ايزوترمهاي جذب سطحي
مدلهاي ايزوترم جذبي تعادلي، از ملزومات اساسي براي طراحي سيستمهاي جذب سطحي و بر هم کنشهاي بين جاذب و جذب شوندهاند که اطلاعات لازم در مورد ظرفيت جاذب را ارائه ميدهند و به صورت تعداد ميلي گرمهاي جذب شده بر گرم جاذب، در مقابل غلظت تعادلي جذب شونده رسم ميشوند. چهار مدل براي آناليز دادههاي جذبي تعادلي به کار برده شد: لانگموير28، فرندليچ29، سيپس30 و ردليچ-پترسون31.
2-10-1- ايزوترم لانگموير
ايزوترم لانگموير يكي از بارزترين مدلهاي ايزوترمي در متون است که تعادل غير خطي مابين مقدار آناليت جذب سطحي شده و مقدار آزاد آن در محلول را در دماي ثابت توصيف مينمايد[81]. اين مدل ساده بوده و توصيف خوبي را از رفتار تجربي در محدوده وسيعي از شرايط کار ارائه ميدهد. فرم خطي رابطه لانگموير به صورت رابطه (2-1) بيان ميگردد :
(2-1)
که در آن qe مقدار آناليت جذب سطحيشده در واحد جرم ماده جاذب، بر حسب mg g-1، Ce غلظت تعادلي آناليت در محلول بر حسبmg L-1، aL بر حسبL mg-1 و KL بر حسبL g-1 ثابتهاي لانگموير و qmax= KL/aL حداکثر مقدار جذب در تک لايه جاذب بر حسبmg g-1 ميباشد. مقادير aL وKL از روي شيب و عرض از مبدا نمودار Ce/qe درمقابل Ce بدست ميآيد. مقدار آناليت که درحال تعادل در واحد جرم جاذب، جذب سطحي (qe) ميگردد توسط رابطه زير محاسبه ميگردد.
(2-2)
که در اين رابطه، V حجم محلول آناليت بر حسب ليتر، Co و Ce به ترتيب غلظت اوليه و تعادلي آناليت بر حسب mg L-1، و m جرم جاذب بر حسب گرم ميباشند.
ايزوترم لانگموير نشان ميدهد كه مقدار آناليت جذب شده با افزايش غلظت آن تا جايي که سطح نانو ذره اشباع مي شود افزايش مي يابد. به عبارت ديگر تا زماني كه محلهاي در دسترس موجودند، جذب سطحي با افزايش غلظت آناليت افزايش پيدا ميکند، اما زمانيكه اين مكانها اشغال شدند افزايش بيشتر غلظت آناليت موجب افزايش مقدار جذب آناليت بر روي جاذب نميگردد[81].
2-10-2- ايزوترم فروندليچ
مدل جذبي فرندليچ، يک رابطه تجربي است که فرم خطي شده آن به صورت رابطه (2-3) تعريف ميشود.در واقع ايزوترم فروندليچ بيانگر اين است که جذب به صورت چند لايه صورت مي‌گيرد.
(2-3) ln qe = lnKf + (1/n) lnCe
مقاديرKf و 1/n از روي عرض از مبدا و شيب نمودار lnqe در مقابل lnCe بدست ميآيند. 1/n ثابتي است که به ناهمگني سطح مربوط ميشود و مقدار n معمولاً در محدوده 0تا 1 تغيير ميکند و هر چه مقدار n به 1 نزديکتر باشد، سطح همگنتر است. Kf ثابت فرندليچ است، که به ظرفيت جذب مرتبط ميشود. مدل فروندليچ نشان مي‌دهد که هرچه غلظت اوليه آناليت بيشتر باشد، مقدار جذب آن برروي نانوذره بيشتر مي باشد. يک پارامتر ديگر براي انتخاب ايزوترم جذبي، مجذورضريب همبستگي 32r2ميباشد. هر چه مقادير مجذورضريب همبستگي به 1 نزديکتر باشد، داده هاي تجربي همخواني بيشتري با مدل مورد بررسي دارند[82[.
2-10-3- ايزوترم لانگموير- فروندليچ (سيپس)
با توجه به اينکه ايزوترم فروندليچ ناهمگني سطح را در نظر گرفته و ايزوترم لانگموير، روند تجربي جذب سطحي را به خوبي توجيه ميکند، از ادغام اين دو ايزوترم، معادله لانگموير- فروندليچ به شکل زير ارائه شد:
(2ـ4)
اين ايزوترم در غلظتهاي کم جذب شونده، به ايزوترم فروندليچ کاهش مييابد. همچنين زماني که سطح جاذب همگن باشد (n=1) به ايزوترم لانگموير تبديل ميشود[83].
2-10-4- ايزوترم ردليچ-پيترسون
ردليچ-پيترسون (R-P) يک ايزوترم که با خصوصيات و ويژگيهاي ايزوترم لانگموير و فروندليچ توافق داشت به شکل زير پيشنهاد دادند:
(2-5)
که (L g-1) KRP و L mg-1))aRP ، ثابتهاي ايزوترم ردليچ-پيترسون هستند و ? پارامتر بدون بعدي است که بين عدد صفر تا يک قرار دارد. معادله ردليچ-پيترسون شامل سه پارامتر ميباشد که با ايزوترمهاي تجربي منطبق است. در غلظتهاي پايين ايزوترم ردليچ-پيترسون رفتارش به قانون هنري نزديک است و در غلظتهاي بالا به ايزوترم فروندليچ نزديک ميشود[84].
به طور کلي معادله خطي وغير خطي هريک از ايزوترم ها در جدول (2-3) نمايش داده شده است.
جدول(2-3)، مدل هاي ايزوترمي و معادله هاي خطي و غير خطي آنها
فرم خطي
فرم غير خطي

ايزوترم

لانگموير

فروندليچ

سيپس

ردليچ – پترسون

2-11- مدلهاي سينتيکي سيستمهاي جذب سطحي
در واکنشهاي جذب سطحي، با به کارگيري دادههاي ترموديناميکي ميتوان اطلاعاتي در زمينهي حالت نهايي يک سيستم مثل ظرفيت جاذب و ثابت تعادل واکنش بهدست آورد، در حاليکه مطالعهي سينتيک جذب سطحي، اطلاعاتي دربارهي مسير واکنش و مکانيسم واکنشهاي جذب سطحي و همچنين سرعت جذب در اختيار ما قرار مي‌‌دهد ]86,85[. جذب و واجذب سطحي فرايندهايي وابسته به زمان هستند. آگاهي از سرعت جذب و سرعت واجذب به منظور طراحي و ارزيابي سيستم جذب سطحي مورد نياز است [87].
براي توجيه مكانيسم يک سري از فرآيندهاي جذب سطحي در حذف آلايندهها از محيط، مدل‌هاي سينتيكي متعددي ارائه شده است.
2-11-1- سينتيک جذب سطحي
2-11-1-1- معادله سرعت شبه مرتبه اول33
اولين معادله سرعت براي جذب سطحي در سيستم جامد- مايع بر اساس ظرفيت جاذب در اوايل سال 1898 توسط لاگرگرن به صورت معادلهي (2-6) ارائه شد:
(2ـ6)
که در آنqe و q به ترتيب عبارتند از مقدار ماده جذب شده در واحد جرم جاذب در حالت تعادل و مقدار ماده جذب شده در واحد جرم جاذب در لحظه t و k1 ثابت سرعت جذب سطحي شبه مرتبه اول است.
با انتگرالگيري از معادله (2-6) در شرايط مرزي 0 = tتا t = t و 0 = q تا q = q معادله (2-7) به دست ميآيد [88].
(2-7)
اين معادله، بهطور وسيعي در مدلسازي جذب سطحي آلاينده‌ها از محلول‌هاي آبي مورد استفاده قرار گرفته است.
2-11-1-2- معادله سرعت شبه مرتبه دوم34
اين معادله سرعت در سال 1984 توسط بلانچارد35 به صورت تجربي براي فرآيند تبادل يون ارائه شد [89]. سپس اين معادله توسط هو36 ومک کي37 براي فرايند جذب سطحي به کار برده شد [86]. معادله سرعت شبه مرتبه دوم براي يک سيستم جذب سطحي به صورت معادلهي (2-8) بيان ميشود:
(2-8)
که در آن ثابت سرعت جذب سطحي شبه مرتبه دوم است.
با انتگرالگيري از معادله (2-8)، در شرايط مرزي 0t= تا t=t و0 = q تا q=q و سپس خطي کردن، رابطه زير به دست ميآيد:
(2-9)
با استفاده از عرض از مبدأ نمودار بر حسب t ، ميتوان ثابت سرعت شبه مرتبه دوم را به دست آورد[90].
سرعت اوليه جذب سطحي ro، با استفاده از مدل شبه مرتبه دوم درحالتيکه 0 t? به صورت زير بيان ميشود[91].
(2-10)
در سالهاي اخير از مدلهاي سينتيکي شبه مرتبه اول و شبه مرتبه دوم براي بررسي سينتيک جذب سطحي از محلولهاي آبي به طور گسترده استفاده شده و در بسياري از آنها معيار انتخاب مدل سينتيکي مناسب، مقدار ضريب همبستگي بوده است [92]. در جدول (2-4) تعدادي از معادلات سنتيک جذب سطحي آورده شده است.

جدول(2-4) فرم خطي و غير خطي معادلات سنتيک جذب سطحي
معادلات سينتيکي
فرم غير خطي
فرم خطي
شبه مرتبه اول

شبه مرتبه دوم

نتايج و بحث

3-1 حذف يون‌هاي فلزات سنگين سرب، جيوه، کادميوم و نقره از محلولهاي آبي با استفاده از نانوذرات مگهمايت اصلاح شده

3-1-1- مقدمه
در سال‌هاي اخير حضور فلزات سنگين سمي در فاضلاب هاي صنعتي بسيار با اهميت شده است. فلزات به عنوان آلاينده در فاضلاب هاي آبي بسياري از کارخانه ها موجود مي باشد. از اين رو توسعه روشهاي کاربردي براي حذف فلزات سنگين از نمونه هاي محيطي و بيولوژيکي اهميت بسزايي دارد. جذب فلزات سنگين از محلول‌‌هاي آبي توسط جاذب هاي سنتزي، به طور گسترده اي براي کاهش غلظت آنها از محلولهاي آبي استفاده مي شود [94,93]. اين جاذب‌ها، معمولا توسط اتصال ملکولهاي آلي و معدني به سطح آنها اصلاح مي‌گردند. مواد عامل دار شده حاصل مي توانند به طور مؤثري براي حذف يون‌هاي فلزات سمي مورد استفاده قرار گيرند. اخيرا مواد نانو به دليل ابعاد کوچکي که دارند، و همچنين به دليل خواص ويژه آنها، بسيار مورد توجه قرار گرفته اند[95]. نسبت سطح به حجم زياد و سطح فعال گسترده مواد نانو، آنها را قادر مي سازد که پتانسيل کاربردها ي گوناگون را داشته باشند. در اين پروژه نانوذرات مگهمايت (MNPs) توسط يک روش جديد با ليگاند مرکاپتو اتيل آمين اصلاح گرديد و نانوذرات اصلاح شده در فرايند ناپيوسته38 براي حذف يون‌هاي فلزي سرب(II)، کادميوم(??)،جيوه(??) و نقره(?) از نمونه هاي محيطي مورد استفاده قرار گرفت.

3-1-2- مطالعات جذب سطحي فلزات
انجام مطالعات جذبي با افزودن mL0/20از محلول يون‌هاي فلزي با غلظتهاي مختلف، 02/،03/0 و 04/0 گرم از نانو ذرهMAMNPs ، در يک بشر mL 0/25 انجام گرفت. pH محلول يون‌هاي فلزي و جاذب، به طور جداگانه، توسط محلولهاي 1/0مولار HCl وNaOH بر روي 5/5 و 0/8 تنظيم شد. پس از مخلوط کردن محلولها و جاذب، اين محلولها به مدت 0/60 دقيقه به هم زده شدند يون فلزات به سرعت جذب نانو ذرات MAMNPsمي شوند. سپس نانوذراتي که فلز بر روي آنها جذب سطحي شده است، توسط يک آهن ربا از محلول جدا شدند. مشاهده گرديد غلظت يون‌ فلزات با گذشت زمان به واسطه جذب بر روي نانو ذرات کاهش مييابند. مطالعات واجذب براي جداکردن يون‌هاي فلزي از روي نانو ذرات با به کار بردن mL0/4 مخلوط استونيتريل – اسيد نيتريک 05/0 مولار (نسبت حجمي 1 به 1) انجام شد. بعد از جداسازي براي اندازهگيري غلظت يون‌هاي فلزي در محلول واجذب شده، و محلولهاي شاهد كه به همين روش تهيه شده و فقط فاقد فلز بودند، از اندازهگيري جذب در طول موج جذبي 217، 8/288، 7/253،1/328 نانو متر به ترتيب براي سرب، کادميوم، جيوه، و نقره استفاده گرديد.

3-1-3- بررسي اثر متغيرها و بهينه سازي شرايط آزمايش
3-1-3-1- بررسي اثر pH
به منظور بررسي اثر pH محلول بر روي جذب سطحي يون فلزات، pH محلول در محدوده 0/3-0/9در شرايط يکسان براي يکسري محلول حاوي يون‌هاي سرب، جيوه، کادميوم و نقره (01/0گرم جاذب، 0/60 دقيقه زمان، 0/20 ميلي ليتر محلول mg L-10/20 از هر يون فلزي( تغيير داده شد. نتايج بدست آمده در شکل

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید