مقاله اندازه گيري يون كروم (III) به روش سينتيكي اسپكتروفوتومتري در پساب رنگي
پايان نامه براي دريافت درجه كارشناسي شيمي نساجي و علوم الياف
چكيده :
روشهاي سينتيكي- اسپكترفوتومتري از جمله روشهاي تجزيه دستگاهي به منظور بررسي تغييرات ميزان گونههاي موجود در نمونه ميباشند كه ضمن دارا بودن صحت، دقت و سرعت عمل بالا داراي هزينه روش بسيار پايين است. اين خصوصيات كاربرد اين تكنيك را در حد وسيعي براي بررسي رفتار تركيبات رنگي و چگونگي تخريب وحذف آنها از پسابهاي صنعتي ميسر ميسازد. نظر به اهميت ايجاد آلودگي توسط رنگهاي آلي در پسابهاي صنعتي ارائه روشهاي مناسب و جديد با حداقل هزينه و كارآيي بالا به منظور حذف اين گونه تركيبات مورد نظر پژوهشگران بوده و هست.
در اين پروژه علاوه بر ارائه فاكتورهاي مؤثر در تخريب رنگ متيلنبلو ميتوان به اندازهگيري يون كروم كه يك ماده سرطانزاست، پرداخت. يك روش حساس و ساده براي تعيين مقادير بسيار كم كروم به روش سينتيكي- اسپكتروفوتومتري براساس اثر بازدارندگي كروم در واكنش اكسيدشدن متيلنبلو توسط آسكوربيك اسيد در محيط اسيدي (H2SO4 4 مولار) معرفي شده است. اين واكنش به روش اسپكتروفوتومتري و با اندازهگيري كاهش جذب متيلنبلو در طول موج 664 نانومتر به روش زمان ثابت استفاده شده است. در محدوده زماني 8- 5/0 دقيقه و دماي محيط، حد تشخيص ppm 013/0 بوده است و منحني كاليبراسيون در محدوده ppm (3- 05/0) از غلظت كروم خطي است
فصل اول
كروم
مقدمه :
كرم اولين نوع فلز سنگين در پساب است.
يونهاي كروم (III) و كروم (VI) براي محيط زيست و هستي بشر مضر هستند.
بر طبق استاندارد موجود مقدار كروم باقيمانده در پساب بايد mg/l 5/1 باشد. در كنار شكل ساده يونهاي كروم (III) و كروم (VI)، كمپلكس هماهنگ كروم (III)يا كروم (VI)، با پيوندهاي ملكولي آلي و غيرآلي وجود دارد.
به طور مثال كمپلكس كروم در رنگها به طور كامل در صنعت نساجي از طريق واكنش شيميايي بين Cr2O3 و يك نوع از تركيبات آزو آلي استفاده ميشود. ساختار هماهنگ كمپلكس كروم قبل از تخريب بسيار پايدار و سخت است. اين دسته از تركيبهاي كروم حد بالايي ازغلظت كروم را در پسابهاي صنعتي ايجادمينمايند.
اگر كروم موجود در پساب مستقيماً در محيط آزاد شود به صورت يك عامل واكنش دهنده در محيط عمل نموده و از فعاليت باكتريها به صورت آشكار جلوگيري ميكند. بنابراين بازده عمليات موجودات بسيار كم ميشود. بنابراين سميت كروم بسيار زياد ميباشد. بنابراين اندازهگيري آن در گونههاي مختلف به ويژه پسابهاي صنعتي همواره مورد توجه پژوهشگران بوده و تاكنون مقالات متعددي در اين زمينه در مجلات مختلف علمي ارائه شده است.
رسوب دادن شكل مؤثري از فرآيند برداشتن يون كمپلكس كروم است اما قابل اجرا نميباشد، با استفاده از روشهاي مبادله يون ميتوان به طور مؤثرغلطت يون كروم را كاهش داد ولي اين كار خيلي عملي نيست. از مهمترين عيبهاي اين روش بالا بودن هزينه توليد مواده مبادله كننده يوني و بهرهبرداري آن است به علاوه در تعويض يون تنها ميتوان از محدوده كمي از درجه pH استفاده كرد.
جذب روشي شناخته شده و مؤثر براي انتقال فلز آلوده كننده سنگين ميباشد، اما ظرفيت جذب بايد با جاذب شيميايي مناسب تقويت و يا تغيير داده شود.
مقادير كم كروم (تا 5/0 درصد) را ميتوان به روش رنگ سنجي در محلول قليايي به صورت كرومات اندازه گرفت؛ اورانيم و سديم مزاحماند ولي واناديم اثري ندارد. عبور محلول در 365 تا 370 نانومتر يا با استفاده از يك صافي كه عبور ماكسيمم آن در قسمت بنفش طيف قرار دارد، اندازه گيري ميشود.
خصلت قليايي محلول استاندارد به كار گرفته شده براي تهيه منحني مرجع بايد همانند محلول نمونه باشد و ترجيهاً غلظت نمكهاي خارجي در دو محلول بايد يكي باشد محلولهاي استاندارد را ميتوان از پتاسيم كرومات با خلوص تجزيه اي تهيه نمود.
هزاران نمونه از كمپلكسهاي كروم (III) وجود دارند كه به جز چند مورد بقيه شش كوئورديناسيوني هستند. مشخصه اصلي اين تركيبات بي اثر بودن سنجش آنها از نظر سينتيكي در محلول آبي است و به خاطر همين بي اثر بودن است كه اين همه نمونههاي كمپلكس از كروم ميتوان جدا كرد و به همين دليل است كه قسمت عمده شيمي كلاسيك مربوط به كمپلكسها كه توسط پژوهشگران اوليه به خصوص يورگنسن و ورنر مطالعه و بررسي شد، كروم را در بر ميگرفت. اين كمپلكسها حتي درمواردي كه از نظر ترموديناميكي ناپايدارند، در محلول دوام ميآورند.
1-1- تعريف چرم:
چرم مهمترين فراوردهاي است كه در فرآيند پوست پيرايي از تأثير برخي مواد شيميايي بر پوست به دست ميآيد. چرم در برابر هوا و آب نفوذپذير بوده و در مقابل باكتري ها و عاملهاي فيزيكي و شيميايي محيط مقاومت مينمايد. چرم براي تهيه بسياري از لوازم مورد نياز زندگي مناسب است و كاربردهاي گوناگوني در زمينههاي مختلف زندگي دارد. با توجه به پوست پيرايي دو نوع چرم ساخته شده و به بازار عرضه ميشود:
الف) چرمهاي گياهي: براي ساخت اين نوع چرم از مواد دباغي گياهي استفاده ميشود.
ب) چرمهاي شيميايي: كه براي ساخت آنها از مواد شيميايي در پوست پيرايي استفاده ميشود اين نوع چرم داراي ضخامت كمتري است.
1-2- لزوم پوست پيرايي:
پوست پيرايي فرآيندي فيزيكو شيميايي براي تبديل پوست به چرم است، كه كالايي با ارزش اما فاسد شدني را به كالايي فاسد نشدني تبديل ميكند. پوست از نظر شيميايي پليمري از آمينواسيدها است در واقع از رشتههاي پروتئيني تشكيل شده است. اين رشتهها به وسيله عوامل فيزيكي و شيميايي محيط تجزيه ميشوند. در اين صورت زنجيرههاي پروتين تشكيل دهنده بافت پوست گسسته ميشوند و پوست كيفيت طبيعي خود را از دست ميدهد.
براي جلوگيري از خرابي پوست ميبايست تغييرات به گونهاي اعمال شوند كه به ماهيت اصلي و ساختار پوست لطمه وارد نسازند. به اين تغييرات دباغي پوست (پوست پيرايي) ميگويند.
1-3- پوست پيرايي با نمكهاي كروم (دباغي كرومي):
امروزه بيشتر مواد معدني كه در پوست پيرايي به كار ميرود، از نمكهاي كروم (III) و به ويژه سولفات كروم (III) تهيه ميشوند. در روش پوست پيرايي با نمكهاي كروم، اين نمكها با الياف پوست واكنش ميدهند و پايداري بسيار زيادي به الياف پوست ميبخشند كه آن را در برابر دماي بالا مقاوم ميسازند.
چرمي كه به اين روش ساخته ميشود بسياري از ويژگيهاي مطلوب را ندارد و به وسيله رنگرزي و پوست پيرايي دوباره با مواد گياهي ويژگيهاي يك چرم خوب را پيدا مينمايد.
ويژگي مهم پوست پيرايي كرومي سرعت عمل و راندمان بالاي آن است. به همين دليل اين روش پس از كشف آن در زمان كوتاهي رونق زيادي پيدا نمود. به نحوي كه در بعضي كشورها تنها براي اين ماده براي پوست پيرايي استفاده ميشود.
1-4- تاريخچه پوست پيرايي با نمكهاي كروم (III):
نخستين بار در سال 1858 فريديش ناب روش پوست پيرايي با نمكهايي كه كاتيون آنها هيدروليز ميشوند، همانند نمكهاي آهن (III)، آلومينيم و كروم (III) را ارائه داد اين روش از آغاز قرن بيستم به طور روز افزون توسعه يافته است.
بر اثر اين كشف بود كه چرم سازي از يك كاردستي به صنعت تبديل شد. نخستين فرآوردههاي تجاري چرم كرومي، به آگوست شوتز در سال 1884 نسبت داده شده است. در روش شولتز پوست پيرايي با نمكهاي كروم در دو مرحله انجام ميگرفت.
در مرحله اول پوست با يك محلول اسيدي از پتاسيم ديكرومات (K2CrO7) آغشته شده و در مرحله دوم پتاسيم ديكرومات در مجاورت يك ماده كاهنده مانند گلوگز به نمك كروم (III) سبز رنگ بر روي سطح پوست تبديل ميشود.
1-5- معادله واكنش با گاز گوگرد دي اكسيد:
اين روش دو مرحلهاي با اين كه داراي نقصهايي است اما به چرم توليد شده كيفيت ويژه و مطلوبي ميدهد.
روش ديگري از پوست پيرايي با نمكهاي كروم روش يك مرحلهاي است در اين روش از يك نمك كروم (III) كه به آساني آبكافت ميشود مانند كروم (III) كلريد و يا سولفات استفاده ميشود.
براي نمونه واكنشهاي كروم (III) كلريد و سولفات به صورت زير ميباشند.
در اين روش پوست با يك نمك كروم (III) مانند محلول بازي كروم (III) واكنش ميدهد. در اين روش قبل از اضافه كردن نمك كروم (III) محيط را اسيدي ميكنند و سپس پوست را در آن قرار ميدهند. در اين شرايط توانايي تركيب شدن نمك كروم با پروتئين پوست كاهش مييابد و در نتيجه نمك كروم امكان نفوذ كردن به درون پوست را پيدا ميكند. پس از اينكه به درون ليف نفوذ كرد pH را بالا ميبرند. در نتيجه اين تغييرات نمك كروم با پوست واكنش ميدهد.
1-6- شيمي نمكهاي كروم (III):
نمكهاي كروم (III) در اسيدهاي قوي حل ميشود اما در pH بالاتر از 4 به صورت كروم (III) هيدروكسيد رسوب ميكند. اين نمكها ميتوانند با تعدادي از مواد آلي واكنش دهند. در pHهاي بالا محلول اين نمكها رنگياند.
1-7- شيمي پوست پيرايي با نمكهاي كروم (III):
در محلول كروم (III) نيترات، يون نيترات به صورت و يون كروم (III) وجود دارد و تغييري كه در اين يون كمپلكس به وجود ميآيد اساس شيمي پوست پيرايي با نمكهاي كروم (III) را تشكيل ميدهد.
واكنشهايي كه در محلول اين يون روي ميدهد اساساً دو نوع است:
الف) آزاد شدن يون هيدرونيوم بر اثر آبكافت كاتيون كمپلكس و توليد يك نمك بازي براساس معادله شيميايي زير:
به هيمن دليل محلول نمكهاي كروم (III) خاصيت اسيدي دارند. انجام اين واكنش كه در آن يون توليد ميشود، دليل روشني بر وجود مولكولهاي آب به صورت ليگاند در كاتيون كمپلكس كروم (III) در محلول نمكهاي آن است.
ب) جانشيني شدن آنيون ها به عنوان ليگاند به جاي مولكولهاي آب در كاتيون كمپلكس در يك واكنش تعادلي در غلظت و دماي معين كه معادله شيمايي آن به صورت زير است:
در مجاورت نمكهاي خنثي مانند KCl احتمال ندارد كه كمپلكسهاي آنيوني نيز به وجود آيد. يون دياكوآتتراكلروكرومات (III)
يونهاي كلريد موجود در اين كملكس با نقره نيترات رسوب نميدهند.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چكيده
فصل اول : كروم
مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2
1-1- تعريف چرم………………………………………………………………………………………………………………………….. 4
1-2- لزوم پوست پيرايي …………………………………………………………………………………………………………….. 4
1-3- پوست پيرايي با نمكهاي كروم (دباغي كرومي) ……………………………………………………………. 5
1-4- تاريخچه پوست پيرايي با نمكهاي كروم (III) ………………………………………………………………. 5
1-5- معادله واكنش با گاز گوگرد دي اكسيد…………………………………………………………………………….. 6
1-6- شيمي نمكهاي كروم (III) …………………………………………………………………………………………….. 6
1-7- شيمي پوست پيرايي با نمكهاي كروم (III)………………………………………………………………….. 7
1-8- عامل هاي بازدارنده (كند كننده)………………………………………………………………………………………. 8
1-9- مفهوم قدرت بازي……………………………………………………………………………………………………………….. 8
1-10- نقش عاملهاي كندكننده در پوست پيرايي با نمكهاي كروم (III)………………………….. 9
1-11- عاملهاي مؤثر بر پوست پيرايي كرومي…………………………………………………………………………. 10
1-12- رنگآميزي چرم……………………………………………………………………………………………………………….. 10
1-13- نظريه تثبيت رنگينهها…………………………………………………………………………………………………….. 11
1-14- صنعت چرم سازي و آلودگي محيط زيست…………………………………………………………………… 11
1-15- منبعها و منشأهاي پساب كارخانههاي چرم سازي………………………………………………………. 12
فصل دوم : اسپكتروفوتومتري
2-1- اساس اسپكتروفوتومتري جذبي………………………………………………………………………………………… 14
2-2- جذب تابش………………………………………………………………………………………………………………………….. 15
2-3- تكنيكها و ابزار براي اندازهگيري جذب تابش ماوراء بنفش و مرئي……………………………… 15
2-4- جنبههاي كمي اندازهگيريهاي جذبي……………………………………………………………………………….. 16
2-5- قانون بير- لامبرت (Beer – Lamberts Law)………………………………………………………….. 17
2-6- اجزاء دستگاهها براي اندازهگيري جذبي…………………………………………………………………………… 21
فصل سوم : كاربرد روشهاي سينتيكي در اندازهگيري
3-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………… 23
3-2- طبقهبندي روشهاي سينتيكي……………………………………………………………………………………………. 25
3-3- روشهاي علمي مطالعه سينتيك واكنشهاي شيميايي……………………………………………………… 27
3-4- غلظت و سرعت واكنشهاي شيميايي ………………………………………………………………………………. 28
3-5- تاثير قدرت يوني…………………………………………………………………………………………………………………. 28
3-6- تاثير دما……………………………………………………………………………………………………………………………….. 29
3-7- باز دارندهها………………………………………………………………………………………………………………………….. 30
3-8- روشهاي سينتيكي………………………………………………………………………………………………………………. 30
3-8-1- روشهاي ديفرانسيلي………………………………………………………………………………………………………. 31
3-8-1-1- روش سرعت اوليه…………………………………………………………………………………………………….. 31
3-8-1-2- روش زمان ثابت ……………………………………………………………………………………………………….. 33
3-8-1-3- روش زمان متغير………………………………………………………………………………………………………. 34
3-8-2- روشهاي انتگرالي……………………………………………………………………………………………………………. 35
3-8-2-1- روش تانژانت …………………………………………………………………………………………………………….. 36
3-8-2-2- روش زمان ثابت………………………………………………………………………………………………………… 36
3-8-2-3- روش زمان متغير………………………………………………………………………………………………………. 37
3-9- صحت دقت و حساسيت روشهاي سينتيكي…………………………………………………………………….. 38
فصل چهارم : بخش تجربي
4-1- مواد شيميايي مورد استفاده………………………………………………………………………………………………. 40
4-2- تهيه محلولهاي مورد استفاده…………………………………………………………………………………………… 40
4-3- دستگاه هاي مورد استفاده…………………………………………………………………………………………………. 41
4-4- طيف جذبي…………………………………………………………………………………………………………………………. 42
4-5- نحوه انجام كار ………………………………………………………………………………………………………………….. 43
4-6- بررسي پارامترها و بهينه كردن شرايط واكنش ………………………………………………………………. 44
4-7- اثر قدرت يوني …………………………………………………………………………………………………………………… 45
4-8- اثر زمان………………………………………………………………………………………………………………………………… 47
4-9- شرايط بهينه………………………………………………………………………………………………………………………… 49
4-10- روش پيشنهادي براي اندازه گيري كروم……………………………………………………………………….. 49
4-11- منحني كاليبراسيون………………………………………………………………………………………………………… 50
4-12- حد تشخيص…………………………………………………………………………………………………………………….. 53
فصل پنجم: بحث و نتيجهگيري
5-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………… 55
5-2 – بهینه نمودن شرایط…………………………………………………………………………………………………………. 56
5-3- منحنی کالیبراسیون……………………………………………………………………………………………………………. 56
منابع ومآخذ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 57
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (3-1) طبقه بندي عمومي روشهاي سينتيكي……………………………………………………………….. 26
جدول (4-1) مواد شيميايي مورد استفاده………………………………………………………………………………….. 40
جدول (4-2). تغييرات بر حسب غلظت هاي متفاوت KNO3……………………………………….. 46
جدول (4-3). تغييرات بر حسب زمانهاي متفاوت پس از افزايش آسكوربيك اسيد … 48
جدول (4-4). تغييرات در محدوده غلظتي ppm (3- 05/0) كروم……………………………. 52
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار (4-1) تشخيص طولموج ماكسيمم رنگ متيلنبلو………………………………………………………… 42
نمودار (4-2) اثر تخريب رنگ متيلن بلو بدون حضور كروم (III)……………………………………………… 44
نمودار (4-3). تغييرات بر حسب غلظتهاي متفاوت KNO3…………………………………………. 46
نمودار (4-4). تغييرات بر حسب زمانهاي متفاوت پس از افزايش آسكوربيك اسيد … 48
نمودار (4-5). تغييرات در محدوده غلظتي ppm (3- 05/0) كروم……………………………. 52
فهرست اشكال
عنوان صفحه
شكل (2-1) اجزاء دستگاهها براي اندازهگيري جذب تابش………………………………………………………. 21
شكل (3-1) سرعت واكنش نسبت به زمان………………………………………………………………………………… 23
شكل (3-2) روش سرعت اوليه……………………………………………………………………………………………………. 32
شكل (3-3) روش زمان ثابت……………………………………………………………………………………………………….. 34
شكل (3-4) روش زمان متغير……………………………………………………………………………………………………… 35
شكل (3-5) روش تانژانت 36
مقاله اندازه گيري يون كروم (III) به روش سينتيكي اسپكتروفوتومتري در پساب رنگي