جذب اتمی شعله

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                   صفحه

خلاصه فارسی…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2

فصل اول: کلیات   

1-1- ضرورت انجام تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………. 5

1-2- بیان مسئله……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 5

1-3- اهداف پژوهش…………………………………………………………………………………………………………………………………. 8

1-4-  فناوری نانو………………………………………………………………………………………………………………………………………. 8

1-4-1-  نانو ذرات……………………………………………………………………………………………………………………………………. 9

1-4-2- نانوذرات مغناطیسی………………………………………………………………………………………………………………… 11

1-4-2-1- طبقه بندی مواد از لحاظ مغناطیسی……………………………………………………………………………….. 12

1-4-2-1-1- مواد فرو مغناطیس………………………………………………………………………………………………………… 12

1-4-2-1-2- مواد فری مغناطیس………………………………………………………………………………………………………. 15

1-4-2-2- نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن………………………………………………………………………………………. 15

1-4-2-2-1- مگنتیت………………………………………………………………………………………………………………………….. 15

1-4-2-2-2- مگهمایت………………………………………………………………………………………………………………………… 16

1-5- روش های تهیه ی مگنتیت…………………………………………………………………………………………………………….. 17

1-5-1- تهیه ی مگنتیت در محیط های همگن مایع……………………………………………………………………….. 18

1-5-1-1- تهیه ی مگنتیت در روش همرسوبی محلول نمک آهن (III) و آهن (II)…………………… 18

1-5-2- تهیه مگنتیت به روش بیوسنتز……………………………………………………………………………………………… 22

1-6- کاربرد های اکسید های مغناطیسی آهن…………………………………………………………………………………… 23

1-7- اصلاح سطح نانو ذرات مغناطیسی ……………………………………………………………………………………………. 25

1-8- آپاتیت……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 26

1-9- هیدروکسی آپاتیت……………………………………………………………………………………………………………………….. 27

1-10- تاریخچه ی شناسایی هیدروکسی آپاتیت……………………………………………………………………………….. 28

1-11- خواص هیدروکسی آپاتیت……………………………………………………………………………………………………….. 28

1-11-1- بلورینگی………………………………………………………………………………………………………………………………… 28

1-11-2- خواص زیست سازگاری……………………………………………………………………………………………………….. 29

1-11-3- رفتار حرارتی…………………………………………………………………………………………………………………………. 29

1-11-4- خواص مکانیکی……………………………………………………………………………………………………………………. 30

1-11-5- چگالی……………………………………………………………………………………………………………………………………. 31

1-11-6- حلالیت در آب……………………………………………………………………………………………………………………… 31

1-12- روش های سنتز هیدروکسی آپاتیت……………………………………………………………………………………….. 33

1-13- تاریخچه ای از کاربرد های هیدروکسی آپاتیت………………………………………………………………………. 35

1-14-کاربرد های هیدروکسی آپاتیت…………………………………………………………………………………………………. 35

فصل دوم : مروری برمتون گذشته

2-1- فلزات سنگین و اثرات آن ها………………………………………………………………………………………………………. 40

2-1-1-کبالت…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 40

2-1-1-1-اثرات کبالت بر روی سلامتی انسان…………………………………………………………………………………… 41

2-1-1-2-تاثیرات زیست محیطی کبالت……………………………………………………………………………………………. 43

2-1-2- روی…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 45

2-1-2-1- اثرات روی بر روی سلامتی انسان…………………………………………………………………………………….. 46

2-1-2-2- اثرات روی بر روی محیط زیست………………………………………………………………………………………. 47

2-2- ضرورت جداسازی فلزات سنگین از آب…………………………………………………………………………………….. 49

2-3- کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب…………………………………………………………………………….. 49

2-4- روش های جداسازی فلزات سنگین…………………………………………………………………………………………… 52

2-4-1- رسوب دهی شیمیایی…………………………………………………………………………………………………………….. 52

2-4-2- انعقاد و ته نشینی……………………………………………………………………………………………………………………. 54

2-4-3- انعقاد الکترودی………………………………………………………………………………………………………………………… 56

2-4-4- روش تبادل یون………………………………………………………………………………………………………………………. 58

2-4-5- کاتالیزورهای نانوئی………………………………………………………………………………………………………………….. 62

2-4-6- جذب بیولوژیکی………………………………………………………………………………………………………………………. 63

2-4-7- روش های غشایی……………………………………………………………………………………………………………………. 66

2-4-7-1- الکترودیالیز………………………………………………………………………………………………………………………….. 67

2-4-7-2- اسمز معکوس……………………………………………………………………………………………………………………… 69

2-4-7-3- نانو فیلتراسیون…………………………………………………………………………………………………………………… 70

2-4-7-4- اولترافیلتراسیون توسط پلیمر های دندریمر افزایشی……………………………………………………… 72

2-4-8- شناور سازی……………………………………………………………………………………………………………………………… 74

2-4-9- جذب سطحی………………………………………………………………………………………………………………………….. 77

2-4-9-1- جذب توسط کربن فعال…………………………………………………………………………………………………….. 80

2-4-10- جداسازی مغناطیسی…………………………………………………………………………………………………………… 81

2-4-11- ترکیب جداسازی مغناطیسی با فرایند جذب سطحی با جاذب γ-Fe2O3@HAP……….. 85

2-5- مروری بر مطالعات گذشته…………………………………………………………………………………………………………… 89

2-5-1- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با نانو ذرات مغناطیسی…………………………….. 89

2-5-2- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با هیدروکسی آپاتیت……………………………….. 92

2-5-3- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با γ-Fe2O3@HAP ……………………………….. 95

فصل سوم : مواد و روش ها

3-1- مواد………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 98

3-2- تجهیزات دستگاهی………………………………………………………………………………………………………………………. 99

3-3- روش کار……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 99

3-3-1- سنتز جاذب……………………………………………………………………………………………………………………………… 99

3-3-2- تعیین ساختار نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP سنتز شده……………………………………………………… 101

3-3-3- تهیه ی محلول های نیترات روی و نیترات کبالت…………………………………………………………….. 102

3-3-4- بهینه سازی و بررسی عوامل موثر بر جذب Zn2+  و Co2+ ………………………………………………. 102

3-3-5- بررسی میزان جذب کبالت (II) و روی (II) از محلول های آبی در شرایط بهینه…………. 104

3-3-6- آزمایش واجذبی……………………………………………………………………………………………………………………. 105

3-3-7- بررسی میزان جذب Zn2+  و Co2+ موجود در پساب با جاذب γ-Fe2O3@HAP ………….. 106

3-3-8- بررسی تخریب یا عدم تخریب نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP پس از فرایند جذب…………… 106

فصل چهارم : نتایج

4-1- بررسی ساختار جاذب نانو ذرات  γ-Fe2O3@HAP ………………………………………………………………. 108

4-1-1- SEM  و TEM مربوط به γ-Fe2O3@HAP  قبل از فرایند جذب…………………………………… 108

4-1-2- طیف FTIR  مربوط به γ-Fe2O3@HAP  قبل از فرایند جذب………………………………………. 109

4-1-3- طیف XRD مربوط به γ-Fe2O3@HAP  قبل از فرایند جذب………………………………………… 110

4-2- نتایج تست انجام شده………………………………………………………………………………………………………………. 110

4-3- رسم منحنی استاندارد………………………………………………………………………………………………………………. 111

4-4- بهینه سازی فاکتور های موثر بر جذب توسط طراحی باکسن- بهکن…………………………………. 112

4-5- بررسی درصد جذب و واجذبی Zn2+  و Co2+ در محلول ها…………………………………………………… 122

4-6- بررسی درصد جذب Zn2+  و Co2+  موجود در پساب…………………………………………………………….. 124

4-7- بررسی تخریب یا عدم تخریب جاذب نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP پس از واجذبی……………… 124

4-7-1- طیف FTIR نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب………………………………… 125

4-7-2- طیف XRD نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب………………………………… 126

فصل پنجم: بحث و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………….. 128

5-2- پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………………….. 129

منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 131

خلاصه ی انگلیسی……………………………………………………………………………………………………………………………. 162

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                          صفحه

جدول 1-1- خواص فیزیکی Fe3O4 و γ-Fe2O3………………………………………………………………………………….. 17

جدول 1-2- خواص فیزیکی هیدروکسی آپاتیت………………………………………………………………………………… 32

جدول 1-3- مقایسه ی روش های مختلف سنتز پودر هیدروکسی آپاتیت………………………………………. 34

جدول 2-1- خواص عمومی و اتمی کبالت…………………………………………………………………………………………. 44

جدول 2-2- خواص فیزیکی کبالت………………………………………………………………………………………………………. 44

جدول 2-3- خواص عمومی و اتمی روی…………………………………………………………………………………………….. 48

جدول 2-4- خواص فیزیکی روی…………………………………………………………………………………………………………. 48

جدول 2-5- شرایط رسوب دهی فلزات سنگین در عملیات رسوب دهی شیمیایی……………………….. 53

جدول 3-1- آزمایشهای طراحی شده جهت بهینه سازی فاکتورها با نرم افزار باکس- بهکن …….. 104

جدول 4-1- میزان و درصد جذب Co2+ موجود در محلول ppm 100  Co(NO3)2. 6 H2O …. 110

جدول4-2- میزان و درصد جذب Zn2+ موجود در محلول ppm 100  Zn(NO3)2. 6 H2O   ….. 111

جدول4-3- نتایج جذب آزمایشهای طراحی باکس- بهکن برای 3 فاکتور انتخابی  …………………….. 113

جدول 4-4- مقادیر بهینه pH،γ-Fe2O3@HAP   و زمان برای Zn2+و  Co2+………………………………. 121

جدول 4-5- مقادیر جذب یون های  Zn2+و‍‍ Co2+بعد از اعمال شرایط بهینه………………………………… 122

جدول 4-6- ترکیبات مورد استفاده  و میزان و درصد جذب Zn2+  و Co2+ در فرایند واجذبی…… 123

جدول 4-7- میزان جذب Zn2+  و Co2+ موجود در پساب قبل و بعد از انجام فرایند جذب…………. 124

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                                                   صفحه

شکل 1-1- نمونه ای از حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس……………………………………………………………… 14

شکل 1-2- نمونه ای از حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس……………………………………………………………… 14

شکل 1-3- تاثیر بلوکهای میدانی در ایجاد پسماند مغناطیسی………………………………………………………….. 14

شکل 1-4- ساختار کریستالی مگنتیت………………………………………………………………………………………………… 16

شکل 1-5- ساختار کریستالی مگهمیت……………………………………………………………………………………………….. 17

شکل 1-6- مراحل سنتز Fe3O4 درون میکروارگانیسم…………………………………………………………………….. 22

شکل 1-7- ساختار کریستالی هیدروکسی آپاتیت………………………………………………………………………………. 29

شکل 2-1- نانوذرات اکسیدهای فلزی،  نانو لوله های کربن دار،  زئولیتها و دندریمرها………………….. 50

شکل 2-2- دسته بندی انواع فیلتر ها…………………………………………………………………………………………………. 67

شکل 2-3- نحوه ی عملکرد نانوفیلتراسیون………………………………………………………………………………………… 71

شکل 2-4- بازیابی یون های فلزی از محلول های آبی توسط فیلتراسیون با پلیمر دندریمر…………… 73

شکل 4- 1- SEM مربوط به نانوذرات γ-Fe2O3@HAPن  قبل از فرایند جذب………………………… 108

شکل 4-2- TEM مربوط به نانوذرات γ-Fe2O3@HAP  قبل از فرایند جذب……………………………. 108

شکل 4-3- طیف FTIR  ناذرات γ-Fe2O3@HAP  قبل از فرایند جذب……………………………………. 109

شکل 4-4- طیف XRD مربوط به γ-Fe2O3@HAP  قبل از فرایند جذب…………………………………… 110

شکل 4-5- منحنی استاندارد جذب Co2+……………………………………………………………………………………….. 111

شکل 4- 6- منحنی استاندارد جذب Zn2+………………………………………………………………………………………. 112

شکل 4-7- میزان تاثیر فاکتورهای مختلف موثر بر جذب Zn2+  و Co2+……………………………………….. 114

شکل 4-8- رابطه مقادیر مختلف PH و γ-Fe2O3@HAP و زمان با درصد جذب………………………… 114

شکل 4-9- تغییرات مقدار PH و γ-Fe2O3@HAP با ثابت در نظر گرفتن زمان………………………….. 115

شکل 4-10- تغییرات مقدار میلی گرم γ-Fe2O3@HAP و زمان با ثابت در نظر گرفتن PH…….. 115

شکل 4-11- تغییرا مقدار PH و زمان با ثابت در نظر گرفتن مقدار میلی گرم γ-Fe2O3@HAP. 116

شکل 4-12- مقدار نسبی کاتیون Co2+ بر حسب PH……………………………………………………………………. 118

شکل 4-13- مقدار نسبی کاتیون Zn2+ بر حسب PH……………………………………………………………………. 119

شکل 4-14- طیف FTIR نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب………………………… 125

شکل 4-15- طیف XRD نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب     126

خلاصه فارسی:

در این تحقیق ابتدا نانو ذرات  γ-Fe2O3@HAPسنتز شده و با اطمینان از سنتز موفق این نانو ذرات با توجه به طیف های XRD، FTIR و تصاویر  SEMو TEM آن ها، این نانو ذرات به عنوان جاذب برای جداسازی یون های فلزی Zn2+ و Co2+ از محلول های آبی حاویcc  20 کبالت (II) و روی (II)ppm  10 به کار برده شدند و برای اندازه گیری جذب این فلزات از اسپکترومتری جذب اتمی شعله استفاده شد. علاوه بر این به منظور دستیابی به بالاترین بازده جذب فلزات سنگین توسط نانوذرات γ-Fe2O3@HAP، اثر عوامل مختلف از جمله مقدار گرم نانوذرات γ-Fe2O3@HAP، زمان استخراج و pH بررسی و توسط طراحی های کمومتری بهینه سازی شد. شرایط بهینه عبارت بودند از: 10 pH=،g 015/0γ-Fe2O3@HAP =  و45Time =  دقیقه كه موارد گفته شده توسط نرم افزار 1/5Statgraphics  با بهره گرفتن از طراحی باكس- بهکن بهینه سازی و سطوح بهینه این فاكتورها تعیین شد. در شرایط بهینه نزدیک به 100% کاتیونهای مذکور جذب نانوذرات شده و از محیط آبی حذف شدند. همچنین بر روی پساب حاویppm Zn2+  3/22 وppm Co2+   5 فرایند جذب با جاذب MNHAP را در شرایط بهینه انجام داده و به جذب 99% روی (II) و 96% کبالت (II) دست یافتیم. فرایند جذب سطحی Zn2+ و Co2+ بر روی جاذب MNHAP با مکانیسم های جاذبه ی الکترواستاتیک، تشکیل کمپلکس سطحی، تبادل یون صورت گرفته است. علاوه بر موارد بیان شده آزمایشات واجذبی را توسط 3 شوینده ی HNO3 یک نرمال، EDTA   سه صدم مولار،  CaNO3. 4H2Oیک دهم مولار بعد از اعمال فرایند جذب در شرایط بهینه انجام دادیم و به نتایج رضایت بخشی دست یافتیم . سپس به منظور بررسی تخریب یا عدم تخریب جاذب، طیفهای FTIR و XRD از جاذب گرفته شد و تفسیر طیفهای بدست آمده بیانگر عدم تخریب جاذب  γ-Fe2O3@HAPبود.

كلید واژه : نانو ذرات مغناطیسی، جاذب های مغناطیسی قابل بازیافت، نانو ذرات مغناطیسی گاما اكسید آهن با پوشش هیدروكسی آپاتیت، فلزات سنگین، دستگاه اسپكترومتری جذب اتمی شعله

مقدمه

امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف خالص سازی آب، به آبی بهداشتی دسترسی ندارند. بر طبق آمارهای موجود و به نقل از سازمان جهانی بهداشت، حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی سالم و بهداشتی دسترسی نداشته و این میزان چیزی حدود یک ششم جمعیت کره زمین را در بر می گیرد.

فلزات سنگین به دلیل تجمع زیستی شان، عدم زیست تخریب پذیریشان، سمیتشان به عنوان تهدیدی جدی برای بشر محسوب می شوند. رشد صنعت و کاربرد فلزات سنگین در فرایند های صنعتی زیاد، منجر به افزایش غلظت فلزات سنگین در فاضلاب ها و محیط شده، بنابراین جداسازی و حذف آن ها از آب های آلوده، پساب ها و آب آشامیدنی بسیار ضروری می باشد.

روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آبهای صنعتی به كار می­روند از جمله : رسوب دهی شیمیایی، انعقادو ته نشینی، انعقاد الكتریكی، كاربرد رزین های تبادل یون، فرایند های جداسازی غشایی (اسمز معکوس، نانو