بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
حذف یونهای (CO(II) ،Cd(II و (Ni(II از محلولهای آبی توسط خاکستر برگ اکالیپتوس
چکیده:
در این تحقیقی، خاکستنر برگ / کالیپتوسر به عنوان جاذایی کم هرینه برای حلف همرمانی یونهای کادمیوم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) اثر محلول های آبی مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای جذب سطحی مانند DH اولیه محلول رمانی تماسی، مقدار جاذب و دما، بررسی و بهینه سازی شدند. بررسی داده های به دست آمده با مطالعات ایروترمی، انطباقی بسیار خوب دادههای نجرایی را با ملالی لانگمویر نشانی داد. حداکثر ظرفیت جذب یونهای کادصیم (II)، کبالت (II) و نیکال (II) به وسیله جاذب، به ترتیب ۱۶۶/۷، ۲۷/۰۳ و ۲۳/۶/۸ میلی گرم بر گرم بدست آمد. مطالعات استانیکی به وسیله مدالهای مختلف انجام انسد و بیهترین تطبیقی داده های نجرایی با ملالی مستن یکی نسبه درجه دوم بود. همچنین بر اساس مطالعات ترمودینامیکی فرآیند جلب گرماگیر بوده و به صورت خود به خودی انجام گرفت
واژگان کلیدی : یونهای فلزات سنگین، خاکستر برگ اکالیپتوس، جذب سطحی، ایزوترم، سینتیک
۱ - مقدمه:
در سال های اخیر فعالیتهای صنعتی رو به رشدی در جهت رفع نیازهای جوامع انسانی به وجود آمده است. در عین حال تمرکز بر کاهش تولید ضایعات و مصرف آب، منجر به تولید پسابهای غلیظتر و با حضور مواد سمی بیشتر شده است. امروزه آلودگی منابع زیستی و آبی توسط فلزات سنگین به عنوان یکی از مشکلات اساسی جوامع بشری مطرح است که این موضوع تهدیدی جدی علیه سلامت انسان و دیگر موجودات زنده به شمار می آید ا ۱ ا: فلزات سنگین تخریب ناپذیرند، در محیط زیست تجمع حاصل می کنند و در نهایت سبب آلودگی منابع آبی و زیستی می شوندا ۲، ۳. کادمیم، نیکل و کبالت از آلاینده های فلزی بسیار سمی برای انسان و محیط زیست می باشند که در پسابهای صنعتی و سایر محلول های آبی به صورت یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) وجود دارند. کادمیم در اثر فعالیتهای مختلف صنعتی نظیر صنایع آبکاری، باتری سازی، تهیه رنگها، پوششی ها و پلاستیک وارد جریان آب می شود. آسیبهای کلیوی، ریوی، فشار خون بالا، اختلالات قلبی و عروقی، سرطان و ناهنجاریهای اسکلتی از عوارض نامطلوب افزایش غلظت کادمیم در بدن انسان می باشند | ۴ | نیکل یکی از عمومی ترین فلزات در آبهای سطحی می باشد که عمدتاً از طریق پساب صنایع آبکاری، باتری سازی، تولید سرامیکهای رنگی، نیروگاه ها و کوره های زباله سوزی وارد محیط زیست و منابع آبی می شود. نیکل در غلظتهای بالا سبب بروز ضعف شدید، سردرد، سرگیجه، مشکلات تنفسی، سرطان ریه و استخوان می شودا ۵ | کبالت و نمکهای آن در پزشکی هسته ای، صنایع آبکاری، ساخت نیمه هادی ها، لعابهای سرامیکی، تولید ظروف و شیشه های رنگی کاربرد دارند. اثرات مسمومیت حاد با کبالت شامل آسم، مشکلات قلبی و ریوی، اختلالات کبدی و تیروئید می باشند. همچنین کبالت ممکن است سبب بروز تغییرات ژنتیکی و جهش