شيمي ايران

بررسي مدلهاي سينتيکي و همدمايي حذف کادميم از محلولهاي آبي با کامپوزيت زئوليتي ـ آهني

زهرا اهالي آباده، مهدي ايراننژاد*+
تهران، دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي معدن و متالورژي

چكيده: فلزهاي سنگين موجود در پساب کارخانههاي گوناگون به عنوان يک آلودگي مهم و تهديد جدي براي سلامت موجودات زنده شناخته شده اند. تا به امروز روشهاي متنوعي براي حذف اين آلودگيها از پسابها به کار گرفته شده است. در اين پژوهش، جذب فلز سنگين کادميم توسط کامپوزيت زئوليت و خاکستر بادي آهني از محلول آبي کادميم مورد بررسي قرار گرفت. زئوليت از منطقه سمنان و خاکستر بادي آهني از کارخانه فولاد مبارکه تهيه شد. به منظور شناسايي نمونه، آناليزهاي SEM ,XRD ,XRF و FT-IR انجام شد. آزمايشهاي اوليه به منظور مشخص شدن مقدار بهينه جاذب انجام شد که سرانجام، 5/0 گرم کامپوزيت با ترکيب %00 خاکستر آهن و %00 زئوليت براي انجام آزمايشهاي بعدي انتخاب شد. بهترين شرايط جذب کادميم در غلظتpH = 5/5 ،000 ppm و زمان 00 دقيقه به دست آمد. در اين شرايط mg/g 0/37 از کادميم موجود در محلول حذف شد. در مطالعههاي سينتيکي جذب کادميم، بهترين همبستگي با مدل شبه مرتبه دوم ديده شد. از بين تمامي مدلهاي همدمايي به کارگرفته شده، مدل لانگمور با ضريب همبستگي99/0 بهترين تطابق را با دادهها نشان داد. طبق اين مدل بيشترين ظرقيت جذب کادميم توسط کامپوزيت mg/g 21/30 به دست آمد. انرژي جذب با مقدار kJ 9/21، توسط مدل دوبينين ـ رادوشکويچ محاسبه شد که نشانگر جذب شيميايي کادميم توسط جاذب بود.

واژههاي كليدي: زئوليت، خاکستر بادي آهني، کامپوزيت، کادميم، مدلهاي سينتيکي و همدمايي.
KEYWORDS: Zeolite; Iron fly ash; Composite; Cadmium; Kinetics and isotherm models.
مقدمه
امروزه پسابهاي صنعتي بهدست آمده از کارخانههاي گوناگون، روشهاي بسياري براي حذف اينگونه آلودگيها پيشنهاد داراي انواع آلودگيها از جمله آلودگي فلزهاي سنگين ميباشند. شده است که شامل روشهاي ترسيب شيميايي، فلوتاسيون، همين امر باعث مي شود که بخشهاي گوناگون محيط زيست، از جمله کواگولاسيون ،تصفيه غشايي و تبادل يون ميباشند. از ميان همهي آبهاي سطحي و زير زميني، خاک و مانند آن، آلوده شوند[1]. اين روشها، جذب سطحي توسط جاذبها به عنوان يک روش اين آلودگيها وارد چرخه ي حيات موجودات زنده و انسان ميشوند و کارا و اقتصادي بيان شده است [3].
عامل اصلي بسياري از بيماريها ميباشند. کادميم يکي از اين عناصر تا کنون مطالعههاي زيادي در زمينه ي استفاده از جاذبهاي آلوده کننده است که در صورت حضور بيش از حد مجاز در محيط زيست و گوناگون براي حذف فلزهاي سنگين از جمله کادميم صورت گرفته است.
ورود در چرخه ي غذايي انسانها باعث بروز بيماريهاي خطرناکي اين مواد ميتوانند شامل پليمرها، نانو ذرهها، مواد معدني طبيعي و مانند اختلالات کليوي، ايجاد آلرژي و سرطان مي شود [2]. مصنوعي، باطلهها و غيره باشند [8 ـ 4]. در پژوهشي که توسط

