بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه به دلیل افزایش روزافزون آلودگی آبهای سطحی توسط فلزات سنگین سمی، فناوری های تصفیه آب از طریق جذب سطحی بر روی جاذبهای نانو ساختار و کم هزینه از اهمیت بالایی برخوردار گشته است. تحقیق حاضر به بررسی و بهینه سازی خواص کربن فعال ساخته شده از چوب درخت سدر و کاربرد آن در حذف یون فلز سنگین سرب از آب می پردازد. در ابتدا نمونه های چوب درخت صدر بعد از یک مرحله فرایند کربنیزاسیون در دمای بالا، با استفاده از هیدروکسید سدیم تحت فعالسازی شیمیایی قرار گرفته و بعد از شستشو و خشک نمودن برای جذب فلز سرب استفاده گردید. به منظور بالا بردن ظرفیت جذب، متغیرهای فرایند سنتز شامل نسبت وزنی ماده فعالساز به ماده اولیه، دمای فعالسازی، و زمان فعالسازی بهینه شدند و مقادیر بهینه متغیرهای یاد شده به ترتیب 4:1، 650 C و60 دقیقه به دست آمد. نمونهای سنتز شده با استفاده از تصاویر میگروسکوپ الکترونی - SEM - ، طیف سنج مادون قرمز فوریه - FTIR - ، و BET مشخصه یابی گردید و مشخص شد که در بهترین نمونه سطح ویژه در حدود 2125 m2/g بوده است. در ادامه، به منظور تعیین بهترین شرایط عملیاتی، تاثیر پارامترهای pH محیط جذب، مقدار جاذب، زمان تماس، غلظت یون فلز سرب و دما بر ظرفیت جذب یون سرب توسط کربن فعال بررسی شد. نتایج حاصله حاکی از آن بود که بالاترین ظرفیت جذب برابر با 971/9 میلی گرم سرب بر میلی گرم جاذب بوده است که در pH=4 و دمای 30 C حاصل میگردد.
کلمات کلیدی: کربن فعال، جذب سطحی، حذف فلزات سنگین، ظرفیت جذب، سطح ویژه
.1 مقدمه
کربن فعال قدیمی ترین جاذب شناخته شده میباشد که دارای ساختاری بسیار متخلخل با سطح ویژه داخلی بالا در محدوده 500 تا 3000 مترمربع بر گرم است و به همین دلیل جاذب خوبی برای جذب آلایندههای مختلف به شمار می رود، لذا تولید آن همچنان موضوع تحقیقات محققین زیادی میباشد .[1-3] کربن فعال اغلب طی دو مرحله تولید می شود. مرحله اول که کربونیزاسیون نام دارد برای حذف مواد فرار غیر کربنی از ساختار جاذب و ایجاد تخلخل اولیه است، در حالیکه در مرحله فعالسازی ساختار منافذ بهبود می یابد .[4] مرحله فعالسازی می تواند به طرق متعددی انجام شود، که از آن میان می توان به فعالسازی فیزیکی، فعالسازی شیمیایی، ترکیب فعالسازی فیزیکی و شیمیایی - فیزیکی-شیمیایی - و فعالسازی بوسیلهی مایکروویو اشاره نمود .[5] از میان روشهای فوق فعالسازی شیمیایی و فعالسازی فیزیکی متداول تر است. فعالسازی شیمیایی شامل آغشته سازی ماده اولیه با مواد شیمیایی مانند فسفریک اسید، پتاسیم هیدروکسید یا سدیم هیدروکسید و سپس حرارت دادن تحت جریان نیتروژن در محدوده دمایی 450-900 درجه سانتیگراد است [6]
در حالیکه در فعالسازی فیزیکی نمونه مورد نظر تنها تحت جریانی از یک گاز بیاثر حاوی در صد کمی از دی اکسید کربن یا بخار آب فعال می شود. روش فعالسازی شیمیایی مزیت هایی نسبت به فعالسازی فیزیکی دارد، که از جمله آن، دمای فعالسازی کمتر و بازده بیشتر کربن می باشد. نمونههای تشکیل شده در این روش عموما منافذ بزرگتری نسبت به منافذ میکرو دارند و حجم منافذ بزرگتر باعث می شود که برای جذب در فاز مایع مناسب تر باشند، هرچند که استفاده از این روش قیمت بالای عامل فعالساز و مراحل شست و شوی اضافی را به همراه دارد. توجه به این نکته ضروریست که در روش فعالسازی شیمیایی به شدت به پارامترهای سنتز وابسته است. درواقع پارامترهای مختلفی در تعیین خواص نهایی نمونه سنتز شده موثر هستند که از میان آنها می توان به زمان فعالسازی، دمای فعالسازی و نسبت آغشته سازی اشاره نمود .[7-10]
به علاوه منبع کربنی مورد استفاده در ساخت کربن فعال تاثیر به سزایی بر ساختار جاذب و میزان نهایی ظرفیت جذب خواهد داشت. طیف گسترده ای از مواد مانند چوب درخت بامبو [11]، چوب درخت بلوط [12]، تفاله انگور [13]، باگاس نیشکر [14]، هسته زردآلو [15] پوسته برنج، مواد سلولزی اصلاح شده، گندم، پوست اصلاح شده درخت، خاک اره و پوست درخت کاج به عنوان مواد جاذب ارزان قیمت جهت تولید کربن فعال، جایگزین جاذب های گران قیمت شده است .[16-17] در تحقیق حاضر از ضایعات چوب درخت سدر به عنوان ماده اولیه جهت ساخت کربن فعال استفاده شده است. سدر با نام علمی زیزفوس* در عربستان سعودی، شمال افریقا و ایران یافت میشود. این گیاه با آب و هوای گرم و خشک سازگار است که میتواند جهت کشت در محیطهایی که در معرض تخریب منابع آب و زمین هستند، مناسب باشد.
