10 تیر 1394 منتشرشده در مقالات نوشته شده توسط 

حذف سولفات از محلول های آبی با استفاده از کربن جاذب های طبیعی و کربن فعال تجاری

این مورد را ارزیابی کنید
(0 رای‌ها)

چکیده

هدف و بیان مسأله: سولفات یک آنیون مهم در آب های طبیعی و انتشارات صنعتی مانند فاضلاب­های صنعتی می باشد. غلظت بالای سولفات می­تواند چرخه های طبیعی سولفور را غیرمتعادل کند همچنین وقتی مقادیر اضافه سولفات از طریق برنامه غذایی وارد بدن شود سلامتی آنها را به مخاطره می­اندازد.

مواد و روشها: در این مطالعه کربن ساخته شده از هسته عناب، پوسته گردو و کربن فعال گرانولی به عنوان جاذب به منظور جذب سولفات ازمحلول­های آبی مورداستفاده قرار گرفتند و مقایسه شدند. زمان تماس، pH محلول، غلظت اولیه سولفات در محلول و غلظت جاذب بر میزان جذب بررسی شد.

یافته ها: نتایج حاکی از آن است که جذب سولفات توسط جاذب های مورد استفاده در این پژوهش از مدل ایزوترم لانگمیر به خوبی تبعیت می­کند. بیشترین میزان حذف سولفات، مربوط به کربن فعال تجاری به میزان  mg/g4/6 بود. پس از آن کربن هسته عناب و کربن پوسته گردو به ترتیب حذفی معادل mg/g 9/4 و mg/g 5/4 را از خود نشان داد.

نتیجه گیری: جاذب های طبیعی در این تحقیق، ضایعات کشاورزی می­باشند و خریسد آنها بدون هزینه و یا با هزینه کم انجام می­شود همچنین به دلیل سطح ویژه نسبتاً بالا، در صورت فعال سازی به وسیله عبور گازهای نیتروژن، دی اکسید کربن ، بخار آب و سایر روشها و افزایش سطوح فعال آن می­تواند به یک ماده مؤثر برای حذف سولفات تبدیل شده و جایگزین مناسبی برای کربن فعال شود.

 

 مقدمه

آب در طبيعت بصورت خالص يافت نمي گردد . بلكه همواره مقاديري املاح، مواد معلق و گازهاي محلول را همراه خود دارد و اين موجب مي شود كه آب در مناطق مختلف ويژگي هاي مختلف به خود بگيرد . وجود برخي از املاح در آب براي سلامتي انسان ضروري است و اين در حالي است كه مقدار بيش از حد مجاز آنها سلامتي انسان را به خطر خواهد انداخت . بنابراين وجود آب آشاميدني سالم ضامن سلامتي جامعه است و اولين قدم در شناخت آب، بررسي پارامترهاي آب شرب است(lin & wu، 1996)

