شماره ركورد
34628
پديد آورنده
حامد عمده غياثي
عنوان
مدلسازي عددي و آزمايشگاهي حذف يون مس از محلول مسسولفات با استفاده از نانوفيلترهاي ماسهاي اندود شده
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي عمران- مهندسي سواحل، بنادر و سازههاي دريايي
سال تحصيل
1404
تاريخ دفاع
1404/2/6
استاد راهنما
دكتر عباس يگانه بختياري
استاد مشاور
دكتر اصغر حبيب نژاد كورايم
دانشكده
عمران
چكيده
آلودگي محيط زيست توسط فلزات سنگين با توسعه صنعتي و افزايش فاضلاب بهطور پيوسته افزايش يافته و منجر به بحرانهاي زيستمحيطي متعددي شده است. مس از سميترين فلزات سنگيني است كه استفاده گسترده از آن در صنايع مختلف احتمال آلودگي محيط زيست را بسيار افزايش ميدهد. حذف مس به روش جذب با استفاده از جاذبهاي مناسب و مقرون به صرفه ميتواند به عنوان راهحلي موثر براي كاهش آلودگي در نظر گرفته شود. در ساليان اخير، نانوفيلترهاي ماسهاي اندود شده با گرافن به دليل استفاده از مواد ارزانقيمت و در دسترس مانند ماسه و ساكارز و فرآيند ساخت به نسبت ساده آن، مورد توجه محققان قرار گرفتهاند. با اين حال، نقش جنس ماسه، دانهبندي آن و ميزان مواد تركيبي جهت ساخت جاذب، در بهبود عملكرد آن تاكنون بهطور جامع مورد بررسي قرار نگرفته است. اين تحقيق با هدف توسعه و بهينهسازي جاذبهاي بر پايه ماسه براي امكانسنجي حذف نمكهاي سديم كلرايد و منيزيم سولفات، و حذف مؤثر يونهاي مس از محلولهاي آبي به انجام رسيده و شامل سه مرحله اصلي آزمايشگاهي و دو مرحله شبيهسازي عددي است. همچنين، جهت بالا بردن بازدهي جاذبهاي اشاره شده، با تغيير كوچكي در فرآيند ساخت آنها، امكان ساخت جاذبهاي كامپوزيت ماسه-گرافن سهبعدي وجود دارد. در مرحله نخست، تأثير جاذبهاي ماسهاي و نانوفيلترهاي ماسهاي اندود شده با گرافن مشتق از ساكارز و شيره خرما با جنس ماسهها و دانهبندي مختلف بر حذف نمكهاي سديم كلريد و منيزيم سولفات بررسي شده است. طي آزمايشهاي اين مرحله، جاذبهاي ماسهاي سيليكاته عملكرد بهتري در حذف كاتيونها، و نانوفيلترهاي ماسهاي اندود شده با گرافن مشتق شده از شيره خرما مناسبترين عملكرد را در حذف آنيونها داشتهاند. در مرحله دوم، عملكرد همين جاذبها در حذف يون مس از محلول مسسولفات و تأثير پارامترهاي مختلف بر ميزان جذب مس به طور دقيق مورد بررسي قرار گرفته است. دو جاذب نانوفيلتر ماسه كربناته اندود شده با گرافن با نسبت ماسه به ساكارز 80 به 15، كامپوزيت ماسه كربناته-گرافن با نسبت ماسه به ساكارز 80 به 20، با ميزان حذف مس به ترتيب 99 و 97 درصد بهترين عملكرد را در ميان جاذبها در آزمايشهاي ستون ثابت داشتهاند. در مرحله سوم، با انتخاب مناسبترين جاذب بر اساس معيارهايي چون ميزان حذف مس و دبي جريان خروجي، آزمايشهاي تكميلي براي شناسايي ويژگيهاي جاذب منتخب انجام شده است.
پس جاذب منتخب تحت آزمايشهاي ناپيوسته قرار گرفته و ويژگيهاي تعادلي آن شامل زمان تعادل 10 ساعت، ميزان جاذب 35 گرم بر ليتر، مدل كينتيك مناسب آن (Elovich) و مدل ايزوترم مناسب آن (Langmuir) بدست آمده است. سپس با انجام آزمايشهاي ستون ثابت براي جاذب منتخب با غلظتهاي ورودي مختلف مس، منحنيهاي پيشرفت جذب، رسم و با مدلهاي رياضي مختلفي مقايسه شدهاند. از ميان مدلهاي رياضي مختلف، مدل Log-Gompertz سازگاري بهتري (R2 = 0.97~0.99) را بين مدلهاي تحليلي مختلف با نتايج آزمايشگاهي ستون ثابت براي غلظتهاي مختلف ورودي مس نشان داد. در گام بعدي، شبيهسازي عددي عبور محلول مس سولفات از بستر جاذب منتخب در نرمافزار COMSOL انجام شده و با نتايج آزمايشگاهي صحتسنجي شده است. مقايسه اين دو حاكي از قرابت مناسب نتايج به خصوص در مراحل ابتدايي و مياني منحني پيشرفت است. در مرحله بعد، ماژولي در نرمافزار OpenFOAM براي شبيهسازي پديده گفته شده بر اساس معادلات نرمافزار COMSOL توسعه داده شده و نتايج آن با نتايج آزمايشگاهي مورد مقايسه قرار گرفته است. طبق نتايج اين تحقيق، نانوفيلتر ماسه كربناته اندود شده با گرافن، سنتز شده از ماسه متخلخل كربناته و ساكارز، يك جاذب خلاقانه و كارآمد براي حذف يونهاي مس از طريق فرآيند جذب است. ويژگيهاي اين جاذب از طريق آزمايشهاي جامع و شبيهسازيهاي عددي در شرايط ستوني ناپيوسته و بستر ثابت بطور تقريبا جامعي مورد بررسي قرار گرفته است. رساله حاضر، گامي مؤثر در استفاده از مواد اوليه در دسترس و مقرونبهصرفه براي توسعه جاذبهاي كارا جهت رفع آلودگيهاي فلزات سنگين ارائه ميدهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/03
عنوان به انگليسي
Numerical and Experimental Modeling of Copper Ion Removal from Copper Sulfate Solution Using Coated Sand Nanofilters
تاريخ بهره برداري
3/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
حامد عمده غياثي
چكيده به لاتين
Industrial development has led to the continuous pollution of the environment by heavy metals, causing numerous ecological crises. Copper, one of the most toxic heavy metals, is widely used in various industries, significantly increasing environmental contamination. Adsorption using cost-effective and efficient adsorbents is a viable method for copper removal. In recent years, graphene sand nano filters have gained attention due to their use of inexpensive and readily available materials, such as sand and sucrose, along with a relatively simple synthesis process. However, the impact of sand type, sieving, and composite material on adsorbent performance has not been thoroughly explored. Furthermore, the efficiency of the mentioned adsorbents can be improved by synthesizing 3D sand-graphene composite adsorbents through slight modifications to the manufacturing process. This research focuses on optimizing sand-based adsorbents for the removal of sodium chloride and magnesium sulfate salts, addressing aqueous solution challenges. The study comprises three experimental stages and two numerical simulation stages. In the first stage, various sand adsorbents and graphene sand nano filters, derived from sucrose and date syrup with different sand types and grain sizes, were evaluated for their ability to remove sodium chloride and magnesium sulfate salts. Silicate sand adsorbents showed good cation removal, while graphene nano filters made from date syrup were most effective in anion removal. In second stage, the adsorbents’ efficiency in removing copper ions from a copper sulfate solution was analyzed. Two nano filter adsorbents—one made of carbonate sand with graphene at a sand-to-sucrose ratio of 80:15 and another at 80:20—achieved the highest copper removal rates of 99% and 97%, respectively. In third stage, the most effective adsorbent, based on copper removal efficiency and outlet flow rate, was selected for further characterization through additional experiments.
The selected adsorbent underwent batch tests to determine its equilibrium properties, including an equilibrium time of 10 hours, an adsorbent content of 35 g/L, and its most suitable kinetic and isotherm models—Elovich and Langmuir, respectively. Subsequently, fixed-bed experiments were conducted using the selected adsorbent with varying copper input concentrations. Adsorption breakthrough curves were plotted and compared against various mathematical models. Among them, the Log-Gompertz model demonstrated the best fit (R² = 0.97–0.99) when comparing analytical models with experimental results across different copper concentrations. Next, numerical simulations were performed using COMSOL software to model the passage of a copper sulfate solution through the adsorbent bed. The simulation results were validated against experimental data, showing strong agreement, particularly in the initial and middle stages of the adsorption breakthrough curve. Following this, a module was developed in OpenFOAM software to simulate the same process based on COMSOL’s equations, and its results were also compared with experimental findings. This research confirms that the graphene-coated carbonate sand nano filter, synthesized from porous carbonate sand and sucrose, is an innovative and highly effective adsorbent for copper ion removal. Its characteristics have been comprehensively analyzed through both extensive experimental and numerical simulations under batch and fixed-bed conditions. The findings presented in this thesis contribute to the development of cost-effective and readily available raw materials for producing efficient adsorbents, offering a practical solution for the removal of heavy metal contaminants.
كليدواژه هاي فارسي
جاذب ماسهاي , نانوفيلترهاي ماسهاي اندود شده , نرمافزار COMSOL , مدل LDF , نرمافزار OpenFOAM
كليدواژه هاي لاتين
Sand adsorbent , graphene sand composite adsorbent , COMSOL software , LDF model , OpenFOAM software
Author
Hamed Omdehghiasi
SuperVisor
Dr. Abbas Yeganeh-Bakhtiary