SUPERVISOR
Mohammad Amiri,Mehran Ghiaci
محمد امیری (استاد راهنما) مهران غیاثی (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Mehrabi koushki
محمد مهرابی کوشکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Removal of heavy Metals (lead and iron) from contaminated Waters using Clinoptilolite Zeolite -Supported by Nano Zero-Valent Iron
: One of the main pollutants of water is heavy metals. In addition, heavy metals cause environmental degradation. Conventional methods for removing heavy metals include flocculation and deposition, flotation, membrane process, electrochemical process, ion exchange process and biological processes. Each of these methods has advantages and limitations in application. Due to the high cost of some methods, researchers have considered low-cost methods for the removal of heavy metal. Therefore, removal of these pollutants is considered necessary by innovative, effective and economical methods. In order to investigate the process of adsorption through the treatment of industrial waste water from Isfahan Steel Company, adsorption of lead and iron by natural zeolite of Clinoptilolite was studied by coating zero valent iron nanoparticles at room temperature (25 o C) in a laboratory scale. In this regard, the wastewater was artificially prepared containing lead and iron ions separately, containing various concentrations of lead and iron in solution. The effect of different concentrations of adsorbent concentration in the range of (200 ppm to 2000 ppm), pH (2 to 8), time (30 to 120 minutes), and the concentration of contaminants (2 ppm to 200 ppm) was investigated by utilizing Box–Behnken design in response surface methodology. Nano-zeolite characterization tests, including XRF, XRD, FT-IR, BET, FE-SEM and EDX, showed that zero-valent Fe nanoparticles on zeolite base were effectively coated by 13.7%. The results of this study showed that the adsorption process with Clinoptilolite has yielded an acceptable yield of more than 99% for removal of lead and iron. According to the results of the analysis of variance obtained from the design of the experiments, absorbent concentration, pH, time and metal concentration of the pollutant have the most effect on the lead removal efficiency, respectively. The results show that the interaction effect of factors (concentration of adsorbent × pH) and (lead concentration × pH) and (lead concentration × adsorbent concentration) have a significant effect on the lead elimination efficiency. According to the results, increasing the amount of adsorbent to an optimal amount of 800 mg / L, increases the amount of lead absorption. The optimal operating conditions for lead removal were obtained at absorbent 794 ppm, pH=5.3, reaction time 95 minutes, and the concentration of lead 9.9 ppm with a yield of 98%. By using actual sewage in optimal conditions, the efficiency of removal is not reduced, which indicates the validity of these conditions for different concentrations of lead. According to the results of the analysis of variance obtained from the design of the experiments, adsorption concentration, pH, reaction time and the concentration of the pollutant have the most effect on the iron removal efficiency, respectively, while in the iron absorption process, the interaction factors of (adsorbent concentration × Iron concentration) and (iron concentration × pH) had a significant effect on the iron removal efficiency. Therefore, the effect of factors on the efficiency of iron removal is similar to that of the lead adsorption process. The optimal operating conditions for iron removal at adsorption concentrations of 1700 ppm, pH = 5.8, 66 minutes, and the concentration of iron equal to 4.8ppm with a yield of 98.9%. Using actual sewage in optimum conditions, the removal efficiency of lead and iron was close to 90%, indicating the validity of these conditions for different concentrations of lead and iron. Finally, the results of the adsorption showed that the laboratory equilibrium data is well suited to the Langmuir model. The absorption process is described well with the second order pseudo-kinetics model. According to the above mentioned, this method can be used as an option to reduce the concentration of heavy metals such as lead and iron in the industry. Key Words: Wastewater Treatment, Heavy Metals, Pb and Fe Removal, Nano Zeolite, Adsorption, Water Pollution, Response Surface Methodology
یکی از اصلیترین آلایندههای آب، فلزات سنگین میباشند. به علاوه فلزات سنگین باعث تخریب محیطزیست نیز میشود. روشهای معمول برای کاهش میزان فلزات سنگین شامل لختهسازی و رسوبدهی، شناورسازی، فرایند غشایی، فرایند الکتروشیمیایی، فرایند تعویض یونی و فرایندهای بیولوژیکی میباشند. هریک از این روش ها مزیتها و محدودیتهایی در کاربرد دارد. به دلیل گرانی برخی روشها، پژوهشگران روشهایی ارزانقیمت را برای حذف یونهای فلزات موردتوجه قرار دادهاند. بنابراین حذف این آلایندهها توسط روشهای نوآورانه، مؤثر و اقتصادی ضروری به نظر میرسد. بهمنظور بررسی کار آیی فرآیند جذب سطحی در تصفیه فاضلاب صنعتی ذوبآهن اصفهان، جذب سرب و آهن توسط زئولیت طبیعی کلینوپتیلولایت با نشاندن نانوذرات آهن صفرظرفیتی بهصورت ناپیوسته در دمای اتاق ( o C25) و در مقیاس آزمایشگاهی مورد مطالعه قرارگرفت. در این راستا نخست نمونه هایی بهطور مصنوعی حاوی یون سرب و آهن بهصورت جداگانه تهیه شد که شامل غلظتهای مختلفی از فلز سرب و آهن در محلول بود. اثر عوامل مختلف غلظت جاذب در محدوده ( ppm 200 تا m2000 ) ، pH (2 تا 8 ) ، زمان واکنش (30 تا 120 دقیقه) و غلظت فلز آلاینده ( ppm 2 تا ppm 200 ) با طراحی آزمایش به روش رویه پاسخ با طراحی باکس بنکن مورد بررسی قرار گرفت. آزمونهای مشخصه یابی نانوزئولیت شامل XRF، XRD ، FT-IR ، BET ، FE-SEMو EDX نشان دادند که نانوذرات آهن صفر ظرفیتی روی پایه زئولیت برابر با 70/13 درصد نشانده شده است. نتایج پژوهش انجامشده در نمونه پساب مصنوعی نشان داد که فرآیند جذب سطحی با نانوزئولیت کلینوپتیلولایت عملکرد قابلقبول با بازدهی بیشتر از 99 درصد برای حذف سرب و آهن از خود ارائه داده است. طبق نتایج حاصل از تحلیل واریانس بهدستآمده از طراحی آزمایشها ، عوامل غلظت جاذب، pH، زمان واکنش و غلظت فلز آلاینده به ترتیب بیشترین تأثیر را بر بازدهی حذف سرب را دارا هستند. نتایج بهدستآمده نشان میدهد که اثر تداخلی عوامل (غلظت جاذب pH ×) و (غلظت سرب pH × ) و (غلظت سرب× غلظت جاذب) دارای اثر معنیدار بر بازدهی حذف سرب داشتهاند. مطابق نتایج بهدستآمده، افزایش مقدار جاذب تا مقدار بهینه برابر 800 میلیگرم بر لیتر، باعث افزایش میزان جذب سرب میشود. شرایط عملیاتی بهینه یرای حذف سرب در غلظت جاذب برابرppm 794 ،pH برابر 3/5 ، زمان واکنش 95 دقیقه و غلظت فلز آلاینده برابر ppm 8/9 با بازدهی 9/98 درصد بهدست آمد. طبق نتایج حاصل از تحلیل واریانس بهدستآمده از طراحی آزمایشها ، عوامل غلظت جاذب، pH، زمانماند و غلظت فلز آلاینده به ترتیب بیشترین تأثیر را بر بازدهی حذف آهن را دارا هستند این در حالی است که در فرآیند جذب آهن اثر تداخلی عوامل (غلظت جاذب ×غلظت آهن) و (غلظت آهن pH × ) دارای اثر معنیدار بر بازدهی حذف آهن بودهاند. بنابراین اثر عوامل بر بازدهی حذف آهن روندی مشابه با نتایج فرآیند جذب سرب دارد. شرایط عملیاتی بهینه یرای حذف آهن در غلظت جاذب برابرppm 1700 ، pH برابر8/5 ، زمان واکنش 66 دقیقه و غلظت فلز آلاینده برابر ppm 8/4 با بازدهی 1/99 درصد مشخصشده است. با استفاده از فاضلاب واقعی شرکت سهامی ذوب آهن اصفهان در شرایط بهینه بازدهی حذف سرب و آهن نزدیک به 90% بود که نشان از اعتبار این شرایط برای مقادیر مختلف غلظت سرب و آهن دارد. در نهایت بررسی نتایج جذب سطحی نانوزئولیت سنتز شده نشان داد ، دادههای تعادلی آزمایشگاهی بهخوبی با مدل لانگمویر پیروی میکند. فرآیند جذب بر روی نانوزئولیت سنتز شده با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم بهخوبی توصیف میشود. با توجه به موارد ذکرشده، این روش میتواند بهعنوان یک گزینه کاربردی برای کاهش غلظت فلزات سنگین مثل سرب و آهن در صنایع مورد استفاده قرار گیرد