سولفات یک آنیون مهم در آب های طبیعی و انتشارات صنعتی مانند فاضلاب­های صنعتی شیمیایی غیرآلی و زهکشی­های اسیدهای معدنی است که به طور عمده از فرایندهای هوادیدگی شیمیایی مواد معدنی حاوی سولفور و اکسیداسیون سولفید و سولفور سرچشمه می­گیرد. سولفات غیرسمی است و سولفور یک عنصر غذایی ضروری برای انواع مختلفی از سیستم­های زنده می­باشد با این وجود غلظت بالای سولفات می­تواند چرخه های طبیعی سولفور را غیرمتعادل کند(Pol, Lens, Stams &  Lettinga، 1998). وقتی سولفات بیش از اندازه وارد معده انسانها شود سلامتی را به مخاطره می­اندازد. سولفات همانند ساير مواد معدني ديگر مي‌تواند باعث بروز لايه‌هاي فلس مانند در لوله‌هاي آب شده و ممكن است موجب طعم نامطلوب در آب و نهايتا بروز اسهال در انسان و چهار پايان اهلي كم سن شود.  حدود آستانه طعم از 250 میلی­گرم در لیتر برای سولفات سدیم تا 1000 میلی­گرم در لیتر برای برای سولفات کلسیم متغیر است. معمولاً در نظر گرفته می­شود که در مقادیر زیر 250 میلی­گرم در لیتر، نامطلوب شدن طعم به حداقل می­رسد. حداکثر مطلوب سولفات در آب آشامیدنی 250 میلی­گرم در لیتر و حداکثر مجاز آن 400 میلی­گرم در لیتر می­باشد(نبی زاده و رازی، 1375). چندين روش براي حذف سولفات از آب، در دسترس مي‌باشد. روش تصفيه انتخابي، به فاكتورهاي زيادي از قبيل ميزان سولفات در آب، ميزان آهن و منگنز در آب و آلودگي باكتريايي آب بستگي دارد. همچنين نوع انتخاب روش، به ميزان آبي كه براي تصفيه نياز مي‌باشد وابسته است. روش هایی که براي تصفيه مقادير كم آب ( جهت شرب و پخت و پز) شامل تقطير و اسمز معكوس تعویض یونی، جذب سطحی اشاره نمود(Yeon park& jeyoo، 2009). سیستم­های تصفیه فیزیکوشیمیایی نظیر تعویض یونی، اسمز معکوس و الکترو دیالیز هزینه­های بهره­برداری بالایی دارند و تولید لجن می­نمایند که دفع آنها مشکل می­باشد(Demiral, and Gunduzogla، 2010).  در میان چندین تکنولوژی که برای حذف آنیون­ها از آب به کار می­رود جاذب­ها در سطح گسترده استفاده می­شوند روش جذب سطحی با کربن فعال با توجه به کارایی و کاربرد آسان آن یکی از پرکاربرد­ترین روش­ها برای حذف فلزات سنگین و آنیون هایی چون سولفات معرفی شده­است(،Pollard, Fowler, Sollars, and Perry 1992). کربن فعال یکی از مهم­ترین جاذب­هایی می­باشد که در حال حاضر در بسیاری از پروژه­های صنعتی جهت حذف آلاینده ها از محلول­های آبی استفاده می­گردد و با توجه به قیمت بالای کربن فعال تجاری محققان سعی در استفاده از جاذب­های کم ارزش طبیعی کرده­اند. از جمله این جاذب­ها می­توان به پوسته برنج، سبوس برنج، هسته زردآلو، پوست گردو، پوست بادام زمینی،دانه مخروطی کاج، سبوس گندم، کاه و خاک اره اشاره کرد(Pollard Fowler, Sollars, & Perry. 1992). این دسته از جاذب­ها جزء جاذب­های جدیدی هستند که به تازگی مورد توجه قرار گرفته­اند و در بسیاری از تحقیقات صورت گرفته نتایج خوبی به­دست آمده است.

(2011) Cao et al در پژوهشی با استفاده از کاه برنج اصلاح شده اقدام به حذف سولفات از محلولهای آبی نمودند. نتایج نشان داد که حداکثر ظرفیت جذب کاه برنج اصلاح شده برابر با mg/g 76/74 در برابر کاه برنج mg/g 68/11 می باشد. داده های بدست آمده توسط ایزوترم های لانگمیر و فروندلیخ توصیف شدند و همچنین به این نتیجه رسیدند که کاه برنج اصلاح شده در جذب سولفات بسیار تخصصی عمل میکند (2011,Cao et al).

در تحقیق حاضر با استفاده از جاذب های ساخته شده از هسته عناب ، پوسته گردو و تأثیر تعدادی از عوامل اثرگذار بر فرایند جذب، یعنی زمان تماس، pH محلول، غلظت اولیه سولفات و غلظت جاذب در محلول برای حذف سولفات از محلول مورد آزمایش قرار گرفت و نتایج آزمایش با کربن فعال دانه ای(GAC) مقایسه گردید.

مواد و روش ها

استوک سولفات از نمک سدیم سولفات((Na2SO4 با درجه خلوص 99% ساخت شرکت مرک آلمان با استفاده از حل کردن در آب مقطر استفاده شد. جهت تنظیم pH از HCl و NaOH 1 نرمال استفاده گردید. از دستگاه شیکر جهت اختلاط نمونه­ها استفاده شد. پس از اختلاط غلظت باقیمانده سولفات نمونه ها توسط نمک باریم به صورت باریم سولفات رسوب داده شد و کدورت حاصل در محلول توسط دستگاه اسپکتروفتومتر مدل(Bio Spec- 1601) در طول موج 420 نانومتر تعیین گردید. در این مطالعه از زغال ساخته شده هسته عناب به عنوان جاذب ارزان قیمت استفاده شد ابتدا هسته عناب جمع­آوری شده  سپس در آون با دمای 60 درجه  خشک شد. پس از خشک شدن در کوره با دمای 700 درجه سانتی­گراد به مدت یک ساعت سوزانده شد سپس در هاون چینی خرد شده و با الک 18 مش الک شد. کربن فعال دانه ای با کیفیت آزمایشگاهی یعنیGAC محصول شرکت مرک آلمان تهیه شد.

با توجه به اهداف در نظرگرفته شده، با آزمایش­های متعددی به منظور بررسی اثر غلظت آلاینده، یافتن غلظت بهینه جاذب، زمان بهینه و pH بهینه، آزمایشها بر روی محلول با غلظت اولیه ppm 450 و مقدار جاذب 1 گرم در 50 سی سی و pH اولیه معادل 7 و زمانهای تماس(270، 210، 150، 90، 30 دقیقه) بر روی هر دو نوع جاذب انجام گردید. با تعیین زمان بهینه آزمایشها به منظور یافتن pH بهینه ادامه یافت و pH بهینه در محدوده (11،10، 9، 8، 7، 6، 5، 4، 3) با زمان بهینه، غلظت اولیه ppm450 و مقدار جاذب 1 گرم در 50 سی سی برای هر دو نوع جاذب بدست آمد. در مرحله بعد غلظت بهینه جاذب ها در محدوده ی(25/0، 5/0، 1، 5/1 و 2  g/50CC) بدست آمد و سرانجام در مرحله آخر آزمایش­های جذب، با استفاده از زمان بهینه، pH بهینه و مقدار جاذب بهینه، غلظت بهینه سولفات با در نظر گرفتن غلظتهای(350، 400، 450، 500 و 550 ppm) بدست آمد. سطح ویژه و حجم تخلخل جاذب ها به کمک آزمایشBET  با دستگاه Gemini2375 شرکتMicromerittics  آمریکا و در پژوهشگاه مواد و انرژی انجام شده است. سطح ویژه برای کربن فعال m2/g 174/891، برای کربن هسته عناب m2/g 286/890 و برای کربن پوسته گردو m2/g  437 تعیین شد.

به منظور تعیین بار جاذب برای توجیه میزان جذب در pH های مختلف از آزمایش pHzpc استفاده شد. بدین منظور محلول 01/0مولار NaCL تهیه کرده و pH آن بین 2 تا 10 تنظیم شد و در ارلن های جدا ریخته شد و مقدار بهینه بدست آمده از هر جاذب وزن شد و درون ارلن های حاوی محلول ریخته شد وبه مدت 12 ساعت درون شیکر با دور rpm250 قرار داده شد. پس از آن pH ثانویه قرائت شد.سپس برای هر جاذب در نموداری محل تلاقی دو pH را رسم کرده که این نقطه pHzpc می­باشد. در pHهای بالای pHzpc بار سطح جاذب منفی و در pH های پایین آن بار سطح جاذب مثبت است.

داده های به دست آمده در طی یک آزمایش جذب سطحی قابلیت های کربن و بسیاری اطلاعات با ارزش دیگر را در صورتیکه به درستی مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد، در اختیار ما می­گذارد. روابط ریاضی زیادی برای تفسیر این داده ها و ارتباط بین حلال و جاذب و فازهای مختلف ارائه شده که همگی در راستای کمک به تفسیر داده های جذب سطحی می­باشند. این داده ها زمانی قابل استفاده در روابط ذکرشده هستند که آزمایشها در دمای ثابت انجام شده باشند و به آنها ایزوترمهای جذب سطحی اطلاق می­شود (2006,Srivastava, Swamy, Mall, Prasad, & Mishra)

جهت تحلیل نتایج جذب و بررسی نتایج جذب دو مدل لانگمیر و فروندلیچ بررسی شدند.

صورت کلی رابطه لانگمیر به شکل زیر بیان می­شود:

(x/m=abCe/(1+aCe     

معادله فروندلیچ به صورت زیر بیان می­شود:

  Log(x/m)= log K + 1/n log Ce

 که در آن:

  x = مقدار ماده جذب شده (مقدار ماده جذب شده بر حسب میلی گرم یا گرم)   

m = جرم جاذب (بر حسب میلی گرم یا گرم)

Ce = غلظت باقی مانده در محلول پس از تکمیل فرایند جذب سطحی (بر حسب میلی گرم بر لیتر)

 Aوb ثابت­های تجربی هستند که برای هر سیستم خاص، در دمای مشخص تعیین می­گردند.

n و  K ثابت­های تجربی هستند که برای هر دما و شرایط آزمایش به طور جداگانه به­دست می­آیند.

به منظور تعیین بار جاذب برای توجیه میزان جذب در pH های مختلف از آزمایش pHzpc استفاده شد. در pH های بالای pHzpc بار سطح جاذب منفی و در pH های پایین آن بار سطح جاذب مثبت است.

نتایج

  بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر میزان جذب

تاثیر زمان تماس بر جذب سولفات

همانطور که درشکل(1) مشاهده می شود منحنی مربوط به کربن هسته عناب و کربن فعال تجاری پس از حدود 210 دقیقه به حالت افقی رسیده و پس از آن درصد حذف سولفات افزایش چندانی نداشته و به تعادل رسیده است در حالی که این زمان درجاذب کربن پوسته گردو 270 دقیقه بوده است. این زمانها، زمان رسیدن به تعادل بین جاذب و ماده جذب شونده با مقادیر اولیه ذکرشده برای آنهاست. سیر صعودی جذب در زمانهای نخست به وفور سایتهای جذب در سطح جاذب مربوط می­شود ولی به تدریج و با گذشت زمان و به دلیل کاهش تعداد سایتهای فعال و افزایش رقابت جهت اشغال سایت ها توسط سولفات روند صعودی کند، و نهایتاً به یک مقدار ثابت سوق می یابد( منتظری، باهر، برامی، قورچی بیگی، 1389 .)

تأثیر pH بر میزان جذب سولفات

مقایسه بعدی ، بررسی نتایج حاصل از تغییرات pH اولیه نمونه ها بوده است این مقایسه ها در شکل (2) ملاحظه می­شود. بیشترین درصد حذف سولفات در محدوده pH خنثی (7-6) بوده است. برای هر یون یک دامنه pH بحرانی وجود دارد جایی که راندمان جذب از مقدار خیلی کم به مقدار بیشینه می رسدکه این مقدار آستانه جذب سطحی گفته می شود(Viraraghvan, & Rao,1991). در صورت مثبت بودن بار سطحی جاذب تمایل آن برای جذب آنیونها افزایش یافته و جذب الکترواستاتیک اتفاق خواهد افتاد. لذا در pH زیر pHzpc، شارژ سطح جاذب مثبت است و بنابراین شارژ مثبت مناسب برای جذب آنیونها می باشد. و با توجه به اینکهpHzpc، برای جاذب های این پژوهش 7 تا 5/8 به دست آمد در نتیجه کاهش جذب در pH قلیایی منطقی می­باشد. سولفات می تواند در محدوده pH 7-6 بسیار فعال بوده و آماده حذف توسط روش های مختلف از جمله تشکیل کمپلکس با جاذب ها شود(Pokhrel, & and Viraraghavan,2006) اختلاف بازده حذف در مورد جاذب های مختلف در شرایط یکسان از نظر وزن جاذب و pH اولیه که در این نمودارها دیده می­شود، به دلیل تفاوت در مقادیر BET این جاذب ها است. قطعا جاذبی با سطح بیشتر قابلیت جذب بهتری هم دارد پس انتظار می­رود که جاذب کربن فعال که مساحت سطح بیشتری در مقایسه با جاذب عناب و گردو دارد مقدار جذب بالاتری هم نشان دهد که کاملا در نتایج دیده می شود.

                           

شکل 1: درصد حذف سولفات از آب آلوده توسط جاذب ها با          شکل2 :  درصد حذف سولفات از آب آلوده توسط                                

              تغییر زمان تماس                                                                              جاذب ها ها با تغییر pH اولیه                                                                                   

 تأثیر مقدار جاذب بر میزان جذب

در آزمایش های تغییر مقدار اولیه جاذب، در ابتدا درصد حذف جاذب های این پژوهش در شکل(3) ارائه شده است. با توجه به نمودار با افزایش مقدار جاذب تا یک مقدار بهینه جذب افزایش می یابد که این مقدار برای هر سه جاذب کربنی 5/1 گرم در 50 میلی لیتر محلول می باشد. علت افزایش در جذب با افزایش جاذب به دلیل افزایش سطح جاذب و میزان دسترسی بیشتر به مکانهای جذب می باشد(منتظری، باهر، برامی، قورچی بیگی، 1389). توقف جذب در یک مقدار بهینه می تواند به دلیل اشباع شدن مکان های جذب باشد.

اثر غلظت اولیه بر میزان جذب

غلظت بهینه برای جاذب های کربن فعال، کربن هسته عناب و کربن پوسته گردو کمترین غلظت(ppm350) می باشد(شکل4). در غلظت های پایین سایتهای خاصی که مسئولیت جذب را بر عهده دارند در غلظت های بالا اشباع می شوند. در شرایط بهینه بدست آمده برای هر دو جاذب حداکثر جذب برای جاذب کربن فعال 52 درصد ، جاذب کربن هسته عناب 48 درصد و برای جاذب پوسته گردو 42 درصد بدست آمد که با توجه به سطح ویژه بالاتر کربن فعال و همچنین فعال بودن این جاذب نتایج بدست آمده دور از انتظار نبود.

              

               

شکل 3: درصد حذف سولفات از آب آلوده توسط جاذب ها با       شکل 4: درصد حذف سولفات از آب آلوده                                         

           تغییر مقدارجاذب                                                              توسط جاذب ها با  تغییر غلظت  اولیه سولفات غلظت       

در شکلهای5 تا 10 مدل های خطی شده ایزوترم های لانگمیر و فروندلیخ بر روی داده های حاصل از آزمایش جذب سولفات بر روی جاذب ها نشان داده شده است که مشاهده می شود ضریب R2 برای ایزوترم های لانگمیر بیشتر از ایزوترم فروندلیچ می باشد یعنی جذب سولفات توسط جاذب های کربنی تطابق بهتری با ایزوترم لانگمیر دارد. این بدان معنی است که سولفات حل شده در محلول تنها با سایتهای روی سطح جاذب برهم کنش می­دهند یعنی جذب فقط به لایه سطح محدود بوده و به صورت یکنواخت انجام می­گیرد و همچنین سایتهای جذب تمایل یکسان برای جذب سولفات دارند

                             

شکل 5:ایزوترم لانگمیر برای جذب سطحی سولفات توسط                        شکل 6:ایزوترم فروندلیچ برای جذب سطحی     

          جاذب  کربن فعال تجاری                                                                             سولفات توسط جاذب کربن فعال تجاری

 

                               

شکل 7: ایزوترم لانگمیر برای جذب سطحی سولفات                            شکل 8: ایزوترم فروندلیچ برای جذب سطحی سولفات   

           توسط جاذب کربن هسته عناب                                                               توسط جاذب کربن هسته عناب                                                                                                     

                               

شکل 9: ایزوترم لانگمیر برای جذب سطحی سولفات                           شکل 10:ایزوترم فروندلیچ برای جذب سطحی سولفات

     توسط   جاذب کربن پوسته  گردو                                                                   توسط جاذب کربن پوسته گردو      

 نتیجه گیری:

نتیجه های این پروژه بیانگر این نکته می­باشد که جذب سولفات به میزان قابل توجهی به pH محلول بستگی دارد و pH بهینه برای هر دو جاذب در محدوده pH طبیعی(7-6) می­باشد.

همچنین نتایج نشان دادند که مدل همدمای لانگمیر، مدلی است که جذب سولفات توسط دو جاب کربن فعال تجاری و کربن هسته عناب از آن تبعیت می­کند و معادله خطی بدست آمده از نمودار همدمای لانگمیر، به خوبی و با ضریب همبستگی بالا، بیوجذب انجام شده را پیش­بینی می­کند.

از آنجا که هسته عناب، ضایعات کشاورزی می­باشد خرید آن بدون هزینه و یا با هزینه کم انجام می­شود همچنین به دلیل سطح ویژه نسبتاً بالا، در صورت فعال سازی به وسیله عبور گازهای نیتروژن، دی اکسید کربن ، بخار آب و سایر روشها و افزایش سطوح فعال آن می­تواند به یک ماده مؤثر برای حذف سولفات تبدیل شده و جایگزین مناسبی برای کربن فعال شود.

پوست گردو نیز به عنوان یک ماده سلولزی با ساختار سلولی و متخلخل در تحقیقات بسیار، قابلیت بسیار خوبی به عنوان یک ماده خام برای تولید کربن فعال با سطح بسیار بالا از خود نشان داده است در نتیجه با فعال کردن این ماده می­توان به یک جاذب ارزان قیمت با بازده جذب بسیار بالا در حذف سولفات دست یافت.

 


 

فهرست مأخذ

1) منتظری، ن.، باهر، الف.، برامی، ز.، و قورچی بیگی، م. (1389). نقش کیوی در حذف آلودگی های زیست محیطی و بررسی عوامل مؤثر بر آن(مطالعه منطقه ای کیوی در تنکابن)، فصلنامه علوم و فنون منابع طبیعی، (1)،  118- 128

2) نبی­زاده نودهی، ر.، و فائزی رازی، ن.(1375). رهنمودهای کیفیت آب آشامیدنی،سازمان بهداشت جهانی،(1)،  ص 84

Reference

3) Cao, W., Dang, Z., Zhou, X.Q., Yi, X.Y., Wu, P.X., Zhu, N.W., et al. (2011). Removal of sulphate from aqueous solution using modified rice straw preparation. Characterization and adsorption performance, 85(3), 571-577

4) Demiral, H., & Gunduzogla, G. (2010). Removal of nitrate from aqueous solutions by activated carbon prepared from sugar­­ beet bagasse. Bio resource Technology, 101(2), 1675-1680

5) Lin, S.H., & Wu, C.U. (1996). Removal of nitrogenous compounds from aqueous solution by ozonation and ion exchange. Water Research, 30(3), 1851-1857.

6) Pokhrel, D., & Viraraghavan, T., (2006). Arsenic removal from an aqueous solution by a modified fungal biomass. Water Res, 40(1), 549-552

7) Pol, L. W. H., Lens, P. N. L., Stams, A. J. M., &  Lettinga, G.( 1998). Anaerobic treatment of sulphate-rich wastewaters. Biodegradation, 9(2), 213–224.

8) Pollard, S.J.T., Fowler, G.D., Sollars, C.G., & Perry, R. (1992). Low- Cost adsorbents for waste and wastewater treatment. A review, sci, total Environ, 116(1), 31-52.

9) Srivastava, C., Swamy, M., Mall, I., Prasad, B., & Mishra, M. (2006). Adsorptive removal of phenol by bagasse fly ash and activated carbon: Equilibrium, kinetics and thermodynamics. J. Colloids and surfaces, 272(1), 89-104

10) Viraraghvan, T., & Rao, A.k. (1991) Adsorption of cadmium and chromium from wastewater by fly ash. J. Environ. Sci. Health, 26(3), 721-753

11) Yeon park, J., & Jeyoo, Y. (2009).Biological nitrate removal in industrial waste water treatment: which electron donor we can choose. Apple Microbiol Biotechnol. 82(3), 475-429 

بازدید 7262 بار
آخرین ویرایش در چهارشنبه, 10 تیر 1394 ساعت 10:14

ارتباط با ما

آدرس

ایران - تهران - دانشگاه علم و صنعت - دفتر مرکز پژوهش و فناوری علم و توسعه.

تلفن و فکس

77240664 - 021

021 - 77240667

ایمیل

این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید