SUPERVISOR
Hossein Shariatmadari,Amirhossein Khoshgoftarmanesh,Mehran Shirvani
حسین شریعتمداری (استاد راهنما) امیرحسین خوش گفتارمنش (استاد مشاور) مهران شیروانی جوزدانی (استاد راهنما)
STUDENT
Parisa Khosravi koocheksaraei
پریسا خسروی کوچکسرائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Studies of Zinc and Copper Sorption on Palygorskite and Sepiolite
Industrialization and urbanization processes have resulted in environmental pollution through a wide range of chemicals over the past few decades and threat humans and other organisms health. Heavy metals are the most important environmental pollutants that made soil and water polluted. The most common heavy metals in soil and wastewaters are zinc and copper. Interactions between metal ions and soil constituents can affect metal toxicity to plants and micro-organisms, and mobility to the ground waters. Sorption processes are the most significant chemical reactions of heavy metals in soil. Due to presence of various clay mineral and organic matters in soil, investigation of interaction between heavy metals and pure minerals can help to better understand the behavior of these metals in the soil. This study examined interaction between zinc and copper with sepiolite and palygorskite, as clay minerals that are frequently found in arid and semiarid regions soils. In order to determine sorption capacity of sepiolite and palygorskite for Zn and Cu based on isotherm models, different concentrations of these ions were equilibrated with the clays in 1%suspensions.for 24 h. Results showed that Langmuir and Freundlich models were the best models describing Cu sorption on sepiolite and palygorskite, respectively. Similar results were obtained for Zn sorption on the minerals. Considering the importance of thermodynamic data to determine the physicochemical behavior of copper and zinc in soil environment, sorption of copper and zinc on sepiolite and palygorskite at four different temperatures (15, 25, 35 and 50 ?C) were studied. Negative values of Gi free energy changes and positive values of enthalpy changes refer to spontaneous and endothermic nature of copper and zinc sorption on sepiolite and palygorskite, respectively. Positive values of entropy changes of Cu and Zn sorption on the clay minerals are indicative of system disorder increase due to structural changes. Considering the thermodynamic parameters showed that chemical sorption is probably the main mechanism of copper and zinc sorption on sepiolite, but sorption of these metal ions by palygorskite is more physical and probably the diffusion is the key mechanism in this process. In this study sorption kinetics of copper and zinc by sepiolite and palygorskite was also investigated and the role of temperature on the quantity and rate of sorption was determined. Several kinetic models were used to explain the rate constants of adsorption processes as affected by temperature. Elovich model was selected as the best model for describing Cu and Zn sorption kinetics on palygorskite. The Elovich, parabolic and power function models indicated best fit for Zn sorption on palygorskite in 15, 25 and 35 ?C, respectively. Power function and parabolic models were selected as the best models for describing sorption data of Zn and Cu on sepiolite.. Overall, equilibrium, kinetic and thermodynamic sorption parameters of Cu and Zn by palygorskite and sepiolite are greatly influenced by temperature. Key words : Palygorskite, Thermodynamic, Zinc, Sepiolite, Kinetic, Copper.
فرآیندهای صنعتی شدن و شهرنشینی در طی چند دهه گذشته آلودگی محیط زیست را به وسیله گستره ای از مواد شیمیایی در پی داشته و سلامت انسان و سایر موجودات زنده را با خطر مواجه ساخته است. فلزات سنگین از جمله مهم ترین آلاینده های زیست محیطی به شمار می روند که از طرق مختلف منابع آب و خاک را آلوده می کنند. مس و روی از معمول ترین فلزات سنگین در ضایعات و فاضلاب های صنعتی می باشند. قابلیت جذب و اثرات سمی فلزات سنگین برای گیاهان و ریز جانداران، تحرک آن ها به سوی آب های زیرزمینی و همچنین اثرات بازدارندگی این فلزات بر فرآیندهای بیوشیمیایی خاک بستگی به واکنش هایی دارد که یون های فلزی با ذرات خاک انجام می دهند. فرآیندهای جذب از مهم ترین واکنش های شیمیایی فلزات سنگین در محیط خاک به شمار می روند و تأثیر به سزایی بر سرنوشت این آلاینده ها در خاک دارد. با توجه به حضور اجزای کانی و آلی مختلف در خاک ها بررسی واکنش های فلزات سنگین با کانی های خالص در سیستم های مدل می تواند به درک بهتر رفتار این فلزات در خاک کمک نماید. در این تحقیق تأثیر غلظت تعادلی، زمان و دما بر جذب عناصر مس و روی، بوسیله کانی های ویژه مناطق خشک و نیمه خشک شامل سپیولیت و پالیگورسکیت مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل های لانگمویر و فروندلیخ هم دماهای جذب مس بوسیله کانی های مورد مطالعه را به خوبی توصیف نمودند. با این حال مدل لانگمویر در سیستم سپیولیت و مدل فروندلیخ در سیستم پالیگورسکیت بهترین مدل برای توصیف جذب مس انتخاب گردید. در مورد یون فلزی روی نیز نتایج مشابهی با یون فلزی مس حاصل گردید، به طوری که مدل های لانگمویر و فروندلیخ به ترتیب در سیستم های سپیولیت و پالیگورسکیت برازش بهتری داشتند. با توجه به اهمیت اطلاعات ترمودینامیکی برای تعیین رفتار فیزیکوشیمیایی مس و روی در محیط های طبیعی، جذب مس و روی بوسیله سپیولیت و پالیگورسکیت در چهار دمای مختلف (15، 25، 35 و 50) جهت تعیین ثابت های ترمودینامیکی جذب این عناصر بررسی شد. مقادیر منفی انرژی آزاد گیبس و مقادیر مثبت انتالپی به ترتیب به ماهیت خودبه خودی و گرماگیر بودن جذب مس و روی بوسیله سپیولیت و پالیگورسکیت اشاره نمود. همچنین مقادیرمثبت تغییرات انتروپی برای جذب یون های فلزی مس و روی بوسیله هر دو کانی نشان دهنده افزایش بی نظمی سیستم در نتیجه تعدادی تغییرات ساختاری بود. از بررسی مقادیر پارامترهای ترمودینامیک این نتیجه حاصل گردید که جذب شیمیایی احتمالاً مکانیسم اصلی جذب مس و روی بوسیله سپیولیت بوده است. این در حالی است که جذب این یون های فلزی بوسیله پالیگورسکیت احتمالاً فیزیکی بوده و پخشیدگی به عنوان مکانیسم غالب در این فرآیندها عمل نموده است. با توجه به اینکه فرآیندهای شیمیایی در محیط های طبیعی وابسته به زمان می باشند در بخشی از این تحقیق سینتیک جذب مس و روی بوسیله سپیولیت و پالیگورسکیت بررسی و نقش دما بر کمیت و سرعت جذب این عناصر بررسی گردید. سپس روابط جذب وابسته به زمان بوسیله مدل های مختلف سینتیکی توصیف شد. نتایج نشان داد که مدل های مختلف سینتیکی قادرند جذب مس و روی بوسیله سپیولیت و پالیگورسکیت را توصیف نمایند. در بین مدل های سینتیکی، مدل الوویچ بهترین مدل سینتیک برای توصیف سرعت جذب مس بوسیله پالیگورسکیت در تمام دماهای مورد مطالعه انتخاب گردید.