تحقیق و پروژه اصلاح کربن فعال با 1-آسیل تیوسمی کاربازید به منظور بررسی حذف یون سرب از محلول های آبی

توضیحات:

پایان نامه کارشناسی ارشد اصلاح کربن فعال با 1-آسیل تیوسمی کاربازید  به منظور بررسی حذف یون سرب از محلول های آبی/ این پایان نامه متفاوت و جدید و در هیچ وبسایتی دیگری موجود نمی باشد!!!

 

 

چکیده:

در این تحقیق به منظور حذف سرب از محلول های آبی، کربن فعال از پوسته بادام به روش فعال سازی شیمیایی با ZnCl2 سنتز و سپس با لیگاند 1-آسیل تیوسمی کاربازید، اصلاح شد. مواد سنتز شده با روش های اسپکتروسکوپی مادون قرمز، پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و جذب-واجذب نیتروژن بررسی شدند. سپس حذف سرب در محلول های آبی با استفاده از کربن فعال اصلاح شده با 1-آسیل تیوسمی کاربازید، مورد بررسی قرار گرفت. اثر پارامتر های مختلف از جمله pH، غلظت اولیه آلاینده ، مقدار کربن فعال اصلاح شده، زمان تماس و دما مطالعه و بهینه گردید. pH برابر 4، زمان تماس  5دقیقه، دمای محیط، غلظت اولیه 1500 میلی گرم بر لیتر و 01/0 گرم جاذب در 10 میلی لیتر محلول به عنوان شرایط بهینه در آزمایشات بعدی انتخاب گردید. ماکزیمم ظرفیت جذب برای کاتیون سرب73 میلی¬گرم بر گرم جاذب به دست آمد. بررسی ها نشان داد که در شرایط بهینه، کربن فعال اصلاح شده به عنوان یک جاذب مناسب برای جذب کاتیون مورد مطالعه قابل استفاده می باشد. با تجزیه و تحلیل داده های آزمایشگاهی توسط معادلات لانگمویر و فروندلیچ مشخص شد که جذب کاتیون سرب از مدل لانگمویر تبعیت می کند. سینتیک و مکانیزم فرآیند جذب به وسیله مدل های سینتیکی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. هم چنین پارامترهای ترمودینامیکی محاسبه شد. نتایج حاصل نشان داد که فرآیند جذب سرب بر روی کربن فعال اصلاح شده گرمازا و خود به خودی است. بازیابی کربن فعال اصلاح شده با استفاده از اسید در طی 4 مرحله کاهش زیادی در ظرفیت جاذب نشان نداد.

 

 

مقدمه:

بسیاری از پساب های مایع دارای مقادیری از مواد آلاینده می باشند که فلزات سنگین بخش مهمی از آن¬ها را شامل می شوند [1]. سرب، مس، آهن، کروم، کادمیم و جیوه جزء فلزات سنگین سمی هستند که تمایل زیادی به انباشته شدن در بافت¬های موجودات زنده را دارند و باعث ایجاد ناهنجاری-ها، امراض و اختلالاتی در بدن موجودات زنده می شوند [2]. مقادیر متفاوتی از این عناصر به¬صورت پساب¬های حاصل از صنایعی مانند نیروگاه¬های سوخت هسته¬ای، باتری¬سازی، فلزکاری¬، پالایشگاه و معادن فلزات وارد محیط زیست می شود ]3[. آلودگی آب، خاک و گیاهان توسط یون¬های فلزات سنگین، نگرانی¬های بزرگ زیست محیطی را در بر دارد و حتی در غلظت¬های بسیار پایین، این فلزات می¬توانند برای گیاهان و جانوران مضر بوده و عملاً شرایط نامطلوبی را ایجاد می کنند به طوری که طعم، بو، رنگ و خواص دیگر را تغییر داده و به¬طور کلی از طریق گسترش در زنجیره¬ی غذایی، بر روی سلامتی انسان اثرات منفی بگذارند. بنابراین شناسایی این فلزات سنگین و حذف کردن آن¬ها از چرخه غذایی موجودات و همچنین محیط زیست، اهمیت فزاینده¬ای یافته¬است [4]. در میان بسیاری از روش¬های حذف و کاهش غلظت فلزات سنگین، حذف آنها به شیوه¬ی جذب مورد توجه قرار گرفته است، حتی در بسیاری مواقع تنها شیوه¬ی موثر نیز می¬باشد.استفاده از جاذب¬های مختلف برای حذف فلزات سنگین اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است. از جمله این جاذب¬ها، کربن¬فعال  می¬باشد.

کربن فعال برای بسیاری از آلاینده ها دارای ظرفیت جذبی فوق¬العاده بالا می¬باشد. این جاذب در هیچ حلال شناخته شده¬ای حل نمی¬شود. میزان جذب کربن فعال به اندازه¬ی ساختار منافذ کربن، توزیع اندازه منافذ کربن و همچنین اندازه و شکل مولکول¬های آلاینده بستگی دارد [5].

 

فهرست مطالب:

 

چکیده1

فصل اوّل : مقدمه و تاریخچه         2

1-1 مقدمه           2

1-2 پدیدهی جذب 3

1-2-1 مراحل مختلف جذب    3

1-3  فلزات سنگین 4

1-3-1 سرب         4

1-3-2 خطرات سرب            5

1-4 روشهای تصفیه و پالایش فلزات سنگین از پسابها      6

1-4-1 روشهای شیمیایی     6

1-4-1-1 روش انعقاد           6

1-4-1-2 روش اکسایش شیمیایی      7

1-4-1-3 روش رسوبگیری شیمیایی     7

1-4-1-4 روش تبادل یون       8

1-4-2 روشهای فیزیکی       8

1-4-2-1 روش عریان سازی با هوا       8

1-4-2-2 روش جداسازی غشایی       9

1-4-2-3 روش جذب سطحی 9

1-5 انواع جذب سطحی       10

1-5-1 جذب سطحی شیمیایی          10

1-5-2 جذب سطحی فیزیکی 10

1-6 عوامل موثر بر میزان جذب سطحی 11

1-6-1 pH محیط     11

1-6-2 اندازهی مولکولهای گونهی جذب شونده   11

1-6-3 میزان اختلاط و بههم خوردن فاز سیال      11

1-7 جاذبها           12

1-7-1-انواع جاذب ها:          12

1-7-1 -1 سیلیکاژل 12

1-7-1-2 زئولیتها     13

1-7-1-3 نانو لولههای کربنی  13

1-7-1-4 آلومینای فعال        14

1-7-1-5 کربن فعال 14

1-8  تهیه و تولید کربن فعال  17

1-8-1 کربونیزاسیون            17

1-8-2 فعالسازی   18

1-8-2-1-روش های فعالسازی           19

1-8-2-1-1 فعالسازی فیزیکی            19

1-8-2-1-2 فعالسازی شیمیایی         20

1-9 ساختار منافذ کربن       20

1-10 جذب به وسیله کربن فعال شده 21

1-11 عوامل موثر بر میزان جذب کربن فعال        21

1-12 طبقه بندی کربن فعال بر اساس مشخصات فیزیکی  22

1-12-1 کربنهای فعال پودری 22

1-12-2 کربنهای فعال گرانولی           23

1-12-3 کربنهای فعال کروی  23

1-12-4 کربن آغشته           23

1-12-5 کربن پوشیده با پلیمر ها          24

1-12-6 کربن های فعال پیشرفته         24

1-12-6-1 غربال مولکولی کربنی         24

1-12-6-2 فیبر های کربنی فعال          25

1-12-7 کاربردهای کربن فعال:           26

1-12-8 کربن فعال اصلاح شده          27

1-13 مروری بر پژوهش های اخیر        27

فصل دوم : مواد و روش ها           39

2-1- مقدمه          39

2-2- مواد شیمیایی و دستگاه های مورد استفاده            40

2-3- آماده سازی مواد خام مورد استفاده برای سنتز جاذب            41

2-4- تهیه ماده کربنی با استفاده از مواد اولیه    41

2-5- تهیه محلول کلرید روی به عنوان عامل فعال کننده     42

2-6- فعال سازی کربن تولید شده       42

2-8- اصلاح کردن کربن فعال  43

2-8-1- فرآیند اکسایش کربن فعال      43

2-8-2- سنتز کربن فعال اصلاح شده با 1- آسیل تیوسمی کاربازید  AC-ATSC  43

2-9- شناسایی نمونه ها       44

2-9-1- طیف سنجی مادون قرمز (FT-IR)           44

2-9-2-شناسایی به روش پراش پرتو ایکس(XRD)            45

2-9-3- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)     45

2-9-4- جذب و واجذب نیتروژن            46

2-9-5- اسپکتروفوتومتری جذب اتمی (AAS)       47

2-10- بررسی تاثیر عوامل مختلف بر روی فرآیند جذب سرب            47

2-10-1- تهیه ی محلول های استاندارد سرب      48

2-10-2- بررسی اثر غلظت محلول سرب بر فرآیند جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده         48

2-10-3- بررسی اثر pH بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده     48

2-10-4- بررسی اثر زمان تماس بر روی میزان جذب کاتیون سرب توسط کربن فعال اصلاح شده     49

2-10-5- بررسی اثر مقدار جاذب بر جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده  49

2-10-6- بررسی اثر دما بر جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده 49

2-10-7- بررسی گزینشپذیری جاذب سنتز شده نسبت به کاتیون سرب         50

2-10-8- بررسی بازیابی جاذب           50

فصل سوم : نتایج و بحث 52

3-1- مقدمه          52

3-2- شناسایی نمونه ها       52

3-2-1- بررسی طیف های مادون قرمز   52

3-2-2- بررسی الگوی پراش اشعه X نمونه ها    54

3-2-2-2-بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی رویشی:      55

3-2-3- بررسی نمودارهای هم دمای جذب/ واجذب نیتروژن 56

جدول 3-1- نتایج هم دمای جذب/واجذب N2       57

3-3- بررسی تاثیر عوامل مختلف بر روی فرآیند جذب سرب 58

3-3-1-اثر غلظت     58

3-3-3-اثر زمان بر میزان جذب 61

3-3-4-اثر مقدار جاذب بر میزان جذب    62

3-3-5-اثر دما بر میزان جذب  63

3-3-6- گزینشپذیری جاذب سنتز شده نسبت به کاتیون سرب         65

3-4- بررسی سینتیک واکنش            66

3-6- بررسی ترمودینامیک واکنش        69

3-7- بررسی ایزوترمهای جذبی          72

3-7- نتایج حاصل از بازیابی جاذب        78

نتیجه گیری          80

 

 

فهرست جداول

جدول (1-1) خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سرب ]10و9[. 5

جدول 2-1-مواد شیمیایی مورد استفاده            40

جدول 2-2- دستگاه های مورد استفاده 41

جدول 3-1- نتایج هم دمای جذب/واجذب N2       57

جدول 3-2- تاثیر تغییرات غلظت اولیه بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده  58

جدول 3-3- تاثیر تغییرات pH بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده            60

جدول 3-4- تاثیر تغییرات زمان تماس بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده  61

جدول 3-5- تاثیر مقدار جاذب بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده           63

جدول 3-6- تاثیر تغییرات دما بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده            64

جدول 3-7- مقادیر حد مزاحمت کاتیونهای رقابت کننده نسبت به کاتیون سرب  65

جدول (3-8). پارامترهای به¬دست آمده از معادلات سرعت مرتبه اول و سرعت مرتبه دوم69

جدول (3-9). کمیت¬های ترمودینامیکی جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده71

جدول (3-10). مقادیر RL مشخص کننده ی انواع ایزوتـرم74

جدول (3-11). کمیتهای همدمای لانگمویر و فروندلیچ؛ غلظت اولیه،  ppm 1500؛         77

جدول(3-12). نتایج بازیابی جاذبهای AC-ATSC با استفاده از محلول شویش HNO3       79

 

فهرست شکل ها

شکل(1-2).توزیع اندازه حفرات غربال مولکولی کربنی و کربن فعال برای جذب گازها و مایعات ]48[.            25

شکل (3-2 b) : طیف پراش اشعه ایکس (XRD) مربوط به کربن فعال تهیه شده از پوسته بادام(2) و نمونه مرجع (1)  54

شکل (3-3). تصاویر SEM (a) کربن، (b) کربن فعال شده با ZnCl2   55

جدول 3-4- تاثیر تغییرات زمان تماس بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده61

شکل 3-5- نمودارهای همدمای جذب/واجذب نیتروژن مربوط به ((a:- COOH  AC ، ((b:  AC-ATSC            57

شکل 3-6- اثر غلظت سرب بر میزان جذب، مقدار جاذب 1/0 گرم، مدت زمان تماس 24 ساعت     59

شکل 3-7- اثر pH بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده، مقدار جاذب 1/0 گرم، مدت زمان تماس 24 ساعت60

شکل 3-8- تاثیر تغییرات زمان تماس بر میزان جذب سرب61

شکل 3-9- تاثیر مقدار جاذب بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده           63

شکل 3-10- تاثیر تغییرات دما بر میزان جذب سرب توسط کربن فعال اصلاح شده          64

شکل (3-11). نمودار معادله سرعت مرتبه اول68

شکل (3-12). نمودار معادله سرعت مرتبه دوم   69

شکل (3-13). نمودار lnKd نسبت به 1/T          71

شکل (3-14). نمودار همدمای لانگمویر 74

شکل (3-16). نمودار همدمای فروندلیچ            77

شکل (3-17 ). نمودار بازیابی و کاربرد مجدد جاذب          79