کوتاه پژوهشي

حذف کروم شش ظرفيتي توسط نانو ذرههاي فريت

سارا عبدالشاهينژاد*+، سيد مهدي برقعي، مجتبي سيدي تهران، دانشگاه صنعتي شريف، دانشکده مهندسي شيمي و نفت

چكيده:در حال حاضر فلزهاي سنگين در بسياري از پسابهاي صنعتي يافت ميشوند و از جمله مهمترين آلايندههاي محيط زيست محسوب ميشوند. نانوذرههاي آهن مغناطيسي با استفاده از مکانيسمهاي جذب سطحي، تبادل يوني و نيروهاي الکتروستاتيک ميتوانند در حذف فلزهاي سنگين از پسابهاي صنعتي مورد استفاده قرار گيرد. هدف از انجام اين پژوهش بررسي کارايي نانوذرههاي مگنتيت در حذف کروم شش ظرفيتي از پساب و پارامترهاي مؤثر بر آن ميباشد. نانوذرههاي مگنتيت در اندازه ي ميانگين 07 نانومتري و به روش هم رسوبي سنتز و عاملهاي گوناگون مؤثر بر جذب يون هاي فلزي، به عنوان نمونه، pH ، دما، مقدار جاذب، غلظت اوليه کروم و زمان تماس به منظور بهينهسازي شرايط عمليات بررسي شد. همچنين براي شناسايي نانوذرهها از الگوي پراش اشعه ايکس)XRD( و نيز براي بررسي ساختار و اندازه نانوذرههاي مگنتيت از ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني )FE-SEM( استفاده شد. نتيجههاي اين پژوهش نشان داد که همانند بسياري از فرايندهاي جذب، مکانيسم حذف به شدت تحت تأثير pH قرار دارد. همچنين در pH معادل 2، در حالي که غلظت اوليه کروم 07 ميلي گرم بر ليتر باشد با افزودن 5/0 گرم بر ليتر نانوذرههاي مگنتيت سنتز شده در زمان تماس 27 دقيقه حدود 49 درصد از کروم شش ظرفيتي
حذف خواهد شد و در مقدارهاي بالاي pH بازده حذف کاهش خواهد يافت. بنابراين نانوذرههاي مگنتيت داراي توانايي بالايي در حذف کروم شش ظرفيتي از پساب داراي اين يون مي باشند و بازده حذف کروم شش ظرفيتي با افزايش pH کاهش مييابد. نتيجهها همچنين نشان داد با افزايش غلظت اوليه کروم، ميزان جذب کاهش و همچنين با افزايش ميزان جاذب، مقدار جذب کروم افزايش مييابد. همدماي حالت تعادل با مدل هاي همدماي جذب لانگموير و فرندليچ مطابقت داده شد و نتيجهها نشان داد که دادههاي بهدست آمده از حذف کروم شش ظرفيتي توسط نانوذرههاي فرومغناطيسي با مدل همدما جذب لانگموير مطابقت خوبي دارد.

واژههاي كليدي: نانوذرهها، فريت، فلزهاي سنگين، جذب سطحي ،کروم.
KEY WORDS: Nanoparticles, Ferrite, Heavy metals, Adsorption, Chromium.
مقدمه
با افزايش روزافزون فعاليتهاي صنعتي، پساب صنايع بسياري منجر به بيماريهاي بسياري ميشوند. در اولويت اين مواد خطرناک، همچون معادن، کارخانههاي توليد کننده مواد شيميايي، صنايع فلزهاي سنگيني چون کروم، نيکل، سرب و کادميوم مي باشد [1].
توليد کننده باطري و … داراي فلزهاي سنگين ميباشد که اين اگرچه حذف يونهاي فلزهاي سنگين از پساب با استفاده از فلزها زيست تخريب پذير نبوده و با تجمع در اندامهاي بدن فناوريهاي گوناگوني مانند ترسيب، لخته سازي و نيز

