بررسي سينتيک و همدمای جذب بور از نمونه آب توسط جاذب کلينوپتيلوليت طبيعي و کلينوپتيلوليت اصلاح شده با سولفوريک اسيد

علي شکراله زاده طهراني
تهران، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تهران شمال، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان

آروين شادروان
مالزي، جوهور باهرو، دانشگاه صنعتي مالزي، دانشکده مهندسي شيمي

مرتضي کاشفيالاصل*+
تهران، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تهران شمال، دانشکده علوم و فنون دريايي

چكيده: يکي از نگراني هاي عمده صنعتي، سميت فلزهاي سنگين مانند بور در پساب صنايع پتروشيمي ميباشد .
در اين پژوهش مقايسه اي بين کلينوپتيلوليت طبيعي و اصلاح شده با سولفوريک اسيد به عنوان جاذب ارزان قيمت براي حذف بور از محيط آبي صورت گرفت .نتيجهها نشان ميدهد که کلينوپتيلوليت اصلاح شده تمايل بيشتري به جذب بور در مقايسه با کلينوپتيلوليت اصلاح نشده دارد .همچنين پارامترهايي چون غلظت اوليه بور، اندازه ذرههاي جاذب، مقدار جاذب و pH محيط مايع با روش تماس مستقيم جاذب و محلول داراي آلاينده بور بر ميزان جذب مؤثر است. مقدار بهينه جذب بور توسط کلينوپتيلوليت اصلاح شده در pH برابر 8 به دست آمد. همچنين زمان تماس 042 دقيقه زمان تعادل بين جاذب و جذب شونده و ميزان جاذب 482 گرم بر ليتر مقدار بهينه کلينوپتيلوليت اصلاح شده براي بهدست آوردن بيشترين راندمان جذب مناسب تشخيص داده شد. درصد حذف بور توسط کلينوپتيلوليت اصلاح شده در شرايط بهينه %53/20 ميباشد. بنابراين کلينوپتيلوليت اصلاح شده با سولفوريک اسيد پتانسيل بالايي براي استفاده در تصفيه خانه هاي پساب صنعتي دارد. همچنين از بين سه مدل همدماي مورد بررسي شامل مدل لانگموير، فرندليچ و دوبينين ـ رادوشکويچ مدل فرندليچ جذب بور را بر روي جاذب کلينوپتيلوليت اصلاح شده به خوبي توصيف نمود. مدل هاي سينتيکي جذب بور بر روي جاذب کلينوپتيلوليت طبيعي و کلينوپتيلوليت اصلاح شده بر اساس مدل هاي نوع اول کاذب، نوع دوم کاذب و مدل نفوذ ذره اي بررسي شد که مدل درجه دوم کاذب مطابقت بيشتري با داده هاي آزمايشگاهي داشت و به عنوان مدل سينتيکي اين فرايند معرفي شد.

واژههاي كليدي: کلينوپتيلوليت؛ درجه دوم کاذب؛ بور؛ همدماي فرندليچ؛ حذف ي .ون
KEYWORDS: Clinoptilolite; Pseudo-second; Boron, Freundlich isotherm; Ions removal.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات*
23
مقدمه
امروزه با گسترش صنعت و پيشرفت صنايع، خطر آلودگي فلزهاي سنگين در طبيعت، بيش از پيش به وجود آمده است. آلودگي محيط زيست به فلزهاي سنگين منجر به مشکلهاي بسيار جدي براي انسانها و ساير جانداران در محيط زيست شده است.
زيرا اين عنصرها قابل تجزيه زيستي نبوده و قابليت تجمع در بافت هاي موجودات زنده را دارند [1].
روشهاي متداول حذف فلزهاي سنگين از پساب صنايع شامل فرايندهاي گوناگوني چون ترسيب، انعقاد، تبادل يون ،الکترودياليز، الکتروانعقاد)1(، اسمز معکوس، تبخير و صاف کردن است
و پر هزينه بودن فرايند احيا، برخوردار هستند [4، 2]. بنابراين از زئوليتها به ويژه کلينوپتيلوليت اصلاح شده با سطح پردازهاي)4( بهدليل محدويتهاي فني و اقتصادي اين روشها، جستجو کاتيوني براي حذف آلايندهها از آب به وسيله گروه لي و براون براي روشهاي جديد به شدت توصيه شده و در اين راستا مطالعه شده است [13، 12]. پانوسيو در سال 2119 ميلادي از زئوليت جذب به وسيله جاذب به عنوان يک گزينه جديد مورد توجه خاص براي حذف کادميوم در غلظت کم از محيط مايع استفاده کرد قرار گرفته است. و نتيجههاي قابل قبولي بهدست آورد [14]. در مطالعهاي ديگر بور جز گروه شبه فلزها)2( ميباشد. شبه فلز به عنصرهايي پانيرسيلوام و همکاران در سال 2118 ميلادي با اصلاح شيميايي گفته ميشود که ويژگيهاي آنها ميان فلز و نافلز است. تعريف معيني زئوليت توسط فسفريک اسيد، ظرفيت جذب آن را براي فلز مس براي شبه فلز وجود ندارد اما دو خاصيت کلي مشخصه آن ها است: افزايش دادند [15]. همچنين واسيلچکو با اصلاح زئوليت 1ـ شبه فلزها به طور معمول به شکل اکسيدهايي با خاصيت کلينوپتيلوليت توسط هيدروکلريک اسيد و استفاده از آن براي
دوگانه)3( يافت ميشوند. جذب کادميوم ديد که ظرفيت جذب بستگي به ماهيت اسيد
2ـ شبه فلزها به طور معمول نيمه رسانا هستند [5]. بهکار رفته براي اصلاح دارد [16].
بيشترين کاربرد صنعتي بور در سفيدکننده هاي سديم پربورات هدف از انجام اين مطالعه فعال سازي زئوليت کلينوپتيلوليت و ترکيبهاي بوره در روکش الياف شيشه است [6]. ترکيبهاي بور به عنوان گونه ارزان و قابل دسترس با سولفوريک اسيد و مقايسه در شيشههاي با پايه ي سيليسي و سراميکها باعث ميشود ميزان جذب آن با زئوليت کلينوپتيلوليت طبيعي و سپس ارزيابي تا اين مواد در برابر تغييرهاي ناگهاني دما مقاوم شوند [7]. تغييرهاي به دست آمده بر پايه حذف بور به عنوان يک آلاينده امروزه مطالعههاي گستردهاي در راستاي استفاده از انواع محيط زيست مي باشد.
جاذبها به دليل خاصيت جذب سطحي و خاصيت تبادل يوني آنها
در حال انجام است. مزايايي نظير ارزاني، امکان دسترسي بالا، جذب بخش تجربي
سريع و ظرفيت بالاي جاذب، قابليت احيا و استفاده دوباره سبب اين پژوهش يک مطالعه تجربي ـ آزمايشگاهي است که شده است که کاربرد جاذب ها براي حذف فلزهاي سنگين گسترش يابد. در دانشکده شيمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران شمال انجام شد .
گروهي از جاذبهايي که در سالهاي اخير مطالعههاي زيادي براي تهيه نمونههاي داراي بور از نمک بوراکس فراوردهي

