بخشی از مقاله
چکیده
با پیشرفت سریع فناوری و افزایش فعالیت کارخانهها، معادن و صنایع مختلف آلایندههای فلزی و آلی بهصورت مستقیم و یا غیرمستقیم وارد منابع آبی و چرخهی محیط زیست میشوند و میتوانند تهدیدات و خطرات جدی برای سلامت محیط زیست را بهدنبال داشته باشند. از اینرو، جداسازی و حذف این آلایندهها اقدامی بسیار حیاتی و ضروری در جهت حفظ سلامت محیط زیست بهشمار میآید. در این پژوهش با کمک نانوساختارهای حاصل از الکترواکسایش آلومینیوم حذف کبالت و کادمیوم از آب آلوده مورد ارزیابی قرار میگیرد. برای این منظور دو گروه آزمایش با اعمال ولتاژهای مختلف از 5V تا 25V انجام شد و راندمان جذب کبالت و کادمیوم بررسی شد. در این راستا برای تعیین میزان غلظت کبالت و کادمیوم موجود در آب از دستگاه جذب اتمی AAS و برای تعیین ویژگیهای نانو جاذب تولیدی از پراش اشعه ایکس XRD و آنالیز عنصری EDX بهره گرفته شد. نتایج AAS نشان میدهد که با افزایش ولتاژ غلظت کبالت و کادمیوم موجود در آب کاهش مییابد به طوری که با اعمال بالاترین ولتاژ %96/3 کبالت و %90/ 4 کادمیوم از آب آلوده حذف شد. با توجه به نتایج XRD و EDX رسوبات به جامانده از فرآیند حذف کبالت و کادمیوم از آب، حاوی ترکیباتی از این دو عنصر میباشند.
واژه های کلیدی: نانوذرات هیدروکسید آلومینیوم، کبالت، کادمیوم، آب آلوده، الکتروکریستالیزاسیون
مقدمه
وجود منابع آب سالم بدون آلایندههای سمی و خطرناک، نیاز اولیه و ضروری برای داشتن جامعهای سالم است. از جمله آلایندههای آب، فلزات سنگین هستند که از طریق تصفیه پسابهای صنعتی، تخلیه فاضلابهای شهری و غیره به محیط زیست وارد میشوند و در محیط تجمع مییابند که بسیار خطرناک میباشند. حذف این فلزات سنگین از پسابها برای حفظ محیط زیست و سلامت بشر ضروری است .[1]از مهمترین روشهایی که برای حذف و جداسازی یونهای فلزات سنگین از محلولهای آبی استفاده میشود میتوان به رسوبدهی شیمیایی، تعویض - تبادل - یونی، اسمز معکوس، فیلتراسیون، فرآیندهای غشایی، تبخیر، استخراج با حلال، الکتروفلوتاسیون، روشهای بیولوژیکی و جذب سطحی بر روی مواد جاذب مانند کربن فعال شده اشاره کرد .[2-4]
اغلب این روشها دارای معایب قابل توجهی مانند نیاز به انرژی بالا و در نتیجه پرهزینه بودنفرآیند، راندمان اندک، نیاز به مواد شیمیایی خاص و ... هستند .[5] در این خصوص میتوان به طور مشخص به مطالعات مرادی [6] اشاره کرد که در حذف فلزات سنگین مس و سرب از محلولهای آبی از نانو ذرات مغناطیسی اکسید آهن به عنوان جاذب استفاده کرد و اثر بهینه پارامترهای زمان تماس و pH را بر فرآیند جذب مورد بررسی قرار داد. چنگ و همکارش [7] نانو ذرات Fe3O4 متصل به کیتوزان را برای جذب یونهای مس در محلولهای آبی به کار بردند. چن و همکارش [8] سینتیک حذف مس را با استفاده از نانو ذرات هماتیت و گوتیت مورد بررسی قرار دادند.
بوپاری و همکارش [9] سینیتیک جذب کادمیوم را از محلولهای آبی با استفاده از نانو ذرات آهن صفر بررسی کردند. بهرامی و همکاران [1] از نانو ذرات مگنتیت اصلاح شده بهعنوان جاذب در فرآیند جذب سطحی کادمیوم از محلولهای استفاده کردند و تأثیر فاکتورهای pH محلول کادمیوم و زمان تماس بر میزان حذف کادمیوم از محلولهای آبی را مورد بررسی قرار دادند. نجفی و همکاران [10] به بررسی تولید، تعیین مشخصات و مطالعات جذب فلزات سنگین نیکل، سرب و کادمیوم توسط سیلیکاژل و سیلیکای نانو حفرهای فعال شده با آمین پرداختند. حیدری و همکاران [11] حذف یونهای سرب، کادمیوم و نیکل با استفاده از مواد سیلیس مزوپور را مطالعه نمودند. کریمی تکانلو و همکاران [12] به ارزیابی فرآیند جذب سطحی یونهای کادمیوم از فاضلاب با استفاده از نانو ذرات آهن مغناطیسی سنتز شده پرداختند.
در پژوهش حاضر، تلاش شده است که یونهای کبالت و کادمیوم توسط روش الکتروکریستالیزاسیون از آب آلوده حذف شوند. برای انتخاب بهترین روش باید به عوامل متعددی توجه شود، بهترین روش حذف باید یک روش سریع، تمیز، ارزان و سازگار با محیط زیست باشد .[5] در این راستا میتوان به مطالعات موسیوند و همکارش [2] اشاره کرد که به روش الکتروکریستالیزاسیون به حذف نیکل و مس از آب آلوده پرداختند.روش الکتروکریستالیزاسیون یک تکنیک کارآمد است که در آن نانو جاذبها در محل با اعمال ولتاژ و گذشت زمان با اکسایش آند و نیز کاهش آب در سطح کاتد در محلول الکترولیت تولید میشوند. در این روش آب آلوده به عنوان الکترولیت عمل میکند .[2]
روش تجربی
در این مطالعه، از دو الکترود آلومینیومی با سطح مقطع 10cm2 به عنوان آند و کاتد استفاده شد. آب آلوده به عنوان محلول الکترولیت عمل میکند که از طریق حل کردن مقادیر مشخص از سولفات کبالت - CoSO4 . 7H2O - یا سولفات کادمیوم - 3CdSO4. 8H2O - و سولفات سدیم - Na2SO4 - در آب مقطر تهیه شد. با استفاده از اختلاف پتانسیل مناسب بین صفحات آلومینیوم در آب آلوده نانو ذرات هیدروکسید در محل توسط اکسید شدن آند و کاهش آب در سطح کاتد ایجاد میشوند. به منظور بررسی اثر ولتاژ، دو گروه پنج نمونهای به ترتیب در ولتاژهای 5V، 10V، 15V، 20V و 25V و غلظت 100 میلی مولار سولفات سدیم در مدت زمان 30 دقیقه تهیه شدند که در هر دو گروه اول غلظت عنصر کبالت 100ppm و در گروه دوم نیز غلظت عنصر کادمیوم 100ppm در نظر گرفته شد.
pH محلولهای اولیه قبل از انجام آزمایش به وسیله دستگاه pHسنج اندازهگیری شد که برای آنها مقدار تقریبی 5/2 روی صفحه نمایش دستگاه ملاحظه شد. پس از گذشت 30 دقیقه از شروع واکنش، جریان الکتریکی قطع گردید و به رسوب حاصل چهار روز در دمای اتاق زمانداده شد تا کاملاً تهنشین شود. لازم به ذکر است که برای کاهش میزان خطای ناشی از تبخیر سطحی و در نتیجه تغییر غلظت محلول در تمام مدت استراحت محلول، روی بشر به وسیله فویل آلومینیومی به طور کامل پوشانده شد. پس از تهنشین شدن کامل رسوب در ته بشر، آب روی آن جدا گردید و سپس به وسیله دستگاه جذب اتمی - AAS - غلظت عناصر کبالت و کادمیوم بر حسب ppm در آب اندازهگیری شد. رسوب حاصل نیز پس از خشک شدن در دمای اتاق توسط دستگاههای پراش اشعه ایکس XRD و آنالیز عنصری EDX مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
نتایج نتایج AAS
برای تعیین میزان غلظت کبالت و کادمیوم موجود در محلولهای آبی بر حسب ppm از دستگاه جذب اتمی AAS استفاده شد. شکلهای 1 و 2 به ترتیب میزان جذب عناصر کبالت و کادمیوم را برحسب ولتاژ نشان میدهد که در آن C0 غلظت آلایندهها در آب قبل از انجام آزمایش و C غلظت آلایندهها در آب بعد از انجام آزمایش میباشد.نتایج حاصل از بررسی اثر ولتاژ نشان میدهد با افزایش ولتاژ غلظت فلز آلاینده در آب رو به کاهش می باشد به گونهای که با اعمال ولتاژ 25 ولت، %96/3 کبالت و %90/4 کادمیوم از آب آلوده زدوده شده است. در واقع با افزایش ولتاژ سرعت انجام واکنشها بیشتر شده و رسوب بیشتری تولید میشود. لذا میزان جذب آلایندهها توسط نانو ذرات تولید شده افزایش مییابد.
