پایان نامه ارشد بررسی شرایط بهینه جذب فلزات نیکل و روی با استفاده نانو سیلیکاژل عاملدار شده با هیستیدین

چکیده:

آلودگی خاک و تجمع فلزات سنگین در محصولات کشاورزی در مناطق صنعتی یکی از مهم ترین مسایل زیست محیطی است که زندگی گیاهان، حیوانات و انسان را تهدید می نماید . نیکل و روی یکی از این فلزات سنگین هستند که در فاضلابهای صنعتی به وفـور یافت می شود هدف از انجام این پژوهش جذب فلزات نیکل و روی با استفاده از نانوسیلیکای عاملدار شده با گروه آمینه ، بررسی شرایط بهینه و ایزوترم های جذب این فلزات می باشد خواص ساختاری و اندازةذرات،نانوذرات سنتز شده با استفاده ازمیکروسکوپ الکترون روبشی (SEM) بررسی گردید. به همین منظور در این آزمایش فلز نیکل و روی در pH های 3 تا 11 ، مقدار جاذب 1 ،7/0 ، 5/0 و 2/0 در غلظت های 2ppm،5ppm،10ppm،20ppm،30ppmو40ppm و زمان تماس 60 ، 120 ، 180 ، 240 دقیقه با جاذب مورد آزمایش قرار گرفته اند. بررسی مقدار جذب نیکل و روی به وسیله دستگاه جذب اتمی انجام شده است که طبق بررسی های انجام شده محلول آبی نیکل در pH=7/5 با غلظت 20ppm و مقدار 0/7 gr جاذب نانو سیلیکاژل عاملدار شده با هیستیدین برای طی زمان 240 دقیقه بیشترین مقدار جذب را داشته( این مقادیر برای روی به ترتیب برابر 7 ، 20ppm ، 0/5gr و 240 دقیقه است) که از هر دو ایزوترم لانگمویر و فروندلیچ پیروی می کند . نتایج آزمایشات انجام شده نشان داده است که جاذب نامبرده توانایی بالایی در جذب این فلزات از محلول های آبی دارد در نتیجه می توان از آن به عنوان یک جاذب خوب برای تصفیه فاضلاب و جلوگیری از آلودگی محیط زیست استفاده کرد.

مقدمه

افزایش جمعیت جهان و تامین آب بهداشتی مورد نیاز مردم به یکی از مشکلات اساسی جهان امروز تبدیل شده و توسعه صنایع و تولید فاضلاب های دارای ترکیبات سمی و پیچیده، کاربرد فرآیندهای متداول تصفیه فاضلاب را محدود و در برخی موارد ناتوان کرده است.رها سازی فلزات سنگین به محیط زیست به دلیل سمیت و پایداری آنها در محیط باعث افزایش خطرات برای سلامتی و محیط زیست می گردد. [1]استخراج فلزات از معادن و کاربرد گسترده فلزات سنگین در صنایع باعث شده است که غلظت این فلزات در آب، فاضلاب، هوا و خاک بیشتر از مقادیر زمینه ای افزایش پیدا کند.[2]

متداولترین فلزات سنگین یافت شده در فاضلابها، سرب، مـس، روی، کـادمیم، کـروم و نیکـل هستند که این گونه فلزات به دلیل سمیت و عدم تخریب زیسـتی نـه تنها برای گیاهان و حیوانات بلکه برای انسانهـا هـم ایجـاد مشـکل کرده و میتوانند در بافتهای زنده و در نهایت در زنجیره غذایی تجمع حاصل کنند[3].

شناسایی و پاکسازی مواد شیمیایی سمی٬ امری کلیدی در حفاظت محیط زیست است. فلزات سنگین از جمله آلاینده های سمی هستند که به شدت برای ارگانیسمهای زنده و محیط زیست خطرناک هستند. تحقیقاتی که روی اثرات سمی فلزات سنگین ارائه شده است٬ تایید می کنند که این فلزات می توانند مستقیما با مختل کردن عوامل مغزی و عصبی بر رفتارها اثر بگذارند و سیستمهایی مانند سیستم گوارشی٬ اعصاب مرکزی٬ تولید مثل را با مشکل مواجه کنند. روشهای مختلفی برای جداسازی فلزات سنگین از پسابهای صنعتی ارائه شده است٬ وه می توان به ترسیب شیمیایی٬ انعقاد و فلوکولاسیون٬ فیلتر غشایی٬ تعویض یونی٬ تکنیکهای الکتروشیمیایی و عوامل شلاته کننده اشاره کرد. . از بین روشهای گفته شده٬ روش جذب سطحی به دلیل بازدهی بالا٬ سادگی٬ ارزان بودن جاذبها و در دسترس بودن انواع مختلف آنها در مقایسه با سایر روشها٬ روشی ساده و جالب توجه است. به علاوه امکان بازیافت فلزات خالص و نیز استفاده مجدد از جاذب از دیگر مزایای این روش می باشد. مهم ترین کاربرد این فرایند در تصفیه آب و پسابهای صنعتی است.

سنتز نانو سیلیکاژل با استفاده از یک روش مناسب و عامل دار کردن این ماده سنتز شده با گروههای عاملی آمین دار هیستیدین و جذب فلزات سنگین سرب و کادمیوم در شرایط بهینه٬ عوامل مهمی در بدست آوردن نتایج مطلوب است. در این پژوهش٬ نانو سیلیکاژل عامل دار شده به عنوان جاذب کاتیونهای فلزات سنگین از محلولهای آبی مورد استفاده قرار گرفت و تعیین شرایط بهینه جذب فلزات سنگین نامبرده شده با بررسی اثرات pH ٬ زمان تماس٬ مقدار جاذب و مقدار جذب شونده به عنوان پارامترهای موثر و کارایی مدلهای تعادلی جذب سرب و کادمیوم توسط جاذب عامل دار شده مورد بررسی واقع شد.

نوع فایل : word

تعداد صفحات :128

1-1 مقدمه. 1

1-2 فاضلاب.. 2

1-2-1 تاریخچه تصفیه فاضلاب.. 2

1-2-2 مسئله پسابهای صنعتی.. 3

1-2-3 هدفهای تصفیه فاضلاب[14]. 4

1-2-4 انواع و ویژگیهای فاضلابها[14]. 4

1-2-5 روشهای تصفیه فاضلاب.. 6

1-3 جاذبها7

1-3-1 طبقه بندی جاذبها8

1-3-2 انواعجاذب.. 8

1-3-2-1 کربن فعال. 8

1-3-2-2 جاذب های طبیعی.. 9

1-3-2-4 سیلیکاژل. 10

1-3-2-3-1 روش های تهیه سیلیکا:11

1-4 روش‌های ساخت نانو ذرات:12

1-5 تهیه نانومواد با روش سل – ژل. 14

1-5-1 مراحل فرآیند سل ژل :15

1-5-1-1 تهیه محلول همگن. 15

1-5-1-2تشکیل سل (Sol) :17

1-5-1-3 تراکم. 18

1-5-1-4 تشکیل ژل :19

1-6 فلزات سنگین. 21

1-6-1 نیکل:23

1-6-2 روی:25

1-7 جذبسطحی.. 27

1-7-1 فرآیند جذب سطحی.. 27

1-7-2 تئوری جذبسطحی.. 28

1-7-2-1جذب سطحی یونی.. 28

1-7-2-2 جذب سطحی فیزیکی.. 29

1-7-2-3 جذب سطحی شیمیایی.. 29

1-7-2-5 مهمترین عوامل موثر برسرعت جذب سطحی.. 31

1-7-3 پدیدهجذب.. 33

1-7-4 ایزوترم های جذب سطحی.. 34

1-7-4-1 ایزوترمل انگمویر. 34

1-7-4-2کاربرد . 39

1-7-4-2-1 جذب گاز روی جامد:39

1-7-4-2-2جذب مایع روی جامد:40

1-7-4-3 معادله لانگمویرتعمیم یافته. 42

1-7-4-4 ایزوترمفروندلیش.. 44

1-7-4-5 ایزوترملانگمویر- فروندلیش(معادلهسیپس). 46

1-7-4-6 جذبچندلایه. 48

1-7-4-7 ایزوترمبرونر- ایمت– تلر 49

1-7-4-8 ایزوترماصلاحشدهلانگمویر. 52

1-7-4-9 ایزوترمتمکین. 53

1-7-4-10 ایزوترمردلیچ-پیترسون. 54

1-7-5 مدلهای سینتیکی جذب سطحی.. 55

1-7-5-1معادلهیلاگرگرن (معادله یسرعتشبهمرتبه یاول). 56

1-7-5-2 معادله سرعت شبه مرتبه دوم. 57

1-8 دستگاه طیفسنجیمادونقرمز FT-IR.. 58

1-9 میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM). 62

1-9-1 اجزای تشکیل دهنده SEM... 63

1-9-2 نحوه کار دستگاه SEM... 63

1-10 طیف سنجی پلاسمایی جفت شده القایی.. 64

1-10-1 کاربردهای طیف سنجی پلاسایی جفت شده القایی.. 65

1-10-2 اجزای تشکیل دهنده دستگاه65

1-11 مروری بر یافته های گذشته:66

فصل دوم. 69

2-1 مقدمه. 69

2-2 مواد و تجهیزات مورد استفاده70

2-2-1 مواد مورد استفاده70

2-2-1-1 تترا اتوکسی سیلان (TEOS). 71

2-2-1-2 آمونیاک.. 72

2-2-1-3 اتانول خالص.... 74

2-2-1-4 نمک روی (II) نیترات6 آبه .. 76

2-2-1-5 نمک نیکل (II) نیترات6 آبه .. 77

2-2-2 تجهیزات مورد استفاده79

2-3روش ساخت نانوسیلیکا:83

2-4 نشاندن هیستیدین روی نانوسیلیکا84

2-5 تهیه بافر. 85

2-5-1 روشتهیهمحلول01/0 مولاراستیکاسید:85

2-5-2 روشتهیهمحلولسدیماستات 3 آبه 0/01 مولار:85

2-5-3 روش تهیه محلول سدیمدیهیدروژنفسفات 1 آبه01/0مولار:85

2-5-4 روشتهیهمحلولدیسدیمهیدروژنفسفات 2 آبه 0/01 مولار:86

2-5-5 روش تهیه بافرpH=3. 86

2-5-6 تهیه بافرpH=5. 86

2-5-7 تهیه بافر :pH=7. 87

2-5-8 تهیه بافر :pH=7/5. 87

2-5-9 تهیه بافر :pH=8. 87

2-5-10 تهیه بافر :pH=9. 88

2-5-11 تهیه بافر :pH=11. 88

2-6 تعیین pH بهینه نیکل:89

2-6-1 محاسبه مقدار نمک نیترات نیکل مورد نیاز برای تهیه محلول 100ppm.. 89

2-7 تعیین pH بهینه روی:90

2-7-1 محاسبه مقدار نمک نیترات روی مورد نیاز برای تهیه محلول 100ppm.. 90

2-8 تعیین مقداربهینه جاذب نیکل:90

2-9 تعیین مقداربهینه جاذب روی:91

2-10 تعیین زمان بهینه جذب یونNi⁺² ) مطالعهزمانوسینتیکواکنش:(. 91

2-11تعیین زمان بهینه جذب یونZn⁺² ) مطالعهزمانوسینتیکواکنش:(. 92

2-12 تعیین غلظت بهینه ²⁺Ni(بررسیایزوترمهایجذب):92

2-13تعیین غلظت بهینهZn⁺² (بررسیایزوترمهایجذب):94

فصل سومبحث و نتیجه گیری.. 96

3-1 بررسی جذب کاتیون های فلزات سنگین و تعیین شرایط بهینه جذب:97

3-1-1 اثر pH:97

3-1-2 اثر مقدار جاذب بر میزان جذب:100

3-1-3 اثر زمان تماس بر میزان جذب.. 102

3-1-4 اثرغلظت بر میزان جذب:104

3-2 بررسی سینتیک واکنش:105

3-3 بررسی ایزوترمهای جذبی:108

3-4 طیفft-irنانو سیلیکایسنتزشده:114

3-5 طیف XRD از نانو سیلیکا115

3-6 تفصیر تصاویر دستگاه TEM و SEM... 116

3-7 نتیجه گیری.. 118

3-3 پیشنهادات.. 119

منابع:120

ایزوترم لانگمویر فرآیند سل ژل تصفیه فاضلاب جذب سطحی فرآیند جذب سطحی جذب فلزات نیکل نانو سیلیکاژل عاملدار

زینب پنج‌شنبه 11 خرداد 1396 ساعت 08:28

زینب شنبه 6 خرداد 1396 ساعت 11:02

عنوان تحقیق: مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب

فرمت فایل: word

تعداد صفحات: 104

شرح مختصر:

پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند. فصل اول این تحقیق مروری است بر تکنولوژی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی. فصل دوم به مباحث فنی و مبانی ریاضی پیل های سوختی از بدو تا به امروز می پردازد که پایه و اساس مدل ارائه شده در فصل سوم می باشد. در فصل سوم، با بررسی دقیق تر کارهای ارائه شده توسط محقیقن مختلف و استفاده از فرضیات و همچنین داده های تجربی ارائه شده در مقالات مختلف، مدلی مناسب برای پیل سوختی میکروبیولوژیکی دو محفظه ای (Double Chamber) ارائه شده است که با استفاده از این مدل، نمودارهای مختلف مربوط به توان، شدت جریان و اختلاف پتانسیل حاصل از این نوع پیل سوختی ترسیم شده است. فصل چهارم به ارائه نتیجه گیری کلی در زمینه پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و مدلسازی ریاضی آن ها می پردازد.

فهرست مطالب

چکیده	1
مقدمه	2
فصل اول : درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی	3
1-1) مفاهیم	4
1-2) مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها	7
1-3) میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند	8
1-4) پیکربندی پیل های سوختی میکروبی	12
1-4-1) اجزای MFC	12
1-4-2) سیستمهای MFC دو جزئی	13
1-4-3) سیستمهای MFC تک جزئی	16
1-4-4) سیستمهای MFC نوع Up-flow	19
1-4-5) پیل سوختی میکروبی انباشته (stacked)	21
1-5) عملکرد MFC ها	22
1-5-1) عملکرد ایده آل	22
1-5-2) بازدهی واقعی MFC	24
1-5-3) تاثیر شرایط عملیاتی	26
1-5-4) تاثیر جنس الکترودها	27
1-5-5) بافر pH و الکترولیت	29
1-5-6) سیستم مبادله پروتون	30
1-5-7) شرایط عملیاتی در محفظه آند	31
1-5-8) شرایط عملیاتی در محفظه کاتد	32
1-6) کاربردها	34
1-6-1) تولید الکتریسیته	34
1-6-2) بیوهیدروژن (Biohydrogen)	36
1-6-3) تصفیه فاضلاب	37
1-6-4) سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors)	38
1-7) چشم انداز MFC ها	39
فصل دوم : مباحث فنی پیل های سوختی	41
° 2-1) ولتاژ پیل و پتانسیل الکترود ها	42
° 2-2) وابستگی ولتاژ پیل تعادلی به غلظت: معادله عمومی Nernst	44
° 2-3) پتانسیل های فلز/یون فلزی (+M/Mz)	46
° 2-4) پتانسیل های اکسایش/کاهش (RED/OX)	48
° 2-5) کاربرد معادله Nernst در وابستگی پتانسیل RedOx به غلظت	50
° 2-6) محاسبه پتانسیل های تعادلی الکترود	51
° 2-7) الکترود هیدروژن	52
° 2-8) الکترودهای فلز/نمک نامحلول/یون	54
° 2-9) الکترود کالومل	56
° 2-10) الکترود نقره/کلرید نقره	57
° 2-11) الکترود جیوه-سولفات جیوه	59
° 2-12) پتانسیل الکترود های استاندارد	60
° 2-13) غلظت و فعالیت	62
° 2-14) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل نقطه-بار	63
° 2-15) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل اندازه محدود یون	65
° 2-16) تصحیح Stokes-Robinson تئوری Debye-Hückel تاثیر اثر متقابل یون-حلال	66
فصل سوم :مدلسازی ریاضی پیل سوختی میکروبیوژیکی	68
3-1) ساختار کلی MFC مورد نظر برای مدلسازی	69
3-2) توسعه مدل	69
3-3) سرعت واکنش ها	71
3-4) حل مسئله	78
3-5) محاسبه پارامترها	78
3-6) بحث و نتیجه گیری	83
فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات	84

منابع و ماخذ	86
فهرست منابع فارسی	86
فهرست منابع لاتین	87
سایت های اطلاع رسانی	97
چکیده انگلیسی	98

فهرست جدول ها

1-1: میکروب ها و سوبسترا هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند	9
1-2: اجزای اساسی تشکیل دهنده پیل سوختی میکروبی	13
1-3: واکنش هایی که در سطح الکترودها رخ می دهند و پتانسیل احیاء آن ها	24
2-1: پتانسیل الکترودهای استاندارد	61

فهرست شکل‌ها

1-1: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی	5
1-2: انتقال الکترون در ماتریس میان سلولی به آند	10
1-3: فرآیندهای بنیادی که در فرآیند انتقال الکترون ها به آند نقش دارند	11
1-4: شماتیک پنج نمونه MFC دو محفظه ای	14
1-5: شماتیک پیل ساخته شده توسط Min و Logan در سال 2004	16
1-6: شماتیک نمونه های دیگری از پیل سوختی میکروبی	17
1-7: شماتیک پیل سوختی ساخته شده توسط Liu و همکارانش در سال 2004	19
1-8: شماتیک دو نمونه پیل سوختی میکروبی از نوع Upflow	20
1-9: شماتیک یک نمونه MFC انباشته	21
2-1: تصویر شماتیک یک پیل الکتروشیمیایی	43
2-2: اختلاف پتانسیل تماس بین دو هادی غیر همجنس؛ EF سطح	44
2-3: سیستم اکسایش/کاهش Fe3+/Fe2+	49
2-4: نمای شماتیک الکترود هیدروژن	53
2-5: نمای شماتیک الکترود کالومل اشباع (SCE)	57
2-6: الکترود نقره-کلرید نقره	58
2-7: پتانسیل الکترودهای مرجع در °C25	60
2-8: پتانسیل استاندارد نسبی، E°، الکترود Cu/Cu2+	61
2-9: یک الکترود با پتانسیل کمتر همواره یون های الکترود دیگر با پتانسیل بیشتر را احیاء خواهد کرد	62
2-10: منحنی تغییر ضریب فعالیت γ± با √mol/L در دمای °C25	64
2-11: منحنی مقایسه ضرایب فعالیت تجربی با مقادیر تئوری با استفاده از تصحیح هیدراسیون	67
3-1: نمای شماتیک محفظه آند و لایه کرزی مبادله جرم	70
3-2: تغییرات غلظت سوبسترا و ماده واسط در شرایط استاندارد	79
3-3: تغییرات شدت جریان با زمان	79
3-4: تغییرات مقدار بار تولید شده با زمان	79
3-5: منحنی مدل سازی شده شدت جریان با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337	80
3-6: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337	81
3-7: منحنی مدل سازی شده ولتاژ با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m	82
3-8: منحنی مدل سازی شده توان تولید شده با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m	82

زینب جمعه 15 اردیبهشت 1396 ساعت 10:34