)1( Coagulation )0( Metalloid
)5( Amphoter )4( Surfactant
22
[3، 2]. با اينکه روشهاي بسياري براي حذف فلزها وجود دارد با اين حال بيشتر فرايندهاي ياد شده از عيبهاي چشمگيري مانند نياز به انرژي بالا و در نتيجه پر هزينه بودن فرايند، راندمان اندک، توليد مقدار زياد لجن، مشکلهاي دفع لجن داراي مقدارهاي زيادي فلز سنگين، نياز به مواد شيميايي خاص
روي آن صورت گرفته است زئوليت ها بوده اند که به دو صورت طبيعي و مصنوعي وجود دارند [8]. نوع طبيعي اين مواد در حفرهها و فضاهاي موجود در سنگ هاي آتشفشاني و نيز در محيط هاي گرمابي و رسوبي يافت ميشود. کاربردهاي بسيار متنوع و بيشمار اين دسته مواد باعث شد که در برخي کشورها از آنها به عنوان کاني جادويي ياد کنند [9]. کاربردهاي کلينوپتيلوليت موردهايي چون جذب کننده گاز، افزودني در خوراک، يک عامل کنترل بو و به عنوان فيلتر آب براي آب آشاميدني و آکواريومها ميباشد [11]. کلينوپتيلوليت به دليل مقدار زياد فضاي خالي ،مقاومت زياد به دماي بالا و ساختار شيميايي خنثي، براي اين کارها بسيار مناسب است.
در پژوهشي که سال 2114 ميلادي به وسيله جاذب کلينوپتيلوليت طبيعي به منظور حذف بور و آرسنيک از پساب صنايع پتروشيمي صورت گرفت با تغيير پارامترهاي گوناگون قادر به حذف حدود 52% بور و 66% آرسنيک بود [11]. به تازگي استفاده
-20075-2235020

شرکت مرک آلمان استفاده شد و غلظت هاي گوناگون بور بين 25 الي 151 ميليگرم بر ليتر در حجم 1111 ميليليتر تهيه شد.
جهت اندازهگيري مقدار بور از دستگاه جذب اتمي ICP)1( با ويژگي آناليز کمي عنصرهاي از غلظتهاي بسيار پايين )در حدود 1/1 ميلي گرم در ليتر( استفاده شد [17]. همچنين زئوليت مورد استفاده در اين مطالعه از شرکت افرازند تهيه شد که ويژگيهاي آن پيش و پس از اصلاح از روش فلورسانس پرتو ايکس (XRF))2( بهدست آمده و در جدول 1 ارايه شده است. ساير مواد شيميايي مورد مصرف در اين پژوهش با درجه خلوص آزمايشگاهي از شرکت مرک تهيه شده است.
به منظور تهيه جاذب اصلاح نشده ابتدا زئوليت آسياب شد و به وسيله الکهاي درجه بندي شده در سه اندازه جداسازي شد . به منظور جداسازي ناخالصيها بايد زئوليت دانه بندي شده را به مدت 7 ساعت در آب مقطر بههم زده شد، سپس فاز مايع
توسط الک استاندارد جدا شد و پس از چندين بار شست و شو با آب مقطر در دماي 71 درجه سلسيوس خشک شد و در دسيکاتور نگهداري شد [11].
براي اصلاح شيميايي جاذب، کلينوپتيلوليت با سولفوريک اسيد
1 مولار با نسبت جرم به حجم يک به ده مخلوط شد و به مدت
به وسيله کاغذ صافي، با آب مقطر مورد شستشو قرار گرفت .تغيير شده است. به طور کلي زئوليت اصلاح شده نسبت به اصلاح نشده شستشو تا زماني که pH آب خروجي به 7 برسد ادامه يافت. از راندمان بالاتري براي جذب بور برخوردار است. همچنين حال زئوليتها در دماي 71 درجه سلسيوس خشک شده و با کوچک شدن اندازه ذرههاي جاذب همانگونه که در نمودار 1 در دسيکاتور نگهداري شد [11]. نشان داده شده است درصد جذب نيز افزايش مييابد.

)1( Inductively Coupled Plasma )0( X-Ray Fluorescence
25
24 ساعت در همزن قرار گرفت. پس از جداسازي کلينوپتيلوليت آزمايشهاي جذب به منظور تعيين pH بهينه، اثر غلظت اوليه بور، تعيين غلظت مناسب اسيد به منظور اصلاح زئوليت، تعيين اندازه ذرههاي جاذب به منظور بهدست آوردن ميزان جذب بيشترين و تعيين ثابت هاي همدما انجام شد. در هر مورد ظرفيت جذب از معادله زير محاسبه مي شود [18]:
10629155734

Qe  V(Ci C ) mt
که Qe عبارتست از مقدار بور جذب شده در واحد جرم جاذب ، Ci غلظت اوليه بور در محلول ،Ct غلظت ثانويه بور در زمان t،
V حجم محلول و m جرم جاذب است .
به منظور تعيين همدماي جذب راندمان جذب بور در طول زمان )زمان تعادل( تعيين شده و مطابق با مدل رياضي همدما بسط داده شد .همه مرحلههاي آزمايشها به منظور کاهش ميزان خطا دو بار تکرار شده است. به منظور جلوگيري از هر گونه خطا ظرفهاي مورد استفاده اسيد شويي و سرانجام با آب مقطر يونزدايي شده شستشو شد .

نتيجهها و بحث
در زئوليت اصلاح شده با اسيد، يونهاي هيدروژن مهمترين يون تعويض شونده است .نتيجههاي آزمايش XRF نشان داد )جدول 1( که زئوليت خام تحت تأثير اسيد قرار گرفته و دچار به طور معمول در فرايند جذب ،pH محلول آبي يک پارامتر کنترلي بسيار مهم به شمار ميرود زيرا تعيين کننده نوع گونه يوني ماده جذب شونده و شارژ سطح جاذب است که اين وضعيت بر واکنش بين جاذب و ماده جذب شونده تأثير خواهد گذاشت .
ديده شد که راندمان جذب در pH اسيدي پايين تر است .
اثر غلظت يون هيدروژن بر روي جذب بور توسط زئوليت در نمودار 2 نمايش داده شده است. همانگونه که مشخص است صرف نظر از نوع زئوليت )اصلاح شده و اصلاح نشده( راندمان جذب در pH اسيدي پايين تر است و با افزايش pH راندمان جذب افزايش يافت، به طوري که با تغيير pH از 2 به 11، جذب بور توسط جاذب اصلاح نشده از 12/15 به 87/35 و در جاذب اصلاح شده از 39/29 به 13/62 افزايش يافته است. البته بيشترين جذب بور در pH حدود 8 بهدست آمد که ميزان جذب براي عنصر بور توسط زئوليت اصلاح نشده و اصلاح شده به ترتيب 5/43 و 96/66 مي باشد.
بررسي اثر مقدار جاذب بر فرآيند جذب نشان داد که با افزايش مقدار جاذب درصد جذب نيز زياد شد به طوري که طبق نمودار 3 درصد جذب بور با افزايش مقدار جاذب از 21 گرم در ليتر به 481 گرم در ليتر از 1/11 به 11/52 براي زئوليت اصلاح نشده و از
44/16 به 1/69 براي زئوليت اصلاح در حالي که با افزايش مقدار زئوليت از 481 گرم در ليتر به 611 گرم در ليتر راندمان جذب براي زئوليت اصلاح نشده و اصلاح شده به ترتيب تنها به 26/52 و 56/69 افزايش يافت.
اثر زمان فرآيند بر ميزان جذب بور در نمودار 4 نشان داده شده است. زمان فرآيند نيز درصد جذب بور را افزايش ميدهد. بيشترين نرخ جذب بور به سرعت در 51 دقيقه اول رخ داده است و پس از آن ،زمان تماس مقدار جذب را کاهش داده است. درصد حذف بور در 311 دقيقه به وسيله زئوليت اصلاح نشده و اصلاح شده به ترتيب 63/52 و 87/92 مي باشد و در 241 دقيقه اين مقدارها به ترتيب 11/52 و 35/92 کاهش يافت. اين نتيجهها بيانگر اين است که زمان تعادل فرآيند 241 دقيقه مي باشد.
نمودار 5 اثر غلظت اوليه بور را بر راندمان حذف و ميزان جذب نشان مي دهد. همانگونه که مشخص است ظرفيت تعادلي جذب با افزايش غلظت اوليه بور افزايش مي يابد. در حقيقت هرچه محلول از لحاظ تعداد يون ها غليظ تر باشد جذب بهتر انجام ميشود.
در حالي که ميزان راندمان حذف روند معکوسي را نشان ميدهد .
24
به طوري که با افزايش غلظت اوليه درصد حذف کاهش مييابد.

366

06

06

46

26

6

راندمان

جذب

(
درصد
)

366

06

06

46



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید