بهينه سازي جذب سطحي با روش طراحي آزمايش پاسخ سطح براي رنگ آسترازون آبي
توسط رزين کوپليمر استايرن- دي وينيل بنزن سولفونه شده

298791915153

محسن قرباني*+عباس باقريان
بابل، دانشگاه صنعتي نوشيرواني، دانشکده مهندسي شيمي

چكيده: يافتن جاذب مناسب براي حذف يک رنگ که نسبت به ساير جاذب ها ظرفيت بالاتر داشته باشد و رنگ بيشتري را جذب کند و نيز تعيين شرايط بهينه در استفاده از آن جاذب براي کارخانههاي نساجي و محيط زيست از اهميت ويژهاي برخوردار است. هدف از اين مطالعه بررسي و بهينه سازي جذب رنگ کاتيوني آسترازون آبي )Astrazon blue( از آب با استفاده از جاذب کوپليمر سولفونه شده استايرن- دي وينيل بنزن مي باشد. در اين مطالعه مقدار متغيرهاي زمان، مقدار جاذب و غلظت رنگ در محلول با روش طراحي آزمايش، بهينه شدند. به اين منظور تعداد 51 آزمايش با روش پاسخ سطحي )RSM( و استفاده از طراحي باکس بنکن (Box-Behnken) توسط نرم افزار Design Expert 7.0.0 Trial طراحي شد که سه عامل زمان ،ميزان جاذب و غلظت محلول در سه سطح
)5+، 0 ، 5-( همراه با سه نقطه مرکز انتخاب شد. در هر آزمايش ميزان مشخصي از جاذب در 50 ميلي ليتر محلول داراي رنگ کاتيوني قرار داده شد و ميزان جذب رنگ در محلول اندازهگيري شد. نتيجهها نشان داد که زمان، مقدار جاذب و غلظت محلول پارامترهاي تأثيرگذار بوده و مقدارهاي بهينه براي اين متغيرها با استفاده از منحنيهاي مربوطه نشان داده شد. بيشترين درصد حذف در اين آزمايشها 89% و بيشترين ظرفيت جذب 115 ميلي گرم بر گرم جاذب بود. اين پژوهش نشان داد که جاذب مورد نظر بهدليل درصد حذف و ظرفيت بالا براي جذب رنگ کاتيوني آسترازون آبي ميتواند جاذب مناسبي باشد.

واژههاي كليدي: جذب سطحي؛ کوپليمر استايرن ـ دي وينيل بنزن سولفونه شده؛ رنگ کاتيوني آسترازون آبي؛ روش پاسخ سطح؛ طراحي باکس بنکن.
KEYWORDS: Adsorption; Sulfonated poly(styrene-co-divinylbenzene); Astrazon blue cationic dye ;
Response surface methodology; Box-Behnken design.
مقدمه
امروزه در اثر گسترش صنايع و ورود پسابهاي صنعتي صنايع مصرف کننده بزرگ آب در جهان ،پساب داراي آلودگيهاي به محيط ،زيست بوم اطراف کارخانهها و آبهاي سطحي و زيرزميني گوناگون مانند مواد آلي و رنگها را به محيط تخليه ميکند .
در خطر آلودگي ميباشند [1]. صنعت نساجي يکي از مهمترين مشکل در ارتباط با تصفيه پساب نساجي حذف رنگهاي

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
53
تثبيت نشده است. حضور مقدار ناچيز رنگ در آب به سادگي قابل ديدن است که حيات آبي را تهديد ميکند [2] رنگ موجود در پساب تخليه شده از کارخانههايي مانند کاغذ، پلاستيک ،منسوجات، مواد غذايي و صنايع آرايشي نيز يکي از منابع اصلي هستند که منجر به آلودگي هاي زيست محيطي ميشوند ]6 ـ 3[.
در حال حاضر، بيش از 111،111 نوع رنگ در صنعت استفاده ميشود که بيشتر آنها به طور مصنوعي توليد ميشوند و داراي ساختارهاي پيچيده ميباشند ]8 ، 7[. روشهاي گوناگون براي حذف اين رنگ ها ارايه شده است، از جمله جذب ]12-9[، انعقاد شيميايي ]11-13[، اکسايش ]16[ و جداسازي غشايي ]17[.
جذب سطحي با توجه به قابليتهاي سادگي، بهره وري بالا و اقتصادي بودن، روش مؤثرتر براي حذف رنگ است .
به عنوان جاذب، مواد گوناگوني مانند کربن فعال )AC( ]21-18[، دياتومه ]23، 22[، سيليکاي مزوحفره ]26-22[ و جاذبهاي پليمري آزمايش شده اند که داراي سطح بالا و حجم روزنههاي بزرگ ميباشند، درحالي که ويژگيهاي سطح جاذب نيز در تعيين رفتار جذب حياتي است] 27، 21، 11[. در سالهاي اخير، جاذب هاي پليمري بر پايه پليمر پيوندي استايرن و دي وينيل بنزن با توجه به ثبات فيزيکي و شيميايي بالا و ساختار متخلخل هميشگي آنها به طور گسترده به عنوان جاذب استفاده ميشود] 29، 28[.
کوپليمر سولفونه شده ]31[ قابليت تعويض يون با کاتيونهاي موجود در محلول را داشته و در جذب رنگهاي پايه ميتواند مؤثر باشد .به طور کلي، رنگهاي پايه، رنگ کاتيوني با ويژگيهاي کاتيوني ناشي شده از بار مثبت هستند که به طور کلي بيشتر از اتمهاي نيتروژن موجود در آن ناشي ميشود. رنگهاي پايه بهطور عمومي به دليل تمايلشان به مواد نساجي پايه با بار منفي اينگونه ناميده ميشوند ]31[. اين مطالعه به بررسي و بهينهسازي جذب رنگ کاتيوني آسترازون آبي توسط کوپليمر سولفونه شده استايرن و دي وينيل بنزن ميپردازد. براي حذف رنگ اوليه از محلولهاي مصنوعي آبي استفاده شد. ساختار آسترازون آبي، همراه با شاخص رنگ، وزن مولکولي و توليد کننده آن در جدول 2 نشان داده شده است. اثر عاملهاي گوناگون شامل ميزان جاذب، زمان تماس و غلظت رنگ اوليه در جذب با استفاده از روش پاسخ عاملهاي گوناگون مي توانند در ترکيب با يکديگر اثرهاي يکديگر را تشديد و يا خنثي کنند در نظر گرفته نمي شود]32[. امروزه براي رفع اين مشکل از روشهاي آماري و مهندسي مانند روش سطح پاسخ استفاده مي شود. با استفاده از اين روش تعداد کمتري آزمايش مورد نياز بوده و براي سامانههاي چند عاملي نيز مفيد است. در اين روش رابطه ميان عاملهاي گوناگون نيز در نظر گرفته ميشود ]33[. در اين حالت، اثرهاي خطي و يا درجه دوم متغيرهاي مورد آزمايش، نمودارهاي مورد نظر و مدل مناسب را خواهند ساخت. به اين ترتيب تعيين مقدارهاي مناسب از
هر متغير و نيز درجه اهميت هر کدام از آنها به سادگي قابل تعيين و پيشبيني است]32[.

بخش تجربي
روش پاسخ سطح) RSM( در نرم افزار Design Expert 7.0.0 Trial يک ابزار قدرتمند براي مدل سازي آماري است که با استفاده از کمترين تعداد آزمايشهاي تجربي با توجه به طراحي آزمايش اجرا ميشود ]31[. در حال حاضر، RSM به طور گستردهاي براي بهينهسازي متغيرهاي فرايند جذب استفاده ميشود ]37، 36[.
RSM بر اساس يک مدل چند متغير غير خطي است که متشکل از طراحي آزمايش براي فراهم کردن مقدارهاي پاسخ کافي و مطمئن و به دنبال آن يک مدل رياضي که بهترين برازش را با اطلاعات به دست آمده از طراحي تجربي دارد، و مقدار بهينهي متغيرهاي مستقل را که بيشترين يا کمترين پاسخ را توليد تعيين ميکند ]21-38[. RSM خود انواع گوناگوني دارد و به صورتهاي گوناگوني از اين روش آماري مي توان استفاده کرد .يکي از نوعهاي آن، روش Box-Behnken است که يک طراحي درجه دو بر اساس طراحي هاي فاکتوريل ناقص سه سطحي است ]22[.
اين روش مي تواند مقدار پارامترها را در يک مدل درجه دوم تخمين زده، طراحي هاي مورد نياز را ساخته و مقدار پارامتر تطابق نداشتن را محاسبه کند]23[. مقايسه بين طراحي هاي BBD و ساير طراحي هاي سطح پاسخ )طراحي مرکب مرکزي و يا فاکتوريل کامل( نشان مي دهد که BBD از هر دو طراحي
سطح مورد مطالعه قرار گرفتند. روش عمومي براي بررسي مرکب مرکزي و فاکتوريل کامل بسيار کارآمدتر است]23[.
عاملهاي مؤثر بر جذب تغيير يک عامل مؤثر به صورت مجزا اين طراحي مکعبي توسط مجموعهاي از نقاط فرضي، در نقطه مياني يا روش يک عامل در زمان است. با اين روش تنها ميتوان هر ضلع يک مکعب چند بعدي و تکرار نقطه مرکزي توصيف ميشود اثر هر عامل را به صورت مجزا بررسي کرد اما اين حقيقت که

4699215635

در حالي که “گوشه هاي از دست رفته” به آزمونگر کمک مي-کند

شکل 1ـ ساختار مولکولي و تخلخل جاذب کوپليمر استايرن دی وينيل بنزن سولفونه شده.

که از ترکيب عاملهاي اضافه دوري کند. اين ويژگي، از احتمال از دست رفتن داده ها را در آن موردها [22] جلوگيري ميکند.
اين طرح اجازه ميدهد که پاسخها توسط برازش يک چند جملهاي مرتبه دوم مدلسازي شود، که ميتواند به صورت معادله زير بيان شود:
Y=β0+ β1×1+ β2×2+ β3×3+ β12x1x2+ )1(
32β13x1x3+ β23x2x3+ β11×12+ β22×22+ β33xکه در آن 1x و 2x و 3x متغيرهاي مستقل هستند .0β بهعنوان عرض از مبدا ،1β تا 33β ثابتهاي برازش هستند و Y پاسخ ميباشد )%R يا q( تعداد نقاط آزمايش را مي توان از معادله زير بهدست آورد:
N=2K(K-1)+C0 )2(
که در آن K تعداد متغير ،0C تعداد نقاط مرکزي مي باشد ]21[ در اين مطالعه K و 0C روي 3 تنظيم شدند که در اين صورت
11 آزمايش بايد انجام شود.
در اين قسمت کارايي جذب آسترازون آبي توسط کوپليمر سولفون دار شده استايرن ـ دي وينيل بنزن مورد بررسي قرار ميگيرد. ساختار مولکولي اين جاذب و تخلخل آن در شکل 1 نشان داده شده است.
پارامترهاي جذب شامل pH، زمان ،ميزان جاذب و غلظت

پارامتري که از اهميت کمتري برخوردار است و يا بهينه بوده و تغيير چشمگيري نداشته و در محاسبههاي سينتيک و همدما کمتر بهکار ميرود کنار گذاشته مي شود. در اين تحليل پارامتر pH کنار گذاشته شد. البته به طور کلي در pH هاي پايين بهدليل افزايش غلظت +H و رقابت با مولکولهاي کاتيوني رنگ در جذب روي سطح جاذب مقدار جذب کم ميباشد [27،26] اما در اينجا براي تحليل آسان تر و کم شدن پارامتر از آن صرفنظر شد.
در اين طراحي سه پارامتر زمان ،ميزان جاذب و غلظت رنگ در محلول در سه سطح بالا)1+( ، متوسط) 1( و پايين) 1-( مورد بررسي قرار گرفت. جدول 1 فاکتورها و سطوح آن را نشان ميدهد.
تعيين بازهي مناسب براي پارامترهاي مورد مطالعه طبق برآوردي است که با انجام چند نمونه آزمايش جذب در سطحهاي بالا و پايين آن پارامتر انجام شد و نيز طبق مطالعاتي است که پيشتر در اين زمينه صورت گرفته از جمله کاراگزگلو و )همکاران1( بازهي غلظت آسترازون آبي را بين 111 تا 311 ميلي گرم بر ليتر و ميزان را بين 3 تا 12 گرم بر ليتر براي جاذب خاکستر و پوست زرد آلو در نظر گرفتند که بيشترين ظرفيت جذب براي جاذب کربن فعال هسته زردآلو 1/181 ميلي گرم بر گرم و براي خاکستر 2/128 ميلي گرم بر گرم بهدست آمد [28]. همچنين
محلول مي باشند. با در نظر گرفتن 2 پارامتر، تعداد آزمايشهاي لاکراميورا و )همکاران2( بازهي 211 تا 811 ميلي گرم بر ليتر را مورد نياز جهت تحليل آماري زياد شده و از سويي تحليل در طي 31 دقيقه براي جذب آسترازون آبي روي کود گياهي دشوارتري را درپي خواهد داشت ،درنتيجه براي صرفه جويي در زمان، درنظر گرفتند و به ظرفيت جذب 27/22 ميلي گرم بر گرم رسيدند [29].
-42290253341

)5( Karagozoglu B. et al. )3( Khanidtha M. et al.
) 1( Lacramioara R. et al.
و نيز خانيدتا و )همکاران3( غلظت 21 تا 1281 ميلي گرم بر ليتر را

-8000214247

سطوح

1
+

1

1

زمان

(
دق
ي
قه
)

61

1
/
32

1

ميزان

ل
بر

گرم
(
جاذب

ي
)
تر

1

3

1

(
غلظت

محلول
ppm
)

39
/
611

11
/
397

67
/
91

سطوح

1

+

1

1



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید