پایان نامه ارشد با عنوان حذف همزمان آرسنیک و باکتری از آب با استفاده از نانوجاذب های برمبنای کیتوسان اصلاح شده با فلز

حذف همزمان آرسنیک و باکتری از آب با استفاده از نانوجاذب های برمبنای کیتوسان اصلاح شده با فلز

دانشگاه مراغه

دانشکده علوم پایه

گروه شیمی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته علوم و فناوری نانو- نانوشیمی

عنوان:

حذف همزمان آرسنیک و باکتری از آب با استفاده از نانوجاذب های برمبنای کیتوسان اصلاح شده با فلز

 

 

 

 

کلید واژه ها: آلایندگی؛  آرسنیک؛  بیوپلیمر؛  جذب؛  فعالیت ضدمیکروبی
 

چکیده

هدف از این کار افزایش کارایی جذب کیتوسان نسبت به As(III)، گونه بسیار سمی و متداول آرسنیک در آب های زیرزمینی، و افزایش فعالیت ضدمیکروبی آن در pH خنثی، pH آب های طبیعی، است. بنابراین نانوکامپوزیت مس-کینوسان/آلومینا تهیه و به عنوان جاذب جدید برای حذف As(III) مورد استفاده قرار گرفت. ویژگی های جاذب تهیه شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) ، طیف سنجی انرژی متفرق کننده اشعه X (EDX)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، طیف سنجی مادون قرمز(FTIR) و  طیف سنجی پراش اشعه ایکس (XRD) بررسی شد. جاذب اصلاح شده مورفولوژی سطح متخلخل تری را نسبت به کیتوسان خالص نشان داد. تصاویر فاز  AFM پراکندگی نانوذرات آلومینا در ماتریس پلیمر را نشان داد. نتایج FTIR، EDX و XRD مشخص کردند که یون های Cu2+ با گروه های آمین روی سطح کیتوسان کمپلکس تشکیل داده است. رفتار جذب As(III) بر روی Cu-chitosan/nano-Al2O3، chitosan/nano-Al2O3 و کیتوسان خالص با استفاده از سنتیک جذب و مطالعات ایزوترم در دمای اتاق بررسی شد. داده های جذب برای سه نوع جاذب توسط هر دو مدل لانگمویر و فروندلیچ بخوبی پردازش شدند. داده های سنتیکی نشان دادند که مطابقت خوبی با مدل سنتیکی شبه نوع دوم دارند. جاذب اصلاح شده ظرفیت جذب و سرعت اولیه جذب بالاتری را ارائه کرد. فعالیت ضدمیکروبی جاذب ها توسط روش حداقل غلظت بازدارنده (MIC) مورد مطالعه قرار گرفت. فعالیت ضدمیکروبی  Cu-chitosan/nano-Al2O3  بسیار بالاتر از chitosan/nano-Al2O3  و کیتوسان خالص بود.

 

فهرست مطالب

 

فصل اول

مقدمه و بررسی منابع

 

۱-۱- مقدمه……………………………………. ۳

۱-۲- آرسنیک…………………………………… ۴

۱-۳- روش های حذف آرسنیک از آب…………………… ۶

۱-۳-۱- روش فرآیند غشایی اسمز معکوس……………. ۶

۱-۳-۲- روش انعقاد و لخته سازی-ترسیب…………… ۷

۱-۳-۳- روش جذب سطحی…………………………. ۸

۱-۴- تعریف جذب سطحی……………………………. ۹

۱-۴-۱- مهمترین عوامل موثر بر جذب سطحی…………… ۱۰

۱-۴-۱-۱-  مساحت سطح جذب………………….. ۱۰

۱-۴-۱-۲- ماهیت ماده جذب شونده و جاذب………. ۱۱

۱-۴-۱-۳-  pH…………………………….. 11

1-4-1-4- دما……………………………. ۱۱

۱-۴-۲- اساس پدیده جذب سطحی……………………… ۱۲

۱-۴-۳- مکانیسم فرآیند جذب……………………… ۱۳

۱-۴-۳-۱- جذب سطحی فیزیکی………………………. ۱۴

۱-۴-۳-۲- جذب سطحی شیمیایی…………………….. ۱۵

۱-۴-۴- جاذب های مورد استفاده در جذب سطحی………… ۱۶

۱-۵- متداولترین جاذب های مورد استفاده در حذف آرسنیک. ۱۷

۱-۵-۱- کیتوسان و نانوکامپوزیت های آن…………. ۱۷

۱-۵-۲- آلومینای فعال……………………….. ۱۹

۱-۵-۳- نانوذرات آهن صفر ظرفیتی………………. ۲۰

۱-۶- ایزوترم های جذب سطحی……………………… ۲۰

۱-۶-۱- ایزوترم جذب لانگمویر………………….. ۲۱

۱-۶-۲- ایزوترم فروندلیچ…………………….. ۲۳

۱-۷- سنتیک جذب……………………………….. ۲۴

۱-۷-۱- مدل سنتیکی شبه مرتبه اول……………… ۲۵

۱-۷-۲- مدل سنتیکی شبه مرتبه دوم……………… ۲۵

۱-۷-۳- مدل نفوذ درون ذره­ای………………….. ۲۶

۱-۸- برخی از مواد دارای خاصیت آنتی باکتریال……… ۲۷

۱-۸-۱- کیتوسان…………………………….. ۲۷

۱-۸-۲- یون های مس و کمپلکس کیتوسان- مس……….. ۲۸

۱-۸-۳- نانوذرات نقره……………………….. ۲۹

۱-۹- مروری بر کارهای انجام شده…………………. ۳۰

۱-۱۰- اهداف پروژه حاضر………………………… ۳۴

 

 

فصل دوم

مواد و روش ها

 

۲-۱- مواد شیمیایی مورد استفاده…………………. ۳۹

۲-۲- جاذب های مورد استفاده برای حذف آرسنیک (III)…… 42

2-3- تهیه جاذب ها…………………………….. ۴۲

۲-۳-۱-  روش تهیه کامپوزیت کیتوسان/نانوآلومینا…. ۴۲

۲-۳-۲- روش سنتز نانو جاذب کیتوسان/آلومینا اصلاح شده با مس(II)……………………………………………. 42

2-4- دستگاه های مورد استفاده…………………… ۴۳

۲-۵- بررسی خصوصیات جاذب ها…………………….. ۴۳

۲-۶- روش تهیه محلول استاندارد آرسنیت……………. ۴۴

۲-۷- آزمایشات جذب دسته ای (بچ)…………………. ۴۵

۲-۷-۱- بررسی مقدار بهینه نانوآلومینا در کامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)……………………………… 45

2-7-2- بررسی نسبت بهینه مس به کیتوسان در نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)   …………………………….. ۴۶

۲-۷-۳- بررسی تاثیر غلظت اولیه آرسنیک بر فرآیند جذب سطحی (مطالعات ایزوترم جذب)…………………………. ۴۶

۲-۷-۴- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرآیند جذب سطحی As(III) (مطالعات سنتیک جذب)…………………………………… ۴۷

۲-۸- بازجذب و استفاده مجدد از جاذب ها…………… ۴۷

۲-۹- روش آنالیز………………………………. ۴۸

۲-۱۰- بررسی اثر تداخل یون های رایج……………… ۴۸

۲-۱۱- بررسی خاصیت ضد میکروبی جاذب ها……………. ۴۸

 

 

فصل سوم

نتایج و بحث

 

3-1- بررسی ساختار و ویژگیهای جاذبهای کیتوسان، کیتوسان/نانوآلومینا و مس-کیتوسان/نانوآلومینا……. ۵۳

۳-۱-۱- ویژگی های مورفولوژی جاذب ها……………. ۵۳

۳-۱-۲- مطالعاتEDX   جاذب ها…………………… ۵۶

۳-۱-۳- مطالعاتAFM   جاذب ها…………………… ۵۷

۳-۱-۴- مطالعاتXRD   جاذب ها…………………… ۵۸

۳-۱-۵- مطالعات FTIR  جاذب ها ………………….. ۶۱

۳-۲- ساختار فرضی نانوکامپوزیت کیتوسان/آلومینا……. ۶۶

۳-۳- بررسی پارامترهای موثر بر جذب As(III) به روش ناپیوسته در دمای محیط و pH خنثی……………………………….. ۶۹

۳-۳-۱- بررسی مقدار بهینه نانوذرات آلومینا در Chitosan/nano-Al2O3 جهت حذف As(III)…………………………………… 69

3-3-2-  بررسی نسبت بهینه مس به کیتوسان در نانوجاذب اصلاح شده جهت حذف As(III)……………………………….. 70

3-3-3- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III)بر فرآیند جذب سطحی ۷۱

۳-۳-۴- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرآیند جذب سطحی As(III) 73

3-4- ایزوترم های جذب سطحی……………………… ۷۷

۳-۴-۱- بررسی ایزوترم های جذب As(III) توسط جاذب کیتوسان. ۷۷

۳-۴-۱-۱- بررسی ایزوترم لانگمویر………………… ۷۷

۳-۴-۱-۲- بررسی ایزوترم فروندلیج……………….. ۷۸

۳-۴-۲- بررسی ایزوترم های جذب As(III) توسط نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 81

3-4-2-1- بررسی ایزوترم لانگمویر………………… ۸۱

۳-۴-۲-۲- بررسی ایزوترم فروندلیج……………….. ۸۲

۳-۴-۳- بررسی ایزوترم های جذب As(III) توسط نانوجاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3……………………………………………. 84

3-4-2-1- بررسی ایزوترم لانگمویر………………… ۸۴

۳-۴-۲-۲- بررسی ایزوترم فروندلیج……………….. ۸۵

۳-۵- سنتیک­های جذب سطحی………………………… ۸۷

۳-۵-۱- مدل سنتیکی شبه مرتبه اول………………. ۸۸

۳-۵-۲- مدل سنتیکی شبه مرتبه دوم………………. ۹۱

۳-۵-۳- مدل نفوذ درون ذره­ای…………………… ۹۵

۳-۶- اثر pH  اولیه…………………………….. ۹۸

۶-۷- اثر تداخل یون های رایج…………………… ۱۰۰

۳-۸- قابلیت استفاده مجدد از جاذب………………. ۱۰۱

۳-۹- حذف آرسنیک از آب های طبیعی………………. ۱۰۱

۳-۶- فعالیت ضدمیکروبی………………………… ۱۰۲

۴- نتیجه گیری……………………………….. ۱۰۴

۵- پیشنهادات………………………………… ۱۰۶

۶- منابع……………………………………. ۱۰۷

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

 

شکل ۱-۱-  مراحل جذب در سطوح درونی…………………. ۱۳

شکل ۱-۲- نمودار خطی ایزوترم جذب لانگمویر…………. ۲۲

شکل ۱-۳-  مقایسه نمودارهای ایزوترم جذب فروندلیچ بر اساس مقادیر n 24

شکل ۳-۱- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه جاذب های  (a کیتوسان  (b نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3   و (c  نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 ………………………………… 54

شکل ۳-۲- میکروگراف های SEM  از   (a کیتوسان خالص     (b نانوکامپوزیت  Chitosan/nano-Al2O3                     (c نانوکامپوزیت  Cu-chitosan/nano-Al2O3      پس از جذب………………………………………. ۵۵

شکل۳-۳- آنالیز EDX مربوط به نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 56

شکل ۳-۴- تصاویر AFM  از سطح نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 . 57

شکل ۳-۵- پراش اشعه X  نمونه نانوذرات آلومینا…….. ۵۸

شکل ۳-۶- پراش اشعه X  نمونه کیتوسان…………….. ۵۹

شکل ۳-۷- پراش اشعه ایکس نمونه نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 60

شکل ۳-۸- پراش اشعه ایکس نمونه نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 60

شکل ۳-۹- فازهای کریستالی (a Chitosan/nano-Al2O3  و (b Cu-chitosan/nano-Al2O3  با توجه به الگوهای XRD آنها………………………. ۶۱

شکل۳-۱۰- طیف FT-IR مربوط به کیتوسان………………. ۶۲

شکل۳-۱۱- طیف FT-IR مربوط به نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 63

شکل۳-۱۲- طیف FT-IR  مربوط به نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3. 64

شکل۳-۱۳- طیف FT-IR  مربوط به نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3 پس از جذب…………………………………………. ۶۵

شکل ۳-۱۴- طیف FTIR         (a کیتوسان خالص       (b  Chitosan/nano-Al2O3         (c  و  (d  نانوجاذب   Cu-chitosan/nano-Al2O3   قبل و   پس از جذب ۶۶

شکل ۳-۱۵- ساختار فرضی نانو کامپوزیت کیتوسان/آلومینا. ۶۷

شکل ۳-۱۶- ساختار کمپلکس کیتوسان-مس (a) مدل پل (b) مدل آویز ۶۸

شکل ۳-۱۷- تاثیر غلظت اولیه As(III)  بر ظرفیت جذب سطحی جاذب های مورد استفاده…………………………………. ۷۲

شکل ۳-۱۸- داده های سنتیک برای جذب As(III)  بر روی  جاذب های مورد استفاده……………………………………… ۷۵

شکل ۳-۱۹-  فرم خطی ایزوترم لانگمویر برای جاذب کیتوسان خالص ۷۸

شکل ۳-۲۰-  فرم خطی ایزوترم فروندلیچ برای جاذب کیتوسان خالص ۷۹

شکل ۳-۲۱-  فرم خطی ایزوترم لانگمویر برای نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 81

شکل ۳-۲۲- فرم خطی ایزوترم فروندلیچ برای نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 83

شکل ۳-۲۳-  فرم خطی ایزوترم لانگمویر برای نانوجاذب  Cu-chitosan/nano-Al2O3 85

شکل ۳-۲۴- فرم خطی ایزوترم فروندلیچ برای نانوجاذب  Cu-chitosan/nano-Al2O3 86

شکل ۳-۲۵-  مدل سنتیک شبه نوع اول برای جذب As(III) روی جاذب کیتوسان ۸۸

شکل ۳-۲۶-  مدل سنتیک شبه نوع اول برای جذب As(III)  روی نانو جاذب Chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 89

شکل ۳-۲۷-  مدل سنتیک شبه نوع اول برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 90

شکل ۳-۲۸-  مدل سنتیک شبه مرتبه دوم برای جذب As(III) روی کیتوسان ۹۱

شکل ۳-۲۹- مدل سنتیک شبه مرتبه دوم برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 92

شکل ۳-۳۰- مدل سنتیک شبه مرتبه دوم برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 93

شکل ۳-۳۱- مدل نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی کیتوسان ۹۵

شکل ۳-۳۲- مدل نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3 96

شکل ۳-۳۳- مدل نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3 96

شکل ۳-۳۴- اثر  pH  اولیه روی جذب As(III) توسط کیتوسان خالص،    Chitosan/nano Al2O3   و            Cu-chitosan/nano Al2O3………. 99

شکل۳-۳۵- تعیین pHpzc  برای جاذب های کیتوسان ، Chitosan/nano Al2O3  و        Cu-chitosan/nano Al2O3……………………………….. 99

شکل ۳-۳۶- ظرفیت جذب As(III) در حضور آنیون های تداخل (۵۰۰ mg/l). شرایط آزمایش: غلظت آرسنیک سه ظرفیتی ۵۰ mg/l و مقدار جاذب ۲ g/l 100

شکل ۳-۳۷- بازده جذب  Cu-chitosan/nano-Al2O3  نسبت به چرخه های بازسازی…………………………………………… ۱۰۱

شکل۳-۳۸- نمودار MIC  جاذب ها در برابر گونه های مختلف میکروبی ۱۰۴

 

فهرست جداول

 

جدول۲-۱- مشخصات مهم کیتوسان……………………. ۳۹

جدول ۲-۲- مشخصات مهم نانو ذرات آلومینا………….. ۴۰

جدول ۲-۳- مشخصات مهم سدیم آرسنیت……………….. ۴۱

جدول۳-۱- درصد اتمی و وزنی عناصر مورد استفاده در نانوکامپوزیت Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 57

جدول ۳-۲- بررسی تاثیر نسبت آلومینا به کیتوسان بر خواص جذبی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 69

جدول ۳-۳- بررسی نسبت مس به گلوکز آمین بر روی جذب جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 70

