SUPERVISOR
حسین شریعتمداری (استاد راهنما) مهران شیروانی جوزدانی (استاد مشاور) محسن حمیدپور (استاد راهنما)
STUDENT
Farnaz Hodaee
فرنازالسادات هدائی کشکوئی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Sorption and Desorption of Cadmium from Aqueous Solutions by Natural-, Polyacrylamide Modified- and Nano- zeolite
Cadmium as a heavy metal is one of the most important environmental pollutants. Due to the long half-life and high toxicity of cadmium for human and animals this element is of special importance. Cadmium pollution of water resources due to its direct role in production of agricultural crops and foods is very dangerous. Industrial development has led to increased heavy metal pollution in environment endangering human health. On the other hand due to the shortage of water resources and the necessity of sewages use, investigation on finding and synthesis of high efficient sorbents is crucial. In addition to high efficiency, the sorbents should be affordable with low cost. Natural clays due to environmental sustainability, abundance, low cast and high surface area are currently the most widely used sorbents for heavy metals removal processes. In recent years nano materials with larger sorptive surface area and faster sorption kinetics are used for elimination of water pollutions. Better understanding of the adsorption and desorption of heavy metals, and the effects of ionic strength and the pH of solution is needed for effective purification of waters contaminated with heavy metals. In this study the natural-zeolite, nano-zeolite and polyacrylamid modified-zeolite are examined for sorption of cadmium from aqueous solutions. The natural clay was obtained from Firoozkooh mine and the other sorbents were prepared from the natural sample. The sorbents were analyzed for some chemical and physical properties such as elemental composition, cation exchange capacity, point of zero charge and the XRD diffraction. The X-ray diffraction patterns showed a shift from crystalline to amorphous phase in nano-zeolit but in the case of the modified clay there was no change in the mineral structure. The kinetics of sorption examined at 10 mg/l of cadmium concentration and 0.5 to 24 hrs of reaction time. Using different kinetics models, the best fits were observed by the pseudo first order and pseudo second order models for the modified-zeolite and Elovich and power function for zeolite and nano-zolite. Sorption isotherms were derived at the concentration ranges of 1 to 10 mg/l as low and 5 to 100 mg/l as high concentration in a 24h batch equilibrium experiment. Desorption of Cd(II) was also studied with the clay samples initially treated with the metal concentrations of 4.5, 10, 45 and 100 mg/l during the sorption study. Sorption isotherms of Cd were well described by the Freundlich and Coble-Korrigan models. Desorption isotherms of Cd from zeolite in low concentration showed little deviation from sorption data indicating a reversible sorption. But for other sorbents noticeable hysteresis was observed in all sorbate concentrations. The effect of ionic strengths of 0.01 and 0.1 molar on sorption were also examined at Cd concentrations of 4.5 and 45 mg/l. The increase in ionic strength decreased the sorption specially, at higher Cd concentration. This effect was different among the sorbents and nano-zeolite showed the list decrease in sorption under elevated ionic strength. The effect of initial pH of 5 to 7 on sorption was also examined. The Cd sorption decreased with decrease in pH for all sorbents. This effect was the list in modified zeolite. Key words: Cadmium sorption, Cadmium desorption, Natural-zeolite, Nano- zeolite, Modified zeolite, Polyacrylamide.
کادمیوم یکی از فلزات سنگین و از مهمترین آلاینده های زیست محیطی محسوب می شود. کادمیوم به دلیل نیمه عمر طولانی در بدن انسان و حیوان و سمی بودن زیاد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. آلودگی منابع آبی به کادمیوم به دلیل نقش مستقیم آن در تولید محصولات کشاورزی و تغذیه انسان و موجودات زنده بسیار خطرناک می باشد. گسترش صنایع منجر به افزایش آلودگی شده و سلامت انسان و محیط زیست را به خطر انداخته است. همچنین با توجه به کمبود منابع آبی در کشور و اهمیت استفاده از پساب ها یافتن و سنتز جاذب هایی با کارایی بالا مورد توجه قرار گرفته است. این جاذب ها باید علاوه بر راندمان بالا، در دسترس بوده و هزینه پایینی داشته باشند تا امکان استفاده از آن ها در سطح وسیع فراهم شود. رس های طبیعی به دلیل سازگاری با محیط زیست، فراوانی در طبیعت، هزینه کم و سطح ویژه زیاد در حال حاضر به طور گسترده ای برای جذب و حذف فلزات سنگین بکار می روند. در سال های اخیر نانو مواد نیز به عنوان موادی با سطح بالای جذب و سرعت جذب زیاد برای حذف آلودگی های آب مورداستفاده قرار گرفته اند. فهم بهتر واکنش های جذب و واجذب فلزات سنگین و تأثیر زمان تعادل، قدرت یونی وpH می تواند در یافتن راهکارهای بهتر برای پالایش محیط های آبی آلوده به فلزات سنگین مفید باشد. در این پژوهش جاذب های زئولیت طبیعی، نانو زئولیت و زئولیت اصلاح شده با پلی اکریل آمید برای جذب کادمیوم از محلول های آبی مورد استفاده قرار گرفتند. زئولیت مورد استفاده از معدن فیروزکوه تهیه شد و سایر جاذب ها از آن تهیه گردیدند. برخی ویژگی های شیمیایی مانند تجزیه عنصری، ظرفیت تبادل کاتیونی، نقطه بار صفر و الگوی پراش اشعه ایکس برای تمامی جاذب های مورد بررسی تعیین گردید. نتایج پراش اشعه ایکس، تغییر فاز نانو زئولیت از فاز کریستالی به آمورف را نشان داد ولی در نمونه اصلاح شده مشاهده شد که اصلاح رس با پلی اکریل آمید منجر به تغییر در ساختار کانی نمی شود. آزمایشات سینتیک جذب در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر کادمیوم و در محدوده زمانی 24-5/0 ساعت انجام شد. از بین تمامی مدل های بکار برده شده، مدل شبه رده اول و شبه رده دوم برای زئولیت اصلاح شده و مدل تابع توانی و الویچ برای نانو زئولیت و زئولیت طبیعی بهترین برازش را نشان دادند. آزمایشات همدماهای جذب بر اساس جذب کادمیوم از محلول های حاوی غلظت های مختلفی از کادمیوم در گستره ی5/1 تا 10 میلی گرم در لیتر در محدوده غلظت کم و غلظت 5 تا 100 میلی گرم در لیتر در محدوده غلظت های زیاد، زمان تعادل 24 ساعت و در pH یکسان حدود 6 برای تمامی جاذب ها رسم شدند. مطالعه واجذب کادمیوم از جاذب های مورد مطالعه در غلظت های 5/4، 10، 45 و 100 میلی گرم در لیتر طی 5 مرحله و با سه تکرار انجام شدند. همدماهای جذب به خوبی توسط مدلهای فروندلیخ و کوبله کوریگان توصیف شدند. همدماهای واجذب نیز برازش خوبی با مدل فروندلیخ نشان دادند. همدماهای واجذب کادمیوم از زئولیت در محدوده غلظت کم انحراف کمی از داده های جذب نشان داد که دلالت بر برگشت پذیر بودن جذب دارد. ولی برای سایر جاذب های مورد مطالعه و در تمامی غلظت های آزمایشات واجذب، پسماند مشاهده شد. پسماند جذب در نمونه نانو زئولیت در هر دو محدوده غلظت، قابل توجه بود. همچنین برای بررسی برگشت پذیری جذب، شاخص پسماند ظاهری نیز مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات قدرت یونی در قدرت یونی های 01/0 تا 1/0 مولار برای غلظت 5/4 و 45 میلی گرم در لیتر انجام شد. نتایج تفاوت جذب چشمگیری میان جاذب ها نشان داد. این تفاوت در غلظت 45 مشهودتر بود به طوری که نانو زئولیت به میزان بسیار کمتری نسبت به سایر جاذب های مورد آزمایش، با افزایش قدرت یونی کاهش جذب نشان داد. آزمایشات pH در محدوده pH اولیه 7-5 صورت گرفت. جذب در تمامی جاذب ها با کاهش pH کاهش یافت اما زئولیت اصلاح شده کمتر تحت تأثیر کاهش pH کاهش جذب نشان داد. واژه های کلیدی : جذب کادمیوم، واجذب کادمیوم، زئولیت طبیعی، نانو زئولیت، زئولیت اصلاح شده، پلی اکریل آمید