بخشی از مقاله
خلاصه
فلوتاسیون یونی روشی موثر برای حذف یونهای فلزات سنگین با غلظت کم از پسابهای صنعتی است.کارآیی فرآیند شیمی فیزیکی فلوتاسیون یونی به عوامل بسیاری وابسته است. یکی از روشهای مناسب برای افزایش بازیابی فلوتاسیون طراحی آزمایشات می باشد.
در این تحقیق به منظور شناسایی و بهینهسازی عوامل موثر بر جداسازی یونهای نیکل بهوسیله فلوتاسیون یونی، طراحی آزمایش به روش ماتریس 8×8 هادامارد انجام شد و میزان تاثیرگذاری عوامل بر بازیابی مشخص شد. بازیابی یون نیکل از پساب سنتزی به میزان 67 درصد در شرایط بهینه بهدست آمد.
-1 مقدمه
-1-1 فلوتاسیون یونی
فرآیند فلوتاسیون بهعلت کارآیی مطلوب پتانسیل بسیار بالایی را در زمینه تصفیه پسابها دارد. دیگر مزایای این روش، بازیابی انتخابی یونهای با ارزش نظیر طلا، نقره، پالادیوم، ارائه روشهای جدایش نوین و حجم کم رسوب یا لجن تولیدی است.
فلوتاسیون بهطور گسترده در فرآیندهای زیستمحیطی برای کنترل یونهای فلزات سنگین در پسابهای صنعتی یا برای بازیابی یونهای فلزی از محلولهای تجزیه شده استفاده میشود. فلوتاسیون یونی برای جداسازی عناصر فلزی از محلولهای آبی کاربرد دارد. این روش، فرآیند فیزیکی و شیمیایی پیچیدهای است که به مقدار مواد شیمیایی مانند کلکتور و تغییرات پارامترهای شیمیایی برای بهینهسازی بازیابی فلزات محلول در آب بستگی دارد.
آزمایشهای فلوتاسیون یونی با تجهیزاتی با مقیاس میکرو مانند لوله هالیموند یا سیستمهای دستهای و مقدار کمی در سیستمهای پیوسته برای ارزیابی خواص پراکندگی انجام شده است.[3-5] در فلوتاسیون، از مواد شیمیایی مانند کلکتور و کفساز استفاده میشود.
یک مولکول کلکتور شامل یک سر قطبی یونی و یک زنجیر هیدروکربنی غیر قطبی است. وابستگی گروه سر قطبی به یک یون فلزی، سرقطبی بخش آبران سطح را در تماس با محلول کنترل میکند. زمانیکه حبابهای هوا وارد سلول فلوتاسیون می شوند، به دلیل فعل و انفعالات مناسب بین زنجیرهی هیدروکربنی و حبابهای هوا، محصول حاصل از واکنش یون فلزی و کلکتور به حبابهای هوا متصل میشوند.
حبابهای هوای مملو از یونهای فلزی به سطح شناور و به بیرون از سلول هدایت میشوند. اندازهی حبابهای هوا در سلول فلوتاسیون باید کم باشد - در مقیاس میکرومتر - تا فضای سطحی را برای حذف یونها فراهم کنند. معرفهایی که اندازهی حبابها را با کاهش کشش داخلی آب و هوا کنترل میکنند، کفساز نامیده میشوند. برخی از کفسازهای رایج داوفروس250، متیل ایزوبوتیل کربونیل1، اتانول، متیل اتر، پلی پروپیلن-گلیکل هستند. برخی کفسازهای تجاری ممکن است هر دو خاصیت کفسازی و کلکتوری را داشته باشند.
امروزه آلودگی ناشی از فلزات سنگین یکی از مشکلات جدی زیست محیطی است. در همین راستا عملآوری و حذف این فلزات از موضوعات مورد علاقه محققین در سالهای اخیر بوده است .[7] فلوتاسیون یونی یکی از روش بازیابی یا حذف یونهای فلزی از پسابهای با غلظت کم میباشد .[4] تحقیقات وسیعی در ارتباط با جداسازی یونهای فلزی مختلف از محلولها انجام شده است .[8] اولین مطالعه فلوتاسیون یونی را لانگمیر و اسچرفر با بررسی اثر یونهای فلزی بر تک لایه استریک اسید انجام دادند .[9] سبا برای اولین بار روش فلوتاسیون یونی را برای حذف و جداسازی یونهای غیرآلی استفاده کرد .[10] از فلوتاسیون یونی برای خالصسازی پایانی موثر محلول از ناخالصیهای فلزی، همراه با تبادل یونی و اولترافیلتراسیون از طریق پارتیشنهای متخلخل استفاده شده است
فرگوسن و همکاران و ویلسون روش فلوتاسیون را برای حذف کادمیم از محلول های آبی با استفاده از هگزا دسیل تری متیل آمونیوم برومید بررسی کردند. هگزادسیل تری متیل آمونیوم برومید همچنین به عنوان سورفکتانت برای حذف یونهای روی، جیوه، کبالت، طلا و نقره از محلول های آبی استفاده شده است.[11] تعداد کمی از روشهای فلوتاسیون برای حذف روی استفاده شده است. اویکاوا و همکاران گزارش دادند که یونهای روی را میتوان ازپساب معدن غیرآهنی به وسیله فلوتاسیون یونی حذف کرد.[12] تغلیظ و بازیابی کمپلکسهای فلزات زیر گروه آلومینیوم را به وسیله فلوتاسیون یونی [13] و فلوتاسیون یونی کبالت، نیکل و مس را با استفاده از دودسیل دی اتیل انترامین توسط محققین بررسی شده است.
