فرآیند فیزیکی-شیمیایی برای تصفیهی پساب است کهمولکول های حل شده توسط نیرو های فیزیکی-شیمیایی به سطح یک جاذب متصل می شوند. شکل 1 روند جذب یک جذب شونده از توده سیال به سمت جایگاه های جذب را نشان می دهد .[8]
درفرآیند جذب، کربن فعال یک جاذب استاندارد و متداول است که هزینه تولید آن بالا می باشد بنابراین، مطالعات اخیر، بر روی کاربرد مواد طبیعی به عنوان جاذب، تمرکز کرده اند و در این میان، زئولیت ها جاذب هایی ارزان هستند که به طور گسترده در صنعت، حفاظت محیط زیست، کشاورزی، پزشکی و بسیاری زمینه ها استفاده می شوند 9]و[10کلینوپتیلولیت، یک زئولیت طبیعی معدنی است که دارای ساختار کریستالی سه بعدی است و فرمول آن به صورتNa6[ - Al2O3 - 6 - SiO2 - 30 ].24H 2O است.[12] با توجه به هزینه کم زئولیت ها و فراوانی آن ها در ایران، از این جاذب در جهتحذف رنگزای متیلن بلو که دارای بار خالص مثبت است، استفاده گردید . با بررسی منابع علمی، از این جاذب معدنی ایرانی، تاکنون در حذف رنگزای متیلن بلو استفاده نگردیده است.
مواد و روش ها
رنگزای کاتیونی استفاده شده در این پژوهش از شرکت تجاری مرک آلمان خریداری شد. کلینوپتیلولیت مورد استفاده در این مطالعه از منطقهی میانه تهیه گردید. جهت جداکردن ذرات موجود در محلول های حاوی جاذب از سانتریفوژ مدل CE.148 ساخت Shimafan و برای اندازه گیری میزان رنگ بری، از دستگاه اسپکتروفوتومتر UV-Vis - مدل - CARY 50 Bio استفاده شد.برای تنظیم pH از سدیم هیدروکسید و هیدروکلریک اسید 1 نرمال و از pHمتر مدلJENWAY 3510 ساخت کشور انگلستان استفاده گردید.
روش کار
محلول مادر - استوک - با غلظت 1000 میلی گرم بر لیتر تهیه شد و غلظت های مورد نیاز مورد استفاده در آزمایش ها با رقیق سازی محلول مادر ساخته شد. جهت انجام مطالعه، ابتدا دانه بندی کلینوپتیلولیت با استفاده از الک های استاندارد ASTM با مش 30 0,6 - میلی متر - انجام گرفت. سپس برای حذف ناخالصی ها بعد ازچند بار شستشو با آب دیونیزه، در آون، خشک، و در داخل دسیکاتور نگهداری شد.انجام آزمایش ها با نمونه هایی به حجم 50 میلی لیتر محتوی رنگزا با غلظت های150-20 میلی گرم بر لیتر و افزودن مقدار دقیق و مشخصی از جاذب به نمونه ها در هر مرحله، صورت پذیرفت و نمونه ها در مدت زمان مشخص 5 ساعت توسط همزن با سرعت 200 دور در دقیقه مخلوط گردید. غلظت رنگ باقیمانده در محلول پس از سانتریفوژ با دور 9000دور در دقیقه و مدت زمان 10 دقیقه، توسط دستگاه اسپکتروفوتومترخوانده شده ، و توسط منحنی استاندارد در طول موج حداکثر 595 نانومتر به دست آمد.در هر مورد ظرفیت جذب و درصد حذف رنگ طبق معادلات زیر به دست آمد:
که qt عبارتست از مقدار رنگزای جذب شده در واحد جرم جاذب - میلی گرم بر گرم - ، Ci عبارتست از غلظت اولیهی رنگزا بر حسب میلی گرم بر لیتر، Ct عبارتست که غلظت ثانویهی رنگزا در زمان t بر حسب میلی گرم بر لیتر، V عبارتست از حجم محلول بر حسب لیتر و m جرم جاذب بر حسب گرم است.جهت بررسی تاثیر pH، آزمایش هادر سه 3 pH، 7 و 10 - اسیدی-خنثی -قلیایی - و غلظت های اولیهی 20 و 50 میلی گرم بر لیتر انجام شد. تاثیر غلظت اولیهی رنگزا و تعیین ثوابت ایزوترم در پنج غلظت 150-20 میلی گرم بر لیتر و تاثیر میزان جاذب، در چهار مقدار جاذب 0,1 - ، 0,3 ، 0,5، 0,7 گرم - مورد بررسی قرار گرفت. میزان انطباق داده های تجربی تعادل جذب با استفاده از معادلات دو پارامتری و سه پارامتری شامل لانگمویر، فروندلیچ، تمکین، ایزوترم تصحیح شده، دوبینین-رادوشکویچ، ردلیش-پترسون، سیپس، تاث بررسی شد. برای بررسی اثر زمان بر میزان جذب و بررسی سینتیک جذب، میزان جذب رنگزا در طول 5 ساعت و فاصلهی زمانی 60، 120 ، 180، 240 و 300 دقیقه و با شرایط ثابت مقدار جاذب 0,3 گرم، pH برابر 7، غلظت اولیهی رنگزا 20 - و50 میلی گرم بر لیتر - و دمای 20 بررسی شد. سینتیک جذب با آنالیز مدل های سینتیک شبه درجه اول و دوم، الوویچ و اورامی بررسی و ثوابت سینتیک استخراج شد.
نتایج
همان گونه که در شکل 2 مشاهده می گردد، حداکثر جذب رنگ متیلن بلو برای هر دو غلظت 20 و 50 میلی گرم بر لیتر در طول موج 595 نانومتر می باشد. بنابراین در بررسی های بعدی مقادیر جذب در این طول موج بررسی شده است.
اثر pH بر میزان جذب: همانطور که در شکل 3 مشاهده می شود،با افزایش pH از محدوده اسیدی به بازی، میزان جذب افزایش می یابد. در pH بازی به دلیل حضور یون OH- تعداد بار های منفی افزایش یافته و با توجه به ماهیت کاتیونی رنگزا، نیروی جاذبه الکترواستاتیکی میان جاذب و آلاینده افزایش یافته و مقدار جذب افزایش می یابد 13]و[14
اثر غلظت اولیهی رنگزا بر میزان جذب: مطابق شکل 4، افزایش غلظت اولیهی رنگزا از 20 تا 150 میلی گرم بر لیتر، به دلیل افزایش نیرومحرکه و افزایش برهم کنش بین مولکول های جاذب و جذب شونده، منجر به بالا رفتن ظرفیت جذب خواهد شد. 15]، .[16 اما راندمان جذب به دلیل محدود بودن جایگاه های جذب روی سطح جاذب کاهش یافته و موجب انتشار ذرات از طریق درون ذره ای خواهد شد. 18]،.[17
اثر میزان جاذب بر میزان جذب: بررسی تاثیر میزان جاذب استفاده شده در جذب رنگزا در شکل 5 نشان داده شده است.
از شکل 5 می توان دریافت که با افزایش میزان جاذب از 0,1 تا 0,7 گرم، راندمان حذف رنگ از %25,18 به %74,26 افزایش یافته، در حالیکه میزان رنگ جذب شده به ازای جرم جاذب - qe - روندکاهشی داشته است.افزایش راندمان حذف به دلیل بیشتر شدن نقاط فعال و موثر در جذب است. .[19] کاهش میزان جذب در واحد جرم جاذب، به دلیل غیر اشباع ماندن برخی از نقاط فعال موجود در سطح جاذب می باشد. [20] با توجه به نمودار qe و %R میزان گرم جاذب بهینه 0,3 درنظر گرفته شد.
تعین ثوابت ایزوترم های جذب:
برای سیستم جذب جامد-مایع، ایزوترم جذب، مدل مهمی در توصیف رفتار جذب است. هنگامی که جذب به حالت تعادل می رسد، ایزوترم جذب نشان دهندهی چگونگی توزیع مولکول های رنگزا بین فاز جامد و فاز مایع باشد.[21] به منظور یافتن ایزوترم حاکم بر جذب رنگزا توسط کلینوپتیلولیت، داده های جذب تعادلی با مدل های مختلف مطابقت داده می شوند. در این تحقیق، مدل های ایزوترم لانگمویر، فروندلیچ، تمکین ، ایزوترم تصحیح شده، دوبینین-رادوشکویچ، ردلیچ-پترسون، سیپس و تاث مورد بررسی قرار گرفته است. ثوابت هر ایزوترم خواص سطح جاذب را توصیف می کند.
در این مطالعه، برازش بالا - حدود - 0,999 برای مدل لانگمویر نشان می دهد که جذب رنگزا از این ایزوترم تبعیت کرده و نشان می دهد که جذب شونده ها به صورت تک لایه بر سطح جاذب، جذب گردیده اند. نمودار qe بر حسب Ce برای جذب رنگزا توسط کلینوپتیلولیت با توجه به مدل ایزوترم لانگمویر در شکل 6 نشان داده شده است.اثر زمان تماس بر میزان جذب و بررسی سینتیک جذب: نتایج اثر زمان تماس بر میزان جذب رنگزا در شکل 7 ارائه شده است. همان گونه که مشاهده می شود میزان جذب رنگزا بعد از 3-2 ساعت به تعادل خواهد رسید. در مراحل اولیه، سرعت جذب به دلیل خالی بودن جایگاه های فعال سطح جاذب بالا بوده و به تدریج با