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
99
فناوريهاي زيستي انجام ميگيرد ولي اين روشها داراي عيبهايي چون هزينه بر بودن و تجهيزات گران قيمت، توليد آلايندههاي ثانويه و زمان بر بودن ميباشند. با توجه به محدوديتهايي که در روشهاي مرسوم براي حذف يونهاي اين فلزها ميباشد، به نظر ميرسد اميدوار کنندهترين روش جايگزين، روش جذب است. در ميان ساير روشهاي تصفيهي فيزيکي و شيميايي، جذب سطحي افزون بر سادگي و صرفهي اقتصادي، بيشترين بهرهوري را دارد. تلاش براي کاهش هزينههاي حذف فلزهاي سنگين با جذب سطحي و سطح ويژه و ويژگيهاي چشمگير نانوذرهها و کاربردهاي يگانهي آنها منجر به ايجاد فرصتي بيمانند در جذب فلزهاي سنگين توسط نانوذرهها شد که در موارد بسياري کارآمد و مقرون به صرفه ميباشد] 2[ .
جذب سطحي بهوسيله نانوذرههاي فلزهاي يک فناوري سازگار با محيط است که طي ساليان اخير به عنوان عامل مؤثري براي از بين بردن آلودگيهاي آلي و يونهاي فلزهاي سنگين از آب و پساب مورد بررسي قرار گرفته است .در بين اين فلزها، نانوذرههاي آهن به دليل فراواني، ارزاني، غير سمي بودن ،واکنش کند و توانايي و بازده بالا در تجزيه آلايندهها و همچنين حذف فلزهاي سنگين از آبهاي آلوده بيشتر مورد توجه بوده است.
قابليت استفاده از نانوذرهها بهويژه نانوذرههاي 4Fe3O در مقياسهاي آزمايشگاهي و صنعتي، سمي نبودن و کارآمد بودن از نظر اقتصادي از دلايل انتخاب اين ذرهها در انجام پژوهشهاي بنيادي و کاربردهاي بالقوه ميباشد] 6 ، 5[. به تازگي مطالعههايي در زمينهي حذف فلزهاي سنگين توسط نانوذرههاي مغناطيسي انجام گرفته است که از جملهي آنها ميتوان به حذف کروم شش ظرفيتي توسط نانوذرههاي مگهميت) 3-Fe2O( اشاره کرد که قابليت بالاي جذب توسط نانوذرههاي مغناطيسي را در مقايسه با جاذبهاي ديگري همچون کربن فعال و خاک رس نشان ميدهد [8 ، 7].
کروم به عنوان يک آلاينده قوي در اکثر مناطق آلوده، مناطقمسکوني و مراکز صنعتي مانند کارخانههاي آبکاري، چرمسازي و عملآوري چوب يافت ميشود. علت پيدايش اين آلاينده در محيط زيست را مي توان در نتيجه دفع نادرست آلاينده هاي خطرناک و يا نشت آنها از مراکز دفن دانست. يون کروم ميتواند داراي ظرفيتهاي دو، سه، پنج و شش باشد. از اين ميان بيشترين پايداري مربوط به کروم سه و شش ظرفيتي است .کروم سه ظرفيتي
به علت جذب سطحي بالا به سطح ذرههاي خاک و تشکيل کروم هيدروکسيد غيرقابل حل در آب ،سمي بودن و تحرک کمتري نسبت به کروم شش ظرفيتي دارد .آنيون کروم شش ظرفيتي به علت تحرک بالا در محيط هاي زيرسطحي و همچنين اثرهاي سرطانزا
يکي از ويژگيهاي مشخص کننده ي مواد نانو اين است که رفتاري متفاوت با رفتار مواد درشت ساختاري و ميکروساختاري دارند. زماني که اندازهي ذرههاي يک ماده از مقدار خاصي کوچکتر شود ،اندازههاي آن يکي از عاملهاي تأثيرگذار بر روي ويژگيهاي ماده ،افزون بر ترکيب و ساختار آن ماده خواهد بود. تغيير اندازه ي دانه ها باعث خواهد شد تا ويژگيهاي فيزيکي مواد تغيير يابد و افزايش سطح تماس باعث تغيير واکنش پذيري شيميايي و در نتيجه ويژگيهاي شيميايي ميشود .بنابراين مادهي نانو بهطور معمول واکنش پذيري و توانايي جذب بالاتري را نسبت به اندازهي معمولي همان ماده نشان مي دهد.
نانوذرههاي متخلخل پتانسيل بالايي در رفع آلودگي از محيط زيست را
43
دارند و به دليل کاربردهاي بالقوه ي آنها در پژوهشهاي زيست پزشکي، کاتاليست ها ،زيست فناوري و ساير دانشها و نيز ويژگيهاي سطحي از جمله سطح ويژه ي بالا، حجم بالاي منافذ و نيز تنوع در عاملدار کردن آنها، تلاش هاي بسياري را در اين زمينه به خود اختصاص داده اند] 3 و4[.
و مخربي که براي بافتهاي زنده دارد، توجه زيادي را در چند سال اخير به خود جلب کرده است. در اين پژوهش به بررسي حذف فلز سنگين کروم شش ظرفيتي از پساب سنتتيک پرداخته ميشود.
ابتدا نانوذرههاي فريت به روش هم رسوبي سنتز و طي يک سري آزمايشهاي انجام شده اثر pH، درجه حرارت، زمان تماس ، ميزان جاذب و غلظت اوليه ي فلز سنگين در ميزان جذب بررسي شد.

