SUPERVISOR
Hamed Zilouei,Kiuomars Zargoosh
حمید زیلوئی (استاد راهنما) کیومرث زرگوش (استاد راهنما)
STUDENT
Mohamad reza Mohamadi
محمدرضا محمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
4-Phenyl-3-Thiosemicarbazide Modified Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Characterization and their Application in the Removal of Heavy Metal Ions
Heavy metals are major pollutants in the environmen due to their bioaccumulation in living cells and their non-biodegradable nature. The objectives of this research were synthesing the magnetite nanoparticles (Fe 3 O 4 ) and determining their efficiency inthe removal of heavy metal ions from aqueous solutions.In this study, magnetic nano-adsorbent has been synthesized by the covalent immobilization of poly (acrylic acid) (PAA) and 4-phenyl-3-thiosemicarbazide (TSC) as a complexing agent on the surface of Fe 3 O 4 nanoparticles. Scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), FT-IR spectroscopy, X-ray diffraction and vibration samplemagnetometer (VSM) were used for characterization of the synthesized magnetite nanoparticles.Atomic absorption spectroscopy (AAS) was used for determination of heavy metal ions in the solution befor and after treatment with adsorbent. The ability of the Fe 3 O 4 @PAA@TSC M for removing heavy metal ions Pb 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Cu 2+ and Zn 2+ from aqueous solution was studied and the effects of pH, contact time, metal ion concentration and background electrolytes on heavy metal ions removal efficiency were investigated in batch system. SEM results showed that the diameter of the particles is in the rang of 40-60 nm. Results also showed that the optimum pH value for adsorption is 5. The kinetic data were properly fitted by the pseudo-second-order model.The assumption that the metal ions adsorption is due to complex formation between active sites of the adsorbent and the heavy metal ions was further confirmed by investigating the adsorption isotherms and kinetics.The equilibrium time of 45 min and 0.050 g used of adsorbent for the volume 50.0 mL of wastewater solution.Finally, adsorption process was investigated with Langmuir and Freundlich isotherms. The experimental adsorption equilibrium data were fitted to Langmuir adsorption and the maximum adsorption capacities of Pb 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Cu 2+ and Zn 2+ were found to be 181.1, 125.0, 86.2, 67.1 and 57.8 mg g -1 , respectively.The adsorption capacity increased and the adsorption efficiency decreased with increasing the concentration of heavy metal ions and reducing the amount of adsorbent.The desorption experiments under batch conditions revealed that the Fe 3 O 4 @PAA@TSC M are reusable adsorbent for practical removal of the heavy metal ions. The ability of the prepared nanoparticles for removal of heavy metal ions from industrial samples was evaluated by using different industrial wastewaters from Moham industrial complex, Raad plating company and Iran Aircraft Manufacturing Industrial Company (HESA) and obtained optimum conditions is adsorbent concentration 1.0 gL -1 , contact time 45 minutes, solution pH=5.0, solution valume 50.0 mL and stirrer speed 300 round per minutes that is applied to real samples.Excellent adsorption capacity of the modified nano-adsorbent together with other advantages such as reusability, easy synthesis, easy separation and more specially freedom of interferences of alkaline earth metal ions make them suitable alternatives to the well-known adsorbents for removal of heavy metal ions from industrial wastewaters. Key Words Heavy Metal; Magnetic Nanoparticle; Poly Acrylic Acid; 4-Phenyl-3-Thiosemicarbazide; Magnetite; Fe 3 O 4 .
ترکیب های حاوی فلزهای سنگین با غلظت بیش از حد مجاز، به دلیل سمیت بالا و خطراتی که برای بشر و موجودات زنده ایجادمی کنند، یکی از اصلی ترین آلودگی های محیط زیست به شمار می روند. هدف از این پژوهش سنتز نانوذرات مگنتیت (Fe 3 O 4 ) و تعیین کارایی آن در حذف یون های فلزات سنگین در محیط آبی است. در این تحقیق نانوذرات مگنتیت به روش هم رسوبی تهیه و با پلی اکریلیک اسید و لیگاند 4-فنیل-3-تیوسمی کاربازید پوشش دار شدند. برای تعیین ویژگی های نانوذرات مگنتیت تهیه شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی (VSM)، طیف سنج مادون قرمز (FT-IR) و پراش اشعه ایکس (XRD) استفاده شد.از طیف بین جذب اتمی(AAS) برای تعیین یون های فلزات سنگین در محلول قبل و بعد از تصفیه با جاذب،استفاده شد. از این نانوذرات به منظور حذف یون های فلزات سنگین Pb 2+ ، Cd 2+ ، Co 2+ ، Cu 2+ و Zn 2+ از محلول های آبی استفاده شد و تاثیر پارامترهای pH، زمان تماس، غلظت یون فلزی و الکترولیت زمینه بر خواص جذبی نانوذرات در سیستم ناپیوسته مورد بررسی قرار گرفت. تصویر برداری از نانوذرات تولیدی با میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که قطر این ذرات 40 تا 60 نانومتر است. نتایج نشان داد که با افزایش pHمحلول از 0/1 تا 0/5ظرفیت و بازده جذب یون های فلزات سنگین افزایش می یابد به طوری که در pHبرابر 0/5 به حداکثر مقدار خود رسید. لذا pHبرابر 0/5 به عنوان pH بهینه انتخاب گردید. برازش دادهها با مدلهای سینتیکی نشان داد که دادهها با مدل شبه مرتبه دوم تطابق بیشتر و بهتری دارند و مشخص شد که جذب یون های فلزی بواسطه تشکیل کمپلکس میان سایت های فعال جاذب و یون های فلزی سنگین انجام می گیرد.زمان تعادل برابر 45 دقیقه بود و مقدار جاذب برای حجم 0/50 میلی لیتر محلول پساب، 050/0 گرم استفاده شد.در نهایت فرآیند جذب با ایزوترمهای لانگمویر و فروندلیچ برازش شد. با توجه به مقدار مربع ضرایب همبستگی مشاهده شد که فرآیند جذب با مدل لانگمویر تطابق بیشتری دارد و حداکثر ظرفیت جذب برایPb 2+ ، Cd 2+ ، Co 2+ ، Cu 2+ و Zn 2+ به ترتیب 1/181، 0/125، 2/86، 1/67 و 8/57 میلی گرم بر گرم جاذب توسط معادله لانگمویر به دست آمد. با افزایش غلظت یون های فلزات سنگین و کاهش مقدار جاذب، ظرفیت جذب افزایش و بازده جذب کاهش یافت. آزمایش های واجذب تحت شرایط ناپیوسته انجام گرفت و نشان داد که نانو ذرات Fe 3 O 4 @PAA@TSC قابلیت استفاده مجدد برای حذفیون های فلزات سنگین را دارد.به منظور ارزیابی توانایی نانو ذرات تهیه شده برای حذف یون های فلزات سنگین از نمونه پساب صنایع مهمات سازی (مهام)، آبکاری ( شرکت رعد) و هواپیما سازی ایران (هسا) استفاده شده استو شرایط بهینه به دست آمده از جمله غلظت جاذب 0/1 گرم بر لیتر، زمان تماس 45 دقیقه، 5 =pH، حجم محلول 0/50 میلی لیترو دور هم زن 300 دور بر دقیقه بر نمونه های حقیقی اعمال شد.ظرفیت جذب بالای نانو جاذب اصلاح شده به همراه خواص دیگر آن هم چون قابلیت استفاده مجدد، سنتز آسان، جداسازی آسان و آزادی از مزاحمت یون های فلزات قلیایی خاکی، آن ها را جاذبی مناسب جهت حذف یون های فلزات سنگین از پساب صنایع می سازد. کلمات کلیدی فلزات سنگین، نانوذرات مغناطیسی، پلی اکریلیک اسید، 4-فنیل-3-تیوسمی کاربازید،مگنتیت،Fe 3 O 4 .