SUPERVISOR
Kayghobad Shams
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما)
STUDENT
Sepideh Ghafari Joounaghani
سپیده غفاری جونقانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Extraction and Enrichment of Zirconium Ion from Synthetic Aqueous Solution Using Continuous Foam Separation
The separation of soluble materials from solutions is difficult when their concentrations are relatively small and their separation via conventional separation techniques like ultra-filtration,chromatography, distillation and solvent extraction are often inefficient and expensive. Consequently, it is necessary to develop and expand new separation methods.A promising technique is foam fractionation, which is regarded as a gentle, economical and ecological technique, has been used for the separation of proteins, mineral, organic substance, microorganisms, aromatic substances, suspended solid, surfactant, metals ions,and toxic substances in dilute solution. Foam fractionation is a type of adsorptive bubble-separation technique which requires generation of foam to carry off the objective substances.Zirconium, the material used in this study is useful in nuclear energy applications, because of its very low absorption for neutrons. This metal also has many other uses in photographic flashbulbs and surgical instruments, in production of television screens, in the removal of residual gases from electronic vacuum tubes, and as a hardening agent in alloys, especially steel. The paper and packaging industries are finding that zirconium compounds make good surface coatings because they have excellent water resistance and strength. The aim of this study is extraction and enrichment of zirconium ion from synthetic aqueous solutions by continuous foam fractionation. Effects of various operating parameters such as Nitrogen gas flow rate, and solution parameters such as initial feed concentration (Zirconium chloride), surfactant concentration (Sodium dodecyl sulfate) and initial pH of solution on recovery and enrichment of the metal were investigated. In this study, a homemade polycarbonate-foam-fractionation column was used. The height of the column was 60 cm, and the inner and outer diameters were 4.4 cm and 5 cm, respectively. The gas distributor had the pore size of 5 to 10 micrometers. The power of the feed pump was 7.55 W, and a nitrogen gas cylinder equipped with a pressure regulator and a gas flow meter provided the required gas phase. An electrical current regulator was used to change the pump flow rate. The considered ranges for parameters obtained by primarily experiments are: feed concentration (10-50 ), surfactant concentration (100-500 ), pH (5-7), and Nitrogen flow rate (0.5-1.5 ). In order to study the effect of these parameters, experiments were designed by Design-expert 9.0 (Trial version) software and RSM method, and data analysis were done by ANOVA. The obtained model by RSM method for enrichment ratio and recovery percentage is Quadratic. The R 2 coefficient for the obtained model for enrichment ratio and recovery percentage is 0.9070 and 0.9167, respectively. The optimal values of enrichment ratio and recovery percentage arrived by the model for zirconium are 7.423 and 46.898, respectively. These optimal parameters values correspond to feed concentration(29.5), surfactant concentration(306.3), pH (6.0)و and gas flow rate (1.01 ). Desirability of obtained optimal values are 0.89. Optimal values obtained for enrichment ratio and recovery percentage has conformity with actual values derived by experiments.
:جداسازی مواد محلول از محلول ها زمانی که غلظت های آن ها نسبتا کم باشد مشکل است و برای جداسازی آن ها بیشتر روش های جداسازی متعارف مانند اولترافیلتراسیون، کروماتوگرافی، تقطیر و استخراج با حلال اغلب ناکارآمد وگران قیمت هستند. در نتیجه لازم است برای این مهم، روش های جداسازی جدید ابداع و گسترش یابد. یک گزینه ی امیدوار کننده تفکیک با کف است که به عنوان یک روش ملایم، مقرون به صرفه و محیط زیست پسند برای جداسازی پروتئین ها، مواد معدنی، مواد آلی، میکروارگانیسم ها، مواد آروماتیک، جامدات معلق، مواد فعال سطحی، یون های فلزی و یا مواد سمی در محلول رقیق بکار رفته است. تفکیک با کف یکی از روش های جداسازی جذب حباب است، که برای حمل کردن مواد هدف به تولید کف نیاز دارد. زیرکونیوم، ماده مورد استفاده در این پژوهش به علت قدرت جذب پایینی که در جذب نوترون ها دارد یکی از فلزات مهم مورد استفاده در انرژی هسته ای است. این فلز همچنین دارای استفاده های بسیاردیگری است از جمله می توان به کاربرد آن در فلاش عکاسی و وسایل جراحی، شیشه ی تلویزیون، در حذف گازهای باقی مانده از لوله های خلاءالکترونیکی، و به عنوان یک عامل سخت کننده درآلیاژها، به ویژه فولاد اشاره کرد. همچنین صنایع کاغذ و بسته بندی، ترکیبات زیرکونیم را به علت مقاومت خوبی که در برابر آب دارد، پوشش سطحی خوبی یافتندهدف از این پژوهش، استخراج و غنی سازی یون زیرکونیوم از محلول آبی مصنوعی با استفاده از روش تفکیک با کف به طور پیوسته و بررسی تاثیر پارامترهای عملیاتی مانند شدت جریان گاز نیتروژن و پارامترهای محلول مانند غلظت اولیه خوراک(زیرکونیوم کلراید)، غلظت ماده فعال سطحی(سدیم دودسیل سولفات) و pH در بازیافت و غنی سازی فلز مورد نظر می باشد. تجهیزاتی که در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفت، شامل یک ستون پلی کربنات با ارتفاع 60 سانتی متر با قطر داخلی 4/4 و قطر خارجی 0/5 سانتی متر، پخش کننده گاز با اندازه منافذ 5 تا 10 میکرومتر، پمپ کولر با توان 7/55 وات برای به جریان درآوردن محلول خوراک در ستون، کپسول گاز نیتروژن، تنظیم کننده جریان برق، فشارسنج و فلومتر گازی می شود. محدوده های مورد استفاده برای چهار مشخصه براساس آزمایش های اولیه مشتمل بر غلظت خوراک( 10-50)، غلظت ماده فعال سطحی( 100-500)، pH(5-7) و شدت جریان گاز نیتروژن( 5/0-5/1) تعیین شدند. به منظور ارزیابی تاثیر این چهار مشخصه مجموعه ای از آزمایش ها توسط نرم افزار طراحی آزمایش ها و به شیوه ی رویه پاسخ تعیین شدند و تجزیه و تحلیل نتایج با استفاده از آنالیز ANOVA انجام گرفت. مدل بدست آمده به صورت درجه دوم برای نسبت غنی سازی و درصد بازیافت با استفاده از روش رویه پاسخ می باشد. ضریب همبستگی R 2 با مدل بدست آمده برای نسبت غنی سازی و درصد بازیافت به ترتیب برابر 91/0 و 92/0 می باشد. مقادیر بهینه نسبت غنی سازی و درصد بازیافت بدست آمده توسط این مدل برای زیرکونیوم به ترتیب برابر 4/7 و 47 هستند. این مقادیر متناظر به غلظت خوراک( 5/29)، غلظت ماده فعال سطحی( 3/306)، H(0/6) و شدت جریان گاز( 01/1) می باشند. میزان مطلوبیت مقدار بهینه انتخاب شده برابر 89/0 می باشد. مقادیر بهینه بدست آمده برای نسبت غنی سازی و درصد بازیافت، با مقادیر واقعی تطابق خوبی نشان می دهد.