بخش تجربي
مواد و دستگاه هاي مورد استفاده
در اين پروژه از مواد گوناگون استفاده شد. مواد زير براي ساخت نانو ذره 4Fe3O مورد استفاده قرار گرفت:
1ـ فروس کلريد تترا هيدرات )FeCl2 . 4H2O(
2ـ فريک کلريد هگزا هيدراته )FeCl3 . 6H2O(
3ـ آمونيوم هيدروکسيد )NH4OH(
وسيلههاي مورد نياز همان وسيلههاي مرسوم آزمايشگاه شيمي ميباشد .

شکل 1ـ تصوير FE-SEM نانوذرههاي توليد شده در مقياس 133 نانومتر.

دستگاهها: ترازو، همزن مغناطيسي، PH متر، دستگاه جذب اتمي، شيکر، انکوباتور، اسپکتروفتومتر.
دستگاه جذب اتمي مدل 220(-Varian-(Spectra AA: کاربرد اين دستگاه اندازه گيري غلظت فلزهاي سنگين ميباشد .
اين دستگاه ساخت کشور آمريکا ميباشد و لامپ هاي کاتدي مربوط به فلزهاي آلومينيوم، کبالت، موليبدن، منگنز، سرب، کادميوم ،نيکل، مس، کروم و آهن را داراست و منبع انرژي آن از نوع شعله ميباشد، واحد اندازه گيري اين دستگاه در حد ppm است.
ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني (FE-SEM) مدل Hitachi 4160
Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) يک نوع از ميکروسکوپهاي SEM است. با اين تفاوت که نوع FE-SEM داراي بزرگنمايي و حد تفکيک بسيار بالاتري بوده و تصويرهايي با بزرگنمايي 777 هزار برابر را با آن ميتوان بهدست آورد.

تهيه نانوذرهي 4Fe3O
در تهيه نانوذرههاي 4Fe3O به روش هم رسوبي تمامي مواد شيميايي استفاده شده با خلوص 9/99 درصد، از شرکت مرک آلمان خريداري و استفاده شد. براي اين منظور ابتدا 36/2 گرم نمک آهن کلريد شش آبه )FeCl3 . 6H2O( و 86/7 گرم نمک
آهن کلريد 4 آبه )FeCl2 . 4H2O( را به نسبت مولي دو به يک با هم مخلوط و سپس در يک ليتر آب بدون يون حل شد ]9[. سپس گاز آرگون به مدت 37 دقيقه از روي محلول عبور داده شد تا سرانجام خلوص نانوذرههاي توليدي بيشتر شود. پس از گذشت 37 دقيقه

