بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این تحقیق، حذف یون سرب از محلولهای آبی، توسط روش جذب سطحی و با استفاده از جاذب نانوکامپوزیت کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج است. نانوکامپوزیت سنتز شده توسط روش های FTIR، SEM، XRD وBET شناسایی شده است. درصد جذب از طریق طراحی ترکیب مرکزی - - CCD برآورد شده است. به منظور انجام آزمایشهای جذب اثر پنج پارامترpH محلول 2 - تا - 7، غلظت اولیه سرب - 15تا40 میلیگرم بر لیتر - ، زمان تماس - 5تا30 دقیقه - ، دوز جاذب 0/002 - تا0/02گرم - و دما - 25C تا - 55C بررسی گردید و با بهکارگیری این پارامترها مشخص شد که راندمان حذف سرب توسط جاذب نانوکامپوزیت کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج و تحت شرایط بهینه 0/01گرم جاذب و10 میلیلیتر از محلول Pb - II - و در زمان 30 دقیقه 99/8% می باشد. همچنین با توجه به دادههای تجربی مشخص گردید که ایزوترم جذب با مدل فروندلیچ و سینتیک جذب با مدل شبه مرتبه دوم مطابقت دارد و آزمایش بازیابی جاذب پس از پنج دوره حاکی از آن است که جاذب کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج قابلیت استفاده مجدد را دارد. حداکثر ظرفیت جذب، جاذب کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج درpH=5 برای 94/05 Pb - II - میلیگرم برگرم است.
کلمات کلیدی:جاذب، کیتوسان، نانوهیدروکسی آپاتیت، خاکستر سبوس برنج ، سرب
-1 مقدمه
یکی از مهمترین مسائل دنیای امروز، آلودگی محیط زیست به فلزات سمی و خطرناک میباشدب1،2،3ب. استخراج×فلزات از معادن و کاربرد گسترده فلزات سنگین در صنایع باعث شده است که غلظت این فلزات در آب، فاضلاب، هوا و خاک بیشتر از مقادیر زمینهای افزایش پیدا کند ؟ مکانیزم اثر سمیت فلزات سنگین، ناشی ازتمایل شدید کاتیونهای این فلزات به گوگرد و بدین طریق مختل کردن فعالیت آنزیمهای حیاتی در موجودات زنده میباشد ب4،5ب بنابراین حذف فلزات سنگین از محیط آبی، موضوع مهمی در بهداشت عمومی جامعه محسوب میشود. فلزات سنگین از جمله سرب از راههای مختلف نظیر:پساب بسیاری از صنایع و سایر فلزات سنگین از سنگ معدن، صنایع پتروشیمی، صنایع پالایش نفت، صنایع کاغذسازی، صنایع دارویی، صنایع رنگسازی، صنایع فرآوردههای پلاستیکی و وارد منابع آب میشوند.
از جمله منابع آلاینده محیط زیستدر ارتباط با فلزات سنگین عبارتند ازْ صنایع استخراج فلزات سنگین، صنایع فلزی، ریخته گری، آبکاری، رنگ سازی، باطری سازی، دباغی، نساجی، کاغذسازی و سایر صنایع مشابه که با دفع و انتشارعناصری همچون کادمیوم،جیوه،نیکل،سرب،روی،کروم، مس و نقره در محیط باعث آلودگی میشوند؟ به طور کلی سرب در شمار آلودهکنندههای جهانی شناخته میشودب6،7ب. سرب یکی از سمیترین فلزات سنگین محیط زیست به دلیل اثرات سمی حاد و مزمن آن در سلامت انسان و حیوان میباشد . علاوه بر این مسمومیت با سرب در انسان باعث آسیب شدید به کلیه، کبد، دستگاه تولیدمثل و سیستم عصبی میشود .
با توجه به سازمان حفاظت محیط زیست مقدار استاندارد برای سرب در فاضلاب و آب آشامیدنی به ترتیب 0/5 و ppm 0/05 میباشد. با این حال با توجه به یون های سرب اضافه شده به جریان آب میزان غلظت بسیار بالاتر از حد مجاز اعلام شده توسط سازمان حفاظت محیط زیست میباشد که باعث خطرات بهداشتی و تخریب محیط زیست میشودب8ب . از روشهای متداول حذف فلزات سنگین آب میتوان به رسوبدهی شیمیایی با آهک وسود،فرآیند تبادل یون،اکسیداسیون واحیاء شیمیایی، جذب×سطحی،×الکترودیالیز، فیلتراسیون و فرآیندهای غشایی ازقبیل اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون اشاره نمود ب9ب.
روش جذب سطحی به دلیل سریع بودن، دوام و مقرون به صرفه بودن جاذبها، قابلیت احیای جاذبها و عدم تولید ضایعات در مقایسه با روشهای دیگر بهتر میباشدب10ب . از این رو،نیاز به یک جاذب با ظرفیت جذب بالا و ارزان قیمت دغدغه بشر میباشد و تا کنون از جاذبهایی همچون کیتوسان، هیدرو کسی آپاتیت، کیتین و ضایعات کشاورزی برای حذف سرب از محلول های آبی مورد استفاده قرار گرفته است. در پژوهش پیش رو نانو کامپوزیت کیتوسان/ نانوهیدروکسی آپاتیت/ خاکستر سبوس برنج سنتز شده است و به عنوان جاذب سرب بکار میرود ، و از روش طراحی ترکیب مرکزی - CCD - برای بهینه سازی متغیرهای فرآیند استفاده شده است.
-2 روش انجام آزمایش
1؛-2 تهیه نانوکامپوزیت کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج
قبل از فرآیند جذب باید آماده سازی جاذب انجام شود. برای این منظور ابتدا برای تهیه خاکستر سبوس برنج، سبوس برنج خام را برای چند ساعت در محلول آبی ×HCl ×قرار می دهیم. سپس سبوس را بارها و بارها با آب شسته تا به حالت خنثی برسد،×سپس×در کوره کلسینه می شود.برای تهیه نانو هیدروکسی آپاتیت محلول دی آمونیوم هیدروژن فسفات در آب را به یک محلول کلسیم نیترات 4آبه در آب اضافه می کنیم و مخلوط روی استیرر ملایم قرار داده شود سپس به طور کامل شستشو داده شده و خشک شده و سپس در کوره کلسینه میشود.برای تهیه نانوکامپوزیت سه جزیی کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج باید کیتوسان در محلول اسید استیک حل شود سپس نانو هیدروکسی آپاتیت سنتز شده را اضافه کرده و سپس خاکستر سبوس برنج را به آرامی اضافه کرده و در نهایت محلول را صاف کرده و با آب مقطرشستشو داده تا خنثی شود سپس اجازه می دهیم تا خشک شود و در پایان در هاون می ساییم.
2؛-2 مراحل انجام آزمایش
از روش طراحی ترکیب مرکزی × - CCD - برای ×انجام×آزمایش جهت بهینه سازی متغیرهای فرآیند،برای رسیدن به حداکثر ظرفیت جذب و راندمان حذف استفاده گردید. به همین جهت فاکتورهای مؤثر احتمالی در آزمایش مشخص گردید. در بیشتر فرآیندهای جذب زمان، غلظت اولیه یون مورد نظر، جرم جاذب و PH که در محیط های آبی مطرح است از مهمترین فاکتورهای مؤثر در واکنش هستند. برای تهیه محلول استاندارد سرب از نمک نیترات سرب استفاده شد. برای انجام هر آزمایش PH از هر محلول تنظیم شد. برای تنظیم PH از بافر استات استفاده می شود. جاذب وزن شده متناسب با هر آزمایش به محلول اضافه شد. سپس هرکدام در مدت زمانهای 5 تا 30 دقیقه درروی همزن با چرخش 300 دور در دقیقه قرار گرفتند. سپس محلول توسط دستگاه سانترفیوژ ، صاف شد و جاذب استفادهشده برای بازیابی جهت استفاده مجدد نگهداری و غلظت سرب بهوسیله دستگاه جذب اتمی قرائت شد.
3؛-2 ایزوترم های جذب
ایزوترم جذبی از عوامل مهم در طراحی سیستم های جذبی است. در واقع ایزوترم جذبی چگونگی فعل وانفعال بین جذب شونده و جاذب را تشریح می کند از این رو، همواره به عنوان عاملی مهم برای تعیین ظرفیت یک جاذب و بهینه کردن مصرف آن در نظر گرفته می شود. برای بیان جذب یون سرب بر روی نانو کامپوزیت سه جزیی کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج می توان از مدل های مختلفی استفاده کرد. نتایج حاصل از این تحقیق با استفاده از مدل های فروندلیچ و لانگمویر بررسی شد و مشخص گردید که در این آزمایش مطابق نمودار - 1 - ، جاذب سه جزیی کیتوسان/ نانوهیدروکسی آپاتیت/ خاکستر سبوس برنج از مدل فروندلیچ تبعیت میکند.
4؛-2 سینتیک جذب سطحی
یکی از مطالعات مهم در فرآیند جذب، بررسی تأثیر زمان تماس با مقدار جذب میباشد که به مطالعات سینتیک معروف است. در این راستا برای بررسی سرعت جذب از مدل های سینتیکی معادلات شبه مرتبه اول - مانند مدل لانگرگران که برای سیستمهای جامد/مایع تعریفشده است - وشبه مرتبه دوم - مانند مدل هو وهمکاران که بر اساس ظرفیت جذب تعادلی بیانشده است - استفاده شده است. دراین پژوهش مدل سینتیک شبه مرتبه اول مطابقت میکندکه نمودار آن درشکل - - 2 آورده شده است.
5؛-2 بازیابی سرب
فرآیند بازیابی جاذب برای استفاده مجدد از جاذب، انجام میشود که بسیار مقرون به صرفه می باشد. در فرآیند بازیابی پیوند بین جاذب و جذب شونده توسط محلول مورد نظر شکسته می شود. برای این هدف در مرحله اول آزمایش، همه پارامترها را بهینه قرار داده و سپس عمل جذب را انجام میدهیم. سپس محلول را صافکرده و مقدار جذب آن
خوانده میشود و رسوب زیر صافی با 0/1 مولار شسته میشود در ادامه رسوب شسته شده را صافکرده و در دمای محیط قرار میگیرد تا خشک شود. در مرحله بعدازاین رسوب بهعنوان جاذب آزمایش دوم استفاده میشود. تمامی این مراحل مطابق با شکل - - 3 تا پنج مرحله پیاپی تکرار میشود.شکل - - 3 نمودار مراحل بازیابی جاذب نانو کامپوزیت کیتوسان/ نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج
-3 نتایج
1؛-3 بررسی طیف مادونقرمز جاذب نانو کامپوزیت کیتوسان/نانوهیدروکسی آپاتیت/خاکستر سبوس برنج طیف های مادون قرمز اطلاعات زیادی درباره ساختار ترکیب های آنالیز شده در اختیار ما قرار می دهند. این نوع طیف سنجی می تواند گروه های عاملی مختلف موجود بر روی ترکیبات مولکولی را شناسایی کرده و در نتیجه ساختار احتمالی ترکیبات را برای ما به ارمغان آورد.
