کروم شش ظرفیتی و ترکییاتش از مهمترین آلاینده های زیست محیطی می باشد که وجودشان در آب ها وپساب ها به مشکلی عمده تبدیل شده است که به دلیل اثرات مخرب این فلز سنگین و مشتقاتش بر سلامتی انسان ها و بهداشت محیط ،لزوم یافتن راه های جدید و فناوری های نوین برای حذف آن احساس می شود .و بر این اساس در این تحقیق حذف کروم شش ظرفیتی از محلول آبی ،به روش جذب سطحی توسط جاذب گل سرخ مورد مطالعه قرار گرفت.در این تحقیق سه نمونه گل سرخ ،خام و اصلاح شده با اسید هیدرو کلریک و اصلاح شده با نیتریک اسید مورد مطالعه قرار گرفتند طبق نتایج بدست آمده برای گل اصلاح شده با هیدرو کلریک اسید مشاهده شد با افزایش غلظت اولیه یون کروم، درصد حذف کاهش یافت و برای گل اصلاح شده با نیتریک اسید مشاهده شد درصد حذف با افزایش غلظت اولیه یون کروم افزایش یافت. همچنین زمان تعادل برای هر دو نمونه اصلاح شده ،30 دقیقه به دست آمد. نتایج حاصل از محاسبه پارامتر های ترمودینامیکی نشان داد واکنش جذب گرما گیر است و همچنین با افزایش بی نظمی در طی واکنش همراه است اما مقادیر مثبت انرژی آزاد گیبس نشان دهنده غیر خود به خودی بودن واکنش است. ایزوترم لانگمویر و فروندلیچ برای هر نوع گل اصلاح شده بررسی شد که نشان دهنده پیروی هر دو نمونه از این ایزوترم ها بود. همچنین جهت بررسی ویژگی های جاذب آنالیزهاFTIR ،BET ،XRD،SEM بر روی گل قرمز خام و اصلاح شده با هیدروکلریک اسید و نیتریک اسید انجام شد. می توانید این تحقیق مهندسی شیمی را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
پیشرفت دانش بشری و افزایش توانایی او در استفاده ازمنابع طبیعی و ساخت و تهیه مواد و ابزار های گوناگون ،منجر به پیدایش واحد های صنعتی و تولیدی بسیاری شده است .بر اساس آمار و ارقام ارائه شده ، در همه این صنایع کوچک و بزرگ مصرف آب رقم بالایی دارد .و در عین حال عمده آب مصرفی به صورت فاضلاب و پساب خارج می گردد .این پساب ها عمدتاً به رودخانه ها و بعضاٌ به مخازن زیر زمینی سرازیر می شود و بدین طریق در چرخه طبیعت قرار می گیرند [1]. عدم توجه به ماهیت این فاضلاب ها و پساب ها ،اثرات زیان باری در پی خواهد داشت .بیش ترین اثرات سوء مربوط به یون های فلزات سنگین موجود در پساب ها می باشد. فلزات سنگین و مشتقاتشان به دلیل پایداری، از عوامل اصلی آلوده کننده محیط زیست می باشد .از جمله این عناصر ،فلز کروم است .کروم حالت های اکسایش فراوانی دارد که از آن میان به حالت های اکسایش 3+و 6+ ،بیش تر از سایر حالت مشاهده شده اند .ترکیبات کروم III ،معمولا برای سلامتی خطرناک نیستند اما ترکیبات کروم VI،از عمده عوامل تهدید کننده سلامتی انسان ها و بهداشت محیط می باشد . منابع انتشار آن ها اکثراً،پساب صنایع چرمسازی ،نساجی،صنایع رنگ و آبکاری فلزات می باشد.به دلیل اثرات مخرب آن بر سلامت انسان و بهداشت محیط ،لزوم یافتن راه های جدید و فناوری های نوین برای حذف آن احساس می شود [2]
یکی از روش های جامع و موثر برای حذف کروم ،روش جذب سطحی می باشد .امروزه با پیشرفت تکنولوژی ،جاذب های متنوع و جدیدی به وجود آمده اند [3] با انتخاب یک جاذب مناسب پدیده جذب می تواند تکنیکی مناسب برای جذف فلزات سنگین از فاضلاب باشد، اما پر هزینه بودن تهیه و تولید این جاذب ها و همچنین مشکل بودن جداسازی آن ها بعد از تصفیه از مهمترین علل استفاده محدود از آن هاست. استفاده از مواد زائد طبیعی که توانایی جذب آلاینده هایی نظیر فلزات سنگین را دارند در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است . دلیل این امر آن است که این مواد ارزان قیمت بوده و در طبیعت به وفور یافت می شوند و نیز هزینه بالای مربوط به احیا استفاده کرد که در استفاده از بسیاری از جاذب ها مطرح است را ندارند و با توجه به کم هزینه بودن می توان آن ها را پس از مصرف دفع نهایی نمود.
فلزات سنگین
فلزات سنگین اصولاٌ به دسته ای از عناصر اطلاق می شود که دارای وزن مخصوص بزرگتر از 5 گرم بر سانتی متر مکعب و وزن اتمی بالا باشد که از جمله آن ها می توان جیوه ،سرب ،کروم،کادمیم،نیکل را نام برد .این عناصر از اجزاء تشکیل دهنده بیوسفر (Biosphere)هستند و به طور طبیعی در خاک و گیاهان نیز یافت می شوند .بعضی از آن ها در مقادیر جزیی به عنوان عناصر ضروری(Essential Elements)تلقی شده و وجود آن ها در جیره غذایی انسان و سایر موجودات زنده لازم است به همین دلیل به آن ها عناصر ضروری گفته می شود .حضور این عناصر در غلظت های بیش تر از حد مجاز ،عوارض سوء متعددی هم برای انسان و هم برای سایر موجودات زنده ایجاد کرده .ضمن آن که آلودگی و خطرات زیست محیطی را نیز به همراه دارد به عنوان مثال از میان این فلزات آهن ،منگنز،روی ،مولیبدن ،مس برای رشد گیاهان لازم است.ولی در عین حال تراکم زیاد این فلزات ،برای انسان خطراتی را به همراه دارد [5و6].فلزات سنگین و مشتقاتشان به دلیل پایداریشان از عوامل اصلی آلوده کننده محیط زیست می باشد و اغلب توسط فاضلاب ها و پساب های صنعتی به چرخه آب های طبیعی وارد می شوند [1] .از جمله منابع آلاینده محیط زیست در ارتباط با فلزات سنگین عبارتند از صنایع فلزی،ریخته گری ،آبکاری،رنگسازی،باطری سازی،دباغی،نساجی ،کاغذ سازی و سایر صنایع مشابه که با دفع و انتشار عناصری همچون کروم ،کادمیم،جیوه،نیکل،سرب،مس ،نقره در محیط باعث آلودگی می شوند .این فاضلاب ها اثرات زیان آور زیادی برای حیات زیستی ایجاد می کند و نیز موجب تجمع و افزایش غلظت در سطوح بالاتر و زنجیره غذایی شده و می توان تا چندین برابر آن را در بدن موجودات زنده مشاهده نمود .بنابراین حذف این فلزات از پساب ها قبل از تخلیه آن ها به سیستم فاضلاب شهری و یا صنعتی،یک ضرورت اجتناب پذیر است .
کاربردهای کروم و منابع انتشار آن ها
ترکیبات کروم بصورت گسترده ای در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. در کشورهای صنعتی بیش ترین مقدار مصرف کروم در صنعت محافظ و مقاوم سازی چوب می باشد . ترکیبات کروم که جزء عمده همه آن ها (CrO2) است ، با تشکیل ترکیبات کم محلول با عصاره و شیرابه چوب باعث افزایش مقاومت چوب شده و همچنین مانع رشد قارچ ها و باکتری ها در روی چوب می شود .[12] از دیگر کاربردهای مهم کروم آبکاری و پوشش فلزات به منظور استحکام بخشیدن به فلز و حفاظت آن از خوردگی می باشد آبکاری فلزات در صنایع بسیاری کاربرد دارد که از جمله این صنایع می توان به صنایع خودرو سازی و صنایع نظامی اشاره کرد.]ترکیبات کروم در صنایع رنگ و ضد رنگ نیز کاربرد های فراوانی دارند .این رنگ ها و ضد رنگ ها از واکنش کرومات ها و دی کرومات ها با عوامل کاهنده و یا اکسید فلزات دو ظرفیتی تهیه می شوند . [13]
کروم این توانایی را دارد که با پروتئین ها ،مواد سلولزی و پلیمرهای سنتزی مختلف کمپلکس های پایدار تشکیل می دهد و این قابلیت موجب شده کروم در صنایع نساجی و دباغی کاربرد داشته باشد و در همین راستا در تهیه پوشش های ضد آب و ضد روغن بر روی الیاف مصنوعی نیز از کروم استفاده می شود .14
استفاده از سدیم کرومات و سایر ترکیبات کروم در فرمول گل حفاری برای مقابله با فرسایش و خوردگی از کاربردهای کروم در صنایع نفت و گاز است. ترکیبات کروم دار دیگری که در گل حفاری مورد استفاده قرار می گیرند،کرومیوم لیگنوسولفونات است.