شکل 9ـ تصوير FE-SEM نانوذرههاي توليد شده در مقياس يک ميکرومتر.
محلول بهوسيلهي هم زن مغناطيسي با دور rpm1177 به مدت 37 دقيقه هم زده شد و در اين زمان قطره قطره محلول آمونيوم هيدروکسيد به محلول افزوده شد. در پايان کار نانوذرههاي سياه رنگ مگنتيت رسوب کرد و نانوذرههاي توليد شده چندين بار با آب مقطر بدون يون شسته شد و در دماي اتاق خشک شد و سرانجام براي انجام آزمايشهاي جداسازي مصرف شد.
از آنجا که انجام کلسيناسيون منجر به کلوخه شدن و کاهش کنترل اندازه ذرهها و رشد ناخواستهي اندازهي ذرهها و سرانجام کاهش کيفيت فراورده خواهد شد، از انجام اين عمل در فرايند توليد نانوذرهها خودداري شد.
در اين پژوهش براي بررسي ساختار و اندازه نانوذرههاي مگنتيت از ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني )FE-SEM( استفاده شد که تصوير گرفته شده از نانوذرههاي در مقياس 177 نانومتر و يک ميکرومتر در شکلهاي 1 و 2 نشان داده شده است.
با توجه به نتيجههاي اين تجزيه اندازه متوسط ذرههاي
5  77 نانومتر بهدست آمد. هچنين براي شناسايي نانوذرهها از الگوي پراش اشعه ايکس) XRD( استفاده شد که با توجه به شکل 3
مشخص ميشود تمامي پيکها منطبق با پيک هاي مربوط به مگنتيت ميباشد.

آزمايشهاي جذب کروم شش ظرفيتي
براي انجام آزمايشهاي مربوط به کروم ابتدا محلول ppm177 و ppm277 کروم سنتز شد و هر بار با رقيقسازي غلظت مورد نظر از کروم ساخته شد.
41
تأثير غلظت اوليه ي کروم بر ميزان جذب
براي انجام آزمايش تأثير غلظت کروم، محلولهاي
77،75،73،72،17 و 177 ميلي گرم بر ليتر کروم تهيه و با
5/3 گرم بر ليتر نانوذره ي مگنتيت در 7=pH و در دماي محيط
)37 درجه سلسيوس( با هم مخلوط شد و نتيجهها در زمان
27 دقيقه و دور rpm147 شيکر با هم مقايسه شدند.
همانگونه که در شکل 4 ديده ميشود با افزايش غلظت اوليه درصد حذف کروم کاهش مييابد و دليل اين کاهش ثابت بودن سطح جذب نانوذرهها ميباشد که با افزايش غلظت اوليه کروم به دليل کاهش سايت هاي فعال موجود در سطح جاذب که عمل جذب را انجام ميدهند ، ميزان جذب و در نتيجه درصد حذف کاهش مييابد.

تأثير pH در حذف کروم شش ظرفيتي
براي انجام اين آزمايش ابتدا محلول 37 ميلي گرم بر ليتر کروم تهيه شد و براي تنظيم pH از هيدروکلريک اسيد و سود سوزآور استفاده شد. سپس 37 ميلي گرم بر ليتر کروم با 5/3 گرم بر ليتر نانوذرهي مگنتيت در pH هاي 2، 3، 7 و 12 در دماي محيط) Co37 ( با هم مخلوط و نتيجهها مقايسه شدند.
همانگونه که در شکل 5 مشخص است بيشترين جذب کروم در 2pH= اتفاق مي افتد و با افزايش pH جذب کروم کاهش مييابد.
دليل اين مسئله افزايش آنيون هاي هيدروکسيد در اطراف جاذب در pHهاي بازي ميباشد که اين امر منجر به کاهش جذب آنيونهاي دي کرومات توسط جاذب و در نتيجه کاهش درصد حذف کروم خواهد شد.

تأثير زمان در حذف کروم شش ظرفيتي
براي انجام اين آزمايش 3.5 گرم بر ليتر جاذب نانوذرهي مگنتيت با محلول 37 ميلي گرم بر ليتر کروم در زمانهاي 27،51،71،5 و 37 دقيقه و2pH= با هم مخلوط شدند و نتيجهها در دور rpm147 شيکر و دماي 37 درجه محيطي با هم مقايسه شدند.
49
همانگونه که در شکل6 قابل ديدن است با افزايش زمان تماس جذب فلز کروم توسط نانوذرهاي مگنتيت افزايش مي يابد و اين به دليل افزايش احتمال برخورد بين يون هاي فلزي و نقاط فعال سطح جاذب ميباشد.

شدت

(
)
ar.unite

شدت

(

)

ar.unite

3 13 93 43 33 53 03 03 03
)درجه( 9

شکل 4ـ الگوي پراش اشعه ايکس.

93

03

03

03

53

33

43

93

13

3

%

حذف
کروم

93

03



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید