دانلود پایان نامه درباره محیط زیست

دانلود پایان نامه ارشد

ای فوق اشباع بدون حضور کریستالهای حل شده رخ میدهد. در این مکانیسم، هستهسازی خود به خود رخ میدهد و نیازمند فوق اشباعیت زیادی است. هستهسازی ناهمگن در محلولهایی که ذرات خارجی یا گرد و غبار وجود دارد، ایجاد میشود. حضور گرد و غبار در محلول فوق اشباع باعث کاهش انرژی مورد نیاز برای هستهسازی کریستالهای جدید میشود (Mitchell, 2012).

1-4-2-1-2- هستهسازی ثانویه22

هستهسازی ثانویه به دلیل وجود دانههای اولیه در محلول فوق اشباع رخ میدهد(Mitchell, 2012). اندازه بلورها به درجه فوق اشباعیت محلول بستگی دارد و همچنین فوق اشباعیت با سرعت هستهسازی رابطه مستقیم دارد. در محلولهایی که تعداد هستههای اولیه زیاد باشند، تعداد مراکز تبلور زیاد است و در نتیجه اندازه کریستالها کوچک میشود. در محلولهایی که فوق اشباعیت آنها کمتر است، تعداد مراکز تبلور کمتر بوده و بلورهای درشتی تشکیل میشود. اگر حلالیت مولار تعادلی رسوب با S و غلظت مولار آن در هر لحظه با Q نشان داده شود، آنگاه فوق اشباعیت به صورت Q-S تعریف میشود که سرعت هستهسازی از رابطه (1-11) محاسبه میشود (Bakhtiari, 2012).
(1-11) n≈4 =K〖(Q-S)〗^nسرعت هستهزایی

1-4-3- مکانیسم رشد بلور

بعد از هستهسازی، رشد هستهها به وسیله مولکولهای حل شونده اضافی محلول فوق اشباع رخ میدهد (Mitchell, 2012). فرایند رشد کریستال یک فرایند انتقال فاز است که یونها یا مولکولهای تشکیل دهنده کریستال از فاز محلول وارد فاز جامد میشوند که در سطح مشترک بلور و محلول رخ میدهد. به عبارت دیگر در فرایند رشد بلور یونها یا مولکولهای تشکیل دهنده بلور یا رسوب به سمت هستهها نفوذ کرده و بر روی سطوح جانبی بلور به صورت سه بعدی تهنشین میشود و گاهی شکل هندسی منظمی را به وجود میآورند. سرعت رشد بلور با فوق اشباعیت رابطه مستقیم دارد و از رابطه (1-12) محاسبه میشود.
(1-12) =K’A(Q-S)سرعت رشد بلور
که A سطح هسته میباشد. سرعت رشد بلور در اندازه کریستال موثر است. فوق اشباعیت نسبی((Q-S)/S) مواد اولیه تشکیل کریستال در محلول، با اندازه ذرات کریستال رابطه عکس دارد (Mendham, 2006). دو عامل در اندازه ذرات بر روی سرعت رشد بلور موثر می باشند که شامل:
الف- سرعت نفوذ یونها یا مولکولهای سازنده رسوب که تابعی از غلظت، سرعت همزدن و دما میباشد.
ب- سرعت قرارگیری یونها و مولکولهای سازنده رسوب روی سطح هسته که تابع ناخالصیهای سطح هسته و غلظت میباشد.
در هنگام تشکیل بلور ممکن است یونها یا مولکولهایی به غیر از یونها یا مولکولهای سازنده بلور به صورت جامد، مایع و یا گاز به سطح بلور بچسپند و در ادامه رشد بلور این مواد داخل بلور حبس شده و باعث اختلال در ساختار بلوری میشوند (Skoog et al., 1996). با مقایسه روابط (1-11) و (1-12) میتوان اثر فوق اشباعیت را در سرعت هستهسازی و سرعت رشد بلور بررسی کرد. از آنجا که سرعت هستهسازی به صورت نمایی (n=4) و سرعت رشد بلور به صورت خطی با فوق اشباعیت تغییر میکند. هر چه سرعت رشد بلور از سرعت هستهسازی بیشتر باشد، اندازه ذرات رسوب درشتتر میشود. در فوق اشباعیتهای زیاد سرعت هستهسازی از سرعت رشد بلور بیشتر بوده و در نتیجه تعداد هستهها بیشتر و ذرات رسوب ریزتر میشوند. بنابراین کنترل فوق اشباعیت بر روی اندازه کریستالهای تشکیل شده خیلی مهم است (Bakhtiari, 2012).

