SUPERVISOR
Sayyed-Saeid Eslamian,Jahangir Abedi-Koupai,Mahdi Gheysari,Sayed Hossein Saghaian nejad esfahani
سیدسعید اسلامیان (استاد راهنما) جهانگیر عابدی کوپائی (استاد مشاور) مهدی قیصری (استاد راهنما) سیدحسین سقائیان نژاداصفهانی (استاد مشاور)
STUDENT
Neda Aazam
ندا اعظم
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Reducing Nitrate from Aqueous Solutions Using Natural Bentonite and Surfactant Modified Bentonite
The increased pollution of surface water and groundwater by nitrate and ammonium ions, make it necessary to find acceptable environmental solutions for removal of these materials from water resources. The adsorption method is the most usual way for the removal of water pollution by using porous adsorbents like activated carbon, silicon dioxide, activated aluminum, and clay minerals like: zeolite, bentonite, vermiculite, sepiolite and palygorskite. Clay minerals are useful adsorbents for removal of water pollution because of their large specific surfaces, porous surfaces, high cation exchange capacity and low expense in the other hand. The surface specifications of clays could be changed by using organic surfactants, that are capable of adsorbing onions and nonpolar organic materials. If foursquare surfactants exchange with cations of external surface of clay, its external surface will change and it will have positive charges. In this study, the surfactant modified bentonite (SMB), was used for removal of nitrate onions from aqueous solutions. Techniques such as XRD, FTIR, SEM and EDX were used to characterize the adsorbent attribute of the bentonite and its ability as an adsorbent, while variable initial concentration of nitrate, the amount of adsorbent, contact time, temperature and pollutant's solution pH were investigated. In batch experiments, the optimum pH of nitrate solution was found to be 5.5, equiblirium time 120 minutes and optimum amount of adsorbent 0.5 g. With increasing initial concentration of nitrate from 5 to 300 mg/L, the nitrate adsorption efficiency decreased from 92.5 to 47.5% and with increasing the temperature from 20 to 60 adsorption efficiency increased from 88.47 to 93.5%. Isotherm models, Langmuir, Freundlich, Langmuir-Freundlich and Redlich-Peterson were fitted to nitrate adsorption equiblirium data. Among these models, the Langmuir model showed the best fit to nitrate adsorption data and maximum anticipated adsorption from Longmuir model was found to be 10.15 mg/g. Kinetic models, pseudo first order, pseudo second order, intra particle diffusion and power function were used to describe kinetic data of nitrate adsorption. Pseudo second order model, had the best fit to nitrate adsorption data with modified bentonite indicating that chemical adsorption is the main controlling mechanism. To complete the studies on the introduced adsorbent, column adsorption experiments were performed to check the absorbent performance during continuously injected nitrate solution into the adsorbent column, until the adsorbent has been saturated. The results for columns with continuous inflow indicated that the maximum capacity of adsorption of nitrate ions, for adsorbent column with diameter of 1cm, 2cm modified bentonite, 13 cm sand and input concentration of 15 mg/L and input rate of 0.5 ml/min, was 3.45 mg/g and for adsorbent column with diameter of 2 cm, 2 cm modified bentonite and input concentration of 100 mg/L and input rate of 1 ml/min, was 15.26 mg/g. Column experimental results show, with increasing the initial concentration of nitrate solution, the capacity of adsorption increased, but all the adsorption places were filled quickly, so saturation time of the adsorbent reduced. The results of this experiment showed that modified bentonite with cationic surfactant HDTMA-Br, has high capability for removal nitrate from equeous solutions. Keywords : Nitrate, Bentonite, Surfactant modified bentonite, Adsorption, Batch experiment, Column experiment
افزایش آلودگی آب های سطحی و زیرزمینی به یون های نیترات و آمونیوم، یافتن راه حل های قابل قبول زیست محیطی را برای حذف این مواد از منابع آبی ضروری می سازد. روش جذب سطحی معمول ترین روش برای جذب آلاینده های آب با استفاده از جاذب های متخلخل مانند کربن فعال، سیلیسیم دی اکسید، آلومینیوم فعال و کانی های رسی مثل زئولیت، بنتونیت، ورمیکولیت، سپیولیت و پالیگورسکیت می باشد. کانی های رسی به دلیل سطح ویژه زیاد، ساختار متخلخل، ظرفیت تبادل کاتیونی بالا و از طرف دیگر هزینه کم، جاذب های مناسبی برای حذف آلاینده های آب می باشند. با استفاده از سورفکتانت های آلی می توان خصوصیات سطحی رس ها را تغییر داد به نحوی که قادر به جذب ترکیباتی از جمله آنیون ها و مواد آلی غیرقطبی نیز باشند. چنانچه سورفکتانت های چهاروجهی با کاتیون های سطح خارجی رس مبادله شوند، سطح خارجی آن تغییر کرده و دارای بار مثبت می شود. در این پژوهش، بنتونیت اصلاح شده با سورفکتانت (SMB)، برای حذف یون های نیترات از محلول های آبی مورد استفاده قرار گرفت. روش های XRD، FTIR، SEM و EDX برای مشخصه یابی جاذب بنتونیت مورد استفاده قرار گرفتند و قابلیت این ماده به عنوان جاذب با تغییرات غلظت اولیه نیترات، مقدار جاذب، زمان تماس، تغییر دما و pH محلول نیترات مورد بررسی قرار گرفت. در آزمایش پیمانه ای، pH بهینه محلول نیترات برابر 5/5، زمان تعادل برابر 120 دقیقه و جرم بهینه جاذب برابر 5/0 گرم به دست آمد. با افزایش غلظت اولیه نیترات از 5 تا 300 میلی گرم در لیتر، بازدهی جذب نیترات از 5/92 به 5/47 درصد کاهش یافت و با افزایش دما از 25 تا 60 رجه سانتی گراد، بازدهی جذب نیترات از 47/88 به 5/93 درصد افزایش یافت. مدل های همدمای جذب لانگمویر، فروندلیچ، لانگمویر- فروندلیچ و ردلیچ- پترسون بر داده های جذب نیترات برازش داده شد. از بین این مدل ها، مدل لانگمویر بهترین برازش را بر داده های جذب نیترات نشان داد و حداکثر جذب پیش بینی شده از مدل لانگمویر 15/10 میلی گرم بر گرم به دست آمد. مدل های سینتیک شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، پخشیدگی درون ذره ای و تابع توانی برای توصیف داده های سینتیک جذب نیترات مورد استفاده قرار گرفت. مدل شبه مرتبه دوم بهترین برازش را بر داده های جذب نیترات به وسیله بنتونیت اصلاح شده داشت که نشان می دهد جذب شیمیایی مکانیسم کنترل کننده سرعت است. برای تکمیل بررسی ها روی جاذب معرفی شده، آزمایش های ستونی با ورود پیوسته محلول نیترات به ستون جاذب، تا زمان رسیدن جاذب به حد اشباع انجام شد. آزمایش های ستونی با ورود پیوسته محلول نیترات، نشان دادند که حداکثر ظرفیت جذب ستون برای حذف یون های نیترات، در ستون جاذب با قطر 1 سانتی متر، 2 سانتی متر بنتونیت اصلاح شده، 13 سانتی متر شن و غلظت ورودی 15 میلی گرم در لیتر و دبی 5/0 میلی لیتر بر دقیقه، برابر 45/3 میلی گرم بر گرم به دست آمد و برای ستون جاذب با قطر 2 سانتی متر، 2 سانتی متر بنتونیت اصلاح شده، 13 سانتی متر شن و غلظت ورودی 100 میلی گرم در لیتر و دبی 1 میلی لیتر بر دقیقه، برابر 26/15 میلی گرم بر گرم به دست آمد. نتایج آزمایش های ستونی، نشان می دهد با افزایش غلظت محلول نیترات، ظرفیت جذب بیشتر شد ولی زمان اشباع شدن جاذب کاهش یافت. با توجه به نتایج به دست آمده در این آزمایش، مشخص شد که بنتونیت اصلاح شده با سورفکتانت کاتیونی HDTMA-Br، قابلیت بالایی در حذف نیترات از محلول های آبی دارا می باشد. کلمات کلیدی: نیترات، بنتونیت، بنتونیت اصلاح شده با سورفکتانت، جذب، آزمایش پیمانه ای، آزمایش ستونی