جدول۳-۴- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III)بر فرآیند جذب سطحی جاذب کیتوسان……………………………………… ۷۱

جدول۳-۵- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III) بر فرآیند جذب Chitosan/nano-Al2O3……………………………………………. 71

جدول۳-۶- بررسی تاثیر غلظت اولیه As(III)  بر فرآیند جذب  Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 72

جدول۳-۷- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرآیند جذب As(III)  توسط  کیتوسان……………………………………………. ۷۴

جدول۳-۸- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرآیند جذب As(III)  توسط Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 74

جدول۳-۹- بررسی تاثیر زمان تماس بر فرآیند جذب آرسنیک توسط Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 75

جدول۳-۱۰-  بررسی ایزوترم لانگمویر جاذب کیتوسان خالص.. ۷۷

جدول۳-۱۱- پارامترهای ایزوترم لانگمویر برای جذب As(III) روی کیتوسان خالص………………………………………… ۷۸

جدول۳-۱۲-  بررسی ایزوترم فروندلیچ جاذب کیتوسان خالص. ۸۰

جدول۳-۱۳- پارامترهای ایزوترم فروندلیچ برای جذب As(III) روی کیتوسان خالص………………………………………… ۸۰

جدول۳-۱۴-  بررسی ایزوترم لانگمویر نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3  ۸۱

جدول ۳-۱۵-  پارامترهای ایزوترم لانگمویر  برای جذب As(III)  روی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 82

جدول۳-۱۶-  بررسی ایزوترم فروندلیچ نانو جاذب Chitosan/nano-Al2O3 82

جدول ۳-۱۷- پارامترهای ایزوترم فروندلیچ برای جذب As(III) روی Chitosan/nano-Al2O3…………………………………………. 83

جدول۳-۱۸-  بررسی ایزوترم لانگمویر نانو جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 84

جدول ۳-۱۹-  پارامترهای ایزوترم لانگمویر برای جذب As(III)  روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 85

جدول۳-۲۰-  بررسی ایزوترم فروندیچ نانو جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 86

جدول ۳-۲۱- پارامترهای ایزوترم فروندلیچ برای جذب As(III) روی Cu-chitosan/nano-Al2O3…………………………………. 86

جدول۳-۲۲- بررسی سنتیک شبه مرتبه اول برای جاذب کیتوسان ۸۸

جدول۳-۲۳- بررسی سنتیک شبه مرتبه اول برای جاذب Chitosan/nano-Al2O3  ۸۹

جدول۳-۲۴- بررسی سنتیک شبه مرتبه اول برای جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 90

جدول۳-۲۵- بررسی سنتیک شبه مرتبه دوم برای جاذب کیتوسان ۹۱

جدول۳-۲۶- بررسی سنتیک شبه مرتبه دوم برای جاذب Chitosan/nano-Al2O3  ۹۲

جدول۳-۲۷- بررسی سنتیک شبه مرتبه دوم برای جاذب Cu-chitosan/nano-Al2O3 93

جدول ۳-۲۸- پارامترهای مدل های سنتیکی شبه مرتبه اول و دوم برای جذب As(III) روی کیتوسان……………………………… ۹۴

جدول ۳-۲۹- پارامترهای  مدل های سنتیکی شبه مرتبه اول و دوم برای جذب As(III)  روی نانوکامپوزیت Chitosan/nano-Al2O3 ………… 94

جدول۳-۳۰- پارامترهای مدل های سنتیکی شبه مرتبه اول و دوم برای جذب  As(III)  روی نانوکامپوزیت                       Cu-chitosan/nano-Al2O3 94

جدول ۳-۳۱- پارامترهای مدل­ نفوذ درون ذره­ای برای جذب As(III) روی کیتوسان، Chitosan/nano-Al2O3  و   Cu-chitosan/nano-Al2O3………… 97

جدول ۳-۳۲- پارامترهای فیزیکوشیمیایی نمونه آب طبیعی ( جمع آوری شده از آب زیرزمینی چاه از یک منطقه روستایی مراغه، ایران) مشخص شده با As(III)……………………………………….. 102

جدول ۳-۳۳- MIC جاذب ها در برابر گونه های مختلف میکروبی ۱۰۳