بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی پژوهش بررسی تأثیر استفاده از نانوذرات آهن صفرظرفیتی پایدار شده جهت حذف جیوه از منابع خاک می باشد. نانوذرات آهن صفرظرفیتی با پوشش به دلیل نیروهای جذب کننده مغناطیسی به سرعت در محیط های آبی و خاک تجمع یافته که باعث کاهش واکنش پذیری آنها با آلاینده ها می گردد. از این رو، نانوذرات آهن صفر ظرفیتی با پایدار کننده پلی وینیل پیرولیدون در محیط آزمایشگاه ساخته شد و مشخصات آن ها با استفاده ازمیکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و پراش پرتو ایکس - XRD - مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
تأثیر پارامترهای مقدار جاذب و زمان تماس حذف آلاینده بررسی و نتایج بدست آمده با مدل های همدمای جذب و سینتیک برازش داده شد. باتوجه به نتایج ، حداکثر راندمان حذف به ترتیب %91 - و - %72 است که در زمان تماس برابر 60 دقیقه و مقدار جاذب برابر با - 0/2 - گرم بدست آمد. داده های این مطالعه تطابق خوبی با ایزوترم لانگمویر دارد و بهترین مدل سینتیک حذف جیوه مدل شبه درجه دوم انتخاب شد. با توجه به راندمان بالای حذف می توان از این روش به عنوان جاذبی کارآمد برای حذف جیوه استفاده نمود.
مقدمه
آلودگی خاک به آلاینده ها وفلزات سنگین یک مشکل عمده زیست محیطی محسوب میشود و بر سلامت انسان، موجودات زنده، تولیدات کشاورزی و زیست بوم تأثیر می گذارد، ورود بیش از حد فلزات سنگین به خاک ها می تواند با ایجاد اثرات منفی از قبیل تخریب خاک، اثرات مخرب زیست محیطی و ایجاد تغییرات در خواص آن باعث برهم زدن چرخه اکوسیستم شود . - Li et al.,2006 - از جمله سمیترین این عناصر جیوه - - Hg است،که به عنوان یک ماده سمی با اولویت در بسیاری از کشورها شناخته شده است.
- . - Gaudet,1995 جیوه به اشکال عنصری - Hg - O ، فلزی Hg - II - و آلی - - Me Hgدر طبیعت یافت می شود. هرسه شکل جیوه سمی می باشد، ولی جیوه فلزی وآلی از سمیت بیشتری برای موجودات زنده برخوردار هستند - Gochfeld, . - 2003جذب سطحی روشی موثر و اقتصادی برای حذف فلزات سنگین می باشد. این روش قابلیت انعطاف پذیری بالایی در طراحی و عمل دارد و مشکلات و محدودیت های سایر روش ها مانند هزینه بالا و نیاز به تکنولوژی پیشرفته را ندارد - Alam et . - al.,2012,Egila et al.,2011,Montazeri et al.,2010 درسال های اخیر، استفاده از فلزات با ظرفیت صفر،مانند Fe و Zn، Sn ،Al به عنوان عامل مؤثری برای اصلاح خاک وآب های آلوده مورد مطالعه قرارگرفته است.
در بین این فلزات استفاده از آهن با ظرفیت صفر - NZVI - به دلیل فراوانی، ارزانی، غیرسمی بودن واکنش سریع، توانایی و بازده بالا در تجزیه آلاینده ها بیشتر مورد توجه بوده است - رحمانی و همکاران،. - 1390 ذرات نانو بدلیل داشتن اندازه ذرات کوچک، سطح مقطع زیاد، شکل کریستالی، نظم شبکه ایی منحصر به فرد و واکنش پذیری بسیار زیاد می توانند برای تصفیه وتبدیل آلاینده ها به مواد کم ضرر استفاده شوند.
- . - Tanapon et al.,2007,Derek,2005 پلی وینیل پیرولیدون - PVP - پلیمر دوست دار محیط زیست است این ماده در آب و الکل انحلال پذیر است، مزایای این ماده مانند سمی نبودن، زیست سازگاری، آب دوستی، سازگاری برای اختلاط ، فعالیت ضد باکتری، انحلال پذیری در آب و بیشتر حلال های آلی و همچنین فرایندپذیری زیاد آن را برای گستره وسیعی از کاربردها به ویژه درحوزه زیست پزشکی مناسب ساخته است - Dastjerdi et al.,2010 - .کانل و همکاران با بررسی نانو ذرات آهن بر آرسنیت - 2005 - و آرسنات - 2006 - در محیط آب، راندمان حذف آن را بسیار بالا و در حد دقیقه بیان نمودند .
- Kanel et al.,2006,2007 - آنها همچنین در محیط خاک، اثر نانو ذرات اصلاح شده روکشدار در حذف آرسنیک را بررسی نمودند و کاهش توده ای شدن نانوذرات و افزایش مسافت طی شده آنها را گزارش نمودند. منظور از این تحقیق رسیدن به روشی کارآمد برای حذف فلزات سنگین از قبیل جیوه به وسیله نانوذرات آهن صفر ظرفیتی، و بررسی اثر عواملی از قبیل شرایط محیطی شامل: زمان تماس، مقدار جاذب در فرایند حذف فلز جیوه و همچنین بررسی ایزوترم های جذب می باشد.
مواد و روشها
سنتز نانوذرات آهن: در این پژوهش، مطابق با روش هی و ژائو - 2007 - نانوذرات آهن صفر ظرفیتی پایدار شده با استفاده از بوروهیدرات سدیم به عنوان کاهنده اصلی فروس آهن، تهیه شد. جهت ساخت نانوذرات آهن صفرظرفیتی پایدار شده به روش احیای شیمیایی با بوروهیدرید سدیم ابتدا100 میلی لیتراز محلول0/065 مولار سولفات فروآبدار به100میلی لیتر محلول 0/5 درصد پلیمر پلی وینیل پیرولیدون اضافه شد. pH مخلوط روی7 تنظیم و به مدت 30 دقیقه هم زده شد. بعداز تشکیل کمپلکس آهن و پلی وینیل پیرولیدون، محلول 1/05 مولار بوروهیدرید سدیم تحت گاز نیتروژن و در دمای محیط قطره قطره به مخلوط اضافه شد. نانوذرات آهن تولید شده با استفاده از یک آهنربای قوی از محلول نهایی جدا شد سپس با آب مقطر دی یونیزه شده و استون سه مرتبه شسته و در دسیکاتور در شرایط خلأ خشک شدند. برای تعیین خصوصیات نانو ذرات آهن تولیدی از میکروسکوپ الکترونی SEM و دستگاه تفرق اشعه - XRD - X استفاده گردید.
اثر زمان تماس برای سنجش زمان تماس بهینه: به منظور بررسی بهترین زمان اثر نانو ذرات در تثبیت جیوه، مقدار 0/2 گرم از نانو ذرات آهن به 2 گرم خاک آلوده - روش به کار برده شده توسط لیو و ژائو، - 2007 و 50 سی سی محلول 0/01 مولار کلرید کلسیم به ارلن مایر اضافه و پس از انتقال به دستگاه شیکر، به مدت زمانهای 30،15 ،60 و120 دقیقه با سرعت 120 دور در دقیقه عمل اختلاط انجام گردید. سپس نمونهها را از کاغذ صافی واتمن و قیفعبور داده تا نانوذرات آن از نمونه کاملاً جدا گردد. محلول صاف شده را جمعآوری و غلظت فلز باقیمانده توسط دستگاه جذب اتمی اندازهگیری شد.
حذف فلز جیوه از خاک اصلاح شده با نانو ذرات: در این مرحله در 15 لوله سانتریفیوژ 50 میلی لیتری، 2گرم خاک آلوده ریخته شد و 25میلی لیتر سوسپانسیون با درصدهای مختلف نانوذرات 0 - ، 1، 25،10،5 درصد وزن خاک - به آنها اضافه شد. مخلوط به مدت زمان 60 دقیقه با سرعت ثابت هم زده شد و سپس در دور g5000 به مدت 10دقیقه سانتریفیوژ شد، محلول زلال رویی بعد از عبور دادن از کاغذ صافی واتمن0/45 برای اندازه گیری غلظت فلز جیوه محلول بکار برده شد. آزمایش ها با 3بار تکرار انجام شد.درصد جذب با توجه به معادله مقابل محاسبه میگردد.
اثر مدت زمان تماس بر میزان حذف: یک پارامتر مهم در حذف فلز سنگین توسط جاذب، مدت زمان تماس جاذب با یون های فلز سنگین می باشد. با توجه به شکل - 4 - و طبق نتایج به دست آمده با افزایش زمان تماس بین جاذب و آلاینده، در× ابتدای×واکنش×اولیه×سرعت×جذب×جیوه×بالاست پس از گذشت زمان معینی مقدار×جذب ×بدون×تغییر×قابل×توجهی×ثابت می× ماند؟ به عبارت×دیگر×پس×از×60×دقیقه×یک×تعادل×بین×فاز جامد×و×محلول×مورد مطالعه×به وجود×می آید. دلیل این امر به زیاد بودن جایگاه های فعال جذب در سطح جاذب در زمان های ابتدایی مربوط می شود، ولی به تدریج و با گذشت زمان و به دلیل کاهش داد جایگاه های فعال و افزایش رقابت جهت اشغال جایگاه ها توسط یون ها روند صعودی رو به کاهش می گذارد.
نمایش تغییرات راندمان حذف جیوه در برابر زمان
اثر غلظت اولیه جاذب بر میزان حذف: به منظور بررسی اثر جاذب در حذف جیوه مقادیر مختلف جاذب در محدوده ایی از5 سطح 0 - ،1،5،10،25، درصد وزن خاک - نانوذرات پایدار شده مورد مطالعه قرار گرفت. اثر تغییرات غلظت نانو ذرات بر راندمان حذف جیوه در pH ثابت 7 و در زمان 60 دقیقه در شکل - - 5 نشان داده شده است. با افزایش غلظت نانوذرات پایدار شده راندمان حذف جیوه افزایش مییابد، در واقع با افزایش مقدار جاذب مکان های جذب در دسترس آلاینده افزایش یافته و جذب بهتری رخ می دهد.این افزایش مقدار حذف با افزایش مقدار جاذب به این دلیل است که مساحت سطحی و مکان های جذب قابل دسترس برای جیوه افزایش یافته است.