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
99
)کاتالدو1( و همکاران صورت گرفت، کلسيم آلژينات ـ پکتين، به عنوان جاذب پليمري مورد استفاده قرار گرفت و توانست mmol/g 44/2 از کادميم را از محلول ppm 222 حذف کند [4].
در سال 2212 ميلادي، سي )نگ2( و همکاران توانستند با استفاده از نانو ذرههاي مگنتيت پوشش داده شده با سيتريک اسيد، mg/g 81/12 کادميم را جذب کنند [5]. امروزه تلاشهاي زيادي به منظور استفاده از مواد کم هزينه به عنوان جاذب، انجام شده است .
از جمله اين مواد مي توان به مواد رسي ارزان قيمت، باطلههاي کشاورزي، باطلههاي کارخانههاي با سوخت زغال و هم چنين باطلههاي به دست آمده از کورههاي ذوب آهن اشاره کرد [9].
باطلههاي کارخانههاي توليد چاي از جمله باطلههاي کشاورزي هستند که به عنوان جاذب کاربرد دارند [12]. در سال 2215 ميلادي در پژوهشي که توسط وانگ و همکاران صورت گرفت از باطلههاي ساختماني به منظور جاذب کادميم استفاده شد. اين ماده توانست mg/g 874/1 از کادميم را از پساب حذف کند [11]. مواد معدني بسياري نيز تاکنون به عنوان جاذب مورد بررسي قرار گرفته اند .
به عنوان نمونه در پژوهشي که توسط طهمورسي و همکاران صورت گرفت، از بنتونيتهاي کلسيمي براي حذف آلايندههاي فلزهاي سنگين استفاده شد [12]. پرليت نيز، به عنوان يک ماده معدني طبيعي توسط ماتيا )لاگان3( و همکاران براي حذف کادميم مورد بررسي قرار گرفت. اين ماده معدني ظرفيت جذب مناسبي معادل mg/g 55 براي کادميم ارايه داد [6]. به منظور بهبود شرايط جذب ميتوان از روشهاي گوناگوني مانند تهيه آزمايشگاهي مواد و يا کامپوزيتسازي استفاده کرد. زئوليتها از جمله مواد معدني هستند که به طور گستره در آزمايشگاهها، با روشهاي گوناگون و کم و بيش هزينه بر تهيه ميشوند. در سال 2213 ميلادي کوي )نتلاس4( و همکاران توانستند با توليد زئوليت مصنوعي ظرفيت جذب کادميم را به mg/g 33/78 برسانند [7]. روشهاي تهيه اين مواد گرچه نتيجههاي دلخواهي به همراه دارد اما نياز به زمان و هزينه بيشتري براي آماده سازي و کاربرد به عنوان جاذب، نسبت به مواد طبيعي دارند. از ديگر روشهاي بهبود شرايط جذب، استفادهي ترکيبي از جاذبها است. در اين روش مي توان با ترکيب مواد گوناگون، ظرفيت جاذب براي جذب آلاينده را بهبود بخشيد [13]. تاکنون کامپوزيتهاي گوناگوني به عنوان جاذب ساخته شدهاند .
)0( Quintelas
)5( Zhang
)0( Tang
در پژوهشي که در سال 2214 ميلادي توسط راد و همکاران صورت گرفت از کامپوزيت کيتوساني براي حذف کادميم استفاده شد که سرانجام توانست mg/g 33/14 از کادميم را حذف کند [14].
همچنين در سال 2215 ميلادي )ژانگ5( و همکاران توانستند mg/g 17/15 از کادميم موجود در محلول را توسط کامپوزيت کيتوساني حذف کنند [15]. )تانگ6( و همکاران در سال 2215 ميلادي موفق به ساخت کامپوزيت مگنتيتي شدند که توانايي جذب mg/g 81/51 از کادميم را داشت [16]. با توجه به موردهايي که ياد شد، ترکيب مواد معدني طبيعي و باطلههاي کارخانههاي گوناگون ميتوانند به عنوان جاذبهاي ارزان قيمت به کار برده شوند.
يکي از بهترين جاذبهاي معدني، زئوليتها هستند .
از ويژگيهاي زئوليت تخلخل بسيار ريز و توپولوژي ساختار آنها است .
اين مواد آلومينو سيليکاتهاي بلورين با منافذ بسيار ريز ميباشند که از چهار وجهيهاي 4SiO و4AlO تشکيل شده است. ساختار يگانه زئوليتها و همچنين در دسترس بودن آنها، زئوليتها را به عنوان يک جاذب مناسب براي حذف فلزهاي سنگين معرفي کرده است [17]. همچنين، امروزه کارخانههاي توليد آهن و يا نيروگاههاي گوناگون با توجه به نوع سوختي که استفاده ميکنند داراي پسماندهاي جامدي هستند که ميتوانند قابليت جذب داشته باشند. به عنوان نمونه خاکسترهاي بادي به دست آمده از سوخت زغال که در کاخانههاي داراي سوخت زغال توليد مي شوند، به عنوان يک جاذب مناسب براي فلزهاي سنگين در نظر گرفته شدهاند .اين مواد به عنوان پسماند کارخانهها هستند و سالانه به مقدار زيادي توليد ميشوند در نتيجه به عنوان يک ماده ارزان و قابل دسترس، مورد استفاده قرار ميگيرند [18]. افزون بر کارخانههايي که سوخت زغال دارند، مجتمعهاي بزرگ توليد آهن ،به منظور توليد فولاد، نيازمند ذوب آهن در مرحلههاي گوناگون کورههاي ذوب هستند. بر اثر اين عمليات، خاکسترهاي بادي ناشي از ذوب آهن نيز به عنوان يک پسماند جامد توسط صافيهاي هوايي جمع آوري مي شود. اين مواد نيز ميتوانند به عنوان جاذب براي فلزهاي سنگين مورد بررسي قرار گيرند [9].
-16221703301

