فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:176
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ((M.Sc))
گرایش: کاربردی
عنوان : سنتز نانوذرات مغناطیسی آهن پوشیده شده با هیدروکسی آپاتیت و بررسی عملکرد آنها برای جذب کبالت (II) و روی II)) از محلولهای آبی و اندازه¬گیری با اسپکترومتری جذب اتمی شعله
فهرست مطالب:
عنوان صفحه
خلاصه فارسی 1
مقدمه 2
فصل اول: کلیات
1-1- ضرورت انجام تحقیق 5
1-2- بیان مسئله 5
1-3- اهداف پژوهش 8
1-4- فناوری نانو 8
1-4-1- نانو ذرات 9
1-4-2- نانوذرات مغناطیسی 11
1-4-2-1- طبقه بندی مواد از لحاظ مغناطیسی 12
1-4-2-1-1- مواد فرو مغناطیس 12
1-4-2-1-2- مواد فری مغناطیس 15
1-4-2-2- نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن 15
1-4-2-2-1- مگنتیت 15
1-4-2-2-2- مگهمایت 16
1-5- روشهای تهیه ی مگنتیت 17
1-5-1- تهیه ی مگنتیت در محیط های همگن مایع 18
1-5-1-1- تهیه ی مگنتیت در روش همرسوبی محلول نمک آهن (III) و آهن (II) 18
1-5-2- تهیه مگنتیت به روش بیوسنتز 22
1-6- کاربرد های اکسید های مغناطیسی آهن 23
1-7- اصلاح سطح نانو ذرات مغناطیسی 25
1-8- آپاتیت 26
1-9- هیدروکسی آپاتیت 27
1-10- تاریخچه ی شناسایی هیدروکسی آپاتیت 28
1-11- خواص هیدروکسی آپاتیت 28
1-11-1- بلورینگی 28
1-11-2- خواص زیست سازگاری 29
1-11-3- رفتار حرارتی 29
1-11-4- خواص مکانیکی 30
1-11-5- چگالی 31
1-11-6- حلالیت در آب 31
1-12- روش های سنتز هیدروکسی آپاتیت 33
1-13- تاریخچه ای از کاربرد های هیدروکسی آپاتیت 35
1-14-کاربرد های هیدروکسی آپاتیت 35
فصل دوم : مروری برمتون گذشته
2-1- فلزات سنگین و اثرات آن ها 40
2-1-1-کبالت 40
2-1-1-1-اثرات کبالت بر روی سلامتی انسان 41
2-1-1-2-تاثیرات زیست محیطی کبالت 43
2-1-2- روی 45
2-1-2-1- اثرات روی بر روی سلامتی انسان 46
2-1-2-2- اثرات روی بر روی محیط زیست 47
2-2- ضرورت جداسازی فلزات سنگین از آب 49
2-3- کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب 49
2-4- روش های جداسازی فلزات سنگین 52
2-4-1- رسوب دهی شیمیایی 52
2-4-2- انعقاد و ته نشینی 54
2-4-3- انعقاد الکترودی 56
2-4-4- روش تبادل یون 58
2-4-5- کاتالیزورهای نانوئی 62
2-4-6- جذب بیولوژیکی 63
2-4-7- روش های غشایی 66
2-4-7-1- الکترودیالیز 67
2-4-7-2- اسمز معکوس 69
2-4-7-3- نانو فیلتراسیون 70
2-4-7-4- اولترافیلتراسیون توسط پلیمر های دندریمر افزایشی 72
2-4-8- شناور سازی 74
2-4-9- جذب سطحی 77
2-4-9-1- جذب توسط کربن فعال 80
2-4-10- جداسازی مغناطیسی 81
2-4-11- ترکیب جداسازی مغناطیسی با فرایند جذب سطحی با جاذب γ-Fe2O3@HAP 85
2-5- مروری بر مطالعات گذشته 89
2-5-1- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با نانو ذرات مغناطیسی 89
2-5-2- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با هیدروکسی آپاتیت 92
2-5-3- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با γ-Fe2O3@HAP 95
فصل سوم : مواد و روش ها
3-1- مواد 98
3-2- تجهیزات دستگاهی 99
3-3- روش کار 99
3-3-1- سنتز جاذب 99
3-3-2- تعیین ساختار نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP سنتز شده 101
3-3-3- تهیه ی محلول های نیترات روی و نیترات کبالت 102
3-3-4- بهینه سازی و بررسی عوامل موثر بر جذب Zn2+ و Co2+ 102
3-3-5- بررسی میزان جذب کبالت (II) و روی (II) از محلول های آبی در شرایط بهینه 104
3-3-6- آزمایش واجذبی 105
3-3-7- بررسی میزان جذب Zn2+ و Co2+ موجود در پساب با جاذب γ-Fe2O3@HAP 106
3-3-8- بررسی تخریب یا عدم تخریب نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP پس از فرایند جذب 106
فصل چهارم : نتایج
4-1- بررسی ساختار جاذب نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP 108
4-1-1- SEM و TEM مربوط به γ-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب 108
4-1-2- طیف FTIR مربوط به γ-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب 109
4-1-3- طیف XRD مربوط به γ-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب 110
4-2- نتایج تست انجام شده 110
4-3- رسم منحنی استاندارد 111
4-4- بهینه سازی فاکتور های موثر بر جذب توسط طراحی باکسن- بهکن 112
4-5- بررسی درصد جذب و واجذبی Zn2+ و Co2+ در محلول ها 122
4-6- بررسی درصد جذب Zn2+ و Co2+ موجود در پساب 124
4-7- بررسی تخریب یا عدم تخریب جاذب نانو ذرات γ-Fe2O3@HAP پس از واجذبی 124
4-7-1- طیف FTIR نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب 125
4-7-2- طیف XRD نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب 126
فصل پنجم: بحث و پیشنهادات
5-1- نتیجه گیری 128
5-2- پیشنهادات 129
منابع 131
خلاصه ی انگلیسی 162
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- خواص فیزیکی Fe3O4 و γ-Fe2O3 17
جدول 1-2- خواص فیزیکی هیدروکسی آپاتیت 32
جدول 1-3- مقایسه ی روش های مختلف سنتز پودر هیدروکسی آپاتیت 34
جدول 2-1- خواص عمومی و اتمی کبالت 44
جدول 2-2- خواص فیزیکی کبالت 44
جدول 2-3- خواص عمومی و اتمی روی 48
جدول 2-4- خواص فیزیکی روی 48
جدول 2-5- شرایط رسوب دهی فلزات سنگین در عملیات رسوب دهی شیمیایی 53
جدول 3-1- آزمایشهای طراحی شده جهت بهینه سازی فاکتورها با نرم افزار باکس- بهکن 104
جدول 4-1- میزان و درصد جذب Co2+ موجود در محلول ppm 100 Co(NO3)2. 6 H2O 110
جدول4-2- میزان و درصد جذب Zn2+ موجود در محلول ppm 100 Zn(NO3)2. 6 H2O 111
جدول4-3- نتایج جذب آزمایشهای طراحی باکس- بهکن برای 3 فاکتور انتخابی 113
جدول 4-4- مقادیر بهینه pH،γ-Fe2O3@HAP و زمان برای Zn2+و Co2+ 121
جدول 4-5- مقادیر جذب یون های Zn2+و Co2+بعد از اعمال شرایط بهینه 122
جدول 4-6- ترکیبات مورد استفاده و میزان و درصد جذب Zn2+ و Co2+ در فرایند واجذبی 123
جدول 4-7- میزان جذب Zn2+ و Co2+ موجود در پساب قبل و بعد از انجام فرایند جذب 124
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1- نمونه ای از حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس 14
شکل 1-2- نمونه ای از حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس 14
شکل 1-3- تاثیر بلوکهای میدانی در ایجاد پسماند مغناطیسی 14
شکل 1-4- ساختار کریستالی مگنتیت 16
شکل 1-5- ساختار کریستالی مگهمیت 17
شکل 1-6- مراحل سنتز Fe3O4 درون میکروارگانیسم 22
شکل 1-7- ساختار کریستالی هیدروکسی آپاتیت 29
شکل 2-1- نانوذرات اکسیدهای فلزی، نانو لوله های کربن دار، زئولیتها و دندریمرها 50
شکل 2-2- دسته بندی انواع فیلتر ها 67
شکل 2-3- نحوه ی عملکرد نانوفیلتراسیون 71
شکل 2-4- بازیابی یون های فلزی از محلول های آبی توسط فیلتراسیون با پلیمر دندریمر 73
شکل 4- 1- SEM مربوط به نانوذرات γ-Fe2O3@HAPن قبل از فرایند جذب 108
شکل 4-2- TEM مربوط به نانوذرات γ-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب 108
شکل 4-3- طیف FTIR ناذرات γ-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب 109
شکل 4-4- طیف XRD مربوط به γ-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب 110
شکل 4-5- منحنی استاندارد جذب Co2+ 111
شکل 4- 6- منحنی استاندارد جذب Zn2+ 112
شکل 4-7- میزان تاثیر فاکتورهای مختلف موثر بر جذب Zn2+ و Co2+ 114
شکل 4-8- رابطه مقادیر مختلف PH و γ-Fe2O3@HAP و زمان با درصد جذب 114
شکل 4-9- تغییرات مقدار PH و γ-Fe2O3@HAP با ثابت در نظر گرفتن زمان 115
شکل 4-10- تغییرات مقدار میلی گرم γ-Fe2O3@HAP و زمان با ثابت در نظر گرفتن PH 115
شکل 4-11- تغییرا مقدار PH و زمان با ثابت در نظر گرفتن مقدار میلی گرم γ-Fe2O3@HAP 116
شکل 4-12- مقدار نسبی کاتیون Co2+ بر حسب PH 118
شکل 4-13- مقدار نسبی کاتیون Zn2+ بر حسب PH 119
شکل 4-14- طیف FTIR نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب 125
شکل 4-15- طیف XRD نانو جاذب γ-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب 126
خلاصه فارسی:
در این تحقیق ابتدا نانو ذرات γ-Fe2O3@HAPسنتز شده و با اطمینان از سنتز موفق این نانو ذرات با توجه به طیف های XRD، FTIR و تصاویر SEMو TEM آن ها، این نانو ذرات به عنوان جاذب برای جداسازی یون های فلزی Zn2+ و Co2+ از محلول های آبی حاویcc 20 کبالت (II) و روی (II)ppm 10 به کار برده شدند و برای اندازه گیری جذب این فلزات از اسپکترومتری جذب اتمی شعله استفاده شد. علاوه بر این به منظور دستیابی به بالاترین بازده جذب فلزات سنگین توسط نانوذرات γ-Fe2O3@HAP، اثر عوامل مختلف از جمله مقدار گرم نانوذرات γ-Fe2O3@HAP، زمان استخراج و pH بررسی و توسط طراحی های کمومتری بهینه سازی شد. شرایط بهینه عبارت بودند از: 10 pH=،g 015/0γ-Fe2O3@HAP = و45Time = دقیقه که موارد گفته شده توسط نرم افزار 1/5Statgraphics با استفاده از طراحی باکس- بهکن بهینه سازی و سطوح بهینه این فاکتورها تعیین شد. در شرایط بهینه نزدیک به 100% کاتیونهای مذکور جذب نانوذرات شده و از محیط آبی حذف شدند. همچنین بر روی پساب حاویppm Zn2+ 3/22 وppm Co2+ 5 فرایند جذب با جاذب MNHAP را در شرایط بهینه انجام داده و به جذب 99% روی (II) و 96% کبالت (II) دست یافتیم. فرایند جذب سطحی Zn2+ و Co2+ بر روی جاذب MNHAP با مکانیسم های جاذبه ی الکترواستاتیک، تشکیل کمپلکس سطحی، تبادل یون صورت گرفته است. علاوه بر موارد بیان شده آزمایشات واجذبی را توسط 3 شوینده ی HNO3 یک نرمال، EDTA سه صدم مولار، CaNO3. 4H2Oیک دهم مولار بعد از اعمال فرایند جذب در شرایط بهینه انجام دادیم و به نتایج رضایت بخشی دست یافتیم . سپس به منظور بررسی تخریب یا عدم تخریب جاذب، طیفهای FTIR و XRD از جاذب گرفته شد و تفسیر طیفهای بدست آمده بیانگر عدم تخریب جاذب γ-Fe2O3@HAPبود.
کلید واژه : نانو ذرات مغناطیسی، جاذب های مغناطیسی قابل بازیافت، نانو ذرات مغناطیسی گاما اکسید آهن با پوشش هیدروکسی آپاتیت، فلزات سنگین، دستگاه اسپکترومتری جذب اتمی شعله
مقدمه
امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف خالص سازی آب، به آبی بهداشتی دسترسی ندارند. بر طبق آمارهای موجود و به نقل از سازمان جهانی بهداشت، حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی سالم و بهداشتی دسترسی نداشته و این میزان چیزی حدود یک ششم جمعیت کره زمین را در بر می گیرد.
فلزات سنگین به دلیل تجمع زیستی شان، عدم زیست تخریب پذیریشان، سمیتشان به عنوان تهدیدی جدی برای بشر محسوب می شوند. رشد صنعت و کاربرد فلزات سنگین در فرایند های صنعتی زیاد، منجر به افزایش غلظت فلزات سنگین در فاضلاب ها و محیط شده، بنابراین جداسازی و حذف آن ها از آب های آلوده، پساب ها و آب آشامیدنی بسیار ضروری می باشد.
روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آبهای صنعتی به کار می¬روند از جمله : رسوب دهی شیمیایی، انعقادو ته نشینی، انعقاد الکتریکی، کاربرد رزین های تبادل یون، فرایند های جداسازی غشایی (اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون، الکترو دیالیز)، جذب سطحی(جاذب های متداول اصولاً شامل کربن فعال، زئولیت، خاک رس، موادپلیمری و زیست توده می باشد.) وجداسازی مغناطیسی.
آنچه در این مبحث، بیش از بیش دنبال آن هستیم، ایجاد بستری مناسب، برای دستیابی به آبی سالم، با کیفیت و مقرون به صرفه است. به یمن استفاده از شیوه های جدید مخصوصاٌ نانوتکنولوژی در تصفیه آب، شرایط ذکر شده برای ما میسر گردیده است، بطوریکه با توجه به حذف موثر آلاینده ها و کاهش هزینه های تمام شده تولید آب سالم، استفاده از این فناوری ها، نسبت به روشهای قدیمی بیشتر مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. از میان تکنولوژی های متداول به منظور جداسازی یون های فلزی سنگین از محلول های آبی، برای برطرف کردن نواقص و کاستی های این روش ها، جاذب نانو ذرات مغناطیسی آهن پوشیده شده با هیدروکسی آپاتیت که در آن تکنولوژی جداسازی مغناطیسی با فرایند جذب سطحی ترکیب شده به کار رفته است.
هیدروکسی آپاتیت به دلیل ظرفیت جذب بالای فلزات سنگین، جذب سریع، حلالیت کم در آب، زیست- سازگاری، در دسترس بودن، سهولت تهیه، هزینه ی پایین و پایداری در مقابل ترکیبات اکسنده و کاهنده یک ماده ی ایده ال برای جداسازی فلزات سنگین می باشد.
تثبیت HAP بر سطح نانو ذرات مغناطیسی منجر به رفع مشکل برگشت ناپذیری، افزایش بازده فرایند جذب و بازیافت جاذب، جذب انتخاب پذیر و اختصاصی، بالا رفتن سرعت جذب، جلوگیری از اکسیداسیون سریع هسته اکسید آهن در محیط آبی شده وامکان جداسازی سریع و ساده ی جاذب با اعمال یک میدان مغناطیسی را فراهم می کند. بنابراین می توان انبوهی از فاضلاب را در دوره ی زمانی خیلی کوتاه بدون تولید هیچ آلودگی، با عملیات ساده، اقتصادی و راندمان بالا تصفیه نمود.
در این پایان نامه در فصل اول به توضیح نانو فناوری، نانو ذرات، نانو ذرات مغناطیسی، طبقه بندی مواد از لحاظ مغناطیسی، نانو ذرات اکسید آهن، روش های سنتز و کاربرد نانو ذرات اکسید های آهن، اصلاح سطح، هیدروکسی آپاتیت، خواص هیدروکسی آپاتیت، روش های سنتز و کاربرد هیدروکسی آپاتیت، پرداخته شده است. در فصل دوم اثرات فلزات سنگین بر روی انسان و محیط زیست، ضرورت جداسازی فلزات سنگین از آب، کاربرد فناوری نانو در صنعت آب، روش های جداسازی فلزات سنگین، جاذب γ-Fe2O3@HAP، مروری بر مطالعات قبلی مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل سوم مواد، تجهیزات مورد استفاده و روش کارهای انجام شده بیان شده. در فصل چهارم به تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از تحقیق و پیشنهادات پرداخته شده است.