سدر دارای کاربردهای درمانی متعددی از درمان تاول، کبودی، درد قفسه سینه، شوره سر، شکستگی، سردرد و مشکلات دهان می باشد. بر اساس مطالعات صورت گرفته تا کنون تحقیقات زیادی درمورد استفاده از چوب درخت سدر به عنوان منبع کربنی برای ساخت کربن فعال انجام نشده است. در حالیکه بخش عمدهای از چوب سدر، سلولز بوده و سلولز شامل گروههای عاملی است که برای اتصال به کاتیونها مناسب میباشد. این موضوع سدر را به عنوان گزینهای مناسب جهت تولید کربن فعال مطرح مینماید .[18] در این پژوهش امکان استفاده از چوب درخت سدر برای ساخت کربن فعال با سطحی بالا مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا ابتدا چوب درخت سدر کربونیزه شده و سپس با استفاده از محلول NaOH تحت فعالسازی شیمیایی قرار گرفت. در ادامه جاذب کربنی ساخته شده جهت حذف فلز سرب از آب استفاده شد و تاثیر عوامل محیطی بر عملکرد جاذب بررسی گردید. همچنین در این تحقیق تاثیر پارامترهای زمان فعالسازی، دمای فعالسازی و نسبت آغشته سازی بر ظرفیت جذب، بهینه شد.
-1 مواد و روشها
-2-1 آماده سازی محلول فلز سرب
محلول سرب بوسیله انحلال نیترات سرب - pb - NO3 - 2 - درون آب مقطر و در غلظت 50 میلی گرم بر لیتر و در تهیه شد.
-2-2 محاسبه ظرفیت و بازده جذب
به منظور محاسبه ظرفیت جذب جاذب - مقدار سرب جذب شده بازای واحد جرم جاذب - از رابطه - 1 - استفاده شد. و به ترتیب غلظت اولیه و غلظت تعادلی سرب بر حسب میلی گرم بر لیتر، حجم محلول بر حسب لیتر و m جرم جاذب بر حسب گرم میباشد
-3-2 روش ساخت جاذب
پس از جمع آوری چوب درخت سدر از شهرستان اندیمشک واقع در شمال خوزستان، جهت حذف مواد زاید، نمونهها با آب مقطر شست و شو داده شدند. سپس به مدت 24 ساعت در کوره قرار داده شدند تا کاملا خشک شوند. در مرحله بعد بوسیلهی دستگاه خورد کن چوبها کاملا پودر شد و با مش 150 اندازه پودر چوبهای به دست آمده به کمتر از 0/1 میلی متر رسید. پس از الک کردن، پودر چوبها در چندین مرحله با آب مقطر شستوشو داده شد تا مواد زاید کاملا از بین رود. بعد از شست و شو، پودر چوبها در آون قرار داده شد تا کاملا خشک شوند. سپس جهت کربونیزاسیون، 50 گرم از پودر چوبهای خشک شده در کوره، با شرایط ، و ریت گرمایی 20 قرار داده شد. جهت ایجاد محیطی عاری از هوا، کوره به جریان گاز بیاثر آرگون وصل شده بود. سپس ماده کربونیزه شده با نسبت وزنی - NaOH:Char - با سدیم هیدروکسید آغشته، و به مدت 2 ساعت با سرعت 200rpm* روی شیکر همزده شد. سپس نمونه در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 12 ساعت در آون خشک شد. پس از خشک شدن، نمونه در شرایط
