بخشی از مقاله
چکیده:
آلودگی آبهای طبیعی با فسفات به عنوان یک مسئله زیستمحیطی مورد توجه است. بنابراین، حذف موثر و انتخابی فسفات از آب از اهمیت زیادی برخوردار است. هدف از این کار، افزایش توانایی جذب کیتوسان برای حذف موثر و انتخابی فسفات در pH خنثی، که PH آبهای طبیعی است میباشد. برای این منظور، نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان اصلاح شده با Cu2+ تهیه و به عنوان جاذب در حذف فسفات از آب به کار برده شد. رفتار جذبی کیتوسان خالص، نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان و جاذب اصلاح شده در حذف فسفات مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که ظرفیت جذب جاذب اصلاح شده بسیار بیشتر ازکیتوسان خالص و نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان در محدوده pH=4-10 در دمای اتاق است. جاذب اصلاح شده انتخابپذیری بالابی نسبت به فسفات در حضور آنیونهای مشترک آبهای طبیعی به عنوان عوامل مداخلهگر از خود نشان داد.
واژه های کلیدی: نانوکامپوزیت، فسفات، جذب سطحی، کیتوسان، خواص مغناطیسی
مقدمه
روشهای جدید و ابداعی در ایجاد فناوریهای نو، برای پرداختن به مسائل زیستمحیطی بسیار حائز اهمیت هستند. ذرات مغناطیسی میتوانند در جذب آلایندهها از سیالهای آبی وگازی مورد استفاده قرار گیرند. همچنین سایر جاذبها را می-توان به منظور اصلاح خواص جذبی و افزایش کارایی در فرایند تصفیه، با ذرات مغناطیسی ترکیب کرد، بدون اینکه خواص مغناطیسی آنها تحت تاثیر قرار گیرد. جاذبهای اصلاح شده، ترکیبهایی هستند که به دلیل دارا بودن ظرفیتهای بالا درفرایند تصفیه، بسیار مطلوب هستند. هر جاذبی که از طریق روشهای فیزیکی و یا شیمیایی مورد اصلاح قرار گیرد، به عنوان جاذب اصلاح شده معرفی میشود.
تقریبا همه جاذبها را به منظور افزایش ظرفیت جذب و کارایی در فرایند تصفیه می-توان مورد اصلاح قرار داد. بنابراین جاذبهای اصلاح شده متنوع بوده و تعدادشان بیشمار است .[1] زیستپلیمرهایی از قبیل کیتوسان مواد متداولی بوده و به آسانی قابل دسترس می-باشند. از نظر فراوانی، کیتوسان، دومین زیستبسپار موجود در طبیعت بعد از سلولز میباشد. این بسپارها و مشتقهای این ترکیبات، به دلیل حضور تعداد زیادی از گروههای عاملی فعال، از قبیل آمینهای نوع اول و گروههای هیدروکسیل بر روی سطح آنها، عملکرد جذبی بالایی دارند 2]و.[3 به علاوه این ترکیبات ارزان قیمت، اصلاحپذیر وتجدیدپذیر بوده و در کشورهای مختلف قابل دسترس هستند.
در مقابل این فواید، برخی مشکلات در به کارگیری این ترکیبات وجود دارد. این ترکیبات اغلب به صورت پودر مورد استفاده قرار میگیرند، که جداسازی آنها از آب را دشوار نموده و یا ممکن است منجر به افت فشار قابل توجهی در ستون شود. مغناطیس کردن این زیستبسپارها از طریق اختلاط ذرات مغناطیسی با آنها، ممکن است بتواند به طور موثری این مشکلات را حل کند. به همین خاطر زیستبسپارهای مغناطیسی بسیاری ساخته شده و به عنوان جاذب در حذف آلایندهها در سالهای اخیر مورد استفاده قرار گرفتهاند .[4]حذف فسفات با استفاده از نانوذرات اکسید آهن مغناطیسی با استفاده از آزمایش ترمودینامیکی، تعادلی و سینتیکی توسط یان و همکاران 2013 - - ، مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که جذب فسفات با استفاده از ذرات مغناطیسی در مدت زمان 24 ساعت بعد از تعادل، دارای حداکثر ظرفیت جذب میباشد که در شرایط pH محلول اسیدی، نسبتا ثابت بود .[5]
بخش تجربی
کیتوسان مورد استفاده با جرم مولکولی متوسط از شرکتSigma-Aldrich خریداری شده است.
روش تهیه نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان
ابتدا نانوذرات Fe3O4 در یک آون به مدت 5 ساعت در دمای 100 درجه سانتیگراد کاملا خشک شد. مقداری از کیتوسان با وزن مولکولی متوسط در محلول استیک اسید حل شد تا یک محلول ویسکوز به دست آید. سپس محلول حاصل با آب مقطر رقیق شد و نانوذرات Fe3O4 به آن اضافه گردید. و بعد از هم زدن کامل، pH مخلوط ژله ای حاصل قلیایی شد تا محتویات ظرف واکنش رسوب نماید. بستر حاصل بعد از صاف کردن چندین بار با آب مقطر شستشو داده شد و در آون یا دمای اتاق خشک گردید.
روش تهیه نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان اصلاح شده
نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان در محلولی از Cu2+ به مدت حدود 4 ساعت هم زده شد تا کاملا اشباع گردد. پس از جذب، جاذب جداسازی و چندین بار با آب شستشو داده شد و در آون خشک گردید تا جاذب اصلاح شده به دست آید.
نتایج و بحث
تصویر SEM - شکل - 1 تهیه شده از نانوذرات مگنتیت، قطر متوسط ذرات را بین 30-20 نانومتر نشان میدهد.
تاثیر pH بر روی جذب فسفات
ظرفیت جذب سه جاذب برای جذب فسفات از آب در محدوده pH =4-10 در دمای اتاق بررسی شد. مقادیر ظرفیت جذب در pHهای مختلف در شکل3 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده میگردد، میزان جذب فسفات در pH=7.5 برای جاذب /Fe3O4کیتوسان اصلاح شده بیشترین مقدار را دارد و همچنین ظرفیت جذب جاذب اصلاح شده در تمام محدوده pH مورد مطالعه، از دو جاذب دیگر بیشتر است.
تاثیر عوامل مداخلهگر بر ظرفیت جذب فسفات
تاثیرآنیونهای سولفات، کلراید و نیترات بر روی ظرفیت جذب فسفات با استفاده از نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان اصلاح شده با کاتیون مس در شکل 6 نشان داده شده است.
تاثیر زمان تماس بر روی میزان جذب فسفات
شکل4، تاثیر زمان تماس بر میزان جذب تعادلی یون فسفات با استفاده از سه جاذب کیتوسان خالص، نانوکامپوزیت /Fe3O4کیتوسان و جاذب اصلاح شده با کاتیون مس را نشان میدهد. همانطور ملاحظه میشود کارایی حذف با افزایش زمان تماس افزایش مییابد. جذب فسفات بر روی جاذب اصلاح شده بسیار بیشتر از دو جاذب دیگرمیباشد و جذب فسفات بعد از حدود 120 دقیقه به تعادل میرسد که نشان دهنده سینتیک نسبتا تند فرایند جذب میباشد.
