SUPERVISOR
Mohammad Amiri
محمد امیری (استاد راهنما)
STUDENT
Hossein Mohammadifard
حسین محمدی فرد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Heavy metals removal from wastewaters using calcium carbonate nanoparticles synthesized in colloidal gas aphron system
Heavy metals in water and wastewaters are considered as a dangerous pollutant that must be removed usually up to less than ppm levels of concentration. Today, adsorption processes are recognized as one of successful methods for treating heavy metal contaminations and finding powerful, cheap and environmentally friend adsorbent is the most desirable. To meet these requirements, in this thesis, nanoparticles of calcium carbonate were suggested as the desirable adsorbent. To achieve this goal, a novel method was developed to generate calcium carbonate in colloidal gas aphron (CGA) system. As there are different morphologies and polymorphs of calcium carbonate, the effect of surfactant concentration on the morphology and crystalline structure were investigated in the first step of this study. Characterizations of generated calcium carbonate particles were analyzed by SEM, XRD and FTIR. Experimental results show that spherical vaterite particles are formed when the concentration of sodium dodecyl sulphate was 1.4 milimolar and increasing the reagents concentrations only increase the average diameter of particles from 107 to 1500 nanometers without any change in morphology and crystalline structure. However, when concentration of sodium dodecyl sulphate was 8.2 milimolar, morphology and crystalline structure was changed and calcite and vaterite plates of calcium carbonate with sizes of more than 10 micrometers were formed. There is no report about these morphology of calcites and vaterite plates in the scientific literature. XRD analysis demonstrated that in 8.2 milimolar concentration of surfactant, the population of calcite rather than vaterite crystalline increases with increasing reagents concentrations. The generated calcium carbonate nanoparticles were used for removal of Cu, Pb and Fe ions in the second step of this experimental work. As many heavy metals precipitate in basic pH, the effect of pH was the first parameter that evaluated on the removal capacity. Increasing in pH values from 2.5 to 6 resulted in 50 percent increase in removal capacity. The pH value of 5.5 was selected as the optimum value to ensure no hydroxide precipitation occur before adding nanoparticles. The investigation of metal ions concentrations on the removal capacity of CaCO 3 nanoparticles at different temperatures showed that prepared nanoparticles have a great capacity to remove heavy metals from aqueous solution. The maximum removal capacities of calcium carbonate nanoparticles were found to be 1210±30 mg/g for Pb(II), 845±7 mg/g for Fe(II) and 686±6 mg/g for Cu(II) ions, respectively. Analyzing the experimental data showed that the CaCO 3 adsorption mechanism is not just a simple monolayer adsorption and transformation of precipitation between CaCO 3 and heavy metal carbonates could be the explanation for the large removal capacity of CaCO 3 . The effect of time showed that all the experiments achieve their adsorption equilibrium within 2 hours. The reaction rate of process was found to follow the second order equation. Response surface methodology based on three variable Box-Behnken design was utilized to evaluate the effects of temperature (25-65 ?C), initial metal concentration (10-200 mg/L), and CaCO 3 dosage (0.5-1.5 g/L) on the sorption process. The results showed that the temperature has no significant effect on the removal capacity (p-value 0.05), but decreasing in CaCO 3 dosage and increasing in initial metal concentration improve the removal capacity. Key words : Calcium carbonate structures, Colloidal gas aphron, Heavy metal removal, Cadmium ion, Surface response methodology (RSM), Box-behnken method
