مطالعات تعادلی، ترمودینامیکی و سینتیکی جذب سرب از محلول¬های آبی بوسیله نانوکامپوزیت پلی¬اکریلیک اسید- بنتونیت

STUDENT

DEGREE

YEAR

With the rapid development of modern industries, the environment has faced more and more contamination than in the past. Heavy metals are major contaminants of the environment. Among the heavy metals, lead is one of the most common and toxic pollutants released into the natural waters. Various methods have been used for removal of metals from waters and wastewaters. Among them, adsorption processes have received much attention due to their economical applicability. In general, adsorbents are highly porous particles in order to ensure adequate surface area for adsorption. However, the existence of intraparticle diffusion may lead to the decreases in the adsorption rate and available capacity. Therefore, developing an adsorbent with large surface area and small diffusion resistance has significant importance in practical use. Clay minerals are good adsorbents for heavy metals because of their large surface area and high cation exchange capacity. Polymers having numerous functional groups are also good adsorbents of metal Ions. The modification of clays by polymers can improve their physical and chemical properties. In this study, poly(acrylic acid) -bentonite nanocomposite was synthesized and characterized using XRF, XRD, FTIR, TOC and SEM-EDS methods. Sorption behavior of the nanocomposite and bentonite for lead under various conditions such as contact time, initial lead concentration, temperature and amount of adsorbent was also studied. Results showed that the polymer entered into interlayer space of the bentonite and an intercalated nanostructure was formed. Maximum predicted sorption of the Langmuir model for polyacrylic acid-bentonite nanocomposite and natural bentonite were 93.01 and 52.31 mg/g, respectively. Thermodynamic parameters including Gi free energy changes (?G 0 ), enthalpy changes (?H 0 ) and entropy changes (?S 0 ) showed that lead sorbed by the absorbent is spontaneous, endothermic and favored. The kinetic studies of lead sorption at concentrations of 400 and 800 mg/L showed that as the lead concentration increased from 400 to 800 mg/L the equilibrium time for the sorption of lead by nanocomposite increased from about 30 to about 60 minutes. The equilibrium was not observed, however, for the sorption of lead by natural bentonite. Pseudo second order kinetic model was best described the kinetics of lead sorption by the nanocomposite, indicating chemisorption is probably the rate limiting step. Kinetic data of lead sorption by bentonite showed the best fit with a power function model. With increasing in the sorbent concentration, the amount of lead sorbed per unit weight of the sorbent decreased while the sorption percentage increased. In general, poly(acrylic acid)-bentonite nanocomposite is a very good adsorbent for the removal of lead from aqueous solutions. Keywords: Nanocomposite, Bentonite, Polyacrylic acid, Polymer-clay, Lead, Sorption

همگام با توسعه سریع صنایع جدید، آلودگی محیط نسبت به گذشته در حال افزایش است و یکی از مهمترین آلاینده ها در محیط فلزات سنگین می باشند. در میان فلزات سنگین، سرب یکی از معمول ترین و سمی ترین آلاینده هاست که از طریق صنایع مختلف مانند آبکاری فلزات و باطری سازی ها وارد آب های طبیعی می شود. روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آب ها و فاضلاب های صنعتی توسعه یافته اند که در این میان فرایندهای جذب به عنوان یک روش کارا و اقتصادی از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. جاذب های مختلفی جهت حذف فلزات سنگین استفاده شده است. درکل، این جاذب ها دارای تخلخل زیادی هستند و سطح کافی را برای جذب به وجود می آورند. با این حال، وجود پخشیدگی درون ذرّه ای ممکن است منجر به کاهش سرعت و ظرفیت جذب این جاذب ها شود. بنابراین، توسعه جاذب هایی بامساحت زیاد و مقاومت کم در برابر پخشیدگی دارای اهمیت قابل توجهی در استفاده های عملی می باشد. اصلاح رس ها توسط پلیمرها باعث بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آنها می شود و بنابراین کانی های رس اصلاح شده می توانند به عنوان جاذب به کار روند، زیرا پلیمرها خود دارای ویژگی های مناسب جذبی برای فلزات می باشند. در این مطالعه، نانوکامپوزیت پلی اکریلیک اسید- بنتونیت در مقایسه با بنتونیت طبیعی جهت حذف سرب از محلول های آبی مورد استفاده قرار گرفت. روش های XRF، XRD، FTIR، TOC و SEM-EDS برای مشخصه یابی جاذب ها مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج مشخصه یابی نشان داد که سورفکتانت و پلیمر در فضای بین لایه ای بنتونیت وارد شده و نانوساختار اینترکلیت تشکیل شده است.رفتار جذبی نانوکامپوزیت و بنتونیت نسبت به سرب تحت شرایط مختلف مانند زمان تماس، غلظت اولیه سرب، دما و مقدار جاذب مطالعه گردید. مدل های لانگمویر و فروندلیچ بر داده های تعادلی جذب سرب برازش داده شد. در تمامی دماهای مورد مطالعه(?C50- 15)، مدل لانگمویر بهترین برازش را بر داده های جذب سرب بوسیله نانوکامپوزیت نشان داد، در حالی که داده های جذب سرب بوسیله بنتونیت تنها در دماهای ?C 35 و ?C 50 با مدل لانگمویر بهترین برازش را نشان داد و در دمای ?C 15 و?C 25 مدل فروندلیچ برازش بهتری را نشان داد. حداکثر جذب پیش بینی شده از مدل لانگمویر برای نانوکامپوزیت پلی اکریلیک اسید- بنتونیت و بنتونیت طبیعی به ترتیب 01/93 و mg g -1 31/52 بدست آمد. پارامترهای ترمودینامیک شامل تغییرات انرژی آزاد گیبس (?G 0 )، انتالپی (?H 0 ) و انتروپی (?S 0 ) نشان داد که جذب سرب بوسیله جاذب ها خودبخودی، گرماگیر و مطلوب است. مطالعات سینتیک جذب سرب در دو غلظت 400 و mg L -1 800 به مدت 24 ساعت انجام شد. با افزایش غلظت از 400 به mg L -1 800 زمان برقراری تعادل برای جذب سرب بوسیله نانوکامپوزیت از حدود 30 دقیقه به حدود 60 دقیقه افزایش یافت. اما در زمان مورد مطالعه برای جذب سرب بوسیله بنتونیت طبیعی تعادل برقرار نگردید. مدل های سینتیک شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، الوویچ، پخشیدگی درون ذرّه ای و تابع توانی برای توصیف داده های سینتیک جذب سرب مورد استفاده قرار گرفت. مدل شبه مرتبه دوم داده های جذب سرب بوسیله نانوکامپوزیت را به خوبی توصیف نمود که نشان می دهد جذب شیمیایی مکانیسم کنترل کننده سرعت است. داده های سینتیک جذب سرب بوسیله بنتونیت بهترین برازش را با مدل تابع توانی نشان داد. با افزایش غلظت جاذب میزان سرب جذب شده در واحد وزن جاذب کاهش یافت در حالی که درصد جذب افزایش نشان داد. درکل، نانوکامپوزیت پلی اکریلیک اسید- بنتونیت بدلیل داشتن سرعت و ظرفیت جذب زیاد، جاذب بسیار مناسبی برای حذف سرب از محلول‌های آبی می‌باشد. کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت، بنتونیت، پلی اکریلیک اسید، پلیمر-رس، سرب، جذب