در اين پژوهش تلاش شده است که قابليت کامپوزيت شدن زئوليت با خاکستر بادي کورههاي ذوب آهن مورد بررسي قرار بگيرد و قابليت جذب کادميم بر روي اين مواد بررسي شود.
)2( Cataldo
)1( Singh
)7( Mathialagan
311
-13979-1079777

1 31 21 51 01 31 01 01 01 91 1 31 21 51 01 31 01 01

2 (°) 2 (°)

شکل 3ـ الگوي پراش پرتو ايکس )الف- زئوليت ب- خاکستر بادي آهني(.

بخش تجربي مواد
مواد مورد مصرف براي ساخت کامپوزيت مورد استفاده در اين پژوهش که روش ساخت آن در ادامه ذکر خواهد شد، شامل زئوليت منطقه ي سمنان و خاکستر بادي آهني مربوط به کارخانه فولاد مبارکه است. دانه بندي زئوليت و خاکستر بادي آهني زير 152 ميکرون بوده و نتيجههاي آناليز XRD وXRF آنها به ترتيب در شکل 1 و جدول 1 ارايه شده است .نتيجههاي به دست آمده نشان مي دهد که نمونه زئوليت مورد مطالعه از نوع کلينوپتيلوليت بوده و داراي ناخالصيهاي کوارتز و ژيپس ميباشد .
با توجه به اينکه در جدول 1 نسبت 5<Si/Al مي باشد بنابراين زئوليت مورد استفاده در اين مطالعه با داشتن سيليس بالا در گروه زئوليتهاي اسيدي قرار ميگيرد .
313
ترکيب شيميايي خاکستر بادي در جدول 1 نشان داده ميشود که بيشترين مقدار آن را در درجـه اول آهـن اکسـيد و همچنـين کلسيم اکسيد تشکيل مـ ي دهـد . باتوجـه بـه پرتـو XRD نمونـهخاکستر آهني در شکل 1 منشا آهن اکسيد آن کانيهاي مگنتيـ ت و هماتيت و منشا کلسيم اکسيد و کلسيم کربنـات اسـت. کل يـ هي مواد شيميايي مورد مصرف، شامل نيترات کادميم 4 آبـه ) 2Cd(NO3)2.4H( بـــراي تهيـــه محلـــول پســـاب مصـــنوع ي، ســـود) NaOH(، سولفوريک اسيد )4H2SO( براي تنظيم pH، از شرکت مرک آلمـانخريداري شده اند.

روشها
شناسايي نمونهها
به منظور شناسايي نمونههاي استفاده شده در پژوهش، تجزيه شيميايي نمونهها با استفاده از دستگاه فلورسانس پرتو ايکس )XRF( مدل X Unique II ساخت شرکت فيليپس انجام شد. همچنين تجزيه کانيشناسي )فازي( نمونهها نيز توسط دستگاه پراش پرتو ايکس )XRD( مدل XPert MPD ساخت شرکت فيليپس و با استفاده از لامپ مس انجام شد.

تعيين شرايط بهينه جذب کادميم
تأثير مقدار کلي کامپوزيت واجزاي آن
يکي از عاملهاي تأثيرگذار بر مقدار جذب، وزن جاذب است.
به همين منظور عمليات جذب با کامپوزيتي با ترکيبهاي گوناگوني از زئوليت و خاکستر بادي آهني مورد آزمايش قرار گرفتند تا مقدار
بهينهي ترکيب کامپوزيت مشخص شود. درصد وزني زئوليت از 52-122% و خاکستر بادي آهن از 2-52% مورد استفاده قرار گرفت. وزن کلي کامپوزيت نيز در بازه 2.5-5 گرم مورد آزمايش قرار گرفت. کليه ي آزمايشها در زمان 42 دقيقه، دماي محيط و در mL 122 از محلول ppm 1222 کادميم انجام شدند.

تأثير تغيير غلظت کادميم بر مقدار جذب
به منظور تعيين غلظت بهينه که در آن بيشترين آلاينده جذب ميشود، آزمايش جذب در غلظتهاي ppm 222، 422، 622، 822، 1222 بر روي کامپوزيت بهينه، انجام شد. اين آزمايشها در مدت زمان 42 دقيقه، با 5/2 گرم جاذب، در دماي اتاق و mL 122 حجم از محلول انجام شد.

اثر زمان بر ميزان جذب
به منظور تعيين زمان بهينه جذب، آزمايشهاي جذب در غلظت ppm 088، با 5/8 گرم جاذب، در دماي اتاق، درmL 088 حجم از محلول کادميم، در زمانهاي 8 تا 08 دقيقه انجام شد.

تأثير pH بر ميزان جذب
به منظور بهينه سازي pH، محلول اوليه ي کادميم در غلظت ppm 422 تهيه شد. سپس pH محلول کادميم با استفاده از دستگاه pH متر و با افزودن محلولهاي )بازي( NaOH، )اسيدي( 4H2SO ، در شرايط گوناگون اسيدي و خنثي )5/6-5/2( تنظيم شد و با مقدار بهينه ي کامپوزيت آزمايش شد. اين آزمايشها در mL 122 محلول کادميم، مدت زمان بهينه 42 دقيقه و در دماي محيط انجام شد.

تعيين ميزان جذب کادميم
به منظور حذف يون کادميم از محلولهاي آبي توسط کامپوزيت مقدار مشخصي از آن به محلول با غلظت مشخصي از يون کادميم افزوده شده و طي مدت زمان مشخصي همزده شد. پس از اين عمليات غلظت يونهاي کادميم باقيمانده در محلول به روش آناليز جذب اتمي تعيين شد. درصد حذف شدهي کادميم با معادلهي )1( بهدست مي آيد:
C Co  i
-3114420107859

)1( 100R  Ci که در آن، oC و Ci به ترتيب غلظت اوليه و تعادلي کادميم بر حسب ppm هستند .
ميزان جذب کادميم بر روي کامپوزيت )ظرفيت جذب (qe)( توسط معادلهي )2( محاسبه ميشود:
)2( qe

CowCi V که در آن w وزن جاذب) V ،)g حجم محلول داراي کادميم) L( و qe ظرفيت جذب کادميم )mg/g( توسط جاذب ميباشد [19].

مدلهاي همدمايي
مدلهاي همدمايي به منظور بررسي ارتباط بين جذب شونده و جاذب در شرايط تعادل، استفاده ميشوند. دادههاي به دست آمده از اين آزمايشها توسط مدلهاي همدمايي دو پارامتري مانند لانگمور، فرندليچ، تمکين و دوبينين ـ رادوشکويچ مورد بررسي قرار گرفتند. کليهي مدلهاي همدمايي ياد شده به اختصار در جدول 2 آورده شده است [22].

مدلهاي سينتيکي
مدلهاي سينتيکي جذب به منظور درک بهتر ديناميک جذب آلاينده بر جاذب و تهيه يک مدل پيش بيني کننده که اجازه تخمين مقدار يونهاي جذب شده در طول زمان فرايند را فراهم ميکند، مورد استفاده قرار ميگيرند. دادههاي به دست آمده از اين آزمايشها توسط مدلهاي شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم و نفوذ درون ذره مورد بررسي قرار گرفتند .ويژگيهاي اين مدلها در جدول 3 آورده شده است [22، 21].

SEM و FT-IR آناليز
براي بررسي مکانيسم جذب کادميم در سطح کامپوزيت از دستگاه FT-IR مدل 672 NEXUS ساخت شرکت نيکولت)1( استفاده شد. همچنين به منظور بررسي تغيير ريخت شناسي و سطح کامپوزيت و ديدن تراکم کادميم در سطح جاذب ، از دستگاه ميکروسکوپ الکتروني)SEM( مدل 32 Philips XL استفاده شد. به منظور بررسي تغييرهاي بهوجود آمده در سطح جاذب پس از عمليات جذب، نمونه کامپوزيت در شرايط پيش و پس از جذب مورد آزمايش FT-IR و مطالعههاي ميکروسکوپي الکتروني قرار گرفت. ابتدا کامپوزيت ساخته شده بدون اينکه
)2( Nicolet

312

-6105218198

جدول

5
ـ

مدل
ها
ي

س
ي
نت
ي
ک
ي
.

عنوان

فرمول

س

مدل
ي
نت
ي
ک
ي

mg/g
)
(
e
q

ماده

جذب

شده
:
در

زمان

تعادل

مقدار

)
mg/g
(
t
q

مقدار
:
ي

جذب

شده

ون

زمان

در
t

(1
/min
)

1
K

تعادل

ثابت
:
اول

مرتبه

شبه

مدل

)
g/mg min
(

2
K

شبه

:
ثابت

تعادل

مدل
دوم

مرتبه

(
)
mg/g min

i
K

ثابت
:
تعادل
ذره

درون

نفوذ

مدل



e
t
e
Lnq
q
Lnq
Kt



1

مرتبه

شبه

اول

e
t
e
t
t
q
q
Kq


2
2
1
1

شبه

دوم
مرتبه

t
i
q
Kt

12

نفوذ

درون
ذره

جدول

5

ـ

مدل

ها

ي

س



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید