مقاله نقش فلزات در محیط زیست

اختصاصی از یارا فایل مقاله نقش فلزات در محیط زیست دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:158

 فهرست مطالب:
چکیده 4
فصل اول:خواص و کاربرد فلزات نقره،سرب و روی 6
مقدمه 7
کاهش سمیت 8
1-2-اندازهگیری فلزات سنگین 10
1-3-روشهای حذف فلزات سنگین از آبها و فاضلاب 11
1-3-1-روشهای شیمیایی حذف فلزات سنگین 11
1-3-2-روشهای فیزیکی حذف فلزات سنگین 12
1-3-3-روشهای بیولوژیکی حذف فلزات سنگین 12
1-4-نقره 13
1-4-1-معرفی 13
1-4-2-تاریخچه 15
1-4-3-منابع 16
1-4-4-خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر نقره 18
26/1Å : شعاع یونی 19
الکترونگاتیوی:93/1 19
حالت اکسیداسیون: 1 19
3/11Kj/molگرمای فروپاشی : 19
58/250Kj/mol :گرمای تبخیر 19
0000000159/0Ohm. mمقاومت الکتریکی : 19
شکل الکترونی: s14d105 19
1-4-5-ترکیبات نقره 21
1-4-6-کمپلکس‌های نقره 22
1-4-7-کاربردها 23
1-4-8-تاثیرات نقره بر محیط زیست و سلامتی انسان 25
1-4-9-ایزوتوپ 27
نیمه عمر ایزوتوپها به صورت زیر می‌باشد: 27
1-5-سرب 30
1-5-1-معرفی 30
1-5-2-تاریخچـــــــه 31
1-5-3-منابع 32
1-5-4-خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر سرب 34
نام: Lead 34
علامت اختصاری:  Pb 34
شماره: 82 34
گروه شیمیایی: فلز ضعیف 34
گروه: 6 34
تناوب:  IVA 34
بلوک:    بلوک  p 34
جرم‌حجمی:  kg/m3 11340 34
سختی: 5/1 موهس 34
رنگ: سفید متمایل به آبی 34
1-5-5-گونه‌های آلاینده سرب 36
1-5-5-2- Pb4+ 37
1-5-6-ترکیبات آلی سرب 37
می‌شود. 38
1-5-7-کاربردها 38
1-5-11-تأثیرات سرب روی انسان 44
1-5-14-ایزوتوپهــــــــــــا 46
1-6-1-معرفی 48
1-6-2-تاریخچه 48
1-6-3-منابع 50
1-6-4-خصوصیات فیزیکی و شیمیایی روی 51
عدداتمی: 30 51
جرماتمی:  409/65 51
نقطهذوب: °C  73/419 51
نقطهجوش: °C  907 51
شعاعاتمی:  Å 53/1 51
ظرفیت: 2 51
رنگ: سفید مایل به آبی 51
حالت استاندارد: جامد 51
نام گروه: 12 51
انرژی یونیزاسیون:  Kj/mol  394/9 51
شکل الکترونی: 1s22s2p63s23 p63d 104s2 51
شعاعیونی:  Å  74/0 51
الکترونگاتیوی:  65/1 51
حالت اکسیداسیون:2 51
دانسیته: 13/7 51
گرمای فروپاشی:  Kj/mol 322/7 51
گرمای تبخیر:   Kj/mol 3/115 52
مقاومت الکتریکی:  Ohm m 00000005964/0 52
گرمای ویژه:J/g oK   39/0 52
دوره تناوبی: 4 52
شماره سطح انرژی: 4 52
اولین انرژی: 2 52
دومین انرژی: 8 52
سومین انرژی: 18 52
چهارمین انرژی: 2 52
1-6-5-ترکیبات 53
1-6-6-کاربردها 55
1-6-7- اثرات روی بر روی سلامتی انسان و محیط زیست 58
1-6-8-ایزوتوپها 59
 
فصل دوم:مزوپورهاوکاربردهای آنها 61
2-1-نانوتکنولوژی و نانومواد 61
2-2-ترکیبات نانومتخلخل 67
2-4-تاریخچه 74
2-5-ترکیبات نانومتخلخل مزوپوری 79
2-6-ترکیبات مزوپوری SBA-15 80
2-6-1-ساختار حفره  SBA-15 81
2-7-سیستمهای ناهمگن و بسترها 81
2-8-نانودندریمرها 82
2-8-1-ساختمان و نحوه سنتز نانودندریمرها 83
2-8-2-دندریمر پلیآمید و آمین PAMAM 84
2-8-3-سمیت و زیستسازگاری دندریمرها 85
2-9-سنتز و مکانیسم تشکیل مزوپورها 85
2-9-1-مکانیسم کلی 86
2-9-2-استفاده از قالب کوپلیمرهای غیر یونی در تهیه مواد مزوپور 87
2-9-3-تثبیت کمپلکسهای فلزات واسطه درون مزوپورها 94
2-9-4-مکانیزم قالبگیری کریستال مایع(LCT) یا تجمع میلههای سیلیکاتی 96
2-9-5-مکانیسم چروک خوردن لایه سیلیکاتی 97
2-9-6-مکانیسم جفت شدن دانسیته بار 98
2-9-8-مکانیسم بلور مایع سیلیکاتروپیک(SLC) 100
2-9-9-مسیر سنتز و مورفولوژی ذرات SBA-15 102
2-10-کاربردهای مزوپورها 104
2-10-1-نقش کاتالیزوری 104
2-10-2-کشتی در بطری 104
2-10-3-جذب و جداسازی 105
2-11-کلیات جذب‌اتمی 106
2-11-1-اصول 108
2-11-2-تجهیزات و دستگاه‌ها در جذب‌اتمی شعله 109
2-11-3-منبع تابش 111
2-11-4-اتم‌کننده‌ها در جذب‌اتمی 112
2-11-5-مراحل و فرایندهای تشکیل اتم در شعله 114
2-11-6-تکفام سازها یاانتخاب‌گرهای طول‌موج (MMED) 117
2-11-7-آشکارسازها 119
2-11-8-مزاحمتها در AAS 122
 
فصل سوم:بخش تجربی 126
3-1-مقدمه 127
3-2-مواد و دستگاه‌های مورد نیاز 127
3-2-1-تهیه محلولها و استانداردها 127
3-3-بررسی میزان جذب فلزات سنگین مختلف توسط جاذب 128
3-4-استخراج و بازیابی نمونه 129
3-5-بررسی پارامترهای موثر بر استخراج و بازیابی 129
3-6-بررسی اثر مقدار جاذب 130
3-7-بررسی زمان استخراج 132
3-9-بررسی مقدار و نوع محلول بازیابی کننده 136
3-10-تعیین ظرفیت جاذب برای جذب  Pb2+ وZn2+ وAg+ 136
3-11-کاربرد جاذب برای پیش تغلیظ 137
3-12-گستره خطی نمودار کالیبراسیون 137
3-13-فاکتور تغلیظ 138
3-14-حد تشخیص (LOD) 139
3-15-بررسی دقت روش 142
3-16-بررسی مزاحمت‌ها 143
3-17-حذف Pb2+ و Zn2+ و Ag+ در نمونه‌های پساب 144
 
فصل چهارم:بحث و نتیجه‌گیری 146
فهرست منابع 150
 

چکیده
با گسترش صنعت و پیشرفت صنایع، خطر آلودگی فلزات سنگین در طبیعت، روز به روز در حال افزایش است. از آن جهت که امروزه پاکسازی و تصفیه فاضلاب‌ها و آبهای طبیعی از فلزات سنگین سمی و استفاده مجدد از پسابها برای مصارف صنعتی و کشاورزی مورد توجه فراوان قرار گرفته است و به لحاظ آنکه روشهای معمول حذف فلزات سنگین نظیر ته‌نشینی، الکترولیز، جذب سطحی توسط کربن فعال، فرایند تبخیر و بستر سیال ماسه‌ای کارایی لازم را نداشته و هزینه بالایی دارد، استفاده از مواد و روشهای ارزان‌قیمت و پربازده جزء اولویت‌های واحدهای صنعتی بشمار می‌آید. یکی از روشهایی که امروزه بکار می‌‌رود تبادل یونی است. در تبادل یونی، یک ماده جامد طبیعی یا سنتز شده که توانایی ویژه‌ای در تبادل کاتیون‌های خود با فلزات دیگر از جمله عناصر سنگین دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه بدین منظور از زئولیتها که دارای حجم حفره کمتر و بازدهی کمتری می‌باشند، استفاده می‌شود. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که موادی مشابه با نام مزوپور با حجم حفره بزرگتر و راندمان بالاتر می‌تواند جایگزین مناسبی برای زئولیتها باشد.  
مزوپور عامل‌دار شدهSBA-15  یک ماده منظم است که دارای آرایش کانالهای شش‌وجهی دو بعدی با قاعده، سطح ویژه زیاد، سایز حفره یکسان (قطر 7 تا 10 نانومتر) و سطح قابل کنترل می‌باشد. در این تحقیق، توانایی SBA-15 عامل‌دارشده با گروههای دندریمری پلی‌آمید و آمینی G1 به عنوان یک فاز جامد استخراج‌کننده برای حذف یونهای Pb2+ و Zn2+ از آب و پساب بررسی شد. از اسپکتروفتومتری جذب‌اتمی ‌شعله‌ای برای تعین غلظت یونها در محلول زیر صافی و محلول بازیابی استفاده شد. اثر چندین متغیر همچون مقدار جاذب، زمان واکنش، pH  و اثر یونهای مزاحم در استخراج و بازیابی یونهای مذکور بررسی شد. در ادامه بر روی پارامترهای موثر بر نحوه عملکرد جاذب SBA-15 همچون فاکتور تغلیظ، ظرفیت جاذب، حد تشخیص و دقت روش، منحنی کالیبراسیون بررسیهایی صورت گرفت و در پایان نیز تمامی نتایج حاصله از آزمایشات بر روی یک نمونه حقیقی اعمال و نتایج قابل قبولی بدست آمد.  

    

فصل اول

خواص و کاربرد فلزات
نقره،سرب و روی

1-1-    مقدمه
حضور مقادیر هر چند ناچیز فلزات سنگین در آب از قبیل نیکل، مس، سرب، کادمیوم باعث بروز اثرات زیست‌محیطی فراوانی خواهد شد که پیشگیری از آنها امری کاملاً بدیهی می‌نماید. فلزات سنگین که با توجه به توسعه شهرنشینی و صنایع و افزایش میزان فاضلاب و پساب، تولید گردیده است، عمدتاً از طریق دفع نادرست و غیربهداشتی فاضلاب شهری و پساب صنعتی وارد محیط زیست می‌گردد. وجود فلزات سنگین مانند سرب، جیوه، روی، نیکل، کرم، کادمیوم و غیره در غلظت بیش از استاندارد در آب شرب باعث عوارض مختلف نظیر مسمومیت، حساسیت شدید، ضایعات کروموزومی، عقب افتادگی ذهنی، فراموشی، پارکینسن، سنگ‌کلیه، نرمی استخوان و انواع سرطان از جمله سرطان پروستات می‌گردد. یکی از کارشناسان محیط زیست، آلودگی محیط خصوصاً آب با فلزات سنگین را به عنوان بزرگترین گناهی که بشر در طبیعت انجام می‌دهد ارزیابی نموده است(12).
در کتب و مراجع گوناگون، تعاریف و تفسیرهای مختلفی از فلزات سنگین بعمل آمده است. علت اطلاق لفظ سنگین، وزن‌مخصوص بالاتر از 6 گرم بر سانتی‌مترمکعب می‌باشد که این فلزات دارا هستند. این فلزات دارای نقاط ذوب و جوش بسیار متفاوت می‌باشند بطوریکه در این گروه جیوه (Hg) پایین‌ترین نقطه‌جوش یعنی 78/38- درجه سانتی‌گراد و مولیبدن (Mo) بالاترین نقطه‌جوش معادل 4612 درجه سانتیگراد را دارا می‌باشد. اکسید فلزات سنگین، در جدول تناوبی، هر چه به طرف گازهای نادر پیش برویم، در طبیعت پایدارتر است. حضور برخی از این عناصر از نظر تغذیه حائز اهمیت می‌باشد در حالیکه در شرایط مشابه حضور برخی از آنها در بافت زنده مضر است. نیاز پستانداران به روی و مس به مراتب بیشتر از ید و سلنیوم می‌باشد. فلزات سنگین نظیر آهن، روی و مس برای تعداد زیادی از آنزیمهای فلزی در حکم یک کانون فعال هستند. با وجود اینکه این فلزات در غلظت‌های پایین در بدن یافت می‌شوند ولی اثر فوق‌العاده‌ای در بدن دارند. فلزات سنگین نظیر نقره(Ag)، کادمیوم(Cd)، قلع(Sn)، جیوه(Hg)، سرب(Pb) و همچنین فلزاتی که خاصیت الکترونگاتیویته زیادی دارند مانند مس، نیکل و کبالت میل ترکیبی شدیدی با گروه‌های آمین و سولفیدریل(SH) دارند. آنزیمها به وسیله این فلزات متلاشی شده و قدرت آنزیمی خود را از دست می‌دهند. بعلاوه فلزات در عمل سوخت‌و‌ساز بدن وارد شده و عمل متابولیزم را مختل می‌نمایند. درجه سمی بودن فلزات سنگین را، از روی الکترونگاتیویته آنها می‌توان طبقه‌بندی نمود که این ترتیب با پایداری کمپلکس‌های مشتق شده از این فلزات هماهنگی می‌کند. طبقه‌بندی این فلزات بر حسب سمی بودن از چپ به راست به صورت زیر می باشد:

