چکيده
اين تحقيق به منظور بررسي مشخصات جذب فلزات کبالت، کادميم و نيکل با استفاده از پوست ليمو انجام پذيرفته است. اثر پارامترهاي مختلف نظيرpH محلول، ميزان جاذب، زمان تماس و دما بر فرآيند جذب مورد بررسي قرار گرفت و شرايط عملياتي بهينه جذب هر عنصر بر روي جاذب زيستي مشخص گرديد. مقادير تعادلي جذب با مدلهاي ايزوترم لانگموير، فرندليچ، تمکين وD-R مورد بررسي قرار گرفتند و پارامترهاي هر مدل تعيين گرديد. در بين ايزوترمهاي جذب مشاهده شد که مناسبترين مدل ايزوترم براي اين فرآيند جذب مدل فرندليچ مي باشد. در اين تحقيق بيشترين مقدار جذب کبالت، کادميم و نيکل با استفاده از مدل لانگموير به ترتيب 17/42، 07/23 و 05/23 ميلي گرم بر گرم به دست آمد. مدلهاي مختلف سينتيک جذب براي اين فرآيند مورد بررسي قرار گرفت و مدل شبه درجه دوم بهترين مدل شناخته شد. همچنين پارامترهاي ترموديناميکي فرآيند جذب توسط پوست ليمو از قبيل انرژي آزاد گيبس، تغييرات آنتالپي و تغييرات آنتروپي در چهار دماي مختلف تخمين زده شد و نتايج نشان داد که جذب کبالت، کادميم و نيکل توسط پوست ليمو يک فرآيند خود به خودي و گرما گير مي باشد. همچنين با استفاده از آناليزهاي FTIR و SEM مکانيسم فرآيند جذب مشخص گرديد.
کليد واژه ها: جذب زيستي، کبالت، کادميم، نيکل، پوست ليمو ، ايزوترم، سينتيک
فصل اول:
مقدمه
عنوان: بررسي بهرهوري از ضايعات پوست ليمو به عنوان جاذب در حذف کبالت، کادميم و نيکل
مقدمه
همانطور که ميدانيم آب اساسيترين ماده براي حيات روي کره زمين است. 97% از آبهاي روي زمين را آب شور، 2% را يخچالهاي طبيعي در قطب شمال و جنوب و تنها کمتر از يک درصد از آب روي زمين را آب شيرين تشکيل ميدهد که براي مصارف شرب، کشاورزي، مصرف خانگي و صنعتي است.
در دهههاي اخير رشد جمعيت و افزايش فعاليتهاي صنعتي موجب شده مشکلات زيست محيطي بيشتر و پيچيدهتري به وجود آيد. (کنز و همکاران، 2002)1 پيشرفت شتابان در فعاليتهاي صنعتي و ساخت و تشکيل کارخانهها و همچنين توسعه فنآوري باعث شده است تا آلودگيهاي گسترده و خطرناکي در محيط زندگي انسان به وجود آيد و تبديل به يک تهديد جدي براي سلامت انسان گردد. (ژکسيان و همکاران، 2006)2 در واقع مقدار قابل توجهي از اين آلايندهها در جو، خاک و آب يافت ميگردد که اين فعاليتها مجموعاً باعث آلودگي آبهاي سطحي، آبهاي زيرزميني و دريا ميگردد. با رشد جمعيت مصرف آب افزايش مييابد اما عرضه آن محدود است و اين مقدار محدود موجود نيز توسط انواع آلايندهها آلوده ميشود. منابع اصلي آلودگي آب مواد زائد جامد، زبالههاي راديواکتيو، آلودگي حرارتي ميباشند. (تياگي و مهرا؛ 1994)3 شماري از فعاليتهاي خانگي و صنعتي مانند سوزاندن سوختهاي فسيلي، سوزاندن ضايعات، فرايندهاي ذوب، استخراج معدن، صنايع باتري سازي و غيره موجب توليد اين آلايندهها به ويژه فلزات سنگين ميشوند.
امروزه به حداقل رساندن توليد زبالههاي خطرناک و فلزات سنگين به عنوان يکي از مهمترين چالشهاي زيست محيطي است که جهان امروز با آن مواجه است. فلزات سنگين، مواد غير قابل تجزيه خطرناک هستند که ميتوانند در عناصر محيط پيرامون انسان از جمله مواد غذايي تجمع کنند و سلامتي انسان را به خطر بياندازند. (کاوسارن و يو، 2001 ؛ يان و ويراگاوان 2001)4 روشهاي مختلفي براي از بين بردن فلزات سنگين از جمله رسوب شيميايي، فيلتراسيون غشايي، تبادل يون، استخراج مايع و الکترودياليز و غيره وجود دارد. (اقبال و همکاران، 2002)5 اين روشها به دليل هزينه بالا براي صنايع در مقياسهاي بزرگ مورد استفاده قرار نميگيرند. در حال حاضر استفاده گسترده صنعتي از جاذبهاي کم هزينه با توجه به در دسترس بودن براي تصفيه فاضلابها توصيه ميشود. (العاشه و همکاران، 2000؛ بيلي و همکاران، 1999)6
انواع مختلفي از جاذبها براي جذب فلزات سنگين وجود دارد که مناسبترين آنها ضايعات کشاورزي و محصولات جانبي مي باشد. ( ساري و همکاران، 2008)7
هدف از انجام اين پروژه بررسي بهرهوري از ضايعات پوست ليمو به عنوان جاذب در حذف کبالت، کادميم و نيکل از محلولهاي آبي بوده و مطالعات تعادل و سينتيک براي توصيف فرآيند جذب انجام شده است. همچنين مدلهاي مختلفي براي تعيين نرخ و مکانيسم فرآيند جذب مورد آزمايش قرار گرفتند.
1-1 فلزات سنگين
آلايندههاي عمده محيط زيست ممکن است شامل فلزات سنگين و آلايندههاي آلي پايدار مانند مواد شيميايي، بيفنيلهاي پليکلرينه، ديوکسين و فوران باشد. اين ضايعات ممکن است عفوني، سمي و يا راديواکتيو باشند. (انجورج، 2007)8سه نوع از فلزات سنگين نگرانکننده عبارتند از : 1- فلزات سمي(سرب، مس، نيکل، کبالت ، کادميم، روي ، قلع و …) 2- فلزات گرانبها (پلاتين ، نقره، طلا، پالاديم و …) 3- پرتوزا ( توريم و …) (وانگ و چن، 2006)9
يونهاي فلزات سنگين سمي مختلف از طريق فعاليتهاي صنعتي فلزي از جمله آبکاري، استخراج معدن، کلرآلکالي، توليد رادياتور، ذوب فلزات، صنايع آلياژي، صنايع برق و الکترونيک، پتروشيمي، الکتروليز، الکترو اسمز و … و يا فعاليتهاي صنعتي غيرفلزي مانند چاپ، صنايع عکاسي، پالايشگاههاي نفت، صنايع کاغذ، چرم، فاضلابها، کودها و آفتکشها، هوا فضا، نيروگاههاي انرژي هستهاي و غيره تشکيل ميشوند و يکي از علل عمده آلودگي آب به شمار ميآيند. (خالفو و منيا،2012)10 باقي مانده يونهاي فلزات سنگين ممکن است در ميکروارگانيسمها، گياهان و جانوران تجمع يابد که به نوبه خود به زنجيره غذايي انسان وارد و منجر به مشکلات سلامتي- بهداشتي عديدهاي ميشود. (ارزکو، 2008)11
فلزات سنگين آلودگيهاي زيست محيطي جدي و در نتيجه تهديدي براي سلامت انسان و اکوسيستم را به همراه دارد. حضور فلزات سنگين در آب آشاميدني اثرات سوء و گستردهاي بر سلامت بدن انسان خواهد گذاشت که مي توان به چند نمونه از آن اشاره کرد. بطور مثال اين فلزات کبد، کليهها ريه و مغز استخوان را هدف قرار ميدهند. (سالم و همکاران، 2000)12 ضايعات و سرطان پوستي، آلرژيها، فشار خون بالا، بيماريهاي قلبي و عروقي، بيماريهاي ريوي (اسميت و همکاران، 2000)13 ضعف، بيحالي، صدمه به دستگاه گوارش، درد شکم، گرفتگي عضلات، بياشتهايي، بيماريهاي عصبي، تغيرات رفتاري، مشکلات زبان و گفتار و نقص در رشد از ديگر مشکلات ايجاد شده از اين مسئله ميباشند. (کاپور و همکاران، 1999)14
براي مثال توريم يکي از عناصر راديواکتيو است که بطور گستردهاي بر روي پوسته زمين توزيع شده است. اين يون راديونوکلوئيد سمي و خطرناک بوده و حتي در مقادير بسيار کم براي فيزيولوژي انساني و ديگر سيستمهاي بيولوژيکي بسيار مضر است و ميتواند باعث بيماريهاي مختلفي شود. برخي از فعاليتهاي انساني از جمله فرآوري سوخت هستهاي و بهره برداري از سنگ معدن ميتواند باعث آزاد شدن اين راديونوکلوئيد شود. (ون هورن و هوانگ، 2006)15
در بين فلزات سنگين سرب يکي از سميترين آن ها به شمار ميرود که از طريق کشت در خاکهاي آلوده، تنفس هوا در محيطهاي صنعتي مثل کارخانههاي باتريسازي و نوشيدن آبهاي آلوده، وارد بدن انسان ميشود و ايجاد مشکلات جدي مانند تهوع، سرطان، تشنج و انحطاط سيستم مرکزي عصبي را پديد ميآورد. (لي و همکاران، 2005)16
آرسنيک، از ديگر فلزات سنگين است که در آبهاي آشاميدني يافت ميشود. اختلالات عصبي، کاهش اشتها، سرطان مثانه و کليه، تغير و ضخيم شدن پوست، تحليل عضلات از جمله مشکلات بوجود آمده از اين سم مي باشد. (جين و علي، 2000)17
در ذيل به شرح 3 نمونه از فلزات سنگين که در اين تحقيق مورد بررسي قرار گرفتهاند ميپردازيم.
1-1-1 کبالت
کبالت عنصر فرومغناطيس سخت با علامت شيميايي Co که داري رنگ خاکستري براق مي‌‌باشد. کبالت داراي وزن مخصوص ???/? گرم بر مترمکعب، نقطه ذوبي برابر ???? درجه سانتيگراد، رسانايي الکتريکي آن حدود ?? درصد مس است. اين عنصر اغلب با نيکل همراه است و هر دوي آنها از اجزاي مشخص فلز شهاب سنگ مي‌باشند. پستانداران، نيازمند مقدار بسيار کمي از نمکهاي کبالت هستند. کبالت 60 که ايزوتوپ راديواکتيو و مصنوعي کبالت است، يک منبع مهم گاما، ردياب راديواکتيو و عامل راديوتراپي و معالجه سرطان به‌شمار ميآ‌يد. البته بلع کبالت 60 منجر به ورود مقداري کبالت درون بافتهاي بدن مي‌شود که به‌کندي از بدن خارج مي‌شود.
نفوذپذيري نسبي کبالت، دو سوم آهن است. حالات اکسيداسيون عادي کبالت، شامل 2+ و3+ است، گرچه 1+ نيز ديده شده است. کبالت نسبتا داراي فراواني کمي در پوسته زمين است و در آبهاي طبيعي، به عنوان سولفين کبالت (COS) غير قابل حل، رسوب ميکند. اگرچه سطح ميانگين کبالت در خاک معمولي حدود 8 ppm است، ولي خاکهايي با مقدار کبالت به اندکيppm 1/0 و يا به بزرگي بيش از 70 ppm نيز وجود دارد.
کبالت به صورت فلز آزاد يافت نميشود و عموماً به شکل سنگ معدني يافت ميگردد. کبالت معمولاً به تنهايي استخراج نميشود و به عنوان محصول جانبي در استخراج مس و نيکل توليد ميشود. توليدکنندگان اصلي کبالت در جهان کشورهاي جمهوري دمکراتيک کنگو، چين، زامبيا، روسيه و استراليا هستند. اين فلز همچنين در فنلاند، آذربايجان و قزاقستان يافت ميشود. توليد جهاني آن 17000 تن در سال است.
کبالت در بسياري از آلياژها (سوپر آلياژهاي مورد استفاده در اجزاء توربين گازي موتورهاي هواپيما، آلياژهاي مقاوم در برابر خوردگي، فولادهاي تندبر) در آهنرباها و وسايل ضبط مغناطيسي، به عنوان کاتاليست براي صنايع شيميايي و نفتي و به عنوان عامل خشک کننده براي رنگها و جوهرها به کار ميرود. کبالت آبي يک بخش مهم پالت هنرمندان است و در صنعت چيني، سفال، شيشه کاري منقوش، کاشي و جواهرات مينا، استفاده ميشود. کبالت آلياژهاي مفيد بسياري را تشکيل ميدهد. اين فلز با آهن، نيکل و ساير فلزات براي تشکيل آلنيکو که يک آلياژ با استحکام مغناطيسي استثنايي است آلياژ ميشود. کبالت، کروم و تنگستن ممکن است براي تشکيل استلايت که براي کاربردهاي دما بالا، ابزار برش تندبر و قالبها، استفاده ميشود، آلياژ شوند. همچنين در فولادهاي مغناطيسي و ضدزنگ نيز بکار ميرود. از اين فلز براي آبکاري الکتريکي، به علت سختي و مقاومت به اکسيداسيون بالايش استفاده ميشود. محلول کلريد کبالت، براي ساختن جوهر استفاده ميشود. فلز کبالت پودر شده، خطر آتشسوزي به همراه دارد و بهتر است همه ترکيبات کبالت را سمي در نظر گرفت، مگر اينکه خلاف آن ثابـت شده باشد. کبالت شامل ترکيباتي است که در بسياري از کاربردهاي صنعتي مانند استخراج معادن، ذوب فلزات، آبکاري و صنايع الکترونيکي استفاده ميشود. (مانوهار و همکاران، 2006)18 کبالت در فاضلاب نيروگاههاي هستهاي نيز موجود است. حد مجاز کبالت در آب آبياري 0.5 و در فاضلاب مالداريها 1 ميلي گرم بر ليتر ميباشد.
مسموميت با کبالت ممکن است تاثيرات جدي بر سلامتي انسان ايجاد کند به عنوان مثال باعث آسم، آلرژي، صدمه به کبد و تيروئيد، نارسايي قلبي و عروقي و تغيرات ژنتيکي در سلولهاي زنده ميشود. همچنين قرار گرفتن در معرض تابشهاي يونيزه اين فلز خطر ابتلا به سرطان را افزايش ميدهد. (رنگارج و مون، 2002)19
1-1-2 کادميم
کادميم يکي از عناصر شيميايي است که در جدول تناوبي با نشان Cd و عدد اتمي ?? قرار گرفته‌است و داراي نقطه ذوب 321.18 درجه سانتيگراد است. کادميم عنصري نسبتا کمياب، نرم، با رنگ سفيد مايل به آبي چکش خوار، انعطافپذير و فلز انتقالي سمي است و يک هادي الکتريکي بسيار عالي محسوب ميشود، در اسيدها محلول است، در هوا مي‌سوزد و به فرم اکسيد کادميم (CdO) به رنگ قهوهاي در مي‌آيد.
معموليترين حالت اکسيداسيون کادميم 2+ ميباشد، گرچه نمونههاي کميابي از 1+ نيز ميتوان پيدا کرد. در سنگ معدن روي وجود دارد و در باتريها به مقدار زيادي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
فلز کادميم (لاتينcadmia، يوناني kadmeia به معني کالامين) در سال ???? در آلمان توسط فردريچ استرومير20 کشف شد. او متوجه شد بعضي از نمونه‌هاي ناخالص کالامين هنگام حرارت تغيير رنگ مي‌دهند اما کالامين خالص اينگونه نيست. گرچه کادميم وترکيبات آن به شدت سمي هستند، اما از سال 1907، مستندات دارويي بريتانيا21 اعلام مي‌دارد که يديد کاديم به عنوان دارويي براي معالجه ورم مفاصل، سل، غدد لنفاوي و سرمازدگي مورد استفاده قرار مي‌گرفته ‌است. در سال ???? کنفرانس بين المللي اوزان و مقادير، متر را با توجه به يک خط طيفي قرمز کادميم (1متر=1/553/13/164) تعريف کرد که البته هم اکنون بر اساس کريپتون تعريف مي‌شود.
سنگهاي معدن که حاوي کادميم مي‌باشند کمياب بوده و در صورت يافت شدن به مقادير خيلي کم وجود دارند. درنتيجه کادميم عمدتاًً به عنوان يک محصول جانبي از استخراج، خالصسازي و تصفيه سولفيد اوره حاصل از سنگ معدن روي، همچنين به ميزان کمتر از سرب و مس توليد مي‌شود.
مقدار کمي از کادميم (تقريبا ??% مصرف) از منابع ثانويه که عمدتاً از خاک حاصل از بازيافت تکه‌هاي آهن و فولاد است بهدست مي‌آيد. کادميم بطورطبيعي شامل ? ايزوتوپ پايدار است و ?? ايزوتوپ پرتوزا22 شناخته شده است. اين عنصر داراي ? ايزومر هسته‌اي 23است. تقريباً سه چهارم کادميم در باتريها استفاده ميگردد و يک سوم باقي مانده عمدتاً جهت رنگها، پوششها، آبکاري، به عنوان مواد تثبيت کننده در پلاستيکها و در بعضي از آلياژهايي که نقطه ذوب پايين دارند بکار ميرود. به علت ضريب اصطکاک پائين و مقاومت بسيار خوب در آلياژهاي بلبرينگ از آن استفاده ميشود. بسياري از انواع لحيمها حاوي اين فلز هستند. ترکيبات حاوي کادميم در مواد درخشان تلويزيونهاي سياه و سفيد و نيز در مواد درخشان آبي و سبز در لامپ تصوير تلويزيونهاي رنگي به کار ميروند. کادميم نمکهاي مختلفي را بوجود ميآورد که معمولترين آنها سولفات کادميم است. از اين سولفيد به عنوان رنگدانه زرد استفاده ميشود.
کادميم از معدود عناصري است که هيچگونه نقش ساختاري در بدن انسان ندارد. اين عنصر و محلول ترکيبات آن حتي به ميزان بسيار کم، سمي هستند و در اندام‌ها و محيط زيست، ذخيره مي‌شوند و ممکن است مورد استنشاق قرار گيرد. کادميم به سرعت در دستگاه تنفسي و کليه‌ها ايجاد مشکلاتي مي‌کند که مي‌توانند کشنده باشند. خوردن هر مقدار قابل ملاحظه‌اي ازکادميم موجب مسموميت سريع کبد و کليه‌ها مي‌گردد. ترکيباتي که محتوي کادميم هستند نيز باعث مسموميت مي‌شوند.
1-1-3 نيکل
نيکل عنصري است فلزي با عدد اتمي ?? و نماد علمي Ni در گروه VII و در دوره چهارم جدول تناوبي جاي دارد. جرم اتمي آن 58.71، و داراي ظرفيتهاي ? و ? ميباشد و داراي پنج ايزوتوپ پايدار است.
نيکل فلزي مقاوم، چکشخوار، براق با ساختار بلورين و مکعبي شکل به رنگ سفيد و نقرهاي ميباشد. نيکل به عنوان يک فلز انتقالي طبقهبندي ميشود ( فلزات انتقالي، عناصري بين گروه 2 (فلزات) و گروه 13 (غير فلزات) در جدول تناوبي ميباشند).
اين عنصر در سال 1751 توسط اکسل کرانستد24 دانشمند سوئدي کشف شد. کاني مخصوصي که به ظاهر شبيه مس بود و براي معدن داران آلماني بسيار معروف بوده و براي سبزکردن شيشه به کار مي‌رفت. او اين کاني را آزمايش کرد و موفق شد يک اکسيد فلزي سبز از اين کاني تهيه کند و اين فلز را نيکل ناميد (امروزه اين کاني را نيکوليت نيز مينامند). از نظر خواص مغناطيسي و فعاليت شيميايي شبيه به آهن و کبالت ميباشد. کانيهاي اصلي نيکل عبارتند از پنتلانديت، پيروتيت (سولفيدهاي نيکل و آهن) و گارنييريت (سيليکات نيکل و منيزيم) هستند. نيکل يکي از اجزا اصلي تشکيل دهنده شهاب سنگها به شمار ميآيد.
از ترکيبات مهم نيکل ميتوان سولفات و اکسيد را نام برد. نيکل طبيعي مخلوطي از 5 ايزوتوپ پايدار است. 9 ايزوتوپ ناپايدار ديگر نيز شناخته شده است. نيکل هم به صورت فلز و هم به صورت ترکيب محلول مي تواند وجود داشته باشد. بخار سولفيد نيکل سرطانزا ميباشد که در موقع استفاده از آن بايد دقت لازم را به عمل آورد. اکثر نيکلها از دو نوع معدن بدست ميآيند، اولي خاکهاي آجري رنگ بوده که مهمترين معدن سنگ نيکل به شمار ميرود و دومي سولفيد موجود در ماگماي زمين مي‌باشد. کانادا 30% نيکل جهان را توليد مي‌کند. بزرگترين توليدکننده نيکل، روسيه است که 267000 تن نيکل در هر سال توليد ميکند. استراليا و کانادا دومين و سومين توليدکننده نيکل ميباشند که به ترتيب سالانه 207000 و 189000 تن توليد ميکنند. نيکل تجاري به فرمهاي پنتلانديت و پيروتيت ميباشد که اين معادن در ايالت انتاريو يافت ميشود که اين ناحيه حدود 30 درصد از نيکل دنيا را تامين ميکند. ديگر معادن اين عنصر در کالندونيا، استراليا، کوبا، اندونزي و در مناطق ديگر ميباشد.
با اين وجود اين باور وجود دارد که بيشتر نيکل موجود در زمين در هسته اين سياره تمرکز يافته است. نيکل از سنگ معدنش بوسيله عمليات خاص و فرآيندهاي کاهش که در آنها فلز با خلوص بيش از 75% بدست مي آيد، استخراج مي شود. خالصسازي نهايي در فرآيند موند25 با خلوص بيش از 99.99% به وسيله واکنش نيکل و مونوکسيدکربن براي تشکيل کربونيل نيکل انجام ميشود. اين گاز از درون محفظه بزرگي در دماي بالا، که در آن دهها هزار گلوله نيکلي (که بعنوان پلت يا گندله شناخته مي شوند) و در مکان ثابت نگه داشته ميشوند، عبور ميکند. کربونيل نيکل بر روي گندله ها يا گلولههاي نيکلي، به صورت رسوب نيکل خالص، تجزيه ميشود. از طرف ديگر، کربونيل نيکل، ممکن است در يک محفظه کوچکتر بدون حضور گندله، براي تشکيل پودرهاي ريزدانه، تجزيه شود. مونوکسيد کربن بدست آمده در طي اين فرآيند دوباره به جريان ميافتد. نيکل با خلوص بالا، که در اين فرآيند توليد ميشود به عنوان کربونيل نيکل شناخته مي شود.
دومين شکل متداول تصفيه، شامل ليچينگ فلز، به وسيله رسوب الکتريکي نيکل از محلول، بوسيله صفحهاي که بر روي کاتد قرار داده ميشود، ميباشد. در بيشتر کاربردهاي فولاد ضد زنگ، نيکل ميتواند با خلوص 75%، مستقيماً به کار گرفته شود. اين فلز داراي خواص مکانيکي خوب و مقاومت عالي در برابر محيطهاي خورنده است. اين فلز بيشتر استحکام خود را در دماي بالا حفظ ميکند و در دماهاي پايين داراي چقرمگي و داکتيليته مناسبي است. اين آلياژ حاوي مقداري کربن (بيش از 0.1%) مي باشد. هر چه مقدار کربن کمتر باشد، سختي کمتر و داکتيليته بيشتر است.
اين عنصر رساناي جريان برق است و سطح آن براق و صيقلي است. نيکل از گروه عناصر آهن و کبالت است و آلياژهاي آن با قيمتهاي بالايي عرضه ميگردد. اين عنصر کاربردهاي فراواني در طبيعت دارد و براي ساخت فولاد ضد زنگ و ديگر آلياژهاي ضد زنگ و ضد خوردگي مثل اينوار و مانل(که آلياژى از نيکل و کبالت و مقاوم در برابر خوردگى است)، مورد استفاده قرار ميگيرد. همچنين اين فلز براي ساخت لولههاي نيکلي و مسي و همينطور براي نمکزدايي گياهان و تبديل آب شور به آب شيرين استفاده ميشود. از نيکل براي ساخت شيشههاي به رنگ سبز استفاده ميشود. صفحات نيکلي ميتواند نقش محافظت کننده براي ديگر فلزات را داشته باشد. نيکل کاتاليزوري براي هيدروژندار کردن روغنهاي گياهي است. همچنين در صنعت سراميک، ساخت آلياژي از آهن که خاصيت مغناطيسي دارد و باتريهاي قوي کاربرد دارد. با توجه به اينکه نيکل، دوام زيادي در هوا داشته و اکسيده نمي‌شود، براي توليد سکه‌هاي پول، فلز کاري برنج و آهن و همچنين براي ساخت ابزارآلات شيميايي در آلياژهاي خاص مانند نقره آلماني کاربرد دارد. معمولترين حالت اکسيداسيون نيکل، 2+ است و اين در حالي است که نيکل 3+ و 1+ نيز به ندرت مشاهده مي‌شوند.
نيکل در ساخت پوششهاي محافظ آبکاري برقي، پوشش قالبگيري برقي، باتريهاي ذخيره‌اي قليايي، سلول سوخت اکترود، کاتاليزور و تهيه آلياژهاي فولاد نيکل کاربرد دارد. ساخت فولاد ضد زنگ، به عنوان سوپر آلياژ، باتريهاي قابل شارژ، محصولات ريختهگري و ورق سازي، ورقهاي زرهي و درب ضد سرقت، آلياژ آلنيکو مورد استفاده در آهنربا، بوتههاي مورد استفاده در آزمايشگاههاي شيميايي، سيمهاي فنآوري شده مورد استفاده در رباتها، فلز مونل که آلياژي از مس و نيکل است و در برابر خوردگي مقاومت زيادي دارد، پروانه کشتي، وسايل آشپزخانه و صنايع شيميايي از ديگر کاربردهاي مورد استفاده اين فلز است. کاربردهاي نيکل خالص(تجاري) شامل تجهيزات فرآيندها و صنايع غذايي، بشکههاي کشتيراني شيميايي، اجزاء موشکي و فضايي و صنايع لوله و تجهيزات وابسته ميباشد.
فاضلابهاي خانگي و صنعتي نيز از ديگر موارد توليد اين فلز ميباشند. بيماريهاي ايجاد شده از اين فلز شامل: ناراحتيهاي دستگاه گوارش(تهوع، استفراغ، اسهال)، فيبروز ريوي، مشکلات کليوي و ناراحتيهاي پوستي ميباشد. (اختر و همکاران، 2004)26 نيکل کربنيک يک گاز بسيار سمي است. تماس نيکل با پوست افراد حساس ممکن است ايجاد آلرژي کند. مقداري مجاز نيکل مصرفي در محصولاتي که با دست انسان تماس دارد، مطابق اتحاديه اروپايي مي‌باشد. بر اساس يک گزارش منتشر شده در مجله نيچر27 در سال 2002 ، محققين دريافته‌اند که مقدار نيکل موجود در سکه‌هاي يک و دو يورو بيشتر از حد استاندارد است.
1-2 روش هاي حذف فلزات سنگين از محلول هاي آبي
انتقال مواد از يک فاز متحرک(حلال به طور معمول آب) به فاز جامد( جاذب، مواد بيولوژيکي) يک پديده کلي در ميان تحرک مواد در محيطهاي متخلخل آبي است. خواص جذب يونهاي فلزي براي ارزيابي رفتار يون در محيط زيست طبيعي بسيار مهم ميباشد.
مواد و روشها براي از بين بردن يونهاي فلزي از محلول آبي به طور عمده از فنآوريهاي فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي تشکيل شده است. روشهاي مختلفي براي حذف آلايندهها از آب آلوده استفاده شده است که ميتوان به رسوب شيميايي، استخراج با حلال، استخراج با فاز جامد، فيلتراسيون، تبادل يوني، فناوريهاي غشاء و فرآيند غشايي، جذب سطحي و تبخير اشاره کرد.(وانگ و چن، 2009)
البته هزينههاي بالا، مصرف زياد انرژي، توليد آلايندههاي ثانويه، حذف ناقص فلز و توليد لجن سمي از معايب اين روشها هستند. (ولسکي، 2001)28 در ميان تمام روشهاي پيشنهادي، جذب يکي از محبوبترين روش ها است و در حال حاضر به عنوان يک روش موثر، کارآمد و اقتصادي براي تصفيه فاضلاب در نظر گرفته ميشود.
اکنون به چند نمونه از روشهايي که در حذف فلزات سنگين مورد استفاده قرار ميگيرند ميپردازيم:
1-2-1 روش اسمز معکوس29
روش جداسازي اسمز معکوس يک روش جداسازي غشايي ميباشد، که در اين روش فشاري بيشتر از فشار اسمزي آب در خلاف جهت اسمز معمولي در محلول فاضلاب آبي به کار گرفته ميشود، که باعث ميشود مولکولهاي آب به صورت گزينشپذيري درون غشاء نفوذ کنند. اين روش براي خالص سازي آب بسيار موثر ميباشد، اما عيب اين روش اين است که به فشاري بالا جهت جداسازي نياز دارد و هم چنين هزينه عملياتي اين روش بالا ميباشد. در شکل 1-1 شماي کلي فرآيند اسمز معکوس به خوبي نمايش داده شده است.
شکل1-1 شماي کلي فرآيند اسمز معکوس (منبع)
1-2-2 روش تبادل يوني30
تبادل يوني يک روش مناسب براي حذف فلزات سنگين از فاضلاب آبي ميباشد، در اين فرآيند يک رزين جامد نامحلول عموماً به شکل دانههايي با قطر 1 تا 2 ميليمتر که شامل يونهاي با بار يکسان با يونهاي فلزات سنگين ميباشد، در محلول فاضلاب آبي قرار ميگيرد. همان طور که در شکل 1-2 نشان داده شده است واکنش جايگزيني اتفاق ميافتد به طوري که رزين يونهاي فلزات سنگين را جذب ميکند و يونهاي با بار يکسان را جايگزين آنها مي کند. اين مواد داراي تخلخل بسيار بالا ميباشند و به همين دليل ميتوانند يونها را به سادگي جذب نمايند. اين فرآيند به دليل توانايي بازيافت يونهاي فلزات سنگين از رزين مورد توجه قرار گرفته است، يکي از معايب اين روش اين است که به فشاري زياد جهت جداسازي نياز دارد از معايب ديگر رزينها آلودگي محيط زيست آنها بعد از اتمام طول عمر مفيدشان ميباشد زيرا اغلب از جنس پليمر بوده و براي محيط زيست زباله محسوب ميشوند.
شکل1-2 فرآيند تبادل يوني (منبع)
1-2-3 روش الترا فيلتراسيون
فرآيندي براي حذف مولکولهاي با وزن مولکولي بالا در محلولها الترا فيلتراسيون ميباشد. مولکولهاي بزرگتر از سايز تخلخل غشاء، زماني که آب و ساير مولکولهاي با وزن مولکولي پايين از غشاء عبور ميکنند باقي ميمانند. شکل 1-3 نمايي از فرآيند فيلتراسيون را نشان ميدهد. به دليل ماهيت آنيوني و سايز کوچک فلزات سنگين، يک معرف کمپلکس دهنده اضافه ميشود تا فلزات سنگين با مولکولهاي بزرگ پيوند بر قرار کنند. اين روش به دليل کارايي بالا(90 درصد) و هزينه عملياتي پايين مورد توجه قرار گرفته است. عيب اين روش در توليد لجن ميباشد.
شکل 1-3 نمايي از تصفيه آب توسط فيلتراسيون (منبع)
1-2-4 روش جذب زيستي
جذب زيستي از ديگر روشهاي جداسازي فلزات سنگين از محلولهاي آبي ميباشد که در آن توده زيستي توانايي جمعآوري فلزات سنگين از پسابها از طريق فعاليتهاي متابوليکي غيرمستقيم يا راههاي فيزيکوشيميايي جذب را دارد. فرآيند جذب سطحي به طور عمومي از طريق مکانيسمهايي مانند انتقال خارجي جرم ماده حل شده به جاذب و به دنبال آن توزيع درون ذره اي پيش ميرود.
جذب سطحي انتقال انتخابي به سطح، بر اساس طبيعت پيوندهاي بين کاتيون جذب شده و سطح جاذب به جذب فيزيکي و شيميايي طبقهبندي ميشود. در جذب سطحي فيزيکي، پيوندها از نوع نيروهاي ضعيف واندروالس هستند. در جذب شيميايي، پيوند شيميايي، نوآوري واقعي دانسيته الکتروني بين جذب شونده و جاذب تشکيل ميشود. در شکل 1-4 نمايي از جذب سطحي را نمايش داده شده است.

عوامل موثر بر سرعت جذب سطحي عبارتند از:
مساحت سطح جاذب: قطر دانههاي جاذب نسبت عکس با جذب سطحي دارد.
pH: بستگي به طبيعت سيستم حلال- حل شونده دارد.
طبيعت جذب شده: حلاليت جذب شده در حلال با سرعت جذب نسبت عکس دارد. افزايش طول زنجيره مولکولي، اندازه مولکول و درجه يونيزاسيون باعث افزايش سرعت جذب ميشوند. شکل هندسي مولکول نيز فاکتور موثر بر سرعت جذب است.
کشش سطحي حلال: موادي که با حل شدن کشش سطحي حلال را کمتر ميکنند، در سطح متراکم ميشوند( مانند مواد آلي) در حالي که موادي که کشش سطحي را افزايش ميدهند، تراکم کمتري در سطح نسبت به عمق محلول دارند( مانند يونهاي معدني). ( پور کيواني، 1391)
شکل 1-4 نماي کلي فرآيند جذب سطحي (منبع)
1-3 انواع جاذب
در دنيا از مقادير و انواع بسيار زيادي از مواد به عنوان جاذب براي جذب فلزات سنگين استفاده ميشود. مانند باکتريها (باسيلوس سابتيليس)، قارچها (ريزوپوس ارهيزوس)، مخمرها (ساکارومايسس سرويزيه)، جلبکها، مواد معدني طبيعي(ذغال سنگ، خاک رس و …)، مواد آلي(کلوژن، پشم)، زبالههاي صنعتي (خاکستر بادي، لجن صنعتي و …)، ضايعات کشاورزي (پوست مرکبات، پوسته برنج، هسته ميوه جات)، مواد جنگل( برگ درختان، تخته و الوار و …)، کربن فعال و ساير مواد پلي ساکاريدي. (ساکا و همکاران، 2012)31
1-3-1 جاذب معدني
اغلب کانيها بسياري از مواد معدني سنتزي به عنوان جاذب بررسي شدهاند. از جمله کلريدها ?(Cacl?_2)، اکسيدها (Zno، Mgo، Cao)، سيليکاتها (MgSio_3)، سولفاتهاي فلزي ?(CaSo?_4)، دياتومهها، سريم بيکربنات و سنگ آهک را ميتوان نام برد. جاذبهاي معدني تجارتي عبارتند از: آلوميناها، سيليکاتها و زئوليتها، پرليت، بنتونيت، کائولينيت، سورفکتانت، خاک رس و …(شوکلا و پري، 2005)32 اين ترکيبات وقتي عاملدار مي‌شوند داراي ظرفيت بارگذاري يون فلزي نسبتاً بالا براي انتخاب يون‌هاي فلزي مي‌شوند. اين کارآيي استثنايي مي‌تواند به حضور ليگاند‌هاي سطح مرزي نسبت داده شود که مي‌تواند به طور ويژه با جذب سطحي انتخابي با يون‌هاي فلزي وفق داده شود.
اين اکسيدها و پليمرهاي عاملدار شده در پيش تغليظ يون‌هاي فلزي براي سنجش محلول‌هاي چند جزئي و براي حذف اجزاي سمي از آبهاي آلوده استفاده مي‌شوند.
1-3-2 جاذب آلي
اين جاذبها شامل موادي با پايه آلي طبيعي يا سنتزي هستند. علاوه بر کربن فعال يا زغال، انواع گسترده مواد آلي نيز براي جذب به کار رفتهاند. سلولز (فراوانترين بيوپليمر در طبيعت)، شيتين (دومين پليمر فراوان در طبيعت)، کلوژن، پشم، ژلهاي نشاسته-پليکريلآميد (که چندين برابر وزنشان در دماي محيط از آب فلزات را جذب ميکنند، اما با حرارت دادن آرام، اغلب آنها آزاد ميشوند)، پليساکاريدهاي مشتق شده از غلات و اشکال گوناگون بيومسها (مانند پس ماندههاي برداشت غلات) از آن جمله هستند. جاذبهاي آلي تجاري عبارتند از: کربن فعال و پليمرها (مانند کوپليمرهاي پلي استيرن/ دي وينيل بنزن، پلي متيل اکريلات، اتيل وينيل بنزن، وينيل پيريدين و گاهي سولفونه شده يا کلرومتيلدار شده آنها (شوکلا و پري، 2005)
1-3-3 جاذب زيستي
استفاده از محصولات و ضايعات کشاورزي به عنوان ماده جاذب براي حذف فلزات سنگين از آبهاي آلوده طي دهه گذشته به طور فزآيندهاي مورد استفاده واقع شده است.
جاذبهاي زيستي به دليل دارا بودن گروههاي کاربردي از جمله کربوکسيل، هيدروکسيل، ايميدازول، آمينوها، فسفات، سولفات، فنلها و کربنيل تمايل براي جذب يونهاي فلزي دارند.
اجزاء اصلي زيست توده ضايعات کشاورزي شامل هميسلولز، ليگنين، ليپيدها، قندهاي ساده و انواع هيدروکربنها مي باشد. اعتقاد بر اين است که يون فلزات به گروههاي شيميايي کاربردي مانند کربوکسيل، اسيد آمينه و يا فنوليک اتصال برقرار ميکند. پليساکاريدها نيز نقش مهمي در جذب فلزات سنگين دارند که نمونه آن پکتين است که در تفاله مرکبات همچون سيب و چغندر يافت ميشود. (دميرباش، 2008)33
مزاياي اين جاذبها در دسترس بودن، راندمان بالا،به حداقل رساندن مواد شيميايي، امکان بازسازي جاذب، امکان بازيابي فلز، ظرفيت جذب بالا، کاربرد مهندسي، پايين بودن هزينه ، سادگي طراحي و بهره برداري را شامل مي شود.
مزيت زيست محيطي استفاده از پوست مرکبات به عنوان جاذب عبارت است از: 1- حجم زباله تا حدودي کاهش مي يابد. 2- جاذب با هزينه هاي معقول و کم آماده مي شود.
فهرستي از نقاط مختلف دور انداخته شدهي ميوهها و سبزيجات که ميتوانند جذب کنندههاي سطحي براي حذف انواع مختلف آلايندهها به خصوص يونهاي فلزي، به ترتيب زير مي باشد:
پالپ ميوه، تفاله و مواد جامد زائد
پوست ميوهها و پوسته دانهها
پوششهاي ميوهها
هسته ميوهها و دانه ها
ضايعات ساقه و الياف سخت و زبر
مواد زائد سبزيجات .
1-4 مباني فرآيند جذب سطحي
1-4-1 ايزوترم جذب
تعادل ايزوترم جذب در طراحي سيستم جذب از اهميت بالايي برخوردار است. اطلاعات تعادلي يعني تمام آنچه که به عنوان ايزوترم جذب شناخته شده است نياز اساسي براي دانستن مکانيسم جذب است.
به طور کلي، ايزوترم جذب يک منحني بسيار ارزشمند توصيف پديده حاکم بر حفظ و يا حرکت از يک ماده از محيط متخلخل آبي و يا از محيطهاي آبي به فاز جامد در درجه حرارت وpH ثابت است.
تعادل جذب سطحي (نسبت بين مقدار جذب با باقيمانده در محلول) زماني ايجاد ميشود که ماده جذب شونده با جاذب براي زمان کافي در تماس باشد. رابطه رياضي، که نقش مهمي در تجزيه و تحليل و مدلسازي، طراحي عملياتي و عملکرد قابل اجرا در سيستمهاي جذب را دارد معمولاً با نمودار فاز جامد در برابر غلظت باقيمانده به تصوير کشيده ميشود. پارامترهاي فيزيکو شيميايي همراه با فرضيات اساسي ترموديناميکي ديدي نسبت به مکانيسم جذب سطحي، خواص سطح و همچنين درجه ميل جذب کننده ارائه ميکنند. ( فو و حامد، 2010)34
ايزوترم جذب، يک منحني مربوط به غلظت تعادل املاح در سطح جاذب، q_e، به غلظت املاح در مايع يعني ،C_e ، که با آن در تماس است.
:q_e مقدار ماده جذب شده در واحد وزن جاذب در حالت تعادلي
:C_e غلظت تعادلي املاح باقي مانده در محلول زماني که مقدار جذب برابر q_e است.
در طول زمان، طيف گستردهاي از مدلهاي ايزوترم تعادل در قالب سه روش اساسي فرموله شدهاند که عبارتند از: لانگموير35، فرندليچ36، برونر-اميت-تلر37، ردليچ-پترسون38، دوبينين-رادشکويچ39، تمکين40، توات41، کوبل-کوريگان42، سيپس43، خوان44، هيل45، فلوري-هاگينز46، رادک-پرسنيتز47 (مالک و فاروق،1996)48
در روش اول به سينتيک فرآيند اشاره شده است، بدين وسيله تعادل جذب يک حالت پويا با نرخ برابر جذب و واجذب تعريف ميشود. ( لانگموير، 1916) در حالي که، ترموديناميک، اساس روش دوم ميباشد و ميتواند چهارچوبي از استخراج انواع مختلف مدلهاي ايزوترم ارائه دهد. (ميرس، 1965 )49 نظريه پتانسيل به عنوان نظريه سوم ميباشد که معمولاً بيانگر ايده اصلي در طراحي منحنيهاي مشخصه مي باشد. (دوبينين، 1960)
1-4-1-1 مدل لانگموير
در سال 1916، اروينگ لانگموير50 مدل خود را براي جذب نمونهها بر روي سطوح ساده ارائه داد. لانگموير جايزه نوبل سال 1932 را براي کار خود دريافت کرد. ايزوترم جذب لانگموير در ابتدا براي توصيف جذب سطحي گاز و فاز جامد بر روي کربن فعال براي تعيين کميت و تقابل عملکردهاي مختلف جاذب زيستي تعريف شد. در فرمول اين مدل تجربي، جذب سطحي تک لايه (ضخامت لايه جذب شده در حد يک مولکول) فرض شده است. او فرض کرد که يک سطح داده شده شامل تعداد معيني از سايتهاي هم ارز است که يک گونه ميتواند به صورت فيزيکي يا شيميايي به آن بچسبد.
نظريه او زماني شروع شد که او بديهي شمرد که مولکولهاي گاز يک سطح به صورت الاستيکي به جاي اول خود بر نميگرددند در حالي که اجسام جامد الاستيک ميباشند. در اين مدل جذب يک گاز ايده آل بر روي يک سطح ايدهآل در نظر گرفته ميشود. فرآيند جذب به عنوان يک واکنش که در آن يک مولکول گاز با سايت خالي جامد واکنش ميدهد و حاصل، کمپلکس جذب ميباشد.
جذب سطحي تنها ميتواند در تعداد محدودي از سايتهاي محلي مشخص که مشابه و هم ارز ميباشند رخ دهد بدون تعامل فرعي بين مولکولهاي جذب شده حتي در سايتهاي مجاور. لانگموير به جذب سطحي همگن که هر مولکول داراي آنتالپي ثابت و انرژي فعالسازي يکسان (تمام سايتها داراي ميل برابر براي جذب) اشاره دارد. (کاندو و گابتا، 2006)51
مدل جذب لانگموير از رايجترين مدلهاي مورد استفاده براي تعيين مقدار جذب جاذب بر روي يک جاذب به عنوان تابعي از فشار و يا غلظت در دماي داده شده است که معادله آن به صورت زير مورد است:
q_e=(q_m K_L C_e)/(1+K_L C_e ) (1-1)
در اين معادله ( q_m (mg?g و ( K_L (L?mg ثابت هاي لانگموير که به ترتيب مربوط به ظرفيت تک لايه و انرژي جذب ميباشد.
ثابت بدون بعدي که معمولاً به عنوان فاکتور جداسازي تعريف شده است توسط وبر52 و چاکراورتي53 شناخته شده است و با معادله زير نشان داده شده است ( وبر، 1974) :
R_L=1/(1+K_L C_0 ) (2-1)
در اين معادله K_L به ثابت لانگموير و C_0 به غلظت اوليه جاذب اشاره دارد هر چه R_L پايينتر باشد جذب مطلوبتر است.
R_L>1جذب نامطلوب
R_L= 1جذب به صورت خطي
0?<R?_L<1جذب مطلوب
R_L= 0جذب برگشت نا پذير
1-4-1-2 مدل فرندليچ
ايزوترم فرندليچ اولين ارتباط شناخته شده است که جذب سطحي برگشت پذير و غير ايدهآل که به شکل گيري تک لايه محدود نميشود را توصيف ميکند. اين مدل تجربي را ميتوان براي جذب چند لايه با توزيع غيريکنواخت حرارت جذب و پيوندهاي دروني بر روي سطح ناهمگن اعمال کرد. در اين ديدگاه ميزان جذب شده، مجموع جذب در همه سايتها با محلهاي اتصال قوي است تا زماني که انرژي جذب شده به صورت نمايي کاهش مييابد. (زدويچ، 1934)54
در حال حاضر، ايزوترم فروندليچ به طور گستردهاي در سيستمهاي ناهمگن به ويژه براي ترکيبات آلي و يا گونههاي بسيار تعاملي در کربن فعال و غربال مولکولي استفاده ميشود. شيب بين 0 تا 1 معياري براي سنجش شدت جذب و يا عدم تجانس سطح است و هر چه سطح ناهمگنتر شود شيب به صفر نزديک



قیمت: تومان


پاسخ دهید