حذف رنگینه متیلن بلو از آب، دستاورد برتر دوره اول فرزانگان 6
آب یكی از اساسی ترین عناصر محیط زیست است. برخورداری از آب سالم برای نیازهای انسانی از عوامل اساسی و به منزله عامل تمدن شناخته شده است.
سیزدهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید.
در این دوره از جشنواره از 20 استان کشور در سه بخش به تفکیک، 350 گروه در بخش غرفه های نمایشگاهی، 650 گروه در بخش سمینارهای علمی و 750 گروه در بخش مسابقات دانش آموزی از مدارس و پژوهش سراهای دانش آموزی سراسر کشور انتخاب شده اند و به جشنواره کشوری دعوت شده اند.
که تعداد 53 گروه در بخش سمینارهای علمی مقام برتر را کسب نمودند.
بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های برتر علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.
مقطع: دوره اول متوسطه
موضوع: حذف رنگینه متیلن بلو از آب با استفاده از هیدروژل کیتوسان حاوی نانو ذرات فریت روی
نام مدرسه: فرزانگان 6
نام استاد: خانم مریم مزینانی
دانش آموزان: آیسان نعمتی، بهار نجفی
مقدمه:
آب یكی از اساسی ترین عناصر محیط زیست است. برخورداری از آب سالم برای نیازهای انسانی از عوامل اساسی و به منزله عامل تمدن شناخته شده است. تامین آب سالم یكی از بزرگ ترین چالش های قرن حاضر بشریت است كه می تواند سرمنشأ بسیاری از تحولات مثبت و منفی جهان قرار گیرد.
منابع آلوده کننده آب
صنایع نساجی یکی از بزرگ ترین منابع مصرف کننده آب، تولید کننده فاضلاب های رنگی با کمیت و کیفیت شیمیایی متفاوت و محتوی مقادیر قابل توجهی رنگ هستند.این صنایع، به طور معمول به ازای هر تن محصول تولیدی بین 25-250 متر مکعب آب مصرف می نماید. رنگ های نساجی بزرگ ترین دسته از رنگ های مصنوعی محلول در آب بوده که دارای بیشترین تنوع از نظر نوع و ساختار رنگ اند.
برخی از این رنگ ها و محصولات ناشی از تجزیه آن ها مانند آمینهای آروماتیک به شدت سرطان زا هستند.عملکرد نامطلوب واحدهای رنگرزی و عدم تثبیت رنگ بر روی الیاف، شرایط ورود حدود 15% رنگ ها را به فاضلاب فراهم می نماید. تخلیه فاضلاب های رنگی حاصل از صنایع نساجی به آب های پذیرنده، منجر به کاهش نفوذ نور خورشید و نامطلوب شدن وضعیت دید، بروز پدیده اتروفیکاسیون و تداخل در اکولوژی آب های پذیرنه می شود و با کاهش شدت فتوسنتز گیاهان آبزی و جلبک ها در محیط های آبی، باعث آسیب رساندن به محیط زیست می شود.
روش های تصفیه آب :
امروزه تکنولوژیهای متنوعی برای حذف مواد آلی به ویژه رنگ ها از فاظلاب ها توسعه یافته اند. از جمله این روش های تصفیه ای، تصفیه فیزیکی نظیر جذب، روش های بیولوژیکی نظیر تجزیه بیولوژیک، روش های اکسیداسیون شیمیایی مانند ازن زنی در حد گسترده ای استفاده می شوند. این رنگها معمولا سمی و به تجزیه ی بیولوژیکی هوازی مقاوم بوده و با فرایندهای تصفیه بیولوژیکی متداول قابل حذف نمی باشند. دلیل احتمالی غیر قابل تجزیه بودن این رنگ ها در سیستم های متداول، فقدان آنزیم های ضروری برای تجزیه ی این رنگ ها در سیستم های بیولوژیک است. مطالعات نشان داده است که فاضلاب های نساجی دارای نسبت BOD به COD پایین (0/1) هستند که ناشی از ماهیت غیر قابل تجزیه بیولوژیک بودن رنگ ها و عدم قابلیت کاربرد روش های بیولوژیک برای حذف آن هاست. روش های مانند فتوکاتالیستی، اکسیداسیون الکتروشیمی، لجن فعال، اسمز معکوس، جذب روی کربن فعال مورد تحقیق قرار گرفته اند. این روش ها منجر به تغلیظ آلاینده در یک فاز آلوده می گردد. امروزه چگونگی کاربرد نور خورشید برای تجزیه فتوکاتالیستی رنگ ها به دلیل ارزانی و قابل دسترس بودن آن، جایگاه خاصی در برنامه های تحقیقاتی یافته است. کاربرد روش های فتوکاتالیستی تحت شرایط مختلف برای حذف رنگ در مطالعات متعددی بررسی شده است.
ساختمان بلوری فریت ها:
ساختمان بلوری نانوذرات فریت ها به دو نوع هگزاگونالی و مکعبی طبقه بندی با توجه به اندازه و بار یون های فلزی و مقادیر نسبی این یون ها انجام می شود، از این نظر فریت ها به چند دسته تقسیم می شوند: اسپینل ها، مگنتوپلمبیت ها، گارنت ها فرمول عمومی اسپینل های عمومی به صورت MOFe2O3 و یا MFe2O4 است. که Mدر آن یک یون فلزی دو ظرفیتی است. ساختار بلوری اسپینل ها مکعبی است. اسپینل های حاوی یون هایMn2+ ، Ni2+، Co2+، Fe2+ دارای الکترون جفت نشده بوده و در نتیجه قسمتی از ممان مغناطیسی یک اسپینل را تامین می کند.
فریت اسپینل:
بین نانومواد، نانوذرات فریت ها دسته ی مهمی از مواد وجود دارند. فریت ها به مواد مغناطیسی فوق العاده مفید برای طیف گستردهای از برنامه های کاربردی مانند سیستم های الکترونیکی، سیستم جرقه زنی، ژنراتور، ایمپنلت های پزشکی، ساعت مچی، هسته سیم پیچ ها، ارتباط از راه دور و کاربردهای دیگر تبدیل شده اند. فریت روی با ساختار اسپینلی دارای فرمول شیمیایی ZnFe2O4 است که ساختار اسپینلی شامل مکان های چهار وجهی و هشت وجهی می شود؛ به طوری که مکان های هشت وجهی از مکان های چهار وجهی بزرگ ترند. در این پژوهش از فریت های چهار وجهی استفاده می شود، زیرا آرایش های الکترونی برای اتصال چهاروجهی به یونهای اکسیژن مناسب تر است.
کیتین و کیتوسان:
کیتین و کیتوسان نیز از جمله جاذب ها هستند که با قابلیت زیاد در حذف آلودگی های نظیر رنگزاها و فلزات سنگین افزون بر داشتن خواص جالبی مانند زیست تخریب پذیری، ضدباکتری و سمی نبودن در مصارف مختلف پزشکی، صنایع غذایی، مهندسی نساجی و مهندسی آب به ویژه جذب سطحی استفاده می شوند. نام کیتین از واژه یونانی کیتون به معنای پوشش سخت پوستان گرفته شده است که اولین بار در سال 1811 میلادی استفاده شد. کیتین زیست پلیمری از واحدهای N_استیلD_گلوکز آمین است که از لحاظ فراوانی پس از سلولز دومین زیست پلیمر موجود در طبیعت است.
کیتین در اسکلت سخت پوستانی مانند خرچنگ، لابستر، میگو و دیواره سلولی نوعی قارچ یافته شده است که از لحاظ ساختاری شبیه به سلولز است، این تفاوت که در کربن شماره2(C-2) به جای گروه هیدروکسیل، گروه عاملی آمینواستیل وجود دارد. در ضمن ایم ماده دو گروه هیدروکسیل در کربن های شماره3 و 6(C-3 و C-6) نیز دارد که می توان از آن ها به عنوان موقعیت های فعال برای واکنش با مواد مختلف نام برد. کیتین در آب و حلال های معمول نامحلول است که این موضوع به علت ساختار نیمه بلوری با پیوندهای هیدروژنی گسترده و بسیار قوی آن است. تاکنون مطالعات زیادی روی کیتوسان به عنوان جاذب در حذف رنگزاها و یون های فلزی انجام شده است. می توان گفت کیتوسان به علت داشتن تعداد زیادی از گروه های عاملی آمین و هیدروکسیل در طول زنجیر پلیمری، توسعه کمپلکس های جدید و نیز قیمت ارزان در مقایسه با سایر جاذب ها مانند کربن فعال توجه زیادی را به خود جذب کرده است. افزون بر این، پلیمر طبیعی کیتوسان با داشتن خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد قابلیت های مفیدی مانند خاصیت گزینش پذیری بین آلودگی ها، کیلیتشدن، واکنش پذیری زیاد و مقاومت ساختاری از خود نشان دادهاست، که با توجه به آن ها می توان از این پلیمر در حذف آلودگی های مختلف به ویژه رنگزاها بهره برد نام شکل در این قسمت آورده شود
برای مشاهده مجموعه فایل های ضمیمه اینجا کلیک کنید.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه و تنظیم: نسرین صادقی
در این دوره از جشنواره از 20 استان کشور در سه بخش به تفکیک، 350 گروه در بخش غرفه های نمایشگاهی، 650 گروه در بخش سمینارهای علمی و 750 گروه در بخش مسابقات دانش آموزی از مدارس و پژوهش سراهای دانش آموزی سراسر کشور انتخاب شده اند و به جشنواره کشوری دعوت شده اند.
