کلید واژه‌ها: ایزوترم جذب، پسماند‌کشاورزی، جاذب ارزان، جذب سطحی، حذف رنگ، نانوژل.سپاسگذاریو الحمد لله ربّ العالمین.خداوند را شاکرم که مرا توفیق داد تا درمسیر برداشتن قدمی‌هرچند کوچک بر پله‌های یادگیری، کوشش کنم و از الطاف بی‌دریغش بی‌‌نصیب نگرداند. و در‌این مسیر از پدر و مادرم، به عنوان اولین اساتید زندگی ام که با حمایت‌های بی دریغ، همواره پشتیبان من بودند تا برای قدم گذاشتن و پیمودن‌این مسیر آسوده خاطر باشم، کمال سپاس گزاری را دارم. از اساتید محترم، جناب آقای دکتر پروینی به خاطر راهنمایی‌ها و مساعدت‌های مفید و دقیق، از جناب آقای دکتر موسویبه خاطر راهنمایی‌ها و آموزه‌های مفید در طول انجام‌این اثر، از جناب آقای دکتر حقیقی و آقای دکتر نجفی کانی به خاطر داوری پروژه کمال تشکر را دارم. همچنین از آقای دکتر پروینی به خاطر کمک‌های بی دریغ در شروع و راه اندازی آزمایشگاه محیط‌های متخلخل کمال تشکر و سپاسگذاری را دارم.همچنین از تمامی‌افرادی که در‌این مسیر بنده‌ی حقیر را کمک کردند و از‌ایشان نام برده نشده، تشکر و قدردانی می‌کنم و از خداوند آرزوی سلامتی و پیروزی برای تمام مراحل زندگی شان دارم. از مسئولین و کارکنان مراکز زیرکمال تشکر را دارم: فهرست مطالبعنوان صفحهفصل اول: مقدمه و تئوری تحقیق11-1 مقدمه11-2انواع جذب31-3 طبیعت جاذب‌ها41-4جاذب‌ها41-5 عوامل تأثیرگذار بر روی قدرت جذب یک جاذب51-5-1.................................................... سطح تماس51-5-2 غلظت71-5-3 دما71-5-4 نوع ماده جذب شده و جاذب71-5-5 حالت ماده جذب شده و جاذب71-6ذغال‌های رنگ بر71-7کربن فعال81-8روش‌های فعالسازی91-8-1.................................... روش فعالسازی فیزیکی91-8-2.................................. روش فعالسازی شیمیایی:101-9تئوری رنگ‌ها و جذب رنگ121-10اساس کار دستگاه اسپکتروسکوپ131-10-1................................ اسپكتروفتومتر نور مرئي131-10-2.............................................. اجزاء دستگاه 131-10-3............... طرز تعيين غلظت يك ماده توسط اسپكتروفتومتر151-11رنگ‌ها و خواص آن‌ها161-11-1 رنگ‌های اسیدی یا آنیونی161-11-2.................................... رنگ‌های بازی یا کاتیونی161-11-3 رنگ‌های خنثی171-12ایزوترم‌های جذب181-12-1............................................ ایزوترم فرندلیچ181-12-2......................................... مدل‌ایزوترم لانگمیر191-12-3............................................. مدل‌ایزوترم BET201-12-4 مدل‌ایزوترم دوبین-رادوشکویچ211-12-5 ایزوترم تمکین221-12-6............................................. مدل‌ایزوترم توس221-12-7............................................ مدل‌ایزوترم سیپز221-12-7............................................ رادکه-پراودنیتز231-13تخمین پارامترهای‌ایزوترم جذب با استفاده از خطی‌سازی:231-14تصـفیـه آب241-15جذب سطحي241-16کاربرد‌های فرآیند جذب سطحی در صنعت تصفیه آب261-17اهداف تحقیق27فصل دوم: مروری بر سوابق مطالعاتی و پژوهشی292-1مروری بر تحقیقات انجام شده در حذف آلاینده، بخصوص رنگ‌ها از محیط‌های آبی292-2 انواع جاذب‌ها302-2-1 .................................. استفاده از جاذب‌های سنتزی302-2-2 .................................. استفاده از جاذب‌های طبیعی312-3حذف رنگ‌های کاتیونی و آنیونی322-4روش‌های تبدیل مواد به جاذب کربنی342-5 نانوبیوکامپوزیت سلولز باکتریایی/سیلیکا جایگزین سلولزهای گیاهی382-6 استفاده از جاذب‌های گیاهی و ارزان قیمت به جای جاذب‌های گران39فصل