عنوان پایان‌نامه
بررسی جذب و جداسازی فلزات سنگین و اکتیو به وسیله غشاهای پلیمری
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندها
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1053.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 49851
- تاریخ دفاع
- ۲۸ شهریور ۱۳۹۰
- دانشجو
- محمد ایرانی
- استاد راهنما
- سیدمحمدعلی موسویان
- چکیده
- در این پژوهش غشاهای هیبریدی پلی وینیل الکل / تترا اتیل اورتوسیلیکات / 3-مرکاپتوپروپیل تری متوکسی سیلان (PVA/TEOS/TMPTMS) و پلی وینیل الکل / تترا اتیل اورتو سیلیکات / 3-آمینوپروپیل تری اتوکسی سیلان (PVA/TEOS/APTES) به روش سل-ژل / Casting و غشای نانوفیبر هیبریدی PVA/TEOS/APTES به روش سل-ژل / الکتروریسی تهیه شده است. عملکرد غشای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS در جذب فلزات مس، سرب، نیکل، کادمیم و اورانیوم و غشاهای هیبریدی و نانوفیبر هیبریدی PVA/TEOS/APTES در جذب اورانیوم از پساب های آبی در حالت ناپیوسته بررسی شده است. سنتز غشاهای تهیه شده با استفاده از آنالیزهای FTIR ،SEM ، BET و EDXA مشخص شده است. عکس های SEM از غشاهای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS و PVA/TEOS/APTES نشان دهنده توزیع یکنواخت ذرات در ماتریس پلیمری غشاهای هیبریدی تهیه شده در درصدهای TEOS 20 درصد وزنی، TMPTMS 15 درصد وزنی و APTES 10 درصد وزنی می باشد. ماکزیمم میزان جذب فلزات مس، سرب، نیکل، کادمیم و اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS به ترتیب در TEOS 20 درصد وزنی و TMPTMS 15 درصد وزنی به دست آمده است. بر اساس بررسی های انجام شده، بیشترین میزان جذب فلزات مس، سرب، نیکل، کادمیم و اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS به ترتیب در pH های برابر 6، 5/5، 5، 5 و 5/4، غلظت جاذب 1 گرم بر لیتر، دمای 45 درجه سانتی گراد و زمان 4 ساعت به دست آمده است. داده های سیتیکی با مدل های سینتیکی شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم و دواکسپونانسیلی برازش شده است که از بین مدل های بکار گرفته شده، مدل شبه مرتبه دوم بهتر از دو مدل سینتیکی شبه مرتبه اول و دو اکسپونانسیلی داده های سینتیکی را توصیف می نماید. سه مدل ایزوترم فرندلیچ، لانگمایر و دوبین-رادکویچ برای توصیف داده های تعادلی فلزات انتخابی بررسی شده که مدل فرندلیچ تطابق بهتری نسبت به دو مدل دیگر با داده های تعادلی فلزات انتخابی دارد. ماکزیمم میزان جذب فلزات بررسی شده توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS به صورت زیر به دست آمده است. q_(max,Cu) (70.01 mg/g)>q_(max,Pb) (61.62 mg/g)>q_(max,Cd) (61.43 mg/g)>q_(max,U(6)) (39.08 mg/g)>q_(max,Ni) (10.39 mg/g) برازش داده های تعادلی با مدل دوبین-رادکویچ و مقادیر انرژی آزاد جذب به دست آمده نشان داد که مکانیسم جذب مس، سرب، کادمیم و اورانیوم از نوع شیمیایی و مکانیسم جذب نیکل توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS فیزیکی می باشد. مقادیر محاسبه شده پارامترهای ترمودینامیکی نشان داد که جذب مس، سرب، کادمیم و اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/TMPTMS خودبخودی، گرماگیر و با افزایش بی نظمی همراه است، در صورتی که جذب نیکل توسط غشای هیبریدی تهیه شده گرماگیر و غیر خودبخودی می باشد. احیای غشای هیبریدی و استفاده مکرر از آن نشان دهنده پتانسیل بالای غشای هیبریدی تهیه شده برای جذب فلزات سنگین و اکتیو می باشد. بر اساس نتایج، ماکزیمم میزان جذب اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/APTES در TEOS برابر با 20 درصد وزنی و APTES برابر با 10 درصد وزنی به دست آمد. بررسی ها نشان داد که بیشترین میزان جذب اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/APTES در pH برابر با 5/4 و دمای 45 درجه سانتی گراد به دست می آید. با بررسی مدل سازی داده های سینتیکی جذب اورانیوم با مدل های سینتیکی و داده های تعادلی با مدل های ایزوترم مشخص شد که داده های سینتیکی با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم و داده های تعادلی با مدل ایزوترم فرندلیج بهترین برازش را دارند. محاسبات تغییرات انرژی آزاد جذب(0G?)، تغییرات آنتروپی(0 S?) و تغییرات آنتالپی (0H?) نشان داد که جذب اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/APTES خودبخودی، گرماگیر و با افزایش بی¬نظمی در لایه مرزی جامد-محلول همراه است. استفاده از غشای هیبریدی PVA/TEOS/APTES در پنج سیکل جذب-دفع و کاهش کمتر از 20 درصدی از کل جذب نشان داد که از این ماده می توان به عنوان یک جاذب مناسب در فرایندهای عملی استفاده کرد. نتایج حاصل از بهینه کردن شرایط فرایند الکتروریسی برای ساخت فیبرهای هموارتر با قطر کمتر نشان داد که غشای نانوفیبر PVA/TEOS/APTES با قطر متوسط 196 نانومتر به ترتیب در ولتاژ اعمالی 5/17 کیلو ولت، شدت جریان 3/0 میلی لیتر بر ساعت و فاصله 5/12 سانتی متر به دست می آید. بر اساس بررسی های انجام شده در مورد جذب اورانیوم توسط غشای نانوفیبر هیبریدی PVA/TEOS/APTES در حالت ناپیوسته، ماکزیمم میزان جذب در pH برابر 5/4 و دمای 45 درجه سانتی گراد به دست آمده است. زمان تعادلی برای جذب اورانیوم 2 ساعت به دست آمده است و داده های سینتیکی بهترین برازش را با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم داشته است. نتایج حاصل از برازش داده های تعادلی با مدل های ایزوترم فرندلیچ، لانگمایر و دوبین-رادکویچ نشان داد که مدل لانگمایر بهتر از دو مدل دیگر می تواند داده های تعادلی را توصیف نماید. ماکزیمم میزان جذب اورانیوم توسط غشای نانوفیبر هیبریدی PVA/TEOS/APTES برابر با 170 میلی گرم بر گرم می باشد که بیشتر از پنج برابر ظرفیت جذب اورانیوم توسط غشای هیبریدی PVA/TEOS/APTES می باشد. مقادیر 0H?، 0G? و 0 S? به ترتیب 232/47 کیلوژول بر مول، 018/8 کیلوژول بر مول و 1851/0 کیلوژول بر مول بر درجه کلوین می باشد که نشان دهنده گرماگیر ، خودبخودی و افزایش بی نظمی فرایند جذب اورانیوم توسط غشای نانوفیبر هیبریدی PVA/TEOS/APTES می باشد. احیای غشاء در پنج سیکل جذب-دفع توسط محلول HNO3/HCl با نسبت مساوی انجام شده که بازده بالای جذب اورانیوم توسط غشاء نشان دهنده پتانسیل بالای جاذب در جذب فلزات سنگین و اکتیو می باشد.
- Abstract
- In this work, poly vinyl alcohol/tethra ethyl ortho silicate/3-mercapto-propyltrimethoxysilane (PVA/TEOS/TMPTMS) and poly vinyl alcohol/tethra ethyl ortho silicate/3-amino-propyltriethoxysilane (PVA/TEOS/APTES) hybrid membranes were prepared by sol-gel/casting method. Also, the PVA/TEOS/APTES nanofiber membrane was prepared by sol-gel/electrospinning method. The prepared membranes were synthesized by FTIR, SEM, BET and EDXA analysis. The adsorption capacity of PVA/TEOS/TMPTMS hybrid membrane for copper, lead, cadmium, nickel and uranium sorption was investigated in a batch mode. The effect of parameters such as TEOS and TMPTMS content, pH, contact time, adsorbent dosage, initial concentration and temperature on metals sorption was evaluated. The kinetic data was fitted with Pseudo-first-order, Pseudo-second-order and Double-exponential models. Based on results, the Pseudo-second-order describes the experimental data well. Three isotherm models namely Freundlich, Langmuir and Dubbinin-Radushkevich were used for analysis of equilibrium data. Maximum adsorption capacity of the hybrid membrane for the metals is in order of: q_(max,Cu) (70.01 mg/g)>q_(max,Pb) (61.62 mg/g)>q_(max,Cd) (61.43 mg/g)>q_(max,U(6)) (39.08 mg/g)>q_(max,Ni) (10.39 mg/g) Calculation of thermodynamic parameters showed that the nature of lead, copper, cadmium and uranium sorption onto the membrane is endothermic and spontaneous and the mechanism of nickel adsorption by the membrane is endothermic and non-spontaneous. The PVA/TEOS/TMPTMS hybrid membrane is regenerated by 0.5 M HNO3/0.1 M HCl in equal ratio solution and the adsorption capacity did not change remarkably after five sorption-desorption cycles. The novel PVA/TEOS/APTES composite nanofiber is prepared by sol-gel/electrospinning method and the process parameters such as flow rate of spinning solution, applied voltage and tip-collector distance were optimized for fabrication of fine fibers. As results, the homogeneous fibers with smallest average diameter of about 196.704 nm was obtained at the flow rate of 0.3 ml h-1, applied voltage of 17.5 kV and tip-collector distance of 12.5 cm. Fourier transform infrared (FTIR) revealed the presence of amino groups in structure of PVA/TEOS/APTES composite nanofiber. The result of pore volume calculation by BJH model showed that the structure of PVA/TEOS/APTES nanofiber was mesoporous. The nanofiber membrane is used for adsorption of uranium from aqueous solutions in a batch system. The optimum condition for uranium sorption is obtained in pH of 4.5 and temperature of 45 oC. the equilibrium time for uranium sorption is reached after 2 hrs and the kinetic data is fitted well with Pseudo-second-order model. Also, the equilibrium data is fitted well with Langmuir isotherm model and maximum adsorption capacity is obtained 170 mg/g which is five order of uranium sorption onto the PVA/TEOS/APTES hybrid membrane.
