دانشگاه مراغه
دانشکده علوم پايه
گروه شيمي
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد در رشته علوم و فناوري نانو- نانوشيمي
عنوان:
حذف همزمان آرسنيک و باکتري از آب با استفاده از نانوجاذب هاي برمبناي کيتوسان اصلاح شده با فلز
اساتيد راهنما:
دکتر سيد سيامک زواره
دکتر محمود زارعي
استاد مشاور:
دکتر مرتضي ايرانيفام
پژوهشگر:
حسن عزيزي
بهمن 93

با تقديم به

سپاس و قدرداني
از استاد راهنمايان ارجمندم
جناب آقاي دکتر سيد سيامک زواره و جناب آقاي دکتر محمود زارعي
که همواره از راهنمايي هاي علمي و اخلاقي ايشان بهرهمند گرديده ام نهايت تشکر و قدر داني را دارم.
و آرزي موفقيت روزافزون براي ايشان دارم.
از جناب آقاي دکتر مرتضي ايرانيفام که مشاوره اين پايان نامه را بر عهده داشتند صميمانه تشکر مي نمايم.
نام خانوادگي دانشجو: عزيزي نام: حسناستاتيد راهنما: دکتر سيامک زواره
دکتر محمود زارعي
استاد مشاور: دکتر مرتضي ايرانيفاممقطع تحصيلي: کارشناسي ارشد رشته: علوم و فناوري نانو- نانوشيمي دانشگاه: مراغه
دانشکده: علوم پايه تاريخ دانش آموختگي: 28/11/1393 تعداد صفحه: 115کليد واژه ها: آلايندگي؛ آرسنيک؛ بيوپليمر؛ جذب؛ فعاليت ضدميکروبي
چکيده
هدف از اين کار افزايش کارايي جذب کيتوسان نسبت به As(III)، گونه بسيار سمي و متداول آرسنيک در آب هاي زيرزميني، و افزايش فعاليت ضدميکروبي آن در pH خنثي، pH آب هاي طبيعي، است. بنابراين نانوکامپوزيت مس-کينوسان/آلومينا تهيه و به عنوان جاذب جديد براي حذف As(III) مورد استفاده قرار گرفت. ويژگي هاي جاذب تهيه شده توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي(SEM) ، طيف سنجي انرژي متفرق کننده اشعه X (EDX)، ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM)، طيف سنجي مادون قرمز(FTIR) و طيف سنجي پراش اشعه ايکس (XRD) بررسي شد. جاذب اصلاح شده مورفولوژي سطح متخلخل تري را نسبت به کيتوسان خالص نشان داد. تصاوير فاز AFM پراکندگي نانوذرات آلومينا در ماتريس پليمر را نشان داد. نتايج FTIR، EDX و XRD مشخص کردند که يون هاي Cu2+ با گروه هاي آمين روي سطح کيتوسان کمپلکس تشکيل داده است. رفتار جذب As(III) بر روي Cu-chitosan/nano-Al2O3، chitosan/nano-Al2O3 و کيتوسان خالص با استفاده از سنتيک جذب و مطالعات ايزوترم در دماي اتاق بررسي شد. داده هاي جذب براي سه نوع جاذب توسط هر دو مدل لانگموير و فروندليچ بخوبي پردازش شدند. داده هاي سنتيکي نشان دادند که مطابقت خوبي با مدل سنتيکي شبه نوع دوم دارند. جاذب اصلاح شده ظرفيت جذب و سرعت اوليه جذب بالاتري را ارائه کرد. فعاليت ضدميکروبي جاذب ها توسط روش حداقل غلظت بازدارنده (MIC) مورد مطالعه قرار گرفت. فعاليت ضدميکروبي Cu-chitosan/nano-Al2O3 بسيار بالاتر از chitosan/nano-Al2O3 و کيتوسان خالص بود.
فهرست مطالب
فصل اول
مقدمه و بررسي منابع
1-1- مقدمه3
1-2- آرسنيک4
1-3- روش هاي حذف آرسنيک از آب6
1-3-1- روش فرآيند غشايي اسمز معکوس6
1-3-2- روش انعقاد و لخته سازي-ترسيب7
1-3-3- روش جذب سطحي8
1-4- تعريف جذب سطحي9
1-4-1- مهمترين عوامل موثر بر جذب سطحي10
1-4-1-1- مساحت سطح جذب10
1-4-1-2- ماهيت ماده جذب شونده و جاذب11
1-4-1-3- pH11
1-4-1-4- دما11
1-4-2- اساس پديده جذب سطحي12
1-4-3- مکانيسم فرآيند جذب13
1-4-3-1- جذب سطحي فيزيکي14
1-4-3-2- جذب سطحي شيميايي15
1-4-4- جاذب هاي مورد استفاده در جذب سطحي16
1-5- متداولترين جاذب هاي مورد استفاده در حذف آرسنيک17
1-5-1- کيتوسان و نانوکامپوزيت هاي آن17
1-5-2- آلوميناي فعال19
1-5-3- نانوذرات آهن صفر ظرفيتي20
1-6- ايزوترم هاي جذب سطحي20
1-6-1- ايزوترم جذب لانگموير21
1-6-2- ايزوترم فروندليچ23
1-7- سنتيک جذب24
1-7-1- مدل سنتيکي شبه مرتبه اول25
1-7-2- مدل سنتيکي شبه مرتبه دوم25
1-7-3- مدل نفوذ درون ذرهاي26
1-8- برخي از مواد داراي خاصيت آنتي باکتريال27
1-8-1- کيتوسان27
1-8-2- يون هاي مس و کمپلکس کيتوسان- مس28
1-8-3- نانوذرات نقره29
1-9- مروري بر کارهاي انجام شده30
1-10- اهداف پروژه حاضر34

فصل دوم
مواد و روش ها
2-1- مواد شيميايي مورد استفاده39
2-2- جاذب هاي مورد استفاده براي حذف آرسنيک (III)42
2-3- تهيه جاذب ها42
2-3-1- روش تهيه کامپوزيت کيتوسان/نانوآلومينا42
2-3-2- روش سنتز نانو جاذب کيتوسان/آلومينا اصلاح شده با مس(II)42
2-4- دستگاه هاي مورد استفاده43
2-5- بررسي خصوصيات جاذب ها43
2-6- روش تهيه محلول استاندارد آرسنيت44
2-7- آزمايشات جذب دسته اي (بچ)45
2-7-1- بررسي مقدار بهينه نانوآلومينا در کامپوزيت Chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)45
2-7-2- بررسي نسبت بهينه مس به کيتوسان در نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III) 46
2-7-3- بررسي تاثير غلظت اوليه آرسنيک بر فرآيند جذب سطحي (مطالعات ايزوترم جذب)46
2-7-4- بررسي تاثير زمان تماس بر فرآيند جذب سطحي As(III) (مطالعات سنتيک جذب)47
2-8- بازجذب و استفاده مجدد از جاذب ها47
2-9- روش آناليز48
2-10- بررسي اثر تداخل يون هاي رايج48
2-11- بررسي خاصيت ضد ميکروبي جاذب ها48
فصل سوم
نتايج و بحث
3-1- بررسي ساختار و ويژگيهاي جاذبهاي کيتوسان، کيتوسان/نانوآلومينا و مس-کيتوسان/نانوآلومينا53
3-1-1- ويژگي هاي مورفولوژي جاذب ها53
3-1-2- مطالعاتEDX جاذب ها56
3-1-3- مطالعاتAFM جاذب ها57
3-1-4- مطالعاتXRD جاذب ها58
3-1-5- مطالعات FTIR جاذب ها 61
3-2- ساختار فرضي نانوکامپوزيت کيتوسان/آلومينا66
3-3- بررسي پارامترهاي موثر بر جذب As(III) به روش ناپيوسته در دماي محيط و pH خنثي69
3-3-1- بررسي مقدار بهينه نانوذرات آلومينا در Chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)69
3-3-2- بررسي نسبت بهينه مس به کيتوسان در نانوجاذب اصلاح شده جهت حذف As(III)70
3-3-3- بررسي تاثير غلظت اوليه As(III)بر فرآيند جذب سطحي 71
3-3-4- بررسي تاثير زمان تماس بر فرآيند جذب سطحي As(III)73
3-4- ايزوترم هاي جذب سطحي77
3-4-1- بررسي ايزوترم هاي جذب As(III) توسط جاذب کيتوسان77
3-4-1-1- بررسي ايزوترم لانگموير77
3-4-1-2- بررسي ايزوترم فروندليج78
3-4-2- بررسي ايزوترم هاي جذب As(III) توسط نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O381
3-4-2-1- بررسي ايزوترم لانگموير81
3-4-2-2- بررسي ايزوترم فروندليج82
3-4-3- بررسي ايزوترم هاي جذب As(III) توسط نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O384
3-4-2-1- بررسي ايزوترم لانگموير84
3-4-2-2- بررسي ايزوترم فروندليج85
3-5- سنتيکهاي جذب سطحي87
3-5-1- مدل سنتيکي شبه مرتبه اول88
3-5-2- مدل سنتيکي شبه مرتبه دوم91
3-5-3- مدل نفوذ درون ذرهاي95
3-6- اثر pH اوليه98
6-7- اثر تداخل يون هاي رايج100
3-8- قابليت استفاده مجدد از جاذب101
3-9- حذف آرسنيک از آب هاي طبيعي 101
3-6- فعاليت ضدميکروبي102
4- نتيجه گيري104
5- پيشنهادات106
6- منابع107
فهرست اشکال
شکل 1-1- مراحل جذب در سطوح دروني13
شکل 1-2- نمودار خطي ايزوترم جذب لانگموير22
شکل 1-3- مقايسه نمودارهاي ايزوترم جذب فروندليچ بر اساس مقادير n24
شکل 3-1- تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي از نمونه جاذب هاي (a کيتوسان (b نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O3 و (c نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O3 54
شکل 3-2- ميکروگراف هاي SEM از (a کيتوسان خالص (b نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O3 (c نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O3 پس از جذب55
شکل3-3- آناليز EDX مربوط به نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O356
شکل 3-4- تصاوير AFM از سطح نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O3 57
شکل 3-5- پراش اشعه X نمونه نانوذرات آلومينا58
شکل 3-6- پراش اشعه X نمونه کيتوسان59
شکل 3-7- پراش اشعه ايکس نمونه نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O360
شکل 3-8- پراش اشعه ايکس نمونه نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O360
شکل 3-9- فازهاي کريستالي (a Chitosan/nano-Al2O3 و (b Cu-chitosan/nano-Al2O3 با توجه به الگوهاي XRD آنها61
شکل3-10- طيف FT-IR مربوط به کيتوسان62
شکل3-11- طيف FT-IR مربوط به نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O363
شکل3-12- طيف FT-IR مربوط به نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O364
شکل3-13- طيف FT-IR مربوط به نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O3 پس از جذب65
شکل 3-14- طيف FTIR (a کيتوسان خالص (b Chitosan/nano-Al2O3 (c و (d نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 قبل و پس از جذب66
شکل 3-15- ساختار فرضي نانو کامپوزيت کيتوسان/آلومينا67
شکل 3-16- ساختار کمپلکس کيتوسان-مس (a) مدل پل (b) مدل آويز68
شکل 3-17- تاثير غلظت اوليه As(III) بر ظرفيت جذب سطحي جاذب هاي مورد استفاده72
شکل 3-18- داده هاي سنتيک براي جذب As(III) بر روي جاذب هاي مورد استفاده75
شکل 3-19- فرم خطي ايزوترم لانگموير براي جاذب کيتوسان خالص78
شکل 3-20- فرم خطي ايزوترم فروندليچ براي جاذب کيتوسان خالص79
شکل 3-21- فرم خطي ايزوترم لانگموير براي نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O381
شکل 3-22- فرم خطي ايزوترم فروندليچ براي نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O383
شکل 3-23- فرم خطي ايزوترم لانگموير براي نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 85
شکل 3-24- فرم خطي ايزوترم فروندليچ براي نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O386
شکل 3-25- مدل سنتيک شبه نوع اول براي جذب As(III) روي جاذب کيتوسان88
شکل 3-26- مدل سنتيک شبه نوع اول براي جذب As(III) روي نانو جاذب Chitosan/nano-Al2O389
شکل 3-27- مدل سنتيک شبه نوع اول براي جذب As(III) روي Cu-chitosan/nano-Al2O390
شکل 3-28- مدل سنتيک شبه مرتبه دوم براي جذب As(III) روي کيتوسان91
شکل 3-29- مدل سنتيک شبه مرتبه دوم براي جذب As(III) روي Chitosan/nano-Al2O392
شکل 3-30- مدل سنتيک شبه مرتبه دوم براي جذب As(III) روي Cu-chitosan/nano-Al2O393
شکل 3-31- مدل نفوذ درون ذرهاي براي جذب As(III) روي کيتوسان95
شکل 3-32- مدل نفوذ درون ذرهاي براي جذب As(III) روي Chitosan/nano-Al2O396
شکل 3-33- مدل نفوذ درون ذرهاي براي جذب As(III) روي Cu-chitosan/nano-Al2O396
شکل 3-34- اثر pH اوليه روي جذب As(III) توسط کيتوسان خالص، Chitosan/nano Al2O3 و Cu-chitosan/nano Al2O399
شکل3-35- تعيين pHpzc براي جاذب هاي کيتوسان ، Chitosan/nano Al2O3 و Cu-chitosan/nano Al2O399
شکل 3-36- ظرفيت جذب As(III) در حضور آنيون هاي تداخل (500 mg/l). شرايط آزمايش: غلظت آرسنيک سه ظرفيتي 50 mg/l و مقدار جاذب 2 g/l100
شکل 3-37- بازده جذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 نسبت به چرخه هاي بازسازي101
شکل3-38- نمودار MIC جاذب ها در برابر گونه هاي مختلف ميکروبي104
فهرست جداول
جدول2-1- مشخصات مهم کيتوسان39
جدول 2-2- مشخصات مهم نانو ذرات آلومينا40
جدول 2-3- مشخصات مهم سديم آرسنيت41
جدول3-1- درصد اتمي و وزني عناصر مورد استفاده در نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O357
جدول 3-2- بررسي تاثير نسبت آلومينا به کيتوسان بر خواص جذبي Chitosan/nano-Al2O369
جدول 3-3- بررسي نسبت مس به گلوکز آمين بر روي جذب جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O370
جدول3-4- بررسي تاثير غلظت اوليه As(III)بر فرآيند جذب سطحي جاذب کيتوسان71
جدول3-5- بررسي تاثير غلظت اوليه As(III) بر فرآيند جذب Chitosan/nano-Al2O371
جدول3-6- بررسي تاثير غلظت اوليه As(III) بر فرآيند جذب Cu-chitosan/nano-Al2O372
جدول3-7- بررسي تاثير زمان تماس بر فرآيند جذب As(III) توسط کيتوسان74
جدول3-8- بررسي تاثير زمان تماس بر فرآيند جذب As(III) توسط Chitosan/nano-Al2O374
جدول3-9- بررسي تاثير زمان تماس بر فرآيند جذب آرسنيک توسط Cu-chitosan/nano-Al2O375
جدول3-10- بررسي ايزوترم لانگموير جاذب کيتوسان خالص77
جدول3-11- پارامترهاي ايزوترم لانگموير براي جذب As(III) روي کيتوسان خالص78
جدول3-12- بررسي ايزوترم فروندليچ جاذب کيتوسان خالص80
جدول3-13- پارامترهاي ايزوترم فروندليچ براي جذب As(III) روي کيتوسان خالص80
جدول3-14- بررسي ايزوترم لانگموير نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O381
جدول 3-15- پارامترهاي ايزوترم لانگموير براي جذب As(III) روي Chitosan/nano-Al2O382
جدول3-16- بررسي ايزوترم فروندليچ نانو جاذب Chitosan/nano-Al2O382
جدول 3-17- پارامترهاي ايزوترم فروندليچ براي جذب As(III) روي Chitosan/nano-Al2O383
جدول3-18- بررسي ايزوترم لانگموير نانو جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O384
جدول 3-19- پارامترهاي ايزوترم لانگموير براي جذب As(III) روي Cu-chitosan/nano-Al2O385
جدول3-20- بررسي ايزوترم فرونديچ نانو جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O386
جدول 3-21- پارامترهاي ايزوترم فروندليچ براي جذب As(III) روي Cu-chitosan/nano-Al2O386
جدول3-22- بررسي سنتيک شبه مرتبه اول براي جاذب کيتوسان88
جدول3-23- بررسي سنتيک شبه مرتبه اول براي جاذب Chitosan/nano-Al2O389
جدول3-24- بررسي سنتيک شبه مرتبه اول براي جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O390
جدول3-25- بررسي سنتيک شبه مرتبه دوم براي جاذب کيتوسان91
جدول3-26- بررسي سنتيک شبه مرتبه دوم براي جاذب Chitosan/nano-Al2O392
جدول3-27- بررسي سنتيک شبه مرتبه دوم براي جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O393
جدول 3-28- پارامترهاي مدل هاي سنتيکي شبه مرتبه اول و دوم براي جذب As(III) روي کيتوسان94
جدول 3-29- پارامترهاي مدل هاي سنتيکي شبه مرتبه اول و دوم براي جذب As(III) روي نانوکامپوزيت Chitosan/nano-Al2O3 94
جدول3-30- پارامترهاي مدل هاي سنتيکي شبه مرتبه اول و دوم براي جذب As(III) روي نانوکامپوزيت Cu-chitosan/nano-Al2O394
جدول 3-31- پارامترهاي مدل نفوذ درون ذرهاي براي جذب As(III) روي کيتوسان، Chitosan/nano-Al2O3 و Cu-chitosan/nano-Al2O397
جدول 3-32- پارامترهاي فيزيکوشيميايي نمونه آب طبيعي ( جمع آوري شده از آب زيرزميني چاه از يک منطقه روستايي مراغه، ايران) مشخص شده با As(III)102
جدول 3-33- MIC جاذب ها در برابر گونه هاي مختلف ميکروبي103
فصل اول
مقدمه و بررسي منابع
1-1- مقدمه
اهميت آب و نقش حياتي آن در زندگي انسان، حيوان، نبات و محيط زيست آنقدر روشن است که نياز به دليل و برهان ندارد. بسياري از مشکلات بهداشتي کشورهاي در حال پيشرفت ناشي از عدم برخورداري از آب آشاميدني سالم است. از آنجايي که محور توسعه پايدار، انسان سالم است و سلامت انسان در گرو بهره مندي از آب آشاميدني مطلوب مي باشد بدون تامين آب سالم جايي براي سلامت مثبت و رفاه جامعه، وجود ندارد. آب از دو بعد بهداشتي واقتصادي حائز اهميت است. از بعد اقتصادي به حرکت درآورنده چرخ صنعت و رونق بخش کشاورزي است. از بعد بهداشتي آب با کيفيت تضمين کننده سلامت انسان است.
اگر چه از ديد ما پنهان است، اما آب داراي آثار بسيار زيادي در حيات جانداران به ويژه انسان مي باشد. آب آشاميدني علاوه بر تامين مايع مورد نياز بدن به مفهوم مطلق آن يعني H2O ، در بردارنده املاح و عناصر ضروري براي موجودات زنده و انسان مي باشد که کمبود پاره اي از آن‌ها در آب ايجاد اختلال در بدن موجود زنده مي کند. از طرفي آب آشاميدني در بردارنده عناصر و ترکيبات شيميايي سمي نيز مي باشد که برخي از آنها سرطان زا بوده و براي سلامتي انسان بسيار مضر هستند. همچنين موجودات ذره بيني گوناگوني نيز در آب پيدا مي شوند که بعضي از آنها بيماري زا بوده و ايجاد بيماري هاي عفوني خطرناکي مي کنند. بنابراين توسعه فناوري هاي مختلف جهت تهيه و تامين آب آشاميدني سالم براي جامعه از اهميت بالايي براي ارتقاء سلامت جامعه برخوردار است.
فن‌آوري نانو با راهکارهاي نوين و جديد خود اظهار مي‌دارد كه مواد با پايه نانو مي‌توانند به فن‌آوري‌هاي تصفيه آب ارزان قيمت‌تر، بادوام‌تر و مؤثرتري منجر شوند، و بخشي از نيازهاي كشورهاي در حال توسعه را برآورده ‌سازند. بر اين اساس با توجه به توانمندي هاي فراوان فناوري نانو نسبت به روش هاي قديمي و سنتي موجود، در حذف و کنترل آلودگي هاي محيطي و همچنين تصفيه و جلوگيري از انتشار آلودگي ها، مي توان آن را به عنوان يک تکنولوژي سبز و ابزاري موثر براي دستيابي به توسعه اي پايدار ، چه از نظر اقتصادي و چه از نظر بهره وري بيشتر در نظر گرفت. لذا در اين پروژه کاربردهاي نانوجاذب هاي بر مبناي کيتوسان در تصفيه آب آشاميدني براي حذف آرسنيک سه ظرفيتي و باکتري مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
1-2- آرسنيک
آرسنيک سومين عنصر گروه پنجم جدول تناوبي است. عدد اتمي آن 33 و جرم اتمي آن 92/74 مي باشد. اين عنصر با ظرفيت هاي مختلف و نيز به صورت معدني و آلي در طبيعت يافت مي شود. ميزان آرسنيک در پوسته زمين 8/1 ميلي گرم در کيلوگرم بوده، معمولاً به صورت ترکيب با گوگرد و يا فلزاتي نظير مس، کبالت، سرب، روي و غيره يافت مي شود. از اين عنصر در کشاورزي، دامداري، پزشکي، الکترونيک، صنعت و متالوژي استفاده مي گردد [1]. آرسنيک در اثر انحلال مواد معدني موجود در سنگ ها و خاک هايي که تحت تاثير عوامل فرساينده طبيعي قرار گرفته اند در لايه هاي زمين پخش شده و باعث آلودگي آب مي گردد. آرسنيک بي رنگ ، بي بو ، بي مزه و بسيار سمي و سرطان زاست. همچنين آرسنيک سه ظرفيتي(آرسنيت1) در اکثر اوقات سمي تر از نوع پنج ظرفيتي (آرسنات2) مي باشد [1 و2]. آلودگي آرسنيک در آب، به خصوص آب هاي زير زميني، به دليل سميت و مخاطره آميز بودن آن، به عنوان يک مشکل اساسي در جوامع مختلف مطرح است. در آب هاي طبيعي آلوده مقدار آن در حد 1 تا 2 ميلي گرم در ليتر نيز گزارش شده است[3]. مصرف طولاني مدت اين عنصر سبب ايجاد سرطان مي شود [4]. براساس تقسيم بندي سازمان بين المللي تحقيقات سرطان (IARC)3، ترکيبات غير آلي آرسنيک در گروه يک (سرطان زا براي انسان) قرار دارند [5]. اين عنصر به عنوان آلاينده مهم آب آشاميدني به ويژه در نواحي آسياي جنوبي شناخته شده است. در اين نواحي ميليون ها نفر در خطر ابتلا به بيماري هاي مرتبط با آرسنيک مي باشند [6].
در ايران نيز مواردي از آلودگي در استان هاي خراسان و کردستان گزارش شده است. بر اساس مطالعات صورت گرفته غلظت آرسنيک در آب آشاميدني 10 روستا در استان کردستان بيش از غلظت مجاز بوده و تغييرات آن بين 10 تا 500 ميکروگرم در ليتر گزارش شده است[7]. سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا و سازمان جهاني بهداشت بر مبناي مطالعات انجام گرفته، کاهش مقادير مجاز آرسنيک در آب آشاميدني از 50 به 10 ميکرو گرم در ليتر را مد نظر قرار داده [8] تا از طبيعت سرطان زايي آرسنيک در سيستم گوارشي انسان جلوگيري به عمل آورده و از طرفي از عوارض کبدي، ريوي، کليه و اثرات پوستي ممانعت نمايد [9]. اين عنصر از طريق پوست، سيستم تنفسي و گوارشي جذب بدن شده و سپس به صورت وسيعي در جريان خون آشکار مي شود. مطالعات انجام شده اثرات سرطان زايي آرسنيک را که از طريق تنفس و خوردن وارد بدن انسان مي شود به اثبات رسانيده است که البته اين خطرات به عواملي از قبيل مدت مواجهه، راه ورود آرسنيک به بدن، نوع و منبع آرسنيک بستگي دارد [10 و 11]. از طرفي مسموميت مزمن با آرسنيک ممکن است بر برخي از اندام هاي بدن نظير اندام هاي تنفسي، گوارشي، خون، کبد، کليه، و پوست و قلب و عروق تاثير گذارد [12]. بر اساس استاندارد آب آشاميدني ايران، حداکثر غلظت اين آلاينده در آب شرب برابر 50 ميکروگرم در ليتر تعيين شده است.
1-3- روش هاي حذف آرسنيک از آب
از زمان شناسايي مشكلات بهداشتي ناشي از حضور آرسنيك در آب آشاميدني، تلاش هاي فراواني توسط دانشمندان در نقاط مختلف دنيا براي حذف آرسنيك از آب شرب با استفاده از روش هاي مختلف و نو بويژه روش هاي جذبي به عمل آمده و همچنان ادامه دارد [13]. به دليل اينکه در آب هاي طبيعي حذف آرسنيت از آرسنات سخت تر است، معمولا براي دستيابي به ميزان بالاي حذف از آب آشاميدني، طي يک مرحله ي پيش تصفيه قبل از فرآيند اصلي حذف، آرسنيت به آرسنات اکسيد شده و سپس نسبت به حذف آرسنات اقدام مي شود [14]. روش هاي مختلفي براي حذف آرسنيک و دستيابي به حدود تعيين شده در آب آشاميدني وجود دارد که مهم ترين آنها شامل فرآيندهاي غشائي، انعقاد- ترسيب و جذب سطحي مي باشند که هر کدام مزايا و معايب خود را دارند [14].
1-3-1- روش غشائي اسمز معکوس4
يکي از روش هاي نوين تصفيه آب که امروزه در اکثر نقاط دنيا رو به گسترش بوده و قادر است حدود استانداردهاي جديد تعيين شده را تامين نمايد، استفاده از فرآيندهاي غشائي مي باشد. نتايج حاصل از اين تحقيقات نشان دهنده آن است که فرآيندهاي غشائي به خصوص اسمز معکوس، در حذف آرسنيک از آب آشاميدني به طور قابل ملاحظه اي موثرهستند. در آژانس حفاظت محيط زيست آمريکا غشاي TFC-ULP آزمايش شد که حذف آرسنيک (V) را 5/97 درصد و آرسنيک (III) را 5/92 نشان داد [15]. همچنين تحقيقي در ساندياگو با استفاده از غشاهاي RO در چند پايلوت مختلف انجام شد که حذف آرسنيک (V) ، 99 درصد و حذف آرسنيک(III) ، 84 درصد بوده است[16]. در ايران نيز دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکي تهران تحقيقي در رابطه با عوارض ناشي از آرسنيک در آب استان کردستان و روش هاي حذف آن از آب آشاميدني انجام داده است که در آن به روش اسمز معکوس به عنوان يکي از مناسب ترين روش هاي حذف آرسنيک از آب براي سيستم هاي کوچک اشاره شده است. در اين تحقيق نيز پنج نوع غشاء RO براي حذف آرسنيک آب شهر دلبران در استان کردستان که از نوع آرسنيک (III) مي باشد مورد مطالعه قرار گرفت و درصد حذف آرسنيک کليه غشاءها بالاتر از 80 درصد بوده است[17].
فرآيند اسمز معکوس نيازمند استفاده از غشاء داراي هزينه هاي نگهداري بالا و تعويض مي باشد و همين طور فرآيندي هزينه بر است و نيز As(V) را بيشتر از As(III) حذف مي کند که اين امر نيازمند اکسيد نمودن As(III) به As(V) مي باشد تا بتوان بهتر آن را از آب جداسازي نمود.
1-3-2- روش انعقاد و لخته سازي-ترسيب
انعقاد و لخته سازي يک روش فيزيکو شيميايي تصفيه است که مواد شيميايي مختلف مانند (آهک، آلوم، سولفات فرو، پلي الکتروليتها و … ) به مقادير مناسب به آب اضافه گشته تا ذرات کوچک و کلوئيدي، سبک وغير قابل ته نشيني، به ذرات بزرگتر، سنگين تر و قابل ته نشين تبديل گشته و از طريق مکانيسم ته نشيني حذف گردند.
بطورکلي عوامل مختلفي همچون شرايط فرآيندي انعقاد و لخته سازي (سرعت و زمان اختلاط)، pH آب، قليائيت، کدورت، TDS آب و درجه حرارت در کارايي يک منعقد کننده تاثير گذار مي باشند. به علاوه ساير پارامترهاي محيطي و کيفي ديگري نيز بر عمليات تأثيرگذارند که سبب اختلاف در دوز بهينه ماده منعقد کننده براي هر نمونه آب مي شود [18]. از اين رو انتخاب منعقد کننده مناسب و تعيين دوز بهينه آن از طريق کمي و فرمولاسيون قابل محاسبه نبوده و از طريق تجربي و با آزمايش جار تعيين مي گردد.
به طور سنتي، فرآيندهاي انعقاد و فيلتراسيون جهت حذف آرسنيک نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مواد منعقدکننده همچون آلوم، کلريد فريک، سولفات فريک و آب‌آهک جهت حذف آرسنيک با درجه‌هاي مختلف کاربرد دارند. فرآيند انعقاد و لخته سازي براي حذف As(V) موثرتر از As(III) است به دليل اينکه As(III) در pH خنثي بدون بار مي باشد. اگر آرسنيک در آب به شکل سه ظرفيتي وجود داشته باشد، نخست بايد با استفاده از کلر، ازون يا پرمنگنات به شکل آرسنات اکسيد شود. ساز و کارهاي حذف As(V) بوسيله‌ي فرآيند انعقاد مي‌تواند ترکيبي از ترسيب، ترسيب همزمان و جذب سطحي باشد [19].
مطالعات انجام شده توسط وانگ5 و همکاران نشان داد که در روش هاي تصفيه مرسوم، فرآيند انعقاد با نمک هاي آهن در مقايسه با نمک هاي آلومينيوم مي تواند منتهي به نتايج بهتري در حذف آرسنيک گردد [20].
1-3-3- روش جذب سطحي
با اينکه روش هاي مختلفي براي حذف آرسنيک از آب وجود دارد با اين حال اکثر فرآيندهاي فوق الذکر از معايب قابل توجهي مانند نياز به انرژي بالا و در نتيجه پر هزينه بودن فرآيند، راندمان اندك، توليد مقادير زياد لجن، نياز به مواد شيميايي خاص و پر هزينه بودن فرآيند بازيافت برخوردار هستند [21]. بنابراين بدليل محدويت هاي فني و اقتصادي روش هاي فوق، جستجو براي روش هاي جديد بشدت توصيه شده و در اين راستا جذب سطحي بعنوان يک گزينه جديد و کارامد مورد توجه خاص قرار گرفته است [22].
طراحي ساده، عدم توليد لجن و هزينه نسبتا کم، از مزاياي پروسه جذب نسبت به ساير روش هاست. به همين دليل روش هاي جديد حذف آرسنيک بويژه با استفاده از انواع جاذب هاي اصلاح شده بيش از پيش مورد توجه قرار گرفته است. کربن فعال يکي از جاذب هايي است که به خاطر قابليت بالاي آن براي جذب آرسنيک زياد استفاده شده است. هونگ6 و فو7 در سال 1984 از کربن فعال براي حذف آرسنيک استفاده کردند و نتايج مطلوبي گرفتند [23]. مطالعات صورت گرفته توسط ساير محققين نيز نشان مي دهد که کربن فعال داراي ظرفيت جذب بالايي براي حذف آرسنيک مي باشد [24 و 25]. اما به دليل قيمت بالا و مشکلات احيا مجدد آن کاربردش در کشورهاي در حال توسعه و کم درآمد محدود است. لذا اين امر باعث شده که بسياري از محققين به دنبال جاذب هاي اقتصادي، عملي و موثر مانند بقايا و زايدات گياهي و جانوري باشند. يکي از جاذب هاي ارزان قيمت کيتوسان است که بيوپليمري زيست سازگار و قابل بازگشت به محيط است و با استفاده از فرآيند استيل زدايي از کيتين ساخته مي شود [26].
1-4- تعريف جذب سطحي
جذب سطحي يک فرآيند جداسازي است که در آن برخي از اجزاء فاز سيال به سطح يک جاذب سطحي جامد منتقل مي شوند. معمولا ذرات ريز جاذب در بستر ثابتي نگه داشته مي شوند و سيال به صورت پيوسته از ميان بستر عبور داده مي شود تا جامد تقريبا سير شود و ديگر نتوان به جداسازي مورد نظر دست يافت. جذب سطحي را مي توان تمايل مولکول هاي فاز سيال براي چسبيدن به سطح جامد تعريف کرد [27]. جذب روي يك سطح جامد به علت نيروي جاذبه اتم ها يا مولكول ها در سطح آن جامد است. در عمل جذب سطحي نيروهاي مختلفي اعم از فيزيكي و شيميايي موثرند و مقدار آن بستگي به طبيعت ماده جذب شده وجسم جاذب دارد. در جذب سطحي از جامد متخلخل استفاده مي شود زيرا اين منافذ سطح بسيار زيادي را ايجاد مي کنند. يعني فقط سطح خارجي نداريم و تخلخل نيز داريم و هرچقدر سطح جاذب افزايش يابد، مقدار ظرفيت جذب نيز افزايش مي يابد.
اساس پديده هاي جذب سطحي برمبناي جداسازي است. در عمليات جذب سطحي انتقال يك جز از فاز گاز يا مايع به سطح جامد صورت مي گيرد ، در حقيقت اين جذب بوسيله نيروهاي چسبندگي و همدوسي روي مي‌دهد. جذب سطحي با نيروي ضعيف واندروالسي آغاز و با نيروهاي قوي کوتاه ‌برد مانند پيوند يوني و فلزي پايان مي‌يابد [28]. بايستي توجه داشت که نيروي کووالانسي همراه با واکنش شيميايي‌ ا ست و نه تنها در سطح، بلکه در توده ماده نيز عمل مي‌کند و بنابراين جزو نيروهاي اختصاصي جذب سطحي نيست.
1-4-1- مهمترين عوامل موثر بر جذب سطحي
1-4-1-1- مساحت سطح جذب
با افزايش سطح تماس مقدار جذب افزايش مي يابد زيرا جذب سطحي يک پديده مربوط به سطح است. قسمتي از سطح جامد که در عمل جذب سطحي در دسترس است سطح ويژه نام دارد. بنابراين مقدار جذب سطحي به ازاي واحد وزني در مورد جاذب هاي متخلخل و ذرات ريزتر بيشتر است [29]. مساحت سطح جامد هاي بسيار متخلخل و نامنظم را عموما با استفاده از همدماي BET8 بدست مي آورند. در عمل استفاده از اين روش نتايج مطلوبي مي دهد چون اين روش، همدماي جذب سطحي چند لايه اي را هم در بر مي گيرد [30].
1-4-1-2- ماهيت ماده جذب شونده و جاذب
نوع ماده جذب شونده و جاذب در جذب سطحي تاثيرگذار است به طوري که بعضي از مواد جاذب، قدرت جذب زياد نسبت به ماده حل شونده به خصوصي از خود نشان مي دهد، در حالي که نسبت به ماده ديگر قدرت جذب کمتري دارند. حالت ماده جذب شونده و جاذب ، همراه بودن آن با واکنش شيميايي ، برگشت پذير بودن و يا برگشت ناپذير بودن واکنش آنها نيز در جذب سطحي تاثيرگذار است. همچنين حلاليت جذب شونده در حلال با سرعت جذب، نسبت عکس دارد. افزايش طول زنجير مولکولي، اندازه مولکول و درجه يونيزاسيون باعث افزايش سرعت جذب سطحي مي شوند. شکل هندسي مولکول نيز فاکتور موثر بر سرعت است [29].
1-4-1-3- pH
pH محيط زماني در فرآيند جذب سطحي موثر است که جذب شونده به شکل يوني يا به صورت مولکول هاي قطبي باشد. چون با تغيير pH بار سطحي جاذب به دليل جذب سطحي يون هاي H+ و OH- تغيير مي کند. pH اي را که در آن جاذب داراي سطح بار صفر (خنثي) مي باشد را اصطلاحا نقطه ايزوالکتريک (pHzpc9 ) مي نامند. زماني که pHبزرگتر از pHzpc است، سطح جاذب داراي بار منفي مي باشد و اگر pH کوچکتر از pHzpc باشد، سطح جاذب داراي بار مثبت خواهد بود [30].
1-4-1-4- دما
فرآيند جذب سطحي معمولا گرمازا است، بنابرين با کاهش دما جذب بهتر صورت مي گيرد و زماني که دما افزايش يابد عمليات دفع آن انجام مي شود. افزايش دما اصولا باعث کاهش جذب سطحي مي شود مگر در مواردي که جذب سطحي همراه با واکنش شيميايي باشد. آنتالپي جذب سطحي معمولا برابر آنتالپي ميعان يا بلوري شدن مي باشد. بنابراين تغييرات زيادي در جذب سطحي ايجاد نمي شود [30].
علاوه بر عوامل ذکر شده فوق پارامترهاي ديگري مانند مقدار مصرفي جاذب و غلظت اوليه محلول نيز مي تواند بطور مستقيم بر روي فرآيند جذب سطحي موثر باشد.
1-4-2- اساس پديده جذب سطحي
به طور کلي پديده جذب سطحي به خاطر خواص موجود بر روي سطح جامد اتفاق مي افتد. اين خواص داراي دو منشأ مي باشد. 1- پديده ناپيوستگي: به اين مفهوم است که خواص سطح جاذب از خواص بقيه جاذب متفاوت است در واقع اتم هاي سطح از اتم هاي توده متفاوت هستند. 2- اتم هاي سطح جامد غير اشباع هستند. اين پديده به اين مفهوم است که در زير سطح اتم هاي جامد با اتم هاي مجاور پيوند سطحي ايجاد کرده است اما در سطح اتم ها از بالا آزاد هستند و توانايي ايجاد پيوند با مولکول هاي ديگر را دارند. از اين رو يک حالت تمايل براي رسيدن به حالت اشباع در مولکول هاي سطح وجود دارد. بنابراين خاصيت جذب سطحي در آن ايجاد مي شود.
ويژگيهاي پديده جذب سطحي عبارتند از:
– اين پديده در سيستم هاي فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي قابل اجرا است.
– براي خالص سازي در سيستم هاي گاز و مايع بصورت صنعتي قابل استفاده است.
– براي سيستم هاي تصفيه آب و فاضلاب و برطرف کردن آلودگي هوا قابل استفاده است.
– امروزه با پيشرفت علم و تکنولوژي، جذب با استفاده از جاذب هاي جديد با قابليت جذب بسيار بالا صورت مي پذيرد.
1-4-3- مکانيسم فرآيند جذب
هر جاذب يک سطح دروني و يک سطح بيروني دارد. سطح بيروني جذب قابل توجه نيست اما منافذ و سطوح داخلي سطح قابل توجهي را ايجاد مي کنند. مراحل جذب در سطوح دروني در شکل (1-1) نشان داده شده است.
شکل 1-1- مراحل جذب در سطوح دروني
در مرحله اول و يا پخشيدگي جذب شونده به سطح جاذب، مولکولي که مي خواهد جذب شود، خودش را از توده سيال به سطح جاذب مي رساند. شکل وسط بيانگر پخشيدگي دروني (Internal diffusion) است که در آن مولکول مورد نظر وارد مجراهاي مشخص شده در شکل مي گردد. در مرحله آخر يک لايه از مولکول جذب شونده بر روي منافذ قرار مي گيرد. بدين ترتيب عمل جذب تکميل مي شود. به طور کلي عمل جذب بيشتر به صورت واکنش رفت و برگشت انجام مي گيرد. بدين ترتيب که هم جذب و هم دفع به طور هم زمان انجام مي شوند تا سر انجام به تعادل برسند [31]
به طور کلي پديده جذب گرمازا است و انرژي حاصل بيانگر قدرت جذب است. اين واکنش به صورت برگشت پذير انجام مي شود. بدين ترتيب که ما با اعمال يک شرايط خاصي جذب را انجام مي دهيم و با تغيير وضعيت عمليات باعث مي شويم که ماده مورد نظر از سطح جاذب دفع شود. اين کار معمولا با فشار و تغييرات آن صورت مي پذيرد. هنگامي که فشار زياد باشد جذب انجام مي شود و با ايجاد خلا جامد جذب شده از سطح جاذب جدا شده و عمليات دفع آن صورت مي گيرد. همچنين با حرارت نيز مي توان اين کار را انجام داد بدين ترتيب که وقتي حرارت را کاهش مي دهيم چون عمليات گرمازا است جذب بهتر صورت مي گرد و زماني که دما افزايش يابد عمليات دفع انجام مي شود. افزايش دما اصولا باعث کاهش جذب سطحي مي شود مگر در مواردي که جذب سطحي همراه با واکنش شيميايي باشد.
1-4-3-1- جذب سطحي فيزيکي
جذب فيزيکي يا جذب واندروالس يک پديده برگشت پذير است که در آن نيروهاي موثر، نيروهاي بين‌مولکولي (واندروالس) بوده و در اثر اين فرآيند جذب، تغيير محسوسي در الگوي اوربيتال الکتروني اتم‌هاي درگير به وجود نمي‌آيد. اين نوع جذب داراي انرژي فعال‌سازي نيست و انرژي آزاد شده در طي آن در مقايسه با جذب شيميايي کمتر است. جذب فيزيکي همچنين انتخابي نبوده و از ماده‌اي به ماده ديگر در شرايط يکسان تفاوت چنداني ندارد و نيز برخلاف جذب شيميايي مي‌تواند بصورت چندلايه باشد. در جذب سطحي فيزيکي با افزايش فشار جسم جذب شونده، مقدار جذب در واحد سطح افزايش مي يابد [31].
1-4-3-2- جذب سطحي شيميايي
جذب شيميايي يا جذب سطحي فعال شده نتيجه فعل و انفعالات شيميايي جامد و ماده جذب شده است. قدرت پيوند شيميايي حاصل به طور قابل توجهي در حالات مختلف تغيير مي کند و شناسايي ترکيبات شيميايي عملا مشکل است ولي نيروهاي چسبندگي معمولا بيشتر از آن چيزي است که در جذب فيزيکي وجود دارد. اين پيوند شيميايي قوي است و حدود 100 برابر جذب فيزيکي انرژي جذب دارد. حرارت آزاد شده در جذب شيميايي معمولا زياد و در حدود حرارت يک واکنش شيميايي است. فرآيند عموماً برگشت ناپذير است و با دفع و جداسازي اوليه ماده جذب شده، تغيير شيميايي در آن مشاهده مي شود. دو نوع جذب شيميايي وجود دارد:
1- جذب شيميايي تجمعي
2- جذب شيميايي تفکيکي، که بسيار قويتر از جذب شيميايي تجمعي است. براي يک ماده در دماي کم ممکن است جذب فيزيکي و در دماي زياد جذب شيميايي رخ دهد و هر دو پديده نيز ممکن است دريک زمان اتفاق بيفتند [32].
1-4-4- جاذب هاي مورد استفاده در جذب سطحي
اکثر جاذب ها موادي بسيار متخلخل هستند و جذب سطحي عمدتاً روي ديواره حفره ها و يا مکان هاي مشخص در داخل ذره صورت مي پذيرد. از آنجا که حفره ها بسيار کوچک هستند، مساحت سطح داخلي چندين مرتبه بزرگتر از مساحت خارجي است و ممکن است به m2/g 2000 برسد. اختلاف در جرم مولکولي، شکل و يا قطبيت باعث مي شود برخي از مولکول ها محکم تر از سايرين روي سطح حفظ شوند يا ممکن است حفره ها کوچکتر از آن باشند که مولکول هاي درشت تر را بپذيرند، در نتيجه مواد ازهم جدا مي شوند. در بسياري از موارد، اجزاء جذب شونده (يا جذب شده) به اندازه کافي محکم نگه داشته مي شوند تا جداسازي کامل آن جزء از سيال همراه با جذب بسيار کم ساير اجزا ممکن باشد آنگاه مي توان بازيافت جاذب را انجام داد تا ماده جذب شده به صورت غليظ يا تقريبا خالص بدست آيد [33].
جامدهاي جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف مي شوند و قطر آنها از 50 ميکرومتر تا 12 ميليمتر متغير است. جامدها بايد براساس کاربرد و موقعيت مصرف بعضي خواص مهندسي را داشته باشند. آنها بايد مقاومت و سختي خوبي داشته باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنين وزن خود در بستر خرد نشوند. خاصيت جذب جاذب ها يک مسئله ديگر است. جذب يک پديده عمومي است و تمام جامدها، گازها و بخارات را به مقداري جذب مي کنند. ولي در اهداف صنعتي فقط برخي از جامدات ظرفيت جذب لازم را دارند. از آنجا که جامدات در خواص مربوط به جذب مواد خاص بسيار اختصاصي و ويژه عمل مي کنند، به نظر مي رسد که طبيعت شيميايي جامدات با خواص جذب آنها ارتباط داشته باشد. وجود سطح زياد در واحد جرم براي جاذب هاي مفيد ضروري است. در جذب گازي، سطح واقعي، سطح ذرات گرانول نيست بلکه سطح بزرگتري است که داخل سوراخ ها و يا شکاف ها را شامل مي شود. اين سوراخ ها معمولا خيلي کوچک هستند و در حدود چند مولکول قطر دارند ولي تعداد زياد آنها باعث توليد سطح بزرگتري براي جذب مي شود [33].
عامل اساسي در سيستم جذب، جاذب است. جاذب پديدآورنده فناوري جذب سطحي است. در گذشته استفاده از جاذب ها برمبناي سعي و خطا استوار بوده که با انجام آزمايش کيفيت آنها اندازه گيري مي شد، اما امروزه در بررسي هاي انجام شده از لحاظ علمي ساختار منافذ و تخلخل و انرژي هاي سطحي و ديگر پارامترهاي يک جاذب را از پيش تعيين مي کنند و برمبناي آن جاذب را استفاده مي کنند. در ساختار مولکولي منظم مقدار جذب افزايش



قیمت: تومان


پاسخ دهید