SUPERVISOR
Kayghobad Shams
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما)
STUDENT
Hadi Davan yamchi
هادی دوان یامچی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Extraction and Enrichment of Osmium from SynthesizedWastewaterby Nano-emulsion Liquid Membrane Technique
Osmium is one of the chemical element s that in periodic table of elements is in the platinum group metals. This metal is one of the rarest elemnents in the earth crust and is found as a trace element in alloys, mostly i platinum ores. Osmium oxide in form of osmium tetroxide is a powerful oxidizer, which boils at 130° C . Osmium because of its high density is commonly known as the hardest metal.This metal within the platinum group metals has the highest melting point and lowest vapor pressure. The commo oxidation states of osmium are 2+, 3+, 4+, and 8+, but it can form compounds with oxidation states ranging from and 2- to 8 +. In this research, extraction and enrichment of osmium IV from dilute synthesized wastewater prepared by disolution of osmium tetroxide in hydrochloric acid, using nano-emulsion liquid membrane (NELM) technique is investigated. In emulsion liquid membrane (ELM) process, because of many advantages such as high mass transfer flux induced by high mass transfer area, presence of chemical reaction, and lack of equilibrium limitations has attracted much attention in recent deacades. Extraction of heavy metals from dilute solutions is one of the most important applications of this method. The surface actaive agent, carrier, membrane phase, and internal phase used in this study are: Span 80, ethyhexyl phosphoric acid, liquid paraffin, and hydrochloric aacid. Considering the large number of effective parameters and their interactions in this process, for optimization of the number of experiments, Taguchi method of design of experiments and Minitab 16 software package was used, and 25 experiments was performed to study extraction and enrichment of Os (IV) via NELM. The average size distribution of the nano emulsion using dynamic light scattering (DLS) was determined to be 64.3 nm. Effects of concentration of surface active agent, concentration of carrier, contact time, agitation speed, and volume ratio of membrane phase to feed on extraction and enrichment of Os (IV) were studied and optimum values for maximization of extraction and enrichment and minimization of emulsion swelling which are the responses of this system were determined.The optimum values for reaching the maximum extraction (98.2 %) based on design of experiments by Taguchi method are as follow. Concentration of surface active agent 2 % V/V, concentration of the carrier 3 % V/V, contact time 20 min, mixer speed 750 RPM, and volumetric ratio of membrane to feed 60 to 100. Effects of various parameters including concentration of surface active agent, emulsification time, concentration of the internal phase (stripping phase), and volumetric ratio of the internal phase to the oil phase on emulsion stability were studied, and the following optimum values were determined. Concentration of surface active agent 1.5 % V/V, time of emulsification 6 min, concentration of the internal phase 0.8 M, and volumetric ratio of the internal phase to the oil phase 1 to 1. Then, by performing real experiments, effects of concentration of surface active agent, concentration of the carrier, speed of agitator, contact time, volumetric ratio of membrane phase to feed, and concentration of the internal phase (stripping phase) on extraction and enrichment were studied. The optimal conditions for maximum extraction (99 %) were as follows: concentration of surface active agent 1.5 % V/V, concentration of V/V, contact time 20 min, speed of the agitator 750 RPM, concentration of the internal phase 0.8 M, and volumetric ratio of membrane to feed 30 to 100. Finally, extraction of Os (IV) from synthesized wastewater using a laboratory continuous emulsion liquid membrane column at mixing speeds of 200, 300, and 400 RPM under similar conditions with those of batch emulsion membrane was studied and compared. Results showed that extraction for continuous operation was 97 % compared with 88.5 % for batch operation.
اوسمیوم یکی از عناصر شیمیاییاست که در جدول تناوبی عناصر در گروه پلاتین قرار دارد. این فلز یکی از نادر ترین عناصر در پوسته ی زمین است و به صورت آلیاژ در سنگ معدن پلاتین یافت میشود. اکسید آن بصورت تتراکسید اسمیو م، اکسید کننده ایست قوی بوده و بوی شدیدی دارد و در دمای 130 درجه سلسیوس به جوش میآید .اسمیوم به خاطر چگالی بالا معمولاً به عنوان سخترین فلز شناخته میشود. این فلز در میان خانواده پلاتین بیشترین دمای ذوب و پایینترین فشار بخار را داراست. حالتهای اکسیداسیون معمول اوسمیوم +4 ،+3، +2 میباشد، ولی می تواند ترکیباتی باحالتهای اکسیداسیون از-2 تا +8 نیز تشکیل دهد. دراین پژوهش استخراج وغنی سازییون فلز اسمیوم 4+، Os (IV) ، از پساب مصنوعی تهیه شده از انحلال اسمیوم تتراکسید در اسید کلریدریک بااستفاده از روش غشاء مایعنانو امولسیونی(Nano-Emulsion Liquid Membrane) بررسی شده است. فرآیند غشاء مایع امولسیونی به دلیل مزایای فراوان ازجمله شاربالای انتقال جرم ناشی از سطح بالای انتقال جرم ، حظور واکنش شیمیایی و عدم وجود محدودیت های تعادلی در چند دهه ی اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. استخراج فلزات سنگین از محلول های رقیق یکی از مهمترین کاربردهای این روش می باشد. ماده فعال سطحی، ماده حامل، فاز غشاء و فاز داخلی استفاده شده در این بررسی بترتیب عبارتند از: اسپن80 ، دی-2-اتیل هگزیل فسفریک اسید، پارافین مایعو اسید کلریدریک. باتوجه به تعداد زیاد عوامل مؤثر و اثرات متقابل آن ها در این فرآیند، برای و بهینه سازی تعداد آزمایشها از روش تاگوچی برای طراحی آزمایش ها و بسته نرم افزار Minitab 16 استفاده شد و تعداد 25 آزمایش برای استخراج و غنی سازی اسمیوم +4 با استفاده از روش غشاء مابع امولسیونی انجام شد. متوسطاندازه نانو امولسیون با استفاده از تستDynamic Light Scattering (DLS) 3/64 نانومتر تعیین گردید.بر اساس طراحی آزمایشها به روش تاگوجی، اثرات غلظت ماده فعال سطحی، غلظت ماده حامل، زمان تماس، سرعت همزن و نسبت حجمی فاز غشاء به خوراک بر بیشینه کردن استخراج و کمینه کردن آماس (تورم) امولسیون بررسی گردید و مقادیر بهینه که پاسخ های این سیستم هستند تعیین شد.مقادیر بهینه حاصل از طراحی آزمایشها، برای رسیدن به بیشترین درصد استخراج(2/98درصد) به شرح زیر بدست آمد: غلظت ماده فعال سطحی(v/v) 2% ، غلظت ماده حامل(v/v) 3% ، زمان تماس20 دقیقه، سرعت همزن 750 دوربردقیقه ونسبت حجمی غشاء به خوراک60 به 100. تأثیر هرکدام از فاکتورهای فرآیند از جمله غلظت ماده فعال سطحی، زمان امولسیون سازی، غلظت فاز داخلی(فاز دفع) و نسبت حجمی فازداخلی به فاز روغنی برروی پایداری غشاءبررسی شد و بهینه شرایط برای پایداری غشاء ساخته شده به شرح زیر بدست آمد: غلظت ماده فعال سطحی(v/v) 5/1%، زمان امولسیون سازی min6، غلظت فاز داخلی M8/0 و نسبت حجمی فاز داخلی به روغنی 1 به 1. سپس با انجام آزمایشهای واقعی، تأثیر غلظت ماده فعال سطحی، غلظت ماده حامل، سرعت همزن، زمان تماس، نسبت حجمی فازغشاء به فاز خوراک و غلظت فاز داخلی(فازدفع) برروی میزان استخراج وغنی سازی نیز مورد بررسی قرار گرفت و شرایط بهینه برای استخراج بیشینه (99درصد) به شرح زیر بدست آمد: غلظت ماده فعال سطحی(v/v) 5/1% ، غلظت ماده حامل(v/v)4% ، زمان تماس20 دقیقه، سرعت همزن 750 دوربردقیقه، غلظت فاز داخلی(فاز دفع) M8/0 ونسبت حجمی غشاء بهخوراک30 به 100 . سر انجام، استخراج پیوسته اسمیوم+4 از پساب مصنوعی بااستفاده از یک برج استخراج پیوسته دورهمزن های 200،300،400 دور در دقیقه تحت شرایط یک سان با فرآیند نا پیوسته ی غشاء مایع امولسیونی یررسی و مقایسه شد. نتایج نشان دهنده استخراج 97 در صد برای استخراج پیوسته در مقایسه با استخراج 5/88 درصد برای استخراج ناپیوسته می باشد.