سوم: مواد و روش‌ها413-1 جاذب به کار رفته برای جذب در‌این تحقیق413-2 ترکیبات شیمیایی423-3 فرمول شیمیایی آلاینده‌ی رنگی به کار رفته423-4 شکل مولکولی433-5نانو فیبر سلولز433-6شرایط آزمایشگاه :453-7 تجهیزات و دستگاه‌ها463-8مواد لازم463-9 روش آماده‌سازی جاذب483-9-1 ................................... تهیه‌ی جاذب و مش بندی آن483-9-2تهيه جاذب خاکشیر در ابعاد نانو با استفاده از آسیاب فوق ریز کننده‌ی دیسکی483-10تهیه‌ی محلول رنگ به عنوان پساب رنگی493-11مراحل بهینه‌کردن جذب503-12بررسی‌های جاذب به کار رفته503-13-1.............................. شکل شناسی ذرات(ریخت شناسی)503-13-2. بررسی گونه‌های موجود در ساختار با استفاده از آزمون FTIR513-13-3............................. روش جداسازی رنگ بریلیانت‌گرین513-13-4........................... روش تعیین غلظت رنگ در محیط آبی523-13روش محاسبه‌ی میزان حذف533-14بررسی و تعیین‌ایزوترم یا‌ایزوترم‌های جذبی حاکم بر فرآیند جذب543-15بررسی سنتیک جذب543-16-1.................................... مدل سنتیک شبه درجه اول543-16-2.................................... مدل سنتیک شبه درجه دوم553-16-3................................. مدل سنتیک نفوذ درون ذره‌ای563-16-4........................................... مدل سنتیک بنگهام56فصل چهارم: نتایج آزمایشگاهی574-1 بهینه‌کردن جاذب574-1-1 ........................................... انتخاب pH بهینه574-1-2................................................... زمان تماس594-1-3 ................................... مقدار گرم جاذب(دُز جاذب)604-1-4.......................................... غلظت اولیه‌ی محلول624-1-5................................................... بررسی دما634-1-6.................................................... دور همزن644-1-7.............................................. اسیدی‌کردن جاذب654-1-8 ........................... تأثیر اندازه جاذب بر میزان حذف664-2 ایزوترم‌های حاکم بر فرآیند جذب674-2-1.................................................. مدلفرندلیچ674-2-2.......................................... مدل‌ایزوترم لانگمیر684-2-3 .............................................. ایزوترم تمکین704-2-4........ نانوژل و جداسازی آن از محیط آبی پس از فرآیند حذف714-3شکلشناسی (شکلشناسی یا ریخت‌شناسی جاذب)724-4آزمایش FTIR برای بررسی گونه‌های موجود در ساختمان شیمیایی جاذب784-5 تخمین پارامتر‌های ترمودینامیکی824-5-1..................................... مدل سنتیک شبه درجه اول824-5-2 .................................... مدل سنتیک شبه درجه دوم824-5-3 ....................................... مدل نفوذ درون ذره‌ای834-5-4 ................................................. مدل بنگهام844-6مقایسه جداسازی رنگ بریلیانت‌گرین از محلول آبی با استفاده از جاذب‌های مشابه با شرایط یکسان864-7 بررسی مقاومت‌های انتقال جرم87فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات905-1 نتیجهگیری905-2 پیشنهادت92مراجع:...................................................... 93پیوست 1. فهرست اسامی‌لاتین100پیوست 2. کالیبراسیون دستگاه اسپکتروفوتومتر103پیوست 3. شبیه سازی جذب104پیوست 4. گرمای جذب و تغییرات انرژی آزاد گیبس و تغییرات آنتروپی105 فهرست جداولجدول 1- 1. رنگ‌های به کار رفته در آزمایشگاه محیط‌های متخلخل برای آزمایش‌های اولیه جذب18جدول 1- 2. پارامترهای‌ایزوترم فرندلیچ19جدول 1- 3. پارامترهای‌ایزوترم لانگمیر20جدول 1- 4. مشخصات فیزیکی و شیمیایی آب آشامیدنی که سازمان استاندارد تعیین کرده است27جدول 2- 1. حداکثر جذب رنگ متیلن بلو توسط جاذب‌های ارزان قیمت و پسماند کشاورزی33جدول 2- 2. حداکثر جذب رنگ بریلیانت‌گرین توسط جاذب‌های ارزان قیمت در طبیعت و مواد پسماند کشاورزی34جدول 2- 3. خلاصه ای از روش‌های ساخت جاذب کربنی با فعال ساز‌های متفاوت36جدول 3- 1. مشخصات رنگ بریلیانت‌گرین43جدول 3- 2. مشخصات دستگاههای مورد استفاده46جدول 3- 3. اسامی‌و مشخصات مواد مورد استفاده47جدول 3- 4. جدول رنگ‌ها و طول موج‌های حداکثر مربوط به هر رنگ47جدول 3- 5. مقدار جذب به ازای غلظت‌های مختلف رنگ برای بدست آوردن نمودار کالیبراسیون52جدول 4- 1. پارامتر‌ایزوترم‌های بررسی شده برای جاذب مورد استفاده در دوشکل71جدول 4- 2. مدل‌های سنتیکی فرآیند جذب86 فهرست اشکالشکل 1- 1. نمودار خوشه ای برای دسته بندی کلیه‌ی پساب‌های آبی2شکل 1- 2. دیاگرام تبدیل خوراک خام و خط تولید جاذب‌های گرانولی10شکل 1- 3. دستگاه اسپکتروسکوپ ساخته شده برای گازها15شکل 1- 4. دستگاه اسپکتروفوتومتر UNICO مدل 210015شکل 1- 5.ایزوترم BET.20شکل 2- 1. نمودار مربوط به جاذب‌های به کار رفته برای حذف رنگ متیلن بلو33شکل 2- 2. نمودار مقایسه‌ی قدرت جذب و حذف رنگ بریلیانت‌گرین توسط جاذب‌های مختلف ارزان قیم35شکل 2- 3. مراحل فعالسازی مواد برای تولید جاذب با تخلخل بالا37شکل 2- 4. مقایسه هزینه‌ی تمام شده‌ی انواع جاذب‌ها40شکل 3- 1. ساقه‌های خشک شده‌ی گیاه در طبیعت41شکل 3- 2. گیاه خاکشیر به صورت سبز،تر و قبل از خشک شدن در طبیعت42شکل 3- 3. لوزی مشخصات‌ایمنی برای رنگ بریلیانت‌گرین (استاندار NFPA)43شکل 3- 4. ساختار شیمیایی رنگ بریلیانت‌گرین43شکل 3- 5. تبدیل فیبر سلولز آلفا به نانوژل سلولز44شکل 3- 6. توزیع ذرات در نانو فیبر سلولز تبدیل شده توسط شرکت دانش بنیان نانو نوین پلیمر45شکل 3- 7 . نمودار کالیبراسیون دستگاه اسپکتروسکوپ (کالیبراسیونبعد از 3ساعت استفاده از همزن برای برای53شکل 4- 1. اثر تغییر pH بر روی حذف رنگ بریلیانت‌گرین با استفاده از جاذب (0.3گرم جاذب و 3گرم 58شکل 4- 2. مقایسه بهینه‌سازی زمان تماس60شکل 4- 3. مقایسهبهینه‌سازیگرمجاذب(داده‌های مقادیر جرمی‌جاذب خاکشیر به شکل دوم 10 برابر شده است)61شکل 4- 4. اثر تغییر میزان غلظت رنگ بریلیانت‌گرین بر روی درصد جداسازی رنگ63شکل 4- 5. بررسی تأثیر دما بر روی میزان حذف64شکل 4- 6. تأثیر دور همزن بر حذف رنگ65شکل 4- 7. مقایسه قابلیت جذب شکل دوم جاذب با ارتقاء توسط اسیدی‌کردن با اسید کلریدریک 1مولار66شکل 4- 8. اثر اندازه ذرات جاذب بر حذف67شکل 4- 10. مدللانگمیر برای دو شکل جاذب مورد بررسی69شکل 4- 11. مدلتمکین71شکل 4- 12. تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه‌ی جاذب به کار رفته با بزرگنمایی 1000برابر72شکل 4- 13. تصویر میکروسکوپ الکترونینمونه‌ی جاذب به کار رفته با بزرگنمایی 10هزار برابر73شکل 4- 14. تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به جاذب، با بزرگ نمایی1.5k73شکل 4- 15 . تصوير ميکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) مربوط به نانو ساختار جاذب نانوژل با بزرگ نماییK3074شکل 4- 16. مدل لیگنین و سلول گیاهی که دسترسی به سلولز سخت می‌باشد74شکل 4- 17. الیاف سلولزی که به صورت منظم در کنار هم قرار گرفته‌اند با بزرگ نمایی2.5K75شکل 4- 18. الیاف سلولزی که به صورت منظم و همچون پارچه بافته شده در کنار هم قرار گرفته‌اند با بزرگ نمایی6K76شکل 4- 19. تصوير ميکروسکوپ الکترونی جاذب نوع اول، بعد از ازاینکه توسط ماده افزودنی اسید کلریدریک 1مولار و زمان ماند 1 ساعت به همراه همزن مغناطیسی با دور rpm 360 خوابانده شد، با بزرگ نمایی 350 برابر76شکل 4- 20. تصوير ميکروسکوپ الکترونی جاذب نوع اول، بعد از ازاینکه توسط ماده افزودنی اسید کلریدریک77شکل 4- 26. برازش داده‌ها برای مدل سنتیک مدل شبه درجه دوم.83شکل 4- 27. برازش مدل درون ذره ای به عنوان سنتیک جذب دو شکل از جاذب84شکل 4- 28. برازش داده‌های آزمایش برای مدل سنتیک بنگهام85شکل 4- 29. نمودار مقایسه‌ی قدرت جذب و حذف رنگ بریلیانت‌گرین توسط جاذب‌های مختلف ارزان قیمت 87شکل 4- 30) نمودار مقاومت های انتقال جرم در یک سیستم شامل جامد و انتقال جرم از مایع به داخل جامد88شکل 4- 31) نفوذ غیر مداوم در سیستم های جامد در سیتم مختصاتی مختلف89 فهرست علائم و اختصارات The quantity of dye adsorbed at equilibrium(mg /gمیزان میلی‌گرم جذب شده از ماده‌ی آلاینده به ازای واحد جرم جاذب در شرایط تعادل می‌باشد(mg/g)The dye concentration at equilibriumغلظت تعادلی آلاینده (mg/l)Amount of dye adsorbed at time t_infinity (mg/g)مقدار میلی‌گرم جذب شده مورد نیاز برای ظرفیت تک لایه ای به ازای واحد جرم جاذب (mg/g)Temkinconstant related to adsorption heatbمربوط به انرژی اتصال است(mg/1)time (min)tزمان برحسب دقیقهAmount of dye adsorbed at time t(mg/g)میزان میلی‌گرم جذب شده از ماده‌ی آلاینده به ازای واحد جرم جاذب در زمان تماسt می‌باشد(mg/g)is the adsorption rate constantkfثابت سرعت مرتبه‌ی اول1/minrate constant of second-order equationksثابت سرعت مرتبه‌ی دوم gr /( mg. min)The initial sorption rate, h (mg/g.min)hنرخ سرعت جذب اولیه mg/(g.min)Part per millionppmیک قسمت در یک میلیون قسمتK, TemperatureTدما بر حسب کلوین(K) فصل اول: مقدمه و تئوری تحقیق 1-1 مقدمهدر چند سال اخیر، توسعه‌ی پایدار و توجه به نسل‌اینده، باعث شده‌است تا محققان بر روی روش‌هایی کار کنند که به کمک آن‌ها تخریب‌های زیست محیطی را کاهش داده و گسترش آلودگی‌ها کمتر شود، اما هرچه صنایع گسترده‌تر و بزرگتر می‌شوند، آلودگی‌های ناشی از فعالیت آن‌ها محیط‌‌زیست را بیشتر تهدید می‌کند.رنگ‌ها یک دسته مهم از آلاینده‌ها می‌باشند که می‌تو‌اند توسط چشم انسان تشخیص داده‌شوند. هرچند که ادر منابع آب با ارزش باید اجتناب شود، با‌این حال، برای حل‌این مشکل فن آوری‌های مختلف و فرآیندهای مختلفی به کار برده می‌شوند. با‌این حال در میان روش‌های مختلفی که برای حذف رنگ وجود دارد، جذب سطحی جایگاه برجسته ای به خود گرفته‌است. تقاضا برای روش‌های کارآمد و کم هزینه برای جذب در حال رشد است و اهمیت جاذب‌های ارزان قیمت[1] برای جایگزینی با جاذب‌های گران را افزایش داده‌است[1].بررسی‌های جامع بر ادبیات کارهای گذشته نشان می‌دهد که جاذب‌های ارزان قیمت علاوه بر‌اینکه در دسترس باید باشند، بایستی ظرفیت جذب بالایی را نیز از خود نشان‌دهند. در کارهای گذشته بر شرایط بهینه‌ی جذب و نوع ماده‌ی جذب شده و شرایط محیط‌های مناسب برای جذب و قابلیت تبدیل شدن جاذب مورد نظر به کربن فعال، مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌است[1].انتشار آلودگی‌های رنگی به داخل آب‌های سطحی و زیر زمینی نیز مشکلات عمده ای بوجود آورده‌است. صنایع نساجی، مسئول رهاسازی رنگ‌های گوناگون به داخل منابع طبیعی آب‌ها هستند، دلیل آن را می‌توان در نبود بازدهیکافی در تکنیک‌های رنگ رزی دانست. بیش از 15% رنگ‌ها ممکن است موقع استفاده از رنگ‌های واکنشی مستقیما وارد آب شوند[2].