های سلولی در بدن انسان گردد آ۶. سمیت و آثار زیان بار یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) بر سلامت انسان و سایر موجودات زنده، حذف این آلاینده های فلزی سمی را در پسابهای صنعتی و سایر محلول های آبی آلوده بخصوص قبل از ورود به جریان آب و تخلیه به محیط زیست ضروری می سازد. تا کنون روش های مختلفی از جمله ترسیب شیمیایی، تبادل یون، اسمز معکوس، فرایندهای غشائی، تصفیه الکتروشیمیایی، تصفیه بیوشیمیایی و جذب سطحی برای حذف فلزات سنگین از محلول های آبی ارائه شدهاند. برخی از این روشی ها به دلیل هزینه سرمایه گذاری، راهبری و نگهداری، نیاز به نیروی کار متخصصی و ایجاد حجم بالای لجن، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیستند. در این میان، فرایند جذب سطحی به عنوان روشی کارامد و مقرون به صرفه، به طور گستردهای برای حذف آلاینده های فلزی سمی از محلول های آبی آلوده بکار میرود. این روش به دلیل داشتن مزایایی نظیر سهولت اجرا، هزینه پایین روشی، تولید مقادیر بسیار کم لجن در مقایسه با سایر روشی ها، سازگاری با فرایندهای پیوسته و ناپیوسته، قابلیت اجرا در غلظتهای بسیار کم و زیاد آلاینده، تنوع مواد جاذب و قابلیت بازیابی جاذب بسیار مورد توجه قرار گرفته است ۷، ۸ . یکی از نکات مدنظر در فرایند جذب سطحی کاهش هزینه کلی عملکرد با کاربرد جاذبهای کم هزینه میباشد. جاذب کم هزینه، جاذبی است که در طبیعت به وفور یافت شده و یا ماده زاید و محصول فرعی یک صنعت می باشد ۱۱- ۹ ا. از آنجا که مواد و پسماندهای گیاهی فراوان، ارزان قیمت و گاه بدون هزینه می باشند، از این رو جذب یونهای محلول توسط این مواد می تواند روشی مناسب جهت حذف فلزات سنگین از آبهای آلوده و پسابهای صنعتی باشد. از دیگر مزایای جاذبهای گیاهی شامل سازگاری با محیط زیست، تنوع و دسترسی آسان، سادگی کاربرد، حضور گروه های عاملی مختلف در ساختار این مواد و حذف انتخابی فلزات سنگین می باشند ا ۱۱ ا. جاذبهای گیاهی بسیاری نظیر سبوس برنج با ۱۲، ۱۳ا، چوب بلال [۱۴ ا، پوست پرتقال و موز ۱۵، ۱۶، خاک اره گیاهان مختلف [۱۱، ۱۷، پوسته درخت اکالیپتوس [۱۸]، برگ انجیر، پوست از گیل ۱۹]، برگ زیتون || ۲۰ا، پوسته فندق آ۹]، باگاس نیشکر ۲۱] و غیره برای حذف فلزات سنگین از محلول های آبی آلوده مورد بررسی قرار گرفته اند. اگرچه مطالعات زیادی در مورد حذف فلزات سنگین توسط جاذبهای گیاهی انجام شده است، اما تا کنون هیج گزارشی مبنی بر استفاده از خاکستر برگ اکالیپتوس برای حذف همزمان یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) منتشر نشده است. در این تحقیق کارایی خاکستر برگ اکالیپتوس به عنوان جاذب گیاهی جدید و کم هزینه برای حذف همزمان یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) از محلول های آبی مورد بررسی قرار گرفت. تاثیر پارامترهای مختلف نظیر pH، زمان تماسی، مقدار جاذب و دما بررسی و بهینه شد. مطالعات ایزوترمی، سینتیکی و ترمودینامیکی انجام شده و مدل های مناسب انتخاب شدند.
٢- بخش تجربی
۲- ۱- مواد و دستگاه ها:
کلیه مواد شیمیایی مصرفی بسیار خالصی بوده و از کارخانه مرک آلمان خریداری شدند. نمکهای نیترات کادمیم، کبالت و نیکل برای تهیه محلول های استاندارد استفاده شدند. محلول های استاندارد ۱ گرم بر لیتر کاتیون های مورد نظر از حل کردن مقادیر دقیقی از نمکهای فلزی مربوطه در آب دو بار تقطیر تهیه شدند. سایر محلول ها از رقیق سازی متوالی محلول استاندارد اولیه با آب دوبار تقطیر و به طور روزانه تهیه شدند. در این تحقیق اندازه گیری غلظت همه کاتیونهای فلزی به کمک دستگاه جذب اتمی شعله ای (ShimadZu, AA-680/G) انجام شد. طیف FTIR خاکستر برگ اکالیپتوس توسط دستگاه ShimadZu, 8400 S) FTIR) ثبت شد. pH محلول ها توسط pH متر (632-Metrohm, E) تعیین شد. برای همزدن از همزن مغناطیسی (D110 و Alfa) استفاده شد.
۲- ۲- آماده سازی جاذب:
درخت اکالیپتوس که آب و هوای گرم و مرطوب را می پسندد قریب به یک قرن پیش وارد ایران شده و در نواحی شمالی و جنوبی کشت شده است. این درخت در مناطق گرم و خشک ایران مانند شهر سمنان نیز به وفور یافت می شود. در این تحقیق از خاکستر برگ اکالیپتوس به عنوان جاذب برای حذف یونهای فلزی سنگین از محلول های آبی استفاده شد. جهت آمادهسازی جاذب، برگهای اکالیپتوس از شاخه ها جدا و داخل یک کیسه پلاستیکی تمیز جمع آوری شدند. سپس برگها دوبار با آب مقطر بطور کامل شسته شده و در شرایط محیط خشک شدند. در ادامه آسیاب شده و در نهایت در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد در کوره به مدت ۵ ساعت به خاکستر تبدیل شدند.
۳-۲- آزمایشهای ناپیوسته:
تمام آزمایشی های جذب فلزات روی خاکستر برگ اکالیپتوس به صورت سیستم ناپیوسته انجام شد. به منظور دستیابی به بیشترین مقدار ظرفیت جذب سطحی، تاثیر پارامترهای مختلف نظیر pH، زمان تماسی، مقدار جاذب و دما بر میزان حذف یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) بررسی و بهینه شد. تاثیر یک پارامتر با ثابت نگه داشتن پارامترهای دیگر مورد بررسی قرار گرفت. در تمام آزمایش ها مقدار معینی از جاذب به ارلن مایر ۱۰۰ میلی لیتری محتوی ۵۰ میلی لیتر محلول یون های فلزی با غلظت ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر و pH معین افزوده شد. pH محلول توسط محلول های رقیق اسید نیتریک و سود تنظیم شد. مخلوط حاصل توسط همزن مغناطیسی ( ۱۵۰ دور در دقیقه) در دمای محیط همزده شد. بعد از گذشت مدت زمان معین، مخلوط توسط کاغذ صافی واتمن صاف شده و غلظت یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) در محلول صاف شده بوسیله جذب اتمی شعله ای تعیین شد. جهت اطمینان از نتایج، تمامی آزمایشی ها سه مرتبه تکرار شدند و مقدار میانگین در نتایج گزارش شد. درصد حذف و ظرفیت جذبی (Cle) توسط روابط زیر محاسبه شدند :
در این روابط C0 غلظت اولیه ی یون فلزی در محلول و Ce غلظت نهایی آن در محلول پس از تماس با جاذب (میلیگرم بر لیتر)، ۷ حجم محلول (لیتر)، M جرم جاذب (گرم) و Cle، ظرفیت جذب (میلی گرم بر گرم)، بیانگر مقدار یون فلزی جذب شده به ازای واحد جرم جاذب در حالت تعادل می باشد.
۳- نتایج و بحث:
۱-۳- آنالیز طیف سنجی FTIR جاذب:
طیف FTIR خاکستر برگ اکالیپتوس قبل از فرایند جذب (طیف A) و بعد از فرایند جذب (طیف B) در شکل ۱ نشان داده شده است. بر اساس مقایسه دو طیف، نوارهای جذبی دو ناحیه " cm ۳۳۸۴/۲۴ و cm ۳۴۴۱/۱۲ (مربوط به گروههای آمینی) در طیف A به cm ۳۴۰۹/۶۳ و ' cm ۳۴۴۸/۹ در طیف B جابجا شدهاند. پیک cm ۱۰۶۴/۶۳ (مربوط به گروه C-O) به ناحیه " cm ۱۰۵۶/۹۲ و نوار جذبی (cm ۱۴۴۲/۶۶ (مربوط به ارتعاشات خمشی و CH-) نیز به ناحیه cm ۱۴۲۷/۳ انتقال یافته اند. همچنین در طیف B، شدت پیک "cm ۸۷۱/۷۶ (مربوط به ارتعاشات خمشی خارج از صفحهای C-H آروماتیکي) و نیز نوارهای جذبی ناحیه cm ۳۴۰۰-۳۵۰۰ افزایش یافته است. طیف B، احتمال حضور گروههای OH را در ناحیه cm ۳۴۰۰-۳۵۰۰ و نیز پیوندهای C=C آروماتیکی را در ناحیه " cm ۱۴۲۷-۱۶۳۵ نشان میدهد. با توجه به طیف FTIR خاکستر برگ اکالیپتوس، حضور تعداد زیادی از گروه های عاملی (گروههای آمینی، C-O ،OH و ...) توانایی حذف یونهای فلزی سنگین را توسط این جاذب فراهم نموده است. جابجایی نوارهای جذبی در طیف FTIR می تواند موید جذب یونهای فلزی توسط گروههای عاملی موجود در خاکستر برگ اکالیپتوس باشد.
۳- ۲- تعیین pH بهینه:
بررسی اثر pH بر روی میزان حذف یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) توسط خاکستر برگ اکالیپتوس، در محدوده pH ۲-۸ و مقادیر ثابتی از سایر پارامترها انجام گرفت. همان طور که در شکل ۲ مشاهده می شود، با افزایش pH از ۲ تا ۸، درصد حذف فلزات افزایش یافته است. بیشترین درصد حذف یونهای فلزی در ۶ = pH مشاهده شد. در pHهای پایین محلول به شدت اسیدی بوده و میزان حذف یونهای فلزی کمتر می باشد که به علت رقابت یونهای هیدروژن با یونهای فلزی است. در pH های بالای ۷ نیز به علت تشکیل رسوب هیدروکسیدهای فلزی، غلظت یونهای فلزی کاهش یافته است و افزایش درصد حذف در این بخشی از نمودار هیچ ارتباطی با فرایند جذب سطحی توسط جاذب ندارد. بنابراین بیشترین جذب
سطحی که منجر به بیشترین میزان حذف شده است، در ۶ = pH بوده است؛ پس این pH به عنوان مقدار بهینه انتخاب شد.
شکل ۲. تاثیر pH بر میزان حذف یونهای کادمیوم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) توسط خاکستر برگ اکالیپتوس . (غلظت یونهای فلزی: ۱۰۰ میلی - گرم بر لیتر، مقدار جاذب: ۲ گرم بر لیتر، زمان تماس: ۶۰ دقیقه، دمای محیط)
۳- ۳- تعیین زمان تماس بهینه:
تاثیر زمان تماسی بر روی درصد حذف یونهای فلزی توسط جاذب خاکستر برگ اکالیپتوس، در زمان های مختلف در
محدوده ۱۲۰ - ۵ دقیقه و در شرایط ثابت ۲ گرم بر لیتر جاذب، ۶ =pH و دمای محیط بررسی شد. نتایج حاصل از این بررسی در شکل ۳ نمایش داده شده است. مطابق شکلی ۳، میزان حذف یونهای فلزی با افزایش زمان تماسی افزایش یافت و بعد از گذشت ۶۰ دقیقه به حالت تعادل رسید و احتمالأ از این لحظه به بعد سایتهای فعالی روی سطح جاذب اشباع شدهاند و میزان
جذب سطحی ثابت مانده است. بنابراین ۶۰ دقیقه به عنوان زمان تماسی بهینه انتخاب شد.
