آزمایش شماره ۱۱ : جذب سطحی رنگ کنگورد از محلول آبی با استفاده از نانو ذرات اکسید منیزیم

۱. هدف : بررسی جذب سطحی MgO در شرایط مختلف و ردیابی غلظت آلاینده ها با استفاده از طیف سنج جذبی UV-Vis

۲. تئوری آزمایش :

• آلودگی آب

آلودگی آب یک مشکل جهانی است. عمده رنگ در فاضلاب، رنگ‌های باقی مانده تولید شده از منسوجات، کارخانه‌های کاغذی و صنایع رنگرزی در مقیاس وسیع هستند. محلول رنگ باقی مانده حاوی آلاینده‌های آلی سمی غیرقابل تخریب است که فعالیت‌های فتوسنتزی را در سیستم آبزیان متوقف میکند و مانع از رشد جامعه زیستی میشود. از این رو آمیختن آن در جریان آبزی اثرات مضر مانند، سوزش چشم در انسان و همچنین حیوانات، دستگاه گوارش را به همراه استفراغ، اسهال و تهوع تحریک می‌کند. آلاینده‌های آب از نظر ماهیت به سه گروه مواد آلی، مواد معدنی و عوامل فیزیکی تقسیم می‌شوند. عمده آلاینده‌های آلی آب، مواد شوینده، پساب صنایع غذایی، حشره کش‌ها و علف کش‌ها، مواد نفتی، شاخ و برگ گیاهان و درختان و مواد آلی فرار را شامل می‌شود. آلاینده‌های معدنی اصلی آب شامل اسیدیته ناشی از پساب صنایع، آمونیاک، کودهای شیمیایی، فلزات سنگین و نمک می باشند. آلاینده‌های معدنی موجب کدورت آب شده و در برخی موارد نیز به صورت ذرات معلق در آب قابل مشاهده هستند. تغییرات ناگهانی اسیدیته و دمای منابع آب تحت تاثیر فعالیت‌های انسانی نیز به عنوان آلودگی منابع آب از نوع فیزیکی در نظر گرفته می‌شود. برخی از آلاینده‌ها مانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و انگل‌ها منشاء بیولوژیکی دارند. پساب عبارت است از هر آبی که برای مصرف خاص تهیه شده باشد و به هر دلیلی کیفیت خود را برای آن مصرف از دست بدهد. پساب‌ها یکی از عوامل آلودگی محیط زیست هستند که می بایست آنها را به طریق بهداشتی جمع آوری، تصفیه و به چرخه طبیعت برگرداند. فعالیت‌های صنعتی نیز که یک دسته از انواع پساب ها محسوب می گردند، باعث آلودگی آب می شوند، زیرا بعضی از محصولات اصلی و فرعی صنعتی به طور عمدی یا غیرعمدی وارد آب می گردند. آلاینده‌های صنعتی موجود در پساب، ممکن است ترکیبات آلی کلر دار شده، رنگ‌ها، روغن‌ها، فنول‌ها، نیتروژن، فسفر، جیوه، سرب و کادمیوم باشند. پساب‌ها مقدار زیادی مواد خارجی دارند که به محیط وارد می‌کنند و به طور کلی می‌توان گفت پساب‌ها حاوی 6 نوع ماده آلاینده اصلی از جمله مواد معلق، مواد آلی، مواد معدنی، نمک‌های محلول، فلزات سنگین، باکتری‌ها و ویروس‌ها می‌باشند.

• جذب سطحی

تصفیه پساب‌های رنگی به دلیل آلودگی زیاد از دغدغه‌های مهم کارشناسان بهداشت محیط است. از میان روش‌های مختلفی که برای حذف رنگ‌ها ارائه شده، جذب سطحی به دلیل مزایای منحصر به فرد توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است. مهم‌ترین نکته در فرآیند جذب سطحی انتخاب یک جاذب مناسب که در کوتاه‌ترین زمان ممکن بیشترین حجم آلاینده را حذف کند. جذب سطحی یک فرآیند جداسازی است که در آن برخی از اجزاء فاز سیال به سطح یک جاذب سطحی جامد منتقل می‌شوند. معمولا ذرات ریز جاذب در بستر ثابتی نگه داشته می‌شوند و سیال به صورت پیوسته از میان بستر عبور داده می‌شود تا جامد تقریبا سیر شود و دیگر نتوان به جداسازی مورد نظر دست یافت. جذب سطحی را می توان تمایل مولکول‌های فاز سیال برای چسبیدن به سطح جامد تعریف کرد. در جذب سطحی از جامد متخلخل استفاده می‌شود که این منافذ سطح بسیار زیادی را ایجاد می‌کنند. یعنی فقط سطح خارجی نداریم و تخلخل نیز داریم و هر چقدر سطح جاذب افزایش یابد، مقدار ظرفیت جذب نیز افزایش می‌یابد. برای سیستم جذب سطحی از ذرات با تخلخل زیاد استفاده می شود. عامل اساسی در سیستم جذب، جاذب است. جاذب پدید آورنده فناوری جذب سطحی است. در فرآیند جذب سطحی، جاذب را Adsorbent ، ماده جذب شده را Adsorbate و مواد معلق را Adsorptive  می‌نامند. در شکل زیر شمایی از یک جاذب و فرآیند جذب سطحی به نمایش در آمده است.

شکل ۱. شمایی از یک جاذب و فرآیند جذب سطحی

۳. روش کار آزمایش

۱-۳- تجهیزات مورد نیاز

تجهیزات و مواد مورد نیاز برای انجام این آزمایش عبارتند از :    

• دستگاه سانتریفیوژ و لوله سانتریفیوژ (در صورت در دسترس بودن)
• دستگاه طیف سنج نور مرئی- فرابنفش UV-Vis
• همزن شیشه ای
• مگنت
• بشر
• بالن ژوژه
• استوانه مدرج (مزور)
• شیشه پنی سیلین
• پیپت و پوآر
• سرنگ
• پودر آلاینده رنگی کنگورد
• نانو ذرات MgO بعنوان جاذب
• آب مقطر

۲-۳- روش انجام آزمایش :

۱-۲-۳- محلولسازی (ساخت نمونه آب آلوده)

برای این منظور با روش محلولسازی به روش استاندارد عمل می کنیم. ابتدا 1 میلی گرم از پودر آلاینده رنگی (رنک کنگورد ) را در یک بشر ریخته و با استواده از استوانه مدرج مقدار 20 سی سی آب به آن اضافه نمایید. سپس با استفاده از همزن شیشه‌ای  پودر را داخل بشر کاملا حل کنید. دقت نمایید که پودر جامد رنگی در این مرحله می‌بایست بطور کامل حل شود. همزن شیشه‌ای را از بشر خارج نمایید. محتویات  بشر را به بالن ژوژه با حجم 100 سی سی ریخته و با استفاده از پی ست آب مقطر تا تا خط نشان به آن آب اضافه نمایید. درب بالن را ببندید و چند بار ظرف را تکان دهید تا محلول آب آلوده با غلظت ppm10 آماده شود. سپس به مقدار 3 میلی لیتر از این محلول را برداشته و به داخل شیشه پنی سیلین انتقال دهید و به عنوان نمونه اولیه نام گذاری کنید.

• نکته: توجه شود که برای درست بودن غلظت محلولی که می‌سازید نباید به هیچ وجه ماده رنگی هدر رود. بنابراین با کمی آب مقطر میله شیشه‌ای را درون بشر بشویید تا درصورتیکه رنگ به آن چسبیده است به درون بشر انتقال یابد.

۲-۲-۳- آزمون جذب سطحی

به یک بشر 50 میلی لیتر از نمونه آب آلوده ساخته شده اضافه نمایید و مقدار 200 میلی گرم از جاذب (پودر MgO) را به داخل بشر اضافه کنید. در مخلوط یک مگنت قرار داده و سرعت چرخش همزن مغناطیسی را روی  rpm400 تنظیم کنید (در صورت نداشتن دستگاه همزن می توانید مخلوط را به آرامی با همزن شیشه ای هم بزنید.).

 در فاصله زمانی 1 دقیقه‌ای نمونه برداری از مخلوط انجام شود ؛ بدین صورت که هر بار به وسیله پیپت  و یا سرنگ مقدار 5 میلی لیتر از محلول را برداشته و به داخل لوله سانتریفیوژ بریزید تا به دستگاه سانتریفیوژ منتقل شود. با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ دو فاز مایع و جامد از یکدیگر جدا شوند. درصورتیکه به دستگاه سانتریفیوژ دسترسی ندارید نمونه را در گوشه‌ای ساکن قرار دهید تا فاز جامد ته نشین گردد.

در ادامه، با استفاده از یک سرنگ به مقدار 3 میلی‌لیتر از مایع بالای نمونه برداشته و به داخل شیشه پنی سیلین بریزید و نمونه‌ها  را بر اساس زمان نمونه برداری شماره گذاری ( 5، 4، 3، 2، 1) کنید.  

بعد از اتمام مدت زمان آزمایش، همه ی 5 نمونه ای که برداشته‌اید را جهت اندازه گیری غلظت آن‌ها به ترتیب در دستگاه طیف سنج  UV‌–Vis قرار دهید.

شکل۲. ساختار مولکول کنگورد و طیف جذبی UV-vis آن.

در انتها با استفاده از رابطه زیر می‌توانید تغییرات غلظت رنگ و در نتیجه درصد جذب سطحی در جاذب مورد نظر را در هر زمان بدست آورید :

 درصد جذب سطحی (درصد حذف رنگ)=     ×100

C₀                                   : غلظت اولیه آلاینده          C_t  : غلظت در زمان نمونه برداری

• نکته: به دلیل رابطه مستقیم بین شدت جذب (A) و غلظت (C)، می توان عدد قله جذبی (شدت جذب) را که در نمودار حاصل از دستگاه طیف سنج به دست می‌آیدرا می‌توانید به جای غلظت در فرمول بالا قرار دهید.

۴. پرسش

• در مورد روش کار با دستگاه طیف سنج نور مرئی-فرابنفش تحقیق نمایید.
• در مورد بررسی و تحلیل اطلاعات حاصل دستگاه طیف سنج نور مرئی-فرابنفش تحقیق نمایید.
• چند مورد از عوامل موثر بر جذب سطحی را نام ببرید.
• علت اینکه ذکر شده فاز جامد قبل از قرار دادن نمونه در دستگاه طیف سنج کامل از فاز مایع جدا شود چیست؟