1-4-4- عوامل تجربی تعیین کننده اندازه ذرات

اندازه ذرات رسوب به ترکیب شیمیایی و شرایطی ترسیب بستگی دارد. ذرات در داخل محلول دارای پراکندگی زیادی هستند، از طرفی ذرات کلوئیدی وجود دارند که با چشم غیر مسلح قابل دیدن نیستند و این ذرات نه در داخل محلول تهنشین میشوند و نه میتوان آن را با کاغذ صافی جدا کرد، این ذرات را تعلیق کلوئیدی مینامند. از طرف دیگر ذراتی با ابعاد چند دهم میلیمتر وجود دارند که به آنها تعلیق بلوری گفته میشود. این نوع تعلیق به سرعت تهنشین میشود (Skoog et al., 1996).
اندازه ذرات رسوب تشکیل شده تا حدودی به متغیرهای تجربی مانند دما، حلالیت رسوب در محلول که در آن تشکیل شده است، غلظت واکنشگرها و سرعت اختلاط بستگی دارد. که اثر این متغیرها را میتوان به طور کیفی با فوق اشباعیت نسبی () مورد بررسی قرار داد. شواهد تجربی نشان میدهد که اندازه ذرات رسوب به طور معکوس با فوق اشباعیت نسبی تغییر میکند، بنابراین هرگاه فوق اشباعیت نسبی بزرگ باشد در آن صورت رسوب کلوئیدی میشود ولی اگر متوسط این پارامتر کوچک باشد در آن صورت جامد بلوری تولید میشود. متغیرهای تجربی که فوق اشباعیت را به حداقل میرسانند و باعث تولید جامد بلوری میشوند عبارتند از: دمای بالا (برای افزایش حلالیت یا S)، محلهای تزریق (برای کاهش Q) و افزایش عامل رسوب دهنده با اختلاط آرام (برای کاهش مقدار Q). اندازه ذراتی که حلالیت آنها به pH بستگی دارد را میتوان با افزایش فوق اشباعیت در طی ترسیب افزایش داد (Skoog et al., 1996).

1-4-5- اثر اختلاط بر فرایند تبلور

سینتیک هستهسازی و رشد بلور تحت تاثیر اختلاط قرار دارد. با افزایش سرعت همزدن زمان القا23 کاهش یافته و تعداد هستههای تشکیل شده افزایش مییابد و در بعضی موارد باعث افزایش سرعت رشد میشود.
در فرایند ترسیب که واکنش شیمیایی نیرو محرکه تشکیل رسوب است، اگر محلول همزده شود ذراتی با اندازه متوسط تولید میشود ولی اگر محلول همزده نشود در همان شرایط فوق اشباعیت، ذرات بزرگتری تولید میشوند. در ترسیب کربنات کلسیم در دمای اتاق، اگر اختلاط سریع باشد فقط رسوبهای از نوع آراگونیت تولید میشود و اگر محلول به آرامی همزده شود، هر سه نوع شکل کریستالی کلسیت، واتریت و آراگونیت به طور همزمان تشکیل میشوند (Bakhtiari, 2012). سرعت همزدن و نوع همزدن بر روی سرعت ترسیب و میانگین اندازه کریستالها تاثیر دارد. هر چه سرعت همزدن بیشتر باشد، ترسیب با سرعت بیشتری انجام میشود و اندازه ذرات کوچکتر میشود. محل تزریق واکنشگر یا واکنشگرها به راکتور بر روی اندازه کریستالها تاثیر میگذارد. بهترین محل تزریق در کریستالیزور زیر پره همزن میباشد زیرا گردابههای تشکیل شده در این محدوده، کوچکتر هستند و اختلاط واکنشگرها با محلول بهتر صورت میگیرد. به عبارت دیگر به دلیل گرادیان غلظت پایین در این ناحیه، فوق اشباعیت محلی کمتر است و باعث افزایش بیشتر رشد بلورها میشود (Abbasi and Alamdari, 2007).
علاوه بر موارد گفته شده عوامل دیگری نیز بر روی رشد کریستالهای کربنات کلسیم تاثیر میگذارند. یکی از این عوامل، وجود ناخالصی در محلول میباشد که باعث کند شدن یا تسریع ترسیب میشود. یکی از یونهایی که باعث کاهش سرعت رشد کریستال میشود یون منیزیم میباشد زیرا یونهای منیزیم سرعت ایجاد لایههای جدیدکریستال روی سطح کریستال را کاهش میدهد(Bakhtiari, 2012).
عوامل دیگری مانند جا افتادن24 و انباشتگی25 بر روی اندازه ذرات تاثیر میگذارد. تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی کریستال با گذشت زمان و کلوخه شدن جا افتادن گفته میشود و زمانی رخ میدهد که ذرات کریستال با برخورد کردن به یکدیگر به هم چسپیده و تشکیل ذرات بزرگتری میدهند. برخورد ذرات با پرهی همزن باعث خورد شدن کریستالها و تشکیل ذرات جدید کوچکتری میشود. نهایتا این ذرات کوچک رشد کرده و یا دوباره در داخل محلول حل میشوند و باعث کاهش متوسط اندازه ذرات میشود (Bakhtiari, 2012).
در این تحقیق با استفاده از روش همرسوبی، یونهای کادمیوم موجود در آب آشامیدنی حذف شد. کربنات کلسیم یکی از ترکیباتی است که حلالیت کمی در آب دارد، بنابراین همزمان با تشکیل رسوب طی واکنش شیمیایی بین واکنشگرهای مناسب، کادمیوم نیز به روش همرسوبی با کربنات کلسیم از آب حذف میگردد. چون کربنات کلسیم یک ماده ارزان، بی خطر و در دسترس است، در فرایند همرسوبی استفاده شد.

1-4-6- ترسیب

اگر نیرو محرکه فوق اشباعی کریستالیزاسیون واکنش شیمیایی باشد، فرایند ترسیب نامیده میشود. ترسیب یک فرایند سریع و برگشت ناپذیر است و در اثر واکنش دو ماده، ماده سومی که حلالیت آن خیلی کم است، رسوب میکند. هدف از ترسیب حذف و جدا سازی یک یا چند ماده مشخص در محلول است که به طور همزمان با تشکیل رسوب از محلول حذف میشوند (Khosravi and Alamdari, 2009). این نوع از فرایند حذف مواد را همرسوبی مینامند.

1-4-7- صاف کردن و شستشوی رسوب

صاف کردن و شستشوی رسوب به اندازه ذرات بستگی دارد. هرچه اندازه ذرات درشتتر باشد صاف کردن آن توسط محیط متخلخل به آسانی صورت میگیرد. رسوبات ریزتر به صافیهای فشرده نیاز دارند و سرعت صاف شدن آنها کم است. صاف کردن محلول با کاغذ صافی، قیفهای شیشهای و بوخنر دارای منافذ صورت میگیرد. مزایای کاغذ صافی، ارزان بودن، دسترسی فراوان و تنوع زیاد از نظر منافذ و کیفیت کاغذ میباشد. کاغذهای صافی معمولا با اسید و بازهای قوی و مواد اکسید کننده واکنش میدهد و همچنین در دستگاههای با مکش سریع کاربرد چندانی ندارند (Bakhtiari, 2012).
از آنجایکه رسوبات در حضور یک یا چند ترکیب انحلال پذیر تشکیل میشوند و در دمای خشک کردن رسوب فرار نیستند، بایستی رسوب کاملا شسته شود تا از رسوب خارج شود. چون هیچ رسوبی به طور مطلق نامحلول در مایعهای شستشو نیست، باید از حداقل مایع شستشو استفاده شود.
برای شستشوی رسوبات کریستالی از آب مقطر و برای رسوبات کلوئیدی از محلولهای الکترولیت استفاده میشود تا کلوئید لختهدار کلوئیدی نشده و از منافذ صافی عبور کند. محلول شستشو باید روی رسوب اثر نداشته باشد، مواد خارجی را به آسانی حل کند، با رسوب تولید مواد نامحلول نکند، در دمای خشک شدن رسوب به راحتی خارج شود (Bakhtiari, 2012).

