- این پدیده در سیستم های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی قابل اجرا است.
- برای خالص سازی در سیستم های گاز و مایع بصورت صنعتی قابل استفاده است.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
- برای سیستم های تصفیه آب و فاضلاب و برطرف کردن آلودگی هوا قابل استفاده است.
- امروزه با پیشرفت علم و تکنولوژی، جذب با بهره گرفتن از جاذب های جدید با قابلیت جذب بسیار بالا صورت می پذیرد.
۱-۴-۳- مکانیسم فرایند جذب
هر جاذب یک سطح درونی و یک سطح بیرونی دارد. سطح بیرونی جذب قابل توجه نیست اما منافذ و سطوح داخلی سطح قابل توجهی را ایجاد می کنند. مراحل جذب در سطوح درونی در شکل (۱-۱) نشان داده شده است.
شکل ۱-۱- مراحل جذب در سطوح درونی
در مرحله اول و یا پخشیدگی جذب شونده به سطح جاذب، مولکولی که می خواهد جذب شود، خودش را از توده سیال به سطح جاذب می رساند. شکل وسط بیانگر پخشیدگی درونی (Internal diffusion) است که در آن مولکول مورد نظر وارد مجراهای مشخص شده در شکل می گردد. در مرحله آخر یک لایه از مولکول جذب شونده بر روی منافذ قرار می گیرد. بدین ترتیب عمل جذب تکمیل می شود. به طور کلی عمل جذب بیشتر به صورت واکنش رفت و برگشت انجام می گیرد. بدین ترتیب که هم جذب و هم دفع به طور هم زمان انجام می شوند تا سر انجام به تعادل برسند [۳۱]
به طور کلی پدیده جذب گرمازا است و انرژی حاصل بیانگر قدرت جذب است. این واکنش به صورت برگشت پذیر انجام می شود. بدین ترتیب که ما با اعمال یک شرایط خاصی جذب را انجام می دهیم و با تغییر وضعیت عملیات باعث می شویم که ماده مورد نظر از سطح جاذب دفع شود. این کار معمولا با فشار و تغییرات آن صورت می پذیرد. هنگامی که فشار زیاد باشد جذب انجام می شود و با ایجاد خلا جامد جذب شده از سطح جاذب جدا شده و عملیات دفع آن صورت می گیرد. همچنین با حرارت نیز می توان این کار را انجام داد بدین ترتیب که وقتی حرارت را کاهش می دهیم چون عملیات گرمازا است جذب بهتر صورت می گرد و زمانی که دما افزایش یابد عملیات دفع انجام می شود. افزایش دما اصولا باعث کاهش جذب سطحی می شود مگر در مواردی که جذب سطحی همراه با واکنش شیمیایی باشد.
۱-۴-۳-۱- جذب سطحی فیزیکی
جذب فیزیکی یا جذب واندروالس یک پدیده برگشت پذیر است که در آن نیروهای موثر، نیروهای بینمولکولی (واندروالس) بوده و در اثر این فرایند جذب، تغییر محسوسی در الگوی اوربیتال الکترونی اتمهای درگیر به وجود نمیآید. این نوع جذب دارای انرژی فعالسازی نیست و انرژی آزاد شده در طی آن در مقایسه با جذب شیمیایی کمتر است. جذب فیزیکی همچنین انتخابی نبوده و از مادهای به ماده دیگر در شرایط یکسان تفاوت چندانی ندارد و نیز برخلاف جذب شیمیایی میتواند بصورت چندلایه باشد. در جذب سطحی فیزیکی با افزایش فشار جسم جذب شونده، مقدار جذب در واحد سطح افزایش می یابد [۳۱].
۱-۴-۳-۲- جذب سطحی شیمیایی
جذب شیمیایی یا جذب سطحی فعال شده نتیجه فعل و انفعالات شیمیایی جامد و ماده جذب شده است. قدرت پیوند شیمیایی حاصل به طور قابل توجهی در حالات مختلف تغییر می کند و شناسایی ترکیبات شیمیایی عملا مشکل است ولی نیروهای چسبندگی معمولا بیشتر از آن چیزی است که در جذب فیزیکی وجود دارد. این پیوند شیمیایی قوی است و حدود ۱۰۰ برابر جذب فیزیکی انرژی جذب دارد. حرارت آزاد شده در جذب شیمیایی معمولا زیاد و در حدود حرارت یک واکنش شیمیایی است. فرایند عموماً برگشت ناپذیر است و با دفع و جداسازی اولیه ماده جذب شده، تغییر شیمیایی در آن مشاهده می شود. دو نوع جذب شیمیایی وجود دارد:
۱- جذب شیمیایی تجمعی
۲- جذب شیمیایی تفکیکی، که بسیار قویتر از جذب شیمیایی تجمعی است. برای یک ماده در دمای کم ممکن است جذب فیزیکی و در دمای زیاد جذب شیمیایی رخ دهد و هر دو پدیده نیز ممکن است دریک زمان اتفاق بیفتند [۳۲].
۱-۴-۴- جاذب های مورد استفاده در جذب سطحی
اکثر جاذب ها موادی بسیار متخلخل هستند و جذب سطحی عمدتاً روی دیواره حفره ها و یا مکان های مشخص در داخل ذره صورت می پذیرد. از آنجا که حفره ها بسیار کوچک هستند، مساحت سطح داخلی چندین مرتبه بزرگتر از مساحت خارجی است و ممکن است به m2/g 2000 برسد. اختلاف در جرم مولکولی، شکل و یا قطبیت باعث می شود برخی از مولکول ها محکم تر از سایرین روی سطح حفظ شوند یا ممکن است حفره ها کوچکتر از آن باشند که مولکول های درشت تر را بپذیرند، در نتیجه مواد ازهم جدا می شوند. در بسیاری از موارد، اجزاء جذب شونده (یا جذب شده) به اندازه کافی محکم نگه داشته می شوند تا جداسازی کامل آن جزء از سیال همراه با جذب بسیار کم سایر اجزا ممکن باشد آنگاه می توان بازیافت جاذب را انجام داد تا ماده جذب شده به صورت غلیظ یا تقریبا خالص بدست آید [۳۳].
جامدهای جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف می شوند و قطر آنها از ۵۰ میکرومتر تا ۱۲ میلیمتر متغیر است. جامدها باید براساس کاربرد و موقعیت مصرف بعضی خواص مهندسی را داشته باشند. آنها باید مقاومت و سختی خوبی داشته باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین وزن خود در بستر خرد نشوند. خاصیت جذب جاذب ها یک مسئله دیگر است. جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها، گازها و بخارات را به مقداری جذب می کنند. ولی در اهداف صنعتی فقط برخی از جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. از آنجا که جامدات در خواص مربوط به جذب مواد خاص بسیار اختصاصی و ویژه عمل می کنند، به نظر می رسد که طبیعت شیمیایی جامدات با خواص جذب آنها ارتباط داشته باشد. وجود سطح زیاد در واحد جرم برای جاذب های مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلکه سطح بزرگتری است که داخل سوراخ ها و یا شکاف ها را شامل می شود. این سوراخ ها معمولا خیلی کوچک هستند و در حدود چند مولکول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب می شود [۳۳].
عامل اساسی در سیستم جذب، جاذب است. جاذب پدیدآورنده فناوری جذب سطحی است. در گذشته استفاده از جاذب ها برمبنای سعی و خطا استوار بوده که با انجام آزمایش کیفیت آنها اندازه گیری می شد، اما امروزه در بررسی های انجام شده از لحاظ علمی ساختار منافذ و تخلخل و انرژی های سطحی و دیگر پارامترهای یک جاذب را از پیش تعیین می کنند و برمبنای آن جاذب را استفاده می کنند. در ساختار مولکولی منظم مقدار جذب افزایش می یابد و میزان انتخاب پذیری نیز زیاد می شود. امروزه بشر قادر است مواد را درحد نانومتری از هم جدا کند.
هم خواص فیزیکی و هم خواص شیمیایی جاذب ها در فرایند جذب سطحی اهمیت دارد. خواص شیمیایی شامل نوع گروه های عاملی است که برروی سطح جاذب هستند. خاصیت یونیزه شدن سطح جاذب نیز در خواص جاذب اثرگذار است. خواص فیزیکی جاذب نیز اهمیت دارد، زیرا جاذب هم می تواند اشکال مختلف داشته باشد، به صورت پودر و یا دانه بندی باشد. از خواص فیزیکی مساحت جاذب برای جذب و توزیع منافذ نیز از دیگر خصوصیات فیزیکی آن به شمار می رود.
۱-۵- متداولترین جاذب های مورد استفاده در حذف آرسنیک
۱-۵-۱- کیتوسان و نانوکامپوزیت های آن
اخیرا مطالعات بسیاری بر روی جاذب های ارزان قیمت با منشا طبیعی انجام گرفته است [۳۴]. یکی از جاذب های ارزان قیمت کیتوسان است که بیوپلیمری زیست سازگار و قابل بازگشت به محیط است که با فرایند استیل زدایی از کیتین ساخته می شود. کیتین پلی ساکارید ساختاری بدن سخت پوستان، حشرات و بعضی از قارچ هاست که بعد از سلولز فراوان ترین بیوپلیمر موجود در طبیعت به شمار می آید [۳۵ و ۳۶]. بر خلاف پلی ساکاریدهای دیگر، کیتوسان شامل گروه های آمین در موقعیت C-2 می باشد. وجود تعداد زیاد گروه های آمین و هیدروکسیل، عملکردی فوق العاده برای حذف آلودگیهای فلزی به این ماده بخشیده است. از دیگر خواص کیتوسان می توان به خاصیت ضد میکروبی، اسید دوستی، چربی دوستی، انعقادسازی و… اشاره نمود [۳۷ و۳۸].
ماکرومولکول های کیتوسان طبیعی و همچنین نانوذرات سنتز شده آن در pH بالاتر از ۶ به علت عدم وجود گروه های آمینه پروتونه کارامد نیستند. همچنین با وجود استفاده فراوان از کیتوسان، توانایی جذب آرسنیک توسط آن، به دلیل تخلخل کم، نامحلول بودن و متورم شدن پودر آن در آب رضایت بخش نیست. زیرا در این حالت گروه های آمین و هیدروکسیل که در کیتوسان مسئول جذب هستند به آسانی در دسترس نیستند. ازاین رو اغلب برای استفاده در ستون جذب نامناسب هستند [۳۹]. در سال های اخیر تحقیقات گوناگونی به منظور بهبود ثبات شیمیایی ، مقاومت مکانیکی و افزایش ظرفیت جذب کیتوسان صورت گرفته است که از جمله می توان به تولید نانوکامپوزیت ها اشاره کرد. ظرفیت جذب را می توان بوسیله گسترش کیتوسان روی یک پایه فیزیکی مانند آلومینا ، سلیکا و یا رس های آهنی اصلاح شده که می تواند دسترسی به گروه های اتصالی جاذب را افزایش دهد بهبود بخشید [۴۰].
به تازگی کامپوزیت های کیتوسان برای جذب فلزات سنگین و رنگ از فاضلاب توسعه یافته است. کامپوزیت های کیتوسان ثابت کرده اند که ظرفیت جذب و مقاومت در برابر محیط اسیدی، بهتری دارند. یکی از کیتوسان های مرکب ، کامپوزیت کیتوسان/ آلومینا می باشد. کامپوزیت های کیتوسان/ آلومینا برای حذف فلزات و شبه فلزهای آنیونی و کاتیونی مانند As(lll)، As(V) ،ِ Cr(Vl) ، Cu(ll) ، Ni(ll) به کار می رود. یکی دیگر از کیتوسان های مرکب که در جذب آرسنیک استفاده شده نانوکامپوزیت Chitosan/Clay/Magnetitie است که از ترکیب کیتوسان، نانومگنتیت و هولاندیت[۱۰] ساخته شده است. وجود خاک رس در این کامپوزیت یک سطح بزرگ برای گروه های فعال کیتوسان و نانومگنتیت که به عنوان یک جاذب مستقیم برای یون های فلزی عمل می کنند مهیا کرده است. همچنین از تراکم گروه های فعال جلوگیری می کند تا بیشتر در دسترس باشند [۴۱].
۱-۵-۲- آلومینای فعال
عمل جذب توسط آلومینای فعال یک فرایند فیزیکی – شیمیایی است که طی آن یون های موجود در آب ورودی بر روی سطح آلومینای فعال جذب می شوند. گرچه واکنش های شیمیایی درگیر در آلومینای فعال در حقیقت نوعی تبادل یون هستند، اما آلومینای فعال به عنوان یک فرایند جذب سطحی در نظر گرفته می شود [۴۲]. از نظر تاریخی، آلومینای فعال، مصرف عمده ای در تصفیه آب داشته و عمدتا برای فلوئورزدایی از آب آشامیدنی به کار گرفته شده است. تغییرات اخیر در قانون آب آشامیدنی سالم در خصوص آرسنیک، استفاده از آلومینای فعال را که ویژگی مناسبی برای حذف آرسنیک دارد، مورد توجه قرار داده و انتظار می رود در آینده استفاده از آلومینای فعال به فناوری منتخب برای تاسیسات کوچک تامین آب با [۱۱]MCL جدید در دامنه ۵ تا ۱۰ میکروگرم در لیتر تبدیل شود. آلومینای فعال، یک ماده دانه ای شدیدا متخلخل و مرکب از فازهای بی شکل و کریستاله تری هیدرات آلومینیوم Al2O3 بوده و از طریق آبگیری از Al(OH)3 در دماهای بالا تهیه و مرکب از اکسید آلومینای گاما و بی شکل است. در تولید آلومینیوم که هیدروکسید آلومینیوم آبکی برای حذف آب هیدراسیون حرارت داده می شود، آلومینای فعال به عنوان محصول جانبی تولید و سپس با بخار یا اسید فعال می گردد تا سطح ویژه و خصوصیات جذبی آن افزایش یابد [۴۳].
فاکتورهایی مانند pH، حالت اکسیداسیون آرسنیک، یون های رقابت کننده، زمان تماس بستر خالی و احیا، تاثیر چشمگیری بر حذف آرسنیک توسط آلومینای فعال دارد [۳۹].
۱-۵-۳- نانوذرات آهن صفر ظرفیتی
حذف آرسنیک توسط آهن صفر ظرفیتی در شکل های مختلف مانند پودر و براده به دلیل واکنش پذیری بالا بسیار مورد توجه بوده است [۴۵-۴۷]. حذف گونه های آرسنیک به وسیله آهن صفر ظرفیتی به هیدروکسید تشکیل شده بر روی سطح آهن صفر مربوط می شود. خصوصیات منحصربفرد نانوذرات بویژه به عنوان جاذب، پتانسیل مناسب آن برای حذف آلودگی های محیط زیست می باشد. حذف آرسنیک با نانوذرات آهن صفر ظرفیتی نتایج امیدوار کننده ای بدست آورده است. مطالعات نشان می دهد که واکنش پذیری آهن صفر ظرفیتی با کاهش اندازه ذرات در مقیاس نانو افزایش قابل توجهی پیدا می کند. بطور کلی میزان واکنش پذیری نانوذرات آهن در مقیاس نانو۵۰۰ الی ۱۰۰۰ برابر بیشتر از پودر آن است [۴۸]. اخیرا در ایران نیز مطالعات زیادی در خصوص حذف آرسنیک به خصوص با نانوذرات آهن انجام گرفته است [۴۹-۵۱]. در بعضی از نقاط ایران میزان آرسنیک در آب های زیرزمینی بسیار بالاتر از حد استاندارد نشان داده است [۵۲].
حذف آرسنیک توسط نانوذرات آهن صفر ظرفیتی از آب به عواملی مانند pH، مقدار نانوذرات، زمان اختلاط، میزان آرسنیک و همچنین حضور یون های رقابت کننده مانند سولفات، کلرات، کروم، فسفات و کربنات بستگی دارد.
۱-۶- ایزوترم های جذب سطحی
اﯾﺰوﺗﺮم ﺟﺬب ﯾﮑﯽ از ﻓﺎﮐﺘﻮرﻫﺎی ﻣﻬﻢ در ﻃﺮاﺣﯽ ﺳﯿﺴﺘﻢ ﻫﺎی ﺟﺬب ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. در واﻗﻊ اﯾﺰوﺗﺮم ﺟﺬب ﭼﮕﻮﻧﮕﯽ ﻓﻌﻞ و اﻧﻔﻌﺎل ﺑﯿﻦ ﺟﺎذب و ﺟﺴﻢ ﺟﺬب ﺷﻮﻧﺪه را ﺗﺸﺮﯾﺢ ﻣﯽ ﮐﻨﺪ. ﻟﺬا ﻫﻤﻮاره ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﯾﮏ ﻓﺎﮐﺘﻮر اﺳﺎﺳﯽ ﺟﻬﺖ ﺗﻌﯿﯿﻦ ﻇﺮﻓﯿﺖ ﯾﮏ ﺟﺎذب و ﺑﻬﯿﻨﻪ ﻧﻤﻮدن ﻣﺼﺮف ﺟﺎذب ﻣﺪ ﻧﻈﺮ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. این معادلهها بطور گسترده استفاده شده اند، در ابتدا کاملاً تجربی بودند ولی اخیراً فرض می شود که بیشترین جذب زمانی اتفاق میافتد که سطح بوسیله گروه های عاملی پوشیده شده باشد. اندازه گیری میزان جذب سطحی در دمای ثابت انجام میگیرد. معیار اندازهگیری میزان جذبشونده روی جذب کننده بر حسب فشار برای جذبشونده گازی و بر حسب غلظت برای جذبشونده مایع است. ایزوترم های جذب رابطه های ریاضیاند که میزان ماده جذب شده روی سطح را نشان میدهند. در مطالعات مربوط به جذب آلاینده ها بر روی جاذب های مختلف تعیین ایزوترم جذب و ظرفیت جاذب مورد استفاده از مهمترین مشخصه هایی است که باید مورد توجه قرار گیرد[۵۳].
مدل های ایزوترم زیادی برای تحلیل داده های تجربی و توصیف تعادل در جاذب مانند لانگمویر[۱۲]، فروندلیچ[۱۳]، تمکین[۱۴]، ردلیچ-پترسون[۱۵] و غیره وجود دارد. این مدل ها برای ارائه دیدگاهی راجع به مکانیسم جذب، خواص سطحی، تمایل جذب و توصیف داده های تجربی جذب به کار می روند [۵۴].
بنابراین ایجاد یک ارتباط مناسب بین نمودارهای تعادل برای بهینه نمودن شرایط و طراحی سیستم های جذب بسیار حائز اهمیت است. دو معادله ای که کاربرد زیادی برای توصیف ایزوترم های جذب در سیستم های جامد/مایع دارند معادلات لانگمویر و فروندلیچ هستند [۵۵] که در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته اند.
۱-۶-۱- ایزوترم جذب لانگمویر
ایزوترم جذب لانگمویر یا معادله جذب لانگمویر یکی از ایزوترم های جذب است که توسط ایروین لانگمویر در سال ۱۹۱۶ توسعه یافته است. لانگمویر مدلی برای پدیده جذب سطحی و بخصوص پدیده جذب سطحی شیمیایی ارائه کرد و توانست به توضیح نظری ساده ولی مهمی درباره منحنی همدمای جذب سطحی دست یابد. وی فرض کرد هیچ برهم کنشی بین مولکول های جذب شده وجود ندارد و جامد نیز سطحی یکنواخت دارد. او همچنین فرض کرد مولکول ها در مکان های خود ثابت هستند و تنها یک لایه از مولکول ها در جذب شرکت می کنند (این دو فرض از خواص جذب سطحی شیمیایی هستند) [۵۶-۵۸].
این معادله بصورت زیر نمایش داده می شود:
که در اینجا Ce غلظت تعادلی (mg/L)، qe مقدار ماده جذب شده در تعادل (mg/g)، و qm و KL به ترتیب ثابت های لانگمویر مربوط به ظرفیت و انرژی جذب هستند. مدل لانگمویر می تواند به فرم خطی زیر نوشته شود:
نمودار خطی Ce /qe برحسب Ce کاربرد ایزوترم جذب لانگمویر را نشان میدهد. مقادیر qm و KL از شیب و عرض از مبدأ نمودار خطی Ce /qe برحسب Ce حساب می شود.
Slipe =
شکل ۱-۲- نمودار خطی ایزوترم جذب لانگمویر
برای نشان دادن کارایی فرایند جذب، یک پارامتر تعادلی بدون بعد با بهره گرفتن از رابطه (۱-۳) تعریف می شود:
