بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش پیشرو، حذف یون کادمیم از محلولهای آبی توسط روش جذب سطحی و با استفاده از جاذب نانودیوپساید، موردبررسی قرارگرفته است. نانودیوپساید سنتز شده توسط FTIR، SEM، وXRD شناسایی شد.درصد جذب از طریق طراحی ترکیب مرکزی - - CCD برآورد شد. بهمنظور انجام آزمایشهای جذب اثرپنج پارامترpH محلول 4 - تا - 7 درجه حرارت 20 - تا - & 40 غلظت اولیه کادمیم - 10تا50 میلیگرم بر لیتر - زمان تماس - 30تا60 دقیقه - و دوز جاذب 0/0875 - تا 0/2 میلی گرم - بررسی گردید و با بهکارگیری این پارامترها مشخص شد که راندمان حذف کادمیم تحت شرایط بهینه 0/2 میلی گرم جاذب و40 میلیلیتر از محلول Cd - II - و در زمان 39 دقیقه 99% کادمیم توسط جاذب نانودیوپساید حذف گردید.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 شش دوره حاکی از آن است که جاذب نانودیوپساید قابلیت استفاده مجدد را دارد. حداکثر ظرفیت جذب جاذب نانودیوپساید درpH=4 برای 124/915 Cd - II - میلیگرم برگرم است.
کلمات کلیدی:جاذب، نانودیوپساید، کادمیم
-1 مقدمه
یونهای فلزات سنگین مانند کادمیم، از خطرناک ترین آلایندهها هستند که در منابع آبی به دلیل زیست تخریبناپذیری وخطر زیست محیطی گسترده واثرات سو برسلامت انسان، باید حذف شوند. کادمیم جز فلزات سنگین سمی است که از راههای مختلف نظیر پساب های صنعتی، خانگی، کشاورزی، مکانهای دفع غیر بهداشتی مواد زائد شهری وصنعتی وارد منابع آب میشوند.[1] مچنین سوختفسیلی، کارخانجات تولید فلز” روی، آهن، فولاد“، تولید سیمان، آبکاری، تولید باتری، ورنگدانهها باعث ورود کادمیم به محیط زیست می-شوند[2]سازمان بهداشت جهانی - WHO - حداکثر غلظت مجاز کادمیم در آب را ppm 330 تعیین کرده است.
کادمیم از طریق تنفس وزنجیره غذایی وارد بدن انسان میشود وباعث نارسایی کلیه،مشکلات مزمن ریوی، فشار خون بالا، گرفتگی عضلانی، ناهنجاریهای اسکلتی و آتروفی بیضه، آسیب به سیستم عصبی مرکزی، آسیب به مغز، ایجاد سرطان ودرنهایت منجر به مرگ می شود. [3] بنابراین حذف یونهای فلزات سنگین قبل از ورود آنها به محیط زیست ضروری یباشددراین راستا فناوریهای متعددی وجود دارد ارجمله رسوب شیمیایی ، که با استفاده از هیدروکسید یا سولفید انجام می شود، جذب، تبادل یونی، جداسازی غشایی، اسمز معکوس و روش بیولوژیکی، انعقاد، غشائ امولسیون مایع.[4] با ین حال روش جذب سطحی بهترین روش برای از بینبردنفلزات درغلظت کم گزارش شده است، زیرا دارای بهرهوری بالا، هزینههای عملیاتی پایین می باشدودر بسیاری از موارد بازسازی جاذب امکان پذی است.[5 ]
بدین منظور جاذبهای متعددی از جمله کیتوسان، کربن فعال، پلی آنیلین،برای حذف فلزات سنگین به کار برده شده است ؟همچنین برای حذف کادمیم از مشتقات کیتوسان،نانوهیدروکسی آپاتیت ،آسکوربیک اسید، جاذب اکسی آلومینیم جاذب تود باکتریایی، استفاده شده است. درطی سالیان اخیراز نانو ذرات برای جذب سطحی استفاده شده است ویک عامل موثر برای ازبین بردن آلودگیهای آلی ویونهای فلزات سنگین از آب وفاضلاب میباشد؟ استفاده نانو ذرات درجذب سطحی به دلیل سطح ویژه بالا، مکانهای فعال زیاد، راندمان- جذب بالاو واکنش پذیری بیشتر میباشد.[ 6] علاوه براین افزایش کارایی سیستمها ودامنه پردازش آنها بدون صرف زمان و هزینه زیادارزشمند است بنابراین یافتن سطوحی از فاکتورهای مؤثر برای آزمایش لازم است، این کار بهینهسازی نامیده میشود. در ادامه کارهای پژوهشی انجام گرفته برای حذف کاتیونهاوآنیونهاازمحیط×آب[7 ]، درکار پژوهشی پیشرواز نانودیوپساید×به×عنوان جاذب×کادمیم وبا استفاده از روش بهینه سازی طراحی آزمایش استفاده شده است.
-2روش انجام آزمایش
-1-2تهیه نانودیوپساید
برای سنتز نانودیوپساید،کلسیم نیترات 4 آبه ومنیزیم کلراید 6آبه در اتانول حل گردید، سپس تترا اتیل ارتو سیلیکات افزوده شد و درشرایط دمایی مناسب قرار گرفت وبعد داخل آون قرارداده شد تا خشک شود وبه پودر تبدیل گردد در مرحله بعدبرای کلسینه کردن وتبدیل شدن به ذرات ریزتر پودر به داخل کوره، در شرایط دمایی وزمانی مناسب قرار میگیرد ودر آخر با هاون به شدت سائیده میشود.
-2-2مراحل انجام آزمایش
از طراحی آزمایش برای انجام زمایش استفاده گردید. به همین جهت فاکتورهای مؤثر احتمالی در آزمایش مشخص گردید. در بیشتر فرآیندهای جذب زمان، دما و جرم جاذب از مهمترین فاکتورهای مؤثر در واکنش هستند د فرآیندهایی که در محیط آبی انجام میشوند pHعامل مؤثر دیگری در واکنش است؟ بهینهسازی این فاکتورها میتواند به پیشرفت حذف کادمیم در مقیاس صنعتی کمک شایانی کند؟ غلظت اولیه کادمیم بر روی مقدار جذب بستگی دارد. برای محلول استاندارد کادمیم از نمک کادمیم نیترات 4 آبه استفاده شد. برای انجام هر آزمایش pH از هر محلول تنظیم شد؟ جاذب وزن شده- متناسب با هر آزمایش به محلول اضافه شد ؟سپس هرکدام در مدت زمانهای 30 تا 60 دقیقه در دمای تعیین شده بین 20 تا 40 درجه سلسیوس روی همزن با چرخش 300 دور در دقیقه قرارگرفتند. سپس محلول توسط دستگاه سانترفیوژ صاف شد و جاذب استفاده شده برای بازیابی جهت استفاده×مجدد نگهداری و غلظت کادمیم بهوسیله دستگاه جذب اتمی قرائت شد. پیشبینی نتایج آزمایش توسط روششناسی پاسخ سطح انجام شد.
-3 ایزوترم های جذب
ایزوترم جذب نشاندهنده مقدار جذب بهعنوان تابعی از غلظت تعادلی جذبشونده هستند. بهمنظور برازش جذب سطحی کادمیم از دو مدل لانگمویر وفروندلیچ آمده استفاده شد ومشخص گردید که در این آزمایش مطابق نمودار 1 - - ، جاذب نانودیوپساید از مدل فروندلیچ تبعیت میکند.
-4 سینتیک جذب سطحی
یکی از مطالعات مهم در فرآیند جذب، بررسی تأثیر زمان تماس با مقدار جذب میباشد که به مطالعات سینتیک معروف است. دو مدل سینتیکی سادهشده 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 - میباشد.دراین پژوهش مدل سینتیک شبه مرتبه دوم مطابقت می-کندکه نمودار آن درشکل - - 2 آورده شده است.
-5 بازیابی کادمیم
فرآیند بازیابی جاذب بهاحتمالزیاد یک عامل کلیدی در توسعه اقتصاد و بهمنظور بهبود هزینه ها می باشد علاوه بر این برای استفاده مجدد از جاذب برای چرخههای پیاپی بیشتر، فرآیند بازیابی انجام میشود. برای این هدف در اولین آزمایش همه پارامترها را بهینه قرار داده و سپس عمل جذب را انجام میدهیم. سپس محلول را صافکرده و مقدار جذب آن قرائت میشود و رسوب زیر صافی با 1 HNO3 مولار در تماس قرار میگیرد در ادامه آنها صافکرده و رسوب با آب مقطر شستشو داده میشود 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 ششچرخه پیاپی تکرار میشود.
-6نتایج
-1-6بررسی طیف مادونقرمز جاذب نانودیوپساید
بهمنظور بررسی پیوندهای موجود در پودر نانودیوپساید از روش طیف سنجی فروسرخ در محدوده طولموج 4000-400 cm-1 استفاده شد. همانطور که در شکل - 4 - ، طیف مربوط به پودر نانودیوپساید مشاهده میشود، پیکهای موجود در ناحیه650 cm- 1 مربوط به ارتعاشات خمشی و پیکهای موجود در ناحیه 1100-900 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی ساختار سیلیکات میباشد.