شکل ۳. تاثیر زمان تماس بر میزان حذف یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) توسط خاکستر برگ اکالیپتوس . (غلظت یونهای فلزی: ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر، مقدار جاذب: ۲ گرم بر لیتر، ۶ =DH، دمای محیط)
۴-۳- تعیین مقدار بهینه جاذب:
بررسی تاثیر مقدار جاذب خاکستر برگ اکالیپتوس بر روی میزان حذف یونهای فلزی، با کاربرد مقادیر مختلفی از جاذب و در شرایط ثابت سایر پارامترها انجام شد. همانطور که در شکل ۴ مشاهده می شود با افزایش مقدار جاذب به دلیل افزایشی سایتهای فعالی در دسترسی جاذب، میزان حذف یون های فلزی افزایش مییابد. با توجه به نمودار، از ۵ گرم به بعد میزان حذف تقریباً ثابت می ماند. بنابراین با در نظر گرفتن بیشترین میزان حذف یونهای فلزی، ۵ گرم بر لیتر به عنوان مقدار بهینه جاذب انتخاب شد.
شکل ۴. تاثیر مقدار جاذب بر میزان حذف یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) توسط خاکستر برگ اکالیپتوس . (غلظت یونهای فلزی: ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر، زمان تماس : ۶۰ دقیقه، ۶ =pH، دمای محیط)
۵-۳- بررسی تأثیر دما بر جذب فلزات:
و درجه کلوین میزان حذف یونهای فلزی توسط خاکستر برگ اکالی پتوسی در % دمای مختلف در محدودہ مقادیر بهینه از سایر پارامترها مطالعه شد. نتایج بررسی دمایی در شکل ۵ آمده است. بر اساس نتایج حاصل، با افزایش دما میزان حذف یونهای فلزی افزایش مییابد. این روند بیانگر گرماگیر بودن فرایند جذب سطحی می باشد.
شکلی ۵. تاثیر دما بر میزان حذف یونهای کادمیم (II)، کبالت (II) و نیکل (II) توسط خاکستر برگ اکالیپتوس . (غلظت یونهای فلزی: ۱۰۰ میلی - گرم بر لیتر ، زمان تماسی: ۶۰ دقیقه، ۶ =pH مقدار جاذب: ۵ گرم بر لیتر)
۶-۳- بررسی ایزوترم جذاب:
مطالعه ایزوترم های جذب تعادلی، اطلاعات ارزشمندی فراهم می کند که به کمک آن میتوان فرایند تعادلی بین جاذب و
جذب شونده را تفسیر نمود. در این تحقیق دادههای تعادلی جذب توسط مدلهای لانگمویر، فروند لیچ و تمپکین بررسی
3- ابیرونرم لانگمویر
ایزوترم لانگمویر در مورد جذب سطحی تک لایه معتبر است. در این مدل فرض می شود که انرژی جذب سطحی ثابت بوده و ماده جذب سطحی شده در سطح جذابی، هیچ مهاجرت و حرکتی ندارد. فرم خطی ایزوترم لانگمویر توسط رابطه ۳ بیان می شود که در آن، Cle و Ce مشابه موارد مطرح شده قبلی، qmax حداکثر میزان ماده ی جذب شده به ازای واحد جرم جاذب (بر حسب میلی گرم بر گرم) و K L نیز ثابت تعادل جذب مدل لانگمویر (لیتر بر میلیگرم) میباشد ۲۳ ا. با رسم C /qe بر حسب Ce خط راستی حاصل می شود که از شیب و عرض از مبداً نمودار به ترتیب Clmax و K L بدست می آیند (شکل ۶).
مشخصه اصلی ایزوترم لانگمویر با یک ثابت بدون بعد تحت عنوان فاکتور جداسازی (RL) بیان می شود (معادله ۴). در این رابطه C0 غلظت اولیه ی یون فلزی در محلول (میلی گرم بر لیتر) می باشد.
ببر اساسی نتایج گزارش شده در جدول 1مقادیر RL برای هاغر نسسة يوني فلزی مورد مطالعه در محدودہ می باشد که نشان می دهد فرایند جذب یونهای فلزی بر روی جاذب مطلوب می باشد ۲۴].