جذب سطحی
فرایند جذب سطحی عبارت است از چسبندگی گونه هایی از یک محیط بر روی یک سطح جامد که موجب تجمع آن گونه در فصل مشترک دو فاز می گردد در چنین حالتی ماده ای که تجمع می یابد ،جذب شونده (Adsorbate)و ماده ای که تجمع روی آن صورت می گیرد را جاذب (dsorbentA)می نامند .محدوده عملیات می تواند از چند گرم ماده جاذب در آزمایشگاه ها تا 135000کیلوگرم در کارخانه های صنعتی تغییر کند .عملیات بسیار متنوع جذب از این جهت مشابه هستند که در آن ها مخلوطی که باید تفکیک شود با یک فاز نا محلول دیگر تماس حاصل می نماید و پخش نا مساوی مواد بین فاز جذب شده روی سطح جامد و توده سیال موجب جداسازی می شود .
جذب سطحی یک فرایند فیزیکی –شیمیایی است که به طور کلی در فاز جامد –مایع اتفاق می اقتد و در اکثر مواقع وقتی به کار برده می شود که نیاز باشد نوع خاصی از مواد که به طور مؤثر نمی توان با تکنولوژی های دیگر آن ها ا از جریان فاضلاب حذف کرد ،به کار برده می شود .اگرجه جذب سطحی در فاز مایع –مایع و همجنین گاز-مایع به طور کامل جواب می دهد اما بیش تر برای تصفیه فاضلاب و در فاز جامد – مایع کاربرد دارد .AdsorptionوAbsorption،که تعلق به یک دسته فرایند های فیزیکی و شیمیایی دارند و جذب نامیده می شود،دو پدیده متفاوت هستند.تفاوت اصلی این دو در فاز تعادلی فرم نهایی آن هاست که اگر همگن باشد،Absorption و در غیر این صورت .Adsorptionنامیده می شود....به عبارت دیگر جذب سطحی یا Adsorption،عبارت است از جمع آوری مواد روی سطح ماده جاذب ولی Absorptionنفوذ مواد جمع شده به درون جاذب است و از آن جا که این دو پدیده هم زمان رخ می دهد از واژه ی جذب یا sorption،برای این پدیده استفاده می شود .جذب سطحی و جذب هر دو در فرآیند جذب با جاذب و سایر مواد رخ می دهد ولی واحد عملیاتی معمولاٌ جذب سطحی نامیده می شود.
فهرست مطالب
چکیده 1
1-1:مقدمه 2
1-2:فلزات سنگین 4
1-2-1:ویژگی فلزات سنگین 5
1-2-2:منابع انتشار فلزات سنگین در محیط زیست 7
1-2-2-1:منابع طبیعی 7
1-2-2-2:منابع ناشی از فعالیت انسانی 7
1-3:کروم 7
1-3-1:کاربرد کروم و منابع انتشار آن ها 8
1-3-2:تأثیر کروم بر سلامتی انسان و محیط زیست 8
1-4:روش های تصفیه فلزات سنگین از محلول های آبی 9
1-4-1:روش های شیمیایی 9
1-4-1-1:رسوب دهی شیمیایی 9
1-4-1-2:الکترولیز 10
1-4-2:روش تصفیه بیولوژیکی 10
1-4-3:روش فیزیکی 11
1-4-3-1:تبادل یونی 11
1-4-3-2:الکترودیالیز 11
1-4-3-3:فیلتراسیون 11
1-4-3-4:اسمز معکوس 12
1-4-3-5:جذب سطحی 13
1-5:مبانی تئوری جذب سطحی 13
1-6:تعریف جذب سطحی 14
1-6-1:جذب سطحی فیزیکی 15
1-6-2:جذب شیمیایی 15
1-6-3:تفاوت های جذب شیمیایی و فیزیکی 15
1-7:آنالیز فزآیند جذب سطحی 16
1-8:مراحل جذب سطحی 17
1-9:کاربرد فرآیند جذب سطحی 17
1-10:عوامل مؤثر بر فرآیند جذب سطحی 18
1-10-1:نوع و خصوصیات جسم جاذب 18
1-10-2:نوع و خصوصیات ماده جذب شونده 18
1-10-3:میزان اختلاط و بهم زدن سیال 18
1-10-4:PHمحیط عمل 19
1-10-5:دمای معیط عمل 19
1-11:جاذب جامد 19
1-12:انواع مختلف جاذب 21
1-12-1:آلومینای فعال 21
1-12-2:زئولیت 21
1-12-3:جاذب رسی 22
1-12-4:کربن فعال 2 2
1-12-5:گل قرمز 23
1-13:تئوری جذب سطحی 24
1-14:ایزوترم های جذب سطحی 25
1-15:مدل سازی ایزوترم های جذب 26
1-16:مکانیزم جذب 27
1-16-1:ایزوترم لانگمویر 28
1-16-2:ایزوترم فروندلیچ 29
1-17،سینتیک جذب 30
1-18مدل نفوذ درون ذره ای 31
1-19تئوری فیلمی 31
1-20معادلات ترمودینامیک 32
فصل دوم مروری بر کارهای گذشته 33
فصل سوم روش و مراخل تحقیق 42
3-1مواد و تجهیزات مورد استفاده 42
3-2اماده سازی جاذب 46
3-2-1مش بندی 46
3-2-2شست و شوی جاذب 46
3-2-2-1شستشو با HCL 46
3-2-2-2شستشو با HNO3 47
3-3آزمایش تعادل شیمیایی 47
3-4آزمایش پارامتر ترمودینامیکی 47
3-5ایزوترم لانگمویر 47
3-6آنالیز FTIR 48
3-7آنالیز BET 9 4
3-8 آنالیز SEM 50
3-9اانالیز XRD 51
فصل چهارم تحلیل داده ها و نتایج
4-1بررسی مکانیزم واکنش 53
4-1-1زمان تعادل برای گل اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 53
4-1-2زمان تعادل برای گل اصلاح شده با نیتریک اسید 54
4-1-3بررسی مدل نفوذ درون ذره برای گل قرمز اصلاح شده با HCL 55
4-1-4بررسی مدل نفوذ درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با HNO3 55
4-1-5بررسی مدل تئوری فیلمی برای گل قرمز اصلاح شده باL HC 57
4-1-6بررسی مدل تئوری فیلمی برای گل قرمز اصلاح شده با HNO3 58
4-1-7بررسی مدل سیلتیکی شبه درجه اول برای جاذب اصلاح شده باHCL 59
4-1-8بررسی مدل سینتیکی شبه درجه دوم برای جاذب اصلاح شده با HCL 60
4-1-9بررسی مدل سینتیکی شبه درجه اول برای جاذب اصلاح شده با HNO3 61
4-1-10بررسی مدل سینتیکی شبه درجه دوم برای جاذب ا صلاح شده با HNO3 62
4-2پارامتر ترمودینامیکی 62
4-3بررسی ایزوترم واکنش 64
4-3-1ایزوترم لانگمویر برای گل قرمز اصلاح شده با HCL 64
4-3-2بررسی ایزوترم فروندلیچ مربوط به گل اصلاح شده با HCL 65
4-3-3ایزوترم لانگمویر برای گل قرمز اصلاح شده با HNO3 66
4-3-4ایزوترم فروندلیچ مربوط به گل قرمز اصلاح شده با HNO3 67
فصل 5:جمع بندی و پیشنهادات
5-1نتیجه گیری 68
5-2 پیشنهادات
مراجع 71
فهرست جداول
جدول 1-1:بیماری های ایجاد شده توسط برای فلزات سنگین و حداگثر غلظت مجاز آن ها در آب آشامیدنی 6
جدول 1-2دسته بندی مواد متخلخل 20
جدول 2-1بررسی انواع جاذب های طبیعی در حذف فلز سنگین 37
جدول 3-1تجهیزات مورد استفاده جهت آزمایش 42
جدول 3-2دستگاه های لازم جهت آنالیز و انجام آزمایش 43
جدول 3-3مواد مورد نیاز جهت آزمایش 45
جدول 3-4داده های مربوط به آنالیز BET 50
چدول 4-1:داده های مربوط به زمان تعادل گل قرمز اصلاح شده باHCL 53
جدول4-2داده های مربوط به زمان تعادل برای گل قرمز اصلاح شده با HNO3 54
چدول 4-3:داده های مربوط به مکانیزم درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با HCL 55
چدول 4-4:نتایج مکانیزم نفوذ درون ذره ای برای گل قزمز اصلاح شده با HCL تا دقیقه 10 56
جدول 4-5:نتایج مکانیزم نفوذ درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با HCL بعد از دقیقه 10 56
جدول 4-6: داده های مربوط به مکانیزم درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 56
چدول 4-7:نتایج مکانیزم نفوذ درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با HNO3 57
جدول 4-8:نتایج مربوط به تئوری فیلمی برای گل قرمز اصلاح شده با HCL 57
جدول4-9نتایج مربوط به تئوری فیلمی برای گل قرمز اصلاح شده با HNO3 58
جدول4-10:داده های مربوط به آزمایش پارامتر ترمودینامیکی 63
جدول4-11نتایج مربوط به پارامتر های ترمودینامیکی گل اصلاح شده با HCL 63
چدول 4-12:نتایج مربوط به پارامتر های ترمودینامیکی گل اصلاح شده با HNO3 64
جدول4-13:داده های مربوط به ایزوترم های واکنش 64
جدول 4-14ثابت های ایزوترم لانگمویر 65
جدول4-15:داده های مربوط به ایزوترم واکنش 66
فهرست نمودارها
نمودار3-1:نمودارFTIR،گل قرمز اصلاح شده با نیتزیک اسید قبل از جذب 48
نمودار 3-2نمودارFTIRگل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید بعد از جذب 49
نمودار3-3:نمودار گل قرمز اصلاح شده با HCLبعد از جذب 49
نمودار3-4نمودارXRDمربوط به گل خام 52
نمودار 4-1:زمان تعادل جذب برای گل قرمز اصلاح شده با هییدروکلریک اسید 54
نمودار4-2زمان تعادل برای واکنش جذب ،مربوط به گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 54
نمودار4-3نمودار مکانیزم درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 55
نمودار4-4نمودار مکانیزم درون ذره ای برای گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 57
نمودار 4-5نمودار تئوری فیلمی برای گل قرمز اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 58
نمودار4-6نمودار تئوری فیلمی مربوط به گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 59
نمودار4-7نمودار سینتیک شبه درجه اول برای گل قرمز اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 59
نمودار4-8نمودار سینتیک شبه درجه دوم برای گل قرمز اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 0 6
نمودار4-9نمودار سینتیک شبه درجه اول برای گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 61
نمودار4-10نمودار سینتیک شبه درجه دوم برای گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 62
نمودار4-11نمودار وانتهف برای هیدرو کلزیک اسید 63
نمودار4-12نمودار وانتهف برای نیتریک اسید 64
نمودار4-13نمودار ایزوترم لانگمویر مربوط به گل قرمز اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 64
نمودار4-14نمودار ایزوترم فرندلیچ مربوط به گل قرمز اصلاح شده با هیدروکلریک اسید 65
نمودار4-15نمودار ایزوترم لانگمویر مربوط به گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 66
نمودار4-16نمودار ایزوترم فروندلیچ مربوط به گل قرمز اصلاح شده با نیتریک اسید 67
فهرست شکلها
شکل1-1فرایند اسمز معکوس 12
شکل1-2اشکال مختلف جاذب مورد استفاده 20
شکل1-3:ساختار اتمی زئولیت 22
شکل1-4پودر گل قرمز 24
شکل1-5عکس هوایی از آلودگی دریاچه توسط گل قرمز 24
شکل1-6لوله تخلیه گل قرمز به محل سد های باطله 24
شکل1-7 انواع ایزوترم های جذب 26
شکل1-8سایت های جذب در مدل لانگمویر 26