سنتز نانوکامپوزیت کلینوپتیلولیت-پلی‌آکریلونیتریل به منظور حذف زیرکونیم از محلول‌های آبی: بررسی و ارزیابی عوامل تاثیرگذار بر فرایند جذب، پارامترهای سینتیکی، ترمودینامیکی و ایزوترم‌های جذبی

در این پژوهش کامپوزیت هایی با استفاده از پلی اکریلونیتریل و زئولیت نانوکلینوپتیلولیت تهیه شد. کامپوزیت های سنتز شده با استفاده از تکنیک هایsem ،dtg ،ftir ،xrf ،xrd  مورد شناسایی قرار گرفتند و در نهایت جذب یون زیرکونیم از محلول های آبی مورد ارزیابی قرار گرفت. در این نانوجاذب نانو زئولیت کلینوپتیلولیت به عنوان جزء فعال برای جذب یون زیرکونیم عمل می کند و پلی اکریلونیتریل نقش متصل کننده را دارد. به علاوه با تغییر اندازه ذرات زئولیت از میکرومتر به مقیاس نانو، علاوه بر افزایش ظرفیت، سینتیک فرایند جذب نیز به شدت افزایش یافت. سرعت جذب توسط نانوکامپوزیت بسیار سریع بوده و بیش از %75 از بیشینه ظرفیت جذب برای زیرکونیم در 5 ساعت اول به دست آمد. تصویر sem نشان داد که ذرات زئولیت توسط پلیمر pan به یک دیگر متصل شده اند. ساختار متخلخل نانوکامپوزیت اجازه نفوذ یون های موجود در محلول به درون دانه های نانوکامپوزیت و رسیدن به جایگاه تعویض یون را فراهم کرد. اثر پارامترهای ph، دما، زمان و غلظت بر میزان جذب بررسی گردید. زمان تماس و ph بهینه به ترتیب 24 ساعت و 2 بود. بیشینه ظرفیت جذب نانو کامپوزیت 1^-mg.g 18.65 به دست آمد. جاذب در شرایط بهینه توانایی حذف %80 از یون زیرکونیم از یک محلول 1meq.ml^- 0.01 را دارد. هم چنین پارامترهای سینتیکی و ترمودینامیکی استخراج شد. داده های تجربی با مدل سینتیکی شبه درجه دوم با ضرایب همبستگی بسیار خوبی برازش شدند. به علاوه مقادیر تئوری به دست آمده از معادله با مقادیر تجربی توافق خوبی نشان داد. لذا می توان معادله سینتیکی شبه درجه دوم را مدل مناسبی به منظور تفسیر داده های تجربی دانست. توافق داده های تجربی با مدل سینتکی شبه درجه دوم نشان داد مرحله تعیین کننده سرعت، مرحله تعویض یون است. به علاوه ثابت سرعت جذب توسط نانوکامپوزیت نسبت به کامپوزیت کلینوپتیلولیتپلی اکریلونیتریل ماکرومتری مقادیر بیش تری را نشان داد. به عبارتی جذب یون زیرکونیم بر روی نانوکامپوزیت با سرعت قابل ملاحظه ای نسبت به کامپوزیت ساخته شده با زئولیت با ابعاد ماکرو انجام شد.δh°  مثبت و  δg°منفی نشان داد که فرایند جذب زیرکونیم گرماگیر و خودبه خودی است. داده های تعادلی با استفاده از مدل های لانگمویر، فروندلیچ و دوبینین رادشکویچ ارزیابی شد. براساس مدل ایزوترمی دوبینینرادشکویچ، جذب یون زیرکونیم از طریق فرایند تعویض یون انجام می شود. مقادیر به دست آمده برای rl در محدوده ی 0 تا 1 بود که نشان دهنده ی ماهیت مطلوب فرایند جذب زیرکونیم می باشد. مقایسه مقادیر q0به دست آمده برای جاذب ها نشانداد که نانوکامپوزیت دارای بیش ترین ظرفیت جذبی برای یون زیرکونیم می باشد. این مقدار بالای q0 را می توان با توجه به ابعاد نانومتری کامپوزیت توجیه کرد.

Synthesis of ClinoptilolitePolyacrylonitrile Nano Composite for removal of zirconium from aqueous solution: Investigation and evaluation of effective parameters on sorption process, kinetic, thermodynamic and adsorption isotherms parameters

In the present research, composite adsorbents consisting of nano clinoptilolite and polyacrylonitrile (PAN) were prepared. The synthesized composites were characterized by XRD, XRF, FTIR, DTG and SEM analysis techniques, and finally the adsorption behavior of the composites toward zirconium was investigated. In this nano adsorbent, nanozeolite clinoptilolite acts as an active component for the absorption of zirconium ions, and polyacrylonitrile plays a bining role. In addition, by changing the size of zeolite particles from micrometer to nanoscale, the adsorption capacity and the kinetic of the adsorption process was increased significantly. The absorption rate by nanocomposites was very rapid and more than 75% of the maximum absorption capacity for zirconium was obtained in the first 5 hours. The SEM image showed that zeolite particles are bonded to each other by a PAN polymer. The porous structure of the nanocomposite allowed permeation of the ions from solution into nanocomposite beads and reaching the ion exchange sites. The effect of pH, initial ion concentration, contact time, and temperature were examined. The optimum contact time and pH were 24 h and 2, respectively. The maximum adsorption capacity of the composite was 18.65 mg.g1 and the composite was able to remove 80% of Zr+4 from 0.01 meq.mL1 aqueous solutions. The kinetic and thermodynamic parameters were extracted. The experimental data were well fitted with a pseudsecond order kinetic model with good correlation coefficients. In addition, the theoretical values obtained from the equation showed a good agreement with experimental values. Therefore, the pseudosecond order kinetic equation can be considered as a suitable model for interpreting experimental data. The agreement of the experimental data with the Pseudosecond order kinetic model showed that overall rate constant controlled by chemical sorption. In addition, the constant rate of absorption by nanocomposites was higher than that of a clinoptilolitepolyacrylonitrilemacrometric composite. In other words, the absorption of zirconium ion on nanocomposite was significantly higher than that of a zeolite composite with macro dimensions. Positive ΔH° and negative ΔG° were indicative of the endothermic and spontaneous nature of process. The equilibrium data were analyzed by the Langmuir, Freundlich, and Dubinin–Radushkviech isotherm models. DR isotherm model indicated that ions were uptake through an ion exchange process. The obtained RL values range between 0 to 1, indicating Zr adsorption was favorable. Comparison of Q0 values for adsorbents showed that the nanocomposite has the highest absorption capacity for zirconium ion. This high Q0 value can be explained by the nanoscale size of the composite.