فصل دوم

2- مروری بر تحقیقات گذشته

2-1- پیشگفتار

کادمیوم معمولا در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد بلکه به عنوان یک مادهی معدنی در ترکیب با سایر عناصر مانند اکسیژن (کادمیوم اکسید)، کلر (کادمیوم کلرید) و یا گوگرد (کادمیوم سولفید و کادمیوم سولفات) وجود دارد. کادمیوم اغلب در طبیعت به صورت کمپلکسهای اکسیدی، سولفیدی و کربناتی در سنگهای معدن مس، سرب و روی وجود دارد. ترکیبات کلریدی و سولفیدی کادمیوم به راحتی در آب حل میشوند. دانستن نوع ترکیب کادمیوم برای پیشگیری از خطر ابتلا به عوارض نامطلوب بهداشتی حائز اهمیت است (Taylor et al., 1999). کادمیوم کاربرد گستردهای در ساخت آلیاژها، باتریها، رنگدانهها و آبکاری فلزات دارد. بازیافت کادمیوم از مواد زائد برای به دست آوردن فلز با ارزش و حفاظت از محیط زیست در برابر آلودگی بسیار ضروری است (Jha et al., 2011). ا تکنیکهای مختلف فیزیکی و شیمیایی برای حذف کادمیوم از آب، پسابهای صنعتی و معدنی به کار برده شده است (Rao et al., 2011).

2-2- تکنیکهای حذف کادمیوم

روشهای حذف کادمیوم شامل روشهای شیمیایی، همرسوبی، غشا، تبادل یونی، استخراج با حلال و تکنیکهای جذب است (Rao et al., 2011).

2-2-1- روشهای شیمیایی

روشهای شیمیایی حذف کادمیوم شامل تکنیکهای ترسیب26 و سیمانی شدن27 است (Rao et al., 2011).

2-2-1-1- ترسیب

تکنیکهای مختلفی برای حذف فلزات سنگین قبل از تخلیه پسابها به محیط زیست وجود دارد. ترسیب سادهی فلزات به صورت هیدروکسید، کربنات یا سولفید که به صورت رسوبهای نامحلول در آب هستند، برای حذف 75% از فلزات سنگینی که در پساب آبکاریها تولید میشوند، مورد استفاده قرار میگیرد. تکنیک ترسیب کادمیوم به صورت کادمیوم هیدروکسید به دلیل سادگی و هزینهی کم، یکی از شایعترین روشهای ترسیب کادمیوم است. در این روش pH محلول با آهک (CaO) و یا سود سوز آور (NaOH) به منظور تشکیل رسوب نامحلول هیدروکسید فلز سنگین، افزایش مییابد (Rao et al., 2011).
از جمله ترکیباتی که برای ترسیب کادمیوم استفاده شده است، میتوان به استات باریم اشاره کرد که اولین بار شرکت ح

پایان نامه
Previous Entries منبع پایان نامه ارشد با موضوع امام حسین، امام حسین (ع)، ملک الشعرا Next Entries منبع پایان نامه ارشد با موضوع تاریخ ادبیات، تاریخ ادبی، سبک شناسی