فهرست مطالب

 

فصل اول

مقدمه و بررسی منابع

 

1-1- مقدمه……………………………………. 3

1-2- آرسنیک…………………………………… 4

1-3- روش های حذف آرسنیک از آب…………………… 6

1-3-1- روش فرایند غشایی اسمز معکوس……………. 6

1-3-2- روش انعقاد و لخته سازی-ترسیب…………… 7

1-3-3- روش جذب سطحی…………………………. 8

1-4- تعریف جذب سطحی……………………………. 9

1-4-1- مهمترین عوامل موثر بر جذب سطحی…………… 10

1-4-1-1- مساحت سطح جذب………………….. 10

1-4-1-2- ماهیت ماده جذب شونده و جاذب………. 11

1-4-1-3- pH……………………………. 11

1-4-1-4- دما……………………………. 11

1-4-2- اساس پدیده جذب سطحی……………………… 12

1-4-3- مکانیسم فرایند جذب……………………… 13

1-4-3-1- جذب سطحی فیزیکی……………………… 14

1-4-3-2- جذب سطحی شیمیایی……………………. 15

1-4-4- جاذب های مورد استفاده در جذب سطحی………… 16

1-5- متداولترین جاذب های مورد استفاده در حذف آرسنیک. 17

1-5-1- کیتوسان و نانوکامپوزیت های آن…………. 17

1-5-2- آلومینای فعال……………………….. 19

1-5-3- نانوذرات آهن صفر ظرفیتی………………. 20

1-6- ایزوترم های جذب سطحی……………………… 20

1-6-1- ایزوترم جذب لانگمویر………………….. 21

1-6-2- ایزوترم فروندلیچ…………………….. 23

1-7- سنتیک جذب……………………………….. 24

1-7-1- مدل سنتیکی شبه مرتبه اول……………… 25

1-7-2- مدل سنتیکی شبه مرتبه دوم……………… 25

1-7-3- مدل نفوذ درون ذره­ای………………….. 26

1-8- برخی از مواد دارای خاصیت آنتی باکتریال……… 27

1-8-1- کیتوسان…………………………….. 27

1-8-2- یون های مس و کمپلکس کیتوسان- مس……….. 28

1-8-3- نانوذرات نقره……………………….. 29

1-9- مروری بر کارهای انجام شده…………………. 30

1-10- اهداف پروژه حاضر………………………… 34

 

 

فصل دوم

مواد و روش ها

 

2-1- مواد شیمیایی مورد استفاده…………………. 39

2-2- جاذب های مورد استفاده برای حذف آرسنیک (III)……. 42

2-3- تهیه جاذب ها…………………………….. 42

2-3-1- روش تهیه کامپوزیت کیتوسان/نانوآلومینا…. 42

2-3-2- روش سنتز نانو جاذب کیتوسان/آلومینا اصلاح شده با مس(II) 42

2-4- دستگاه های مورد استفاده…………………… 43

2-5- بررسی خصوصیات جاذب ها…………………….. 43

2-6- روش تهیه محلول استاندارد آرسنیت……………. 44

2-7- آزمایشات جذب دسته ای (بچ)…………………. 45

2-7-1- بررسی مقدار بهینه نانوآلومینا در کامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)…………………………………. 45

2-7-2- بررسی نسبت بهینه مس به کیتوسان در نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)   …………………………….. 46

2-7-3- بررسی تاثیر غلظت اولیه آرسنیک بر فرایند جذب سطحی (مطالعات ایزوترم جذب)…………………………. 46

2-7-4- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرایند جذب سطحی As(III) (مطالعات سنتیک جذب)…………………………………… 47

2-8- بازجذب و استفاده مجدد از جاذب ها…………… 47

2-9- روش آنالیز………………………………. 48

2-10- بررسی اثر تداخل یون های رایج……………… 48

2-11- بررسی خاصیت ضد میکروبی جاذب ها……………. 48

 

 

فصل سوم

نتایج و بحث

 

3-1- بررسی ساختار و ویژگیهای جاذبهای کیتوسان، کیتوسان/نانوآلومینا و مس-کیتوسان/نانوآلومینا…….. 53

3-1-1- ویژگی های مورفولوژی جاذب ها……………. 53

3-1-2- مطالعاتEDX  جاذب ها…………………… 56

3-1-3- مطالعاتAFM  جاذب ها…………………… 57

3-1-4- مطالعاتXRD  جاذب ها…………………… 58

3-1-5- مطالعات FTIR جاذب ها …………………. 61

3-2- ساختار فرضی نانوکامپوزیت کیتوسان/آلومینا……. 66

3-3- بررسی پارامترهای موثر بر جذب As(III) به روش ناپیوسته در دمای محیط و pH خنثی……………………………….. 69

3-3-1- بررسی مقدار بهینه نانوذرات آلومینا در Chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)…………………………………… 69

 

3-3-2- بررسی نسبت بهینه مس به کیتوسان در نانوجاذب اصلاح شده جهت حذف As(III)……………………………….. 70

3-3-3- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III)بر فرایند جذب سطحی 71

3-3-4- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرایند جذب سطحی As(III) 73

3-4- ایزوترم های جذب سطحی……………………… 77

3-4-1- بررسی ایزوترم های جذب As(III) توسط جاذب کیتوسان. 77

3-4-1-1- بررسی ایزوترم لانگمویر……………….. 77

3-4-1-2- بررسی ایزوترم فروندلیج………………. 78

3-4-2- بررسی ایزوترم های جذب As(III) توسط نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 81

3-4-2-1- بررسی ایزوترم لانگمویر……………….. 81

3-4-2-2- بررسی ایزوترم فروندلیج………………. 82

3-4-3- بررسی ایزوترم های جذب As(III) توسط نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3……………………………………………. 84

3-4-2-1- بررسی ایزوترم لانگمویر……………….. 84

3-4-2-2- بررسی ایزوترم فروندلیج………………. 85

3-5- سنتیک­های جذب سطحی………………………… 87

3-5-1- مدل سنتیکی شبه مرتبه اول………………. 88

3-5-2- مدل سنتیکی شبه مرتبه دوم………………. 91

3-5-3- مدل نفوذ درون ذره­ای…………………… 95

3-6- اثر pH اولیه……………………………. 98

6-7- اثر تداخل یون های رایج…………………… 100

3-8- قابلیت استفاده مجدد از جاذب………………. 101

3-9- حذف آرسنیک از آب های طبیعی………………. 101

3-6- فعالیت ضدمیکروبی………………………… 102

4- نتیجه گیری……………………………….. 104

5- پیشنهادات………………………………… 106

6- منابع……………………………………. 107

 

 

فهرست اشکال

 

شکل 1-1- مراحل جذب در سطوح درونی…………………. 13

شکل 1-2- نمودار خطی ایزوترم جذب لانگمویر…………. 22

شکل 1-3- مقایسه نمودارهای ایزوترم جذب فروندلیچ بر اساس مقادیر n 24

شکل 3-1- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه جاذب های (a کیتوسان (b نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3  و (c نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 ………………………………………… 54

شکل 3-2- میکروگراف های SEM از   (a کیتوسان خالص   (b نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3                   (c نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3     پس از جذب………………………………………. 55

شکل3-3- آنالیز EDX مربوط به نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 56

شکل 3-4- تصاویر AFM از سطح نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 57

شکل 3-5- پراش اشعه X نمونه نانوذرات آلومینا…….. 58

شکل 3-6- پراش اشعه X نمونه کیتوسان…………….. 59

شکل 3-7- پراش اشعه ایکس نمونه نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 60

شکل 3-8- پراش اشعه ایکس نمونه نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 60

شکل 3-9- فازهای کریستالی (a Chitosan/nano-Al2O3 و (b Cu-chitosan/nano-Al2O3 با توجه به الگوهای XRD آنها………………………. 61

شکل3-10- طیف FT-IR مربوط به کیتوسان……………… 62

شکل3-11- طیف FT-IR مربوط به نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 63

شکل3-12- طیف FT-IR مربوط به نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 64

شکل3-13- طیف FT-IR مربوط به نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 پس از جذب 65

شکل 3-14- طیف FTIR         (a کیتوسان خالص     (b Chitosan/nano-Al2O3       (c و (d نانوجاذب  Cu-chitosan/nano-Al2O3   قبل و  پس از جذب 66

شکل 3-15- ساختار فرضی نانو کامپوزیت کیتوسان/آلومینا. 67

شکل 3-16- ساختار کمپلکس کیتوسان-مس (a) مدل پل (b) مدل آویز 68

شکل 3-17- تاثیر غلظت اولیه As(III) بر ظرفیت جذب سطحی جاذب های مورد استفاده……………………………………… 72

شکل 3-18- داده های سنتیک برای جذب As(III) بر روی جاذب های مورد استفاده……………………………………… 75

شکل 3-19- فرم خطی ایزوترم لانگمویر برای جاذب کیتوسان خالص 78

شکل 3-20- فرم خطی ایزوترم فروندلیچ برای جاذب کیتوسان خالص 79

شکل 3-21- فرم خطی ایزوترم لانگمویر برای نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 81

شکل 3-22- فرم خطی ایزوترم فروندلیچ برای نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 83

شکل 3-23- فرم خطی ایزوترم لانگمویر برای نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 85

شکل 3-24- فرم خطی ایزوترم فروندلیچ برای نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 86

شکل 3-25- مدل سنتیک شبه نوع اول برای جذب As(III) روی جاذب کیتوسان 88

شکل 3-26- مدل سنتیک شبه نوع اول برای جذب As(III) روی نانو جاذب Chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 89

شکل 3-27- مدل سنتیک شبه نوع اول برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3 90

شکل 3-28- مدل سنتیک شبه مرتبه دوم برای جذب As(III) روی کیتوسان 91

شکل 3-29- مدل سنتیک شبه مرتبه دوم برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3 92

شکل 3-30- مدل سنتیک شبه مرتبه دوم برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 93

شکل 3-31- مدل نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی کیتوسان 95

شکل 3-32- مدل نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3 96

شکل 3-33- مدل نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3 96

شکل 3-34- اثر pH اولیه روی جذب As(III) توسط کیتوسان خالص،   Chitosan/nano Al2O3  و           Cu-chitosan/nano Al2O3………………. 99

شکل3-35- تعیین pHpzc برای جاذب های کیتوسان ، Chitosan/nano Al2O3 و       Cu-chitosan/nano Al2O3…………………………………. 99

شکل 3-36- ظرفیت جذب As(III) در حضور آنیون های تداخل (500 mg/l). شرایط آزمایش: غلظت آرسنیک سه ظرفیتی 50 mg/l و مقدار جاذب 2 g/l 100

شکل 3-37- بازده جذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 نسبت به چرخه های بازسازی 101

شکل3-38- نمودار MIC جاذب ها در برابر گونه های مختلف میکروبی 104

 

فهرست جداول

 

جدول2-1- مشخصات مهم کیتوسان……………………. 39

جدول 2-2- مشخصات مهم نانو ذرات آلومینا………….. 40

جدول 2-3- مشخصات مهم سدیم آرسنیت……………….. 41

جدول3-1- درصد اتمی و وزنی عناصر مورد استفاده در نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 57

جدول 3-2- بررسی تاثیر نسبت آلومینا به کیتوسان بر خواص جذبی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 69

جدول 3-3- بررسی نسبت مس به گلوکز آمین بر روی جذب جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 70

جدول3-4- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III)بر فرایند جذب سطحی جاذب کیتوسان……………………………………………. 71

جدول3-5- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III) بر فرایند جذب Chitosan/nano-Al2O3……………………………………………. 71

جدول3-6- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III) بر فرایند جذب Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 72

جدول3-7- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرایند جذب As(III) توسط کیتوسان……………………………………………. 74

جدول3-8- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرایند جذب As(III) توسط Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 74

جدول3-9- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرایند جذب آرسنیک توسط Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 75

جدول3-10- بررسی ایزوترم لانگمویر جاذب کیتوسان خالص.. 77

جدول3-11- پارامترهای ایزوترم لانگمویر برای جذب As(III) روی کیتوسان خالص………………………………………… 78

جدول3-12- بررسی ایزوترم فروندلیچ جاذب کیتوسان خالص. 80

جدول3-13- پارامترهای ایزوترم فروندلیچ برای جذب As(III) روی کیتوسان خالص………………………………………… 80

جدول3-14- بررسی ایزوترم لانگمویر نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 81

جدول 3-15- پارامترهای ایزوترم لانگمویر برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 82

جدول3-16- بررسی ایزوترم فروندلیچ نانو جاذب Chitosan/nano-Al2O3 82

جدول 3-17- پارامترهای ایزوترم فروندلیچ برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 83

جدول3-18- بررسی ایزوترم لانگمویر نانو جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 84

جدول 3-19- پارامترهای ایزوترم لانگمویر برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 85

جدول3-20- بررسی ایزوترم فروندیچ نانو جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 86

جدول 3-21- پارامترهای ایزوترم فروندلیچ برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 86

جدول3-22- بررسی سنتیک شبه مرتبه اول برای جاذب کیتوسان 88

جدول3-23- بررسی سنتیک شبه مرتبه اول برای جاذب Chitosan/nano-Al2O3 89

جدول3-24- بررسی سنتیک شبه مرتبه اول برای جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 90

جدول3-25- بررسی سنتیک شبه مرتبه دوم برای جاذب کیتوسان 91

جدول3-26- بررسی سنتیک شبه مرتبه دوم برای جاذب Chitosan/nano-Al2O3 92

جدول3-27- بررسی سنتیک شبه مرتبه دوم برای جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 93

جدول 3-28- پارامترهای مدل های سنتیکی شبه مرتبه اول و دوم برای جذب As(III) روی کیتوسان……………………………… 94

جدول 3-29- پارامترهای مدل های سنتیکی شبه مرتبه اول و دوم برای جذب As(III) روی نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 ………… 94

جدول3-30- پارامترهای مدل های سنتیکی شبه مرتبه اول و دوم برای جذب As(III) روی نانوکامپوزیت                       Cu-chitosan/nano-Al2O3  94

جدول 3-31- پارامترهای مدل­ نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی کیتوسان، Chitosan/nano-Al2O3 و Cu-chitosan/nano-Al2O3………… 97

جدول 3-32- پارامترهای فیزیکوشیمیایی نمونه آب طبیعی ( جمع آوری شده از آب زیرزمینی چاه از یک منطقه روستایی مراغه، ایران) مشخص شده با As(III)……………………………………….. 102

جدول 3-33- MIC جاذب ها در برابر گونه های مختلف میکروبی 103

 

فصل اول

 

 

مقدمه و بررسی منابع

 

1-1- مقدمه

اهمیت آب و نقش حیاتی آن در زندگی انسان، حیوان، نبات و محیط زیست آنقدر روشن است که نیاز به دلیل و برهان ندارد. بسیاری از مشکلات بهداشتی کشورهای در حال پیشرفت ناشی از عدم برخورداری از آب آشامیدنی سالم است. از آنجایی که محور توسعه پایدار، انسان سالم است و سلامت انسان در گرو بهره مندی از آب آشامیدنی مطلوب می باشد بدون تامین آب سالم جایی برای سلامت مثبت و رفاه جامعه، وجود ندارد. آب از دو بعد بهداشتی واقتصادی حائز اهمیت است. از بعد اقتصادی به حرکت درآورنده چرخ صنعت و رونق بخش کشاورزی است. از بعد بهداشتی آب با کیفیت تضمین کننده سلامت انسان است.

اگر چه از دید ما پنهان است، اما آب دارای آثار بسیار زیادی در حیات جانداران به ویژه انسان می باشد. آب آشامیدنی علاوه بر تامین مایع مورد نیاز بدن به مفهوم مطلق آن یعنی H2O ، در بردارنده املاح و عناصر ضروری برای موجودات زنده و انسان می باشد که کمبود پاره ای از آن‌ ها در آب ایجاد اختلال در بدن موجود زنده می کند. از طرفی آب آشامیدنی در بردارنده عناصر و ترکیبات شیمیایی سمی نیز می باشد که برخی از آنها سرطان زا بوده و برای سلامتی انسان بسیار مضر هستند. همچنین موجودات ذره بینی گوناگونی نیز در آب پیدا می شوند که بعضی از آنها بیماری زا بوده و ایجاد بیماری های عفونی خطرناکی می کنند. بنابراین توسعه فناوری های مختلف جهت تهیه و تامین آب آشامیدنی سالم برای جامعه از اهمیت بالایی برای ارتقاء سلامت جامعه برخوردار است.

فن‌آوری نانو با راهکارهای نوین و جدید خود اظهار می‌دارد كه مواد با پایه نانو می‌توانند به فن‌آوری‌های تصفیه آب ارزان قیمت‌تر، بادوام‌تر و مؤثرتری منجر شوند، و بخشی از نیازهای كشورهای در حال توسعه را برآورده ‌سازند. بر این اساس با توجه به توانمندی های فراوان فناوری نانو نسبت به روش های قدیمی و سنتی موجود، در حذف و کنترل آلودگی های محیطی و همچنین تصفیه و جلوگیری از انتشار آلودگی ها، می توان آن را به عنوان یک تکنولوژی سبز و ابزاری موثر برای دستیابی به توسعه ای پایدار ، چه از نظر اقتصادی و چه از نظر بهره وری بیشتر در نظر گرفت. لذا در این پروژه کاربردهای نانوجاذب های بر مبنای کیتوسان در تصفیه آب آشامیدنی برای حذف آرسنیک سه ظرفیتی و باکتری مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

1-2- آرسنیک

آرسنیک سومین عنصر گروه پنجم جدول تناوبی است. عدد اتمی آن 33 و جرم اتمی آن 92/74 می باشد. این عنصر با ظرفیت های مختلف و نیز به صورت معدنی و آلی در طبیعت یافت می شود. میزان آرسنیک در پوسته زمین 8/1 میلی گرم در کیلوگرم بوده، معمولاً به صورت ترکیب با گوگرد و یا فلزاتی نظیر مس، کبالت، سرب، روی و غیره یافت می شود. از این عنصر در کشاورزی، دامداری، پزشکی، الکترونیک، صنعت و متالوژی استفاده می گردد [1]. آرسنیک در اثر انحلال مواد معدنی موجود در سنگ ها و خاک هایی که تحت تاثیر عوامل فرساینده طبیعی قرار گرفته اند در لایه های زمین پخش شده و باعث آلودگی آب می گردد. آرسنیک بی رنگ ، بی بو ، بی مزه و بسیار سمی و سرطان زاست. همچنین آرسنیک سه ظرفیتی(آرسنیت) در اکثر اوقات سمی تر از نوع پنج ظرفیتی (آرسنات) می باشد . آلودگی آرسنیک در آب، به خصوص آب های زیر زمینی، به دلیل سمیت و مخاطره آمیز بودن آن، به عنوان یک مشکل اساسی در جوامع مختلف مطرح است. در آب های طبیعی آلوده مقدار آن در حد 1 تا 2 میلی گرم در لیتر نیز گزارش شده است[3]. مصرف طولانی مدت این عنصر سبب ایجاد سرطان می شود [4]. براساس تقسیم بندی سازمان بین المللی تحقیقات سرطان (IARC)، ترکیبات غیر آلی آرسنیک در گروه یک (سرطان زا برای انسان) قرار دارند [5]. این عنصر به عنوان آلاینده مهم آب آشامیدنی به ویژه در نواحی آسیای جنوبی شناخته شده است. در این نواحی میلیون ها نفر در خطر ابتلا به بیماری های مرتبط با آرسنیک می باشند [6].

در ایران نیز مواردی از آلودگی در استان های خراسان و کردستان گزارش شده است. بر اساس مطالعات صورت گرفته غلظت آرسنیک در آب آشامیدنی 10 روستا در استان کردستان بیش از غلظت مجاز بوده و تغییرات آن بین 10 تا 500 میکروگرم در لیتر گزارش شده است[7]. سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا و سازمان جهانی بهداشت بر مبنای مطالعات انجام گرفته، کاهش مقادیر مجاز آرسنیک در آب آشامیدنی از 50 به 10 میکرو گرم در لیتر را مد نظر قرار داده [8] تا از طبیعت سرطان زایی آرسنیک در سیستم گوارشی انسان جلوگیری به عمل آورده و از طرفی از عوارض کبدی، ریوی، کلیه و اثرات پوستی ممانعت نماید [9]. این عنصر از طریق پوست، سیستم تنفسی و گوارشی جذب بدن