وجود فلزات سنگین در آب و پساب به عنوان یک عامل آلوده کننده خطرناک به شمار میرود و میبایست آنها را تا مقادیر کمتر از یک میلیگرم بر لیتر حذف نمود. امروزه فرایندهای جذب به عنوان یکی از موفقترین روشها در تصفیه آلودگیهای فلزات سنگین به حساب میآیند و یافتن جاذبهای با ظرفیت بالا، ارزان قیمت و دوستدار محیط زیست بسیار مطلوب میباشد. به منظور نیل به این نیازها، در این پژوهش نانوذرات کلسیم کربنات به عنوان یک عامل دفع آلودگی از محیط آبی پیشنهاد شد. بدین منظور یک روش جدید بر پایه تولید کلسیم کربنات در محیط افرونهای کلوئیدی گازی توسعه داده شد. با توجه به مورفولوژیها و پلیمورفهای متفاوت کلسیم کربنات اثر غلظت پیشمادهها و غلظت ماده فعال سطحی بر روی مورفولوژی و ساختار کریستالی ذرات حاصل مورد مطالعه قرار گرفت. تعیین خواص ذرات حاصل با استفاده از آنالیزهای SEM، XRD و FTIR انجام پذیرفت. نتایج آزمایشات نشان داد که در غلظت 4/1 میلیمولار از ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات ذرات کروی وتریت تولید میشوند و افزایش غلظت پیشمادهها بدون ایجاد تغییر در مورفولوژی و ساختار کریستالی، تنها باعث افزایش اندازه ذرات کروی از 107 تا 1500 نانومتر میشود. با این وجود، در غلظت 2/8 میلیمولار از سدیم دودسیل سولفات، مورفولوژی و ساختار کریستالی ذرات تغییر کرده و صفحاتی از کلسیم کربنات با فاز کریستالی کلسیت و وتریت و اندازه بیش از 10 میکرومتر تشکیل شد. تاکنون، تولید چنین مورفولوژیهایی در دیگر منابع گزارش نشده است. نتایج آنالیز XRD نشان داد که در غلظت 2/8 میلیمولار از سدیم دودسیل سولفات فراوانی کریستالهای کلسیت نسبت به وتریت با افزایش غلظت پیشمادهها افزایش مییابد. در بخش دوم این پژوهش از نانوذرات کلسیم کربنات تولیدی (107 نانومتر) برای حذف یونهای مس، سرب و آهن از محلولهای آبی استفاده شد. در این قسمت با توجه به اثر تداخلی pH در ایجاد گونههای نامحلول هیدروکسیدی، ابتدا اثر pH بر روی ظرفیت حذف یونهای فلزی بررسی شد و مقادیر بهینه این عامل در ادامه آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت. بررسی pH بر روی میزان حذف نشان داد که افزایش pH از 5/2 تا 6 باعث افزایش بیش از 50 درصدی در میزان حذف میشود. در این مرحله pH 5/5 به منظور اطمینان از عدم رسوب یونهای فلزی در حین فرایند به عنوان pH بهینه انتخاب شد. بررسی اثر غلظت یونهای فلزی در دماهای 25، 45، و 65 درجه سانتیگراد نشان داد که نانوذرات کلسیم کربنات توانایی بسیار بالایی در حذف یونهای فلزی دارند، به طوریکه بیشینه میزان جذب بدست آمده برای یونهای مس، سرب و آهن به ترتیب 6±686، 30±1210 و 7±845 میلیگرم بر گرم محاسبه شد. بررسی مکانیسم فرایند نشان داد که با توجه به مقادیر بالای ظرفیت حذف، فرایند حذف فلزات سنگین توسط نانوذرات کلسیم کربنات یک فرایند جذب معمولی نبوده و جایگزینی کربناتهای فلزات سنگین به جای کلسیم کربنات میتواند عامل اصلی مشاهده چنین مقادیر بزرگی در ظرفیت حذف باشد. بررسی اثر زمان (سینتیک فرایند) نیز نشان داد که بیشینه میزان حذف یونهای فلزی حداکثر در دو ساعت اول از شروع فرایند حاصل میشود. در این قسمت مدل سینتیکی درجه دوم پیشبینی دقیقتری را از رفتار سینتیکی سیستم ارائه داد. اثر پارامترهای دما (25-65 درجه سانتیگراد)، غلظت جاذب (5/0 تا 5/1 گرم بر لیتر) و غلظت یونهای فلزی (10 تا 200 میلی گرم بر لیتر) بر روی ظرفیت حذف با استفاده از طراحی آزمایشها به روش باکس بنکن انجام گرفت. نتایج این قسمت نشان داد که دما اثر قابل توجهی بر روی ظرفیت حذف نداشته (p-value 0.05) ولی کاهش غلظت جاذب و افزایش غلظت یونهای فلزی باعث افزایش در ظرفیت حذف میشوند. در بخش نهایی این تحقیق از ذرات کلسیم کربنات تهیه شده از کارخانه DMT اصفهان به منظور حذف یونهای سرب از آب استفاده شد. نتایج این بخش نشان داد که میزان حذف توسط این ذرات (234 میلیگرم بر گرم) نسبت به نانوذرات تولیدی کمتر بوده ولی با این وجود با توجه به رایگان بودن این ماده استفاده از آن میتواند مقرون به صرفه باشد. کلمات کلیدی : ساختارهای کلسیم کربنات، افرونهای کلوئیدی گازی، حذف فلزات سنگین، طراحی آزمایشها، روش باکس-بنکن