استرلتسو و همکاران قواعد مربوط به فلوتاسیون یونی مس را با استفاده از سدیم دی اتیل دی سیو کاربامات بررسی کردند. [15] فلوتاسیون یونی یونهای لانتانیم و هولمیم از واسطههای نیترات و کلرید نیترات [16]، فلوتاسیون یونی یونهای مس و سرب از نمونه آب محیط زیستی [17]، جداسازی یونهای روی و کادمیم از محلولهای سولفات به وسیله فلوتاسیون یونی و انتقال از طریق غشاء مایع [18]، فلوتاسیون یونی یونهای لانتانیم و هولمیم از واسطههای نیترات و کلرید نیترات [19]، مشخصات سینتیکی تغلیظ و جداسازی ناخالصیهای فلزی از محلولها و فاضلابهای صنعتی به وسیله فلوتاسیون یونی [20] توسط محققین بررسی شده است.
-2-1 طراحی آزمایش
طراحی آزمایش یکی از روش های مفید در بهینه سازی پروژه های صنعتی می باشد. طراحی آزمایش بهمنظور دستیابی به بهترین حالت ممکن از عوامل تاثیرگذار بر هر فرآیند است. با توجه به مشخص بودن عوامل تاثیرگذار در آزمایشها و همچنین تعداد سطوحی که آزمایشها باید انجام گیرد، روش مناسب طراحی آزمایشات انتخاب میشود. برای طراحی آزمایش روشهای مختلفی وجود دارد که با توجه به عوامل تاثیرگذار، میزان اثرگذاری عوامل و تعداد سطوح، بهترین روش انتخاب میشود. از جمله روشهای متداول طراحی آزمایش میتوان روش تاگوچی، هادامارد، مجموع مربعات، فاکتوریلی کامل را نام برد
در زمینه فرآوری مواد معدنی، طراحی آزمایش کاربردهای وسیعی دارد. دشتی و اسکندری نسب - 2013 - با استفاده از نرم افزار DX8 و روش فاکتوریلی عملکرد پارامترهای هیدرودینامیکی در سلولهای فلوتاسیون زغال را بهینه کردهاند .[22] نحوی و ایران نژاد با استفاده از روش تاگوچی پارامترهای تاثیرگذار بر سرعت صعود حباب را بهینه نمودهاند .[23] در تحقیق حاضر با استفاده از روش ماتریسی هادامارد2 اقدام به طراحی آزمایش در فلوتاسیون یونی و بهینهسازی پارامترها شده است.
-2 روش تحقیق
-1-2 عوامل تاثیرگذار در فلوتاسیون یونی
فاکتورها و متغیرهای زیادی بر بازدهی فلوتاسیون یونی از جمله، انتخاب کلکتور، کفساز، غلظت کف ساز و کلکتور، pH و دبی هوا تاثیر دارند که با بهینه کردن و در نظر گرفتن اندرکنشهای مفید بین این عوامل میتوان به نتایج مطلوبی با استفاده از این فرآیند بهدست آورد.
-1 -1-2 انتخاب کلکتور
یکی از عوامل موثر در فلوتاسیون یونی ماهیت کلکتور است. کلکتور آنیونی SDS در گروه باردار خود، دارای یک یا چند اتم اکسیژن است. اتم اکسیژن ویژگی تشکیل پیوند داتیو دارد و بنابراین زمانیکه چنین کلکتورهایی استفاده میشوند ممکن است که جذب بین کلکتور و کاتیون کلیگاند بیشتر ازجذب کولنی ساده باشد. کلکتور کاتیونی EHDABr دارای بار مثبت است و در pHهای اسیدی نیکل نیز دارای بار مثبت بوده، بنابراین این کلکتور قادر به حذف بالای یون نیکل از محلول در pHهای اسیدی نیست. خلاصهای از نتایج بهدست آمده حاصل از آزمایشها در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 میزان حذف نیکل بر حسب درصد با کلکتورهای SDS و EHDABr در pHهای مختلف SDS= 250ppm - ، EHDABr= 250ppm ، - MIBC=300ppm