Hg-Cu- Sn- Pb- Ni- Co- Cd- Fe- Zn- Mn- Mg- Ca- Sr

کاهش سمیت

بطور کلی در جدول تناوبی به آن تعداد از عناصر که وزن‌اتمی بالائی داشته و در درجه حرارت اتاق خاصیت فلزی دارند فلز سنگین اطلاق می‌شود.از آنجائی که تعاریف مختلفی برای این عناصر ذکر شده و در این طبقه عناصر مختلفی قرار داده شده‌اند باید تنها از اصطلاح فلزات و یا شبه‌فلزات استفاده نمود. بر اساس این تعاریف فلزات مس تا بیسموت در جدول تناوبی که دانستیته بیشتر از 4 دارند به عنوان فلزات سنگین تعریف شده‌اند. بعبارت دیگر در جدول تناوبی به فلزات گروه 3 تا 16 در تناوب چهارم و چهارم به بعد فلزات سنگین می‌گویند.
بر اساس تعریف دیگر فلزات سنگین اصولاً‌ً به دو دسته از عناصر فلزی اطلاق می‌شوند که دارای وزن مخصوص بزرگتر از 6 گرم بر سانتی‌مترمکعب و وزن‌اتمی بیشتر از 50 گرم باشند. وجود بعضی از آنها در مقادیر جزئی در جیره غذایی انسان و سایر موجودات لازم است بهمین دلیل به آنها عناصر ضروری گفته می‌شود. مقدار این عناصر در غلظتهای بیش از حد مجاز عوارض گوناگونی هم برای انسان و هم برای سایر موجودات ایجاد کرده، ضمن آنکه آلودگی و خطرات زیست‌محیطی را بهمراه دارد(5). برخی از این عناصر نه تنها برای حیات بیولوژیکی ضروری نیستند بلکه خاصیت سمی هم دارند. ارگانیسمهای زنده به مقادیر بسیار کمی از فلزات سنگین برای ادامه رشد و بقاء نیاز دارند که به اصطلاح به آنها قلزات نادر  می‌گویند مثل آهن، کبالات، مس، منیزیم، مولیبدن، وانادیم، استرنیم و روی و اگر از آن حداقل مورد نیاز و ضروری، افزایش یابند باعث اخلال در رشد می‌گردند. سایر فلزات سنگین مانند جیوه، سرب و کادمیم عناصر حیاتی نبوده و اثرات سودمندی بر حیات ارگانیسمهای زنده ندارند.
در مبحث حفاظت محیط زیست، بهداشت و سلامت انسانها فلزاتی مانند سرب، جیوه، مس، کادمیوم، نیکل، کروم و غیره جزء گروه فلزات سنگین بوده که این عناصر و بسیاری از ترکیبات آنها به لحاظ اثرات سوء و زیانبارشان بر سلامت انسان و محیط‌زیست از سموم پرخطر پیرامون ما محسوب می‌گردند. این سموم در هوای تنفسی، آب آشامیدنی، مصالح ساختمانی، لوازم آشپزخانه و حتی البسه موجود می‌باشند. یکی از اساسی‌ترین مسائل در ارتباط با فلزات سنگین عدم متابولیزه شدن آنها در بدن می‌باشد. در واقع فلزات سنگین پس از ورود به بدن دیگر از بدن دفع نشده بلکه در بافتهائی مثل چربی، عضلات، استخوانها و مفاصل رسوب کرده و انباشته می‌گردند که همین امر موجب بروز بیماریها و عوارض متعددی در بدن می‌شود. فلزات سنگین همچنین جایگزین دیگر املاح و موادمعدنی مورد نیاز در بدن می‌گردند(1و5).
این عناصر در واکنشهای بیولوژیک و سلولهای موجودات زنده وارد شده و ایجاد مزاحمت می‌کنند و یا ممکن است باعث ممانعت برخی واکنشهای بیوشیمیایی سلولها و همچنین باعث کاهش راندمان تصفیه و در موارد حاد باعث توقف فعالیتهای بیولوژیکی سیستمهای تصفیه‌ای شوند(10).    
منابع آلاینده محیط زیست در ارتباط با فلزات سنگین عبارتند از: صنایع فلزی، ریخته‌گری، آبکاری، رنگ‌سازی، باطری‌سازی، دباغی، نساجی، کاغذ‌سازی و سایر صنایع مشابه که با دفع عناصری چون سرب، نقره، جیوه، نیکل، کرم، مس، کادمیوم و غیره در محیط زیست باعث آلودگی می‌شوند. فلزات سنگین از اجزاء بیوسفر(کره زیستی) هستند و به طور طبیعی در خاک و گیاهان نیز یافت می‌شوند(13).
1-2-اندازه‌گیری فلزات سنگین
با توجه به اینکه فلزات سنگین از جمله آلاینده‌های زیست‌محیطی هستند که مواجهه انسان با آنان از طریق آب و مواد غذایی مسمومیت‌های مزمن و بعضاً حاد و خطرناکی را ایجاد می‌کند، لذا شناسایی و اندازه‌گیری مقادیر آنها در آب و موادغذایی حائز اهمیت بالایی می‌باشد. روشهای متعددی برای شناسایی و تعیین مقدار فلزات سنگین وجود دارد که در این رابطه می‌توان به جذب‌اتمی، نشراتمی، کروماتوگرافی، ولتامتری، پولاروگرافی و روشهای الکترواسپکتروسکپی، الکتروشیمی و موارد دیگر اشاره نمود.
1-3-روشهای حذف فلزات سنگین از آبها و فاضلاب
بطور کلی روشهای حذف فلزات سنگین عبارتند از:
•    روشهای شیمیایی حذف فلزات سنگین
•    روشهای فیزیکی حذف فلزات سنگین
•    روشهای بیولوژیکی حذف فلزات سنگین
1-3-1-روشهای شیمیایی حذف فلزات سنگین
از روشهای حذف فلزات سنگین می‌توان رسوب‌دهی شیمیایی، اکسیداسیون و احیاء و تبادل یونی را نام برد. اکثر فلزات سنگین در شرایط اسیدی محلول می‌باشند و تحت شرایط معینی از pH قلیایی به صورت رسوب درمی‌آیند و می‌توان آنها را با ته‌نشینی یا صاف‌ کردن از پساب جدا نمود. pH بهینه برای تشکیل رسوب به عوامل متعددی از قبیل نوع فلز، نوع رسوب تشکیل شده و حضور مواد کمپلکس‌ دهنده بستگی دارد. علاوه بر این، حلالیت هیدروکسیدهای مختلف متفاوت است. ترکیب شیمیایی فلزات سنگین رسوب‌دهنده معمولاً به صورت هیدروکسید می‌باشد که از طریق افزودن آهک یا سود به آنها و با تنظیم pH آنها در حدی که حداقل حلالیت را دارند، صورت می‌گیرد. همچنین فلزات سنگین ممکن است از فاضلابهای صنعتی به صورت سولفید و در برخی موارد به صورت کربنات مانند کربنات‌سدیم یافت شوند(13). برخی فلزات برای رسوبدهی نیاز به اکسیداسیون و احیا داشته تا شرایط لازم را برای رسوبدهی بدست آورند. مثل ضرورت احیاء کرم سه‌ظرفیتی به کرم شش‌ظرفیتی قبل از رسوبدهی. برای تشکیل سولفیدهای فلزی می‌توان از سولفیدسدیم   یا گاز سولفیدهیدروژن  استفاده کرد. در عمل ملاحظات اقتصادی و فنی تعیین‌کننده نوع ماده مناسب رسوب‌دهنده می‌باشند.
1-3-2-روشهای فیزیکی حذف فلزات سنگین
روشهای فیزیکی شامل جذب‌سطحی، اسمز معکوس، تبخیر و موارد دیگر می‌باشد. جذب‌سطحی با کربن فعال بیشتر در جهت جذب مواد آلی از فاضلاب بکار رفته‌است، اما حذف فلزات سنگین توسط این ماده در حال پیشرفت است. جهت بکار گرفتن این روش، لازم است که فرایندهای ته‌نشینی و فیلتراسیون، بمنظور حذف فلزات قابل ته‌نشینی، انجام پذیرد.
1-3-3-روشهای بیولوژیکی حذف فلزات سنگین
گونه‌هایی از میکروارگانیسم‌ها دارای خاصیت جذب برخی از فلزات سنگین می‌باشند. از این خاصیت جهت کنترل و بازیافت فلزات سنگین بخصوص در غلظتهای پایین استفاده می‌شود. بدین صورت میکروارگانیسم‌ها با توجه به فاکتورهای تغلیظ می‌توانند غلظت فلزات را در بدن خود به هزاران برابر مقدار موجود در محیط برسانند. ظرفیت طبیعی میکروارگانیسم‌ها در مورد تجمع یونهای فلزی و ذرات از محیط مایع اصطلاحاً جذب بیولوژیکی خوانده می‌شود. برای جذب فلزات توسط میکروارگانیسم‌های زنده یا مرده مکانیسم‌های متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد که عبارتند از:
•    خوردن ذرات یا به دام انداختن آنها با کمک خلاء ژله یا تاژکهای خارج سلولی
•    جابجایی فعال و تبادل یونی
•    ایجاد کمپلکس
•    جذب سطحی
•    ته‌نشین کردن مواد معدنی
همچنین بواسطه فعالیت بیولوژیکی گروهی از باکتری‌ها بنام باکتری‌های احیاکننده سولفات در فاضلابهای دارای فلزات سنگین که حاوی سولفات و سایر مواد معدنی سولفوره بوده و یا به صورت دستی به آن اضافه می‌گردند، سولفات و یا سایر ترکیبات سولفوره در اثر فعالیت بیولوژیکی تبدیل به سولفید شده و به صورت شیمیایی با فلزات سنگین ترکیب شده رسوب نامحلول سولفیدفلزی تشکیل داده و از محیط حذف می‌شوند.