که تعداد 53 گروه در بخش سمینارهای علمی مقام برتر را کسب نمودند.
بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های برتر علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.
مقطع: دوره اول متوسطه
موضوع: حذف رنگینه متیلن بلو از آب با استفاده از هیدروژل کیتوسان حاوی نانو ذرات فریت روی
نام مدرسه: فرزانگان 6
نام استاد: خانم مریم مزینانی
دانش آموزان: آیسان نعمتی، بهار نجفی
مقدمه:
آب یكی از اساسی ترین عناصر محیط زیست است. برخورداری از آب سالم برای نیازهای انسانی از عوامل اساسی و به منزله عامل تمدن شناخته شده است. تامین آب سالم یكی از بزرگ ترین چالش های قرن حاضر بشریت است كه می تواند سرمنشأ بسیاری از تحولات مثبت و منفی جهان قرار گیرد.
منابع آلوده کننده آب
صنایع نساجی یکی از بزرگ ترین منابع مصرف کننده آب، تولید کننده فاضلاب های رنگی با کمیت و کیفیت شیمیایی متفاوت و محتوی مقادیر قابل توجهی رنگ هستند.این صنایع، به طور معمول به ازای هر تن محصول تولیدی بین 25-250 متر مکعب آب مصرف می نماید. رنگ های نساجی بزرگ ترین دسته از رنگ های مصنوعی محلول در آب بوده که دارای بیشترین تنوع از نظر نوع و ساختار رنگ اند.
برخی از این رنگ ها و محصولات ناشی از تجزیه آن ها مانند آمینهای آروماتیک به شدت سرطان زا هستند.عملکرد نامطلوب واحدهای رنگرزی و عدم تثبیت رنگ بر روی الیاف، شرایط ورود حدود 15% رنگ ها را به فاضلاب فراهم می نماید. تخلیه فاضلاب های رنگی حاصل از صنایع نساجی به آب های پذیرنده، منجر به کاهش نفوذ نور خورشید و نامطلوب شدن وضعیت دید، بروز پدیده اتروفیکاسیون و تداخل در اکولوژی آب های پذیرنه می شود و با کاهش شدت فتوسنتز گیاهان آبزی و جلبک ها در محیط های آبی، باعث آسیب رساندن به محیط زیست می شود.
روش های تصفیه آب :
امروزه تکنولوژیهای متنوعی برای حذف مواد آلی به ویژه رنگ ها از فاظلاب ها توسعه یافته اند. از جمله این روش های تصفیه ای، تصفیه فیزیکی نظیر جذب، روش های بیولوژیکی نظیر تجزیه بیولوژیک، روش های اکسیداسیون شیمیایی مانند ازن زنی در حد گسترده ای استفاده می شوند. این رنگها معمولا سمی و به تجزیه ی بیولوژیکی هوازی مقاوم بوده و با فرایندهای تصفیه بیولوژیکی متداول قابل حذف نمی باشند. دلیل احتمالی غیر قابل تجزیه بودن این رنگ ها در سیستم های متداول، فقدان آنزیم های ضروری برای تجزیه ی این رنگ ها در سیستم های بیولوژیک است. مطالعات نشان داده است که فاضلاب های نساجی دارای نسبت BOD به COD پایین (0/1) هستند که ناشی از ماهیت غیر قابل تجزیه بیولوژیک بودن رنگ ها و عدم قابلیت کاربرد روش های بیولوژیک برای حذف آن هاست. روش های مانند فتوکاتالیستی، اکسیداسیون الکتروشیمی، لجن فعال، اسمز معکوس، جذب روی کربن فعال مورد تحقیق قرار گرفته اند. این روش ها منجر به تغلیظ آلاینده در یک فاز آلوده می گردد. امروزه چگونگی کاربرد نور خورشید برای تجزیه فتوکاتالیستی رنگ ها به دلیل ارزانی و قابل دسترس بودن آن، جایگاه خاصی در برنامه های تحقیقاتی یافته است. کاربرد روش های فتوکاتالیستی تحت شرایط مختلف برای حذف رنگ در مطالعات متعددی بررسی شده است.
ساختمان بلوری فریت ها:
ساختمان بلوری نانوذرات فریت ها به دو نوع هگزاگونالی و مکعبی طبقه بندی با توجه به اندازه و بار یون های فلزی و مقادیر نسبی این یون ها انجام می شود، از این نظر فریت ها به چند دسته تقسیم می شوند: اسپینل ها، مگنتوپلمبیت ها، گارنت ها فرمول عمومی اسپینل های عمومی به صورت MOFe2O3 و یا MFe2O4 است. که Mدر آن یک یون فلزی دو ظرفیتی است. ساختار بلوری اسپینل ها مکعبی است. اسپینل های حاوی یون هایMn2+ ، Ni2+، Co2+، Fe2+ دارای الکترون جفت نشده بوده و در نتیجه قسمتی از ممان مغناطیسی یک اسپینل را تامین می کند.
بین نانومواد، نانوذرات فریت ها دسته ی مهمی از مواد وجود دارند. فریت ها به مواد مغناطیسی فوق العاده مفید برای طیف گستردهای از برنامه های کاربردی مانند سیستم های الکترونیکی، سیستم جرقه زنی، ژنراتور، ایمپنلت های پزشکی، ساعت مچی، هسته سیم پیچ ها، ارتباط از راه دور و کاربردهای دیگر تبدیل شده اند. فریت روی با ساختار اسپینلی دارای فرمول شیمیایی ZnFe2O4 است که ساختار اسپینلی شامل مکان های چهار وجهی و هشت وجهی می شود؛ به طوری که مکان های هشت وجهی از مکان های چهار وجهی بزرگ ترند. در این پژوهش از فریت های چهار وجهی استفاده می شود، زیرا آرایش های الکترونی برای اتصال چهاروجهی به یونهای اکسیژن مناسب تر است.
کیتین و کیتوسان:
کیتین و کیتوسان نیز از جمله جاذب ها هستند که با قابلیت زیاد در حذف آلودگی های نظیر رنگزاها و فلزات سنگین افزون بر داشتن خواص جالبی مانند زیست تخریب پذیری، ضدباکتری و سمی نبودن در مصارف مختلف پزشکی، صنایع غذایی، مهندسی نساجی و مهندسی آب به ویژه جذب سطحی استفاده می شوند. نام کیتین از واژه یونانی کیتون به معنای پوشش سخت پوستان گرفته شده است که اولین بار در سال 1811 میلادی استفاده شد. کیتین زیست پلیمری از واحدهای N_استیلD_گلوکز آمین است که از لحاظ فراوانی پس از سلولز دومین زیست پلیمر موجود در طبیعت است.
کیتین در اسکلت سخت پوستانی مانند خرچنگ، لابستر، میگو و دیواره سلولی نوعی قارچ یافته شده است که از لحاظ ساختاری شبیه به سلولز است، این تفاوت که در کربن شماره2(C-2) به جای گروه هیدروکسیل، گروه عاملی آمینواستیل وجود دارد. در ضمن ایم ماده دو گروه هیدروکسیل در کربن های شماره3 و 6(C-3 و C-6) نیز دارد که می توان از آن ها به عنوان موقعیت های فعال برای واکنش با مواد مختلف نام برد. کیتین در آب و حلال های معمول نامحلول است که این موضوع به علت ساختار نیمه بلوری با پیوندهای هیدروژنی گسترده و بسیار قوی آن است. تاکنون مطالعات زیادی روی کیتوسان به عنوان جاذب در حذف رنگزاها و یون های فلزی انجام شده است. می توان گفت کیتوسان به علت داشتن تعداد زیادی از گروه های عاملی آمین و هیدروکسیل در طول زنجیر پلیمری، توسعه کمپلکس های جدید و نیز قیمت ارزان در مقایسه با سایر جاذب ها مانند کربن فعال توجه زیادی را به خود جذب کرده است. افزون بر این، پلیمر طبیعی کیتوسان با داشتن خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد قابلیت های مفیدی مانند خاصیت گزینش پذیری بین آلودگی ها، کیلیتشدن، واکنش پذیری زیاد و مقاومت ساختاری از خود نشان دادهاست، که با توجه به آن ها می توان از این پلیمر در حذف آلودگی های مختلف به ویژه رنگزاها بهره برد نام شکل در این قسمت آورده شود
برای مشاهده مجموعه فایل های ضمیمه اینجا کلیک کنید.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه و تنظیم: نسرین صادقی
