دانلود مقاله بررسی جذب فورفورال و کاهش آلایندگی آن توسط خاک اره در راکتور ناپیوسته

بخشی از مقاله

-1 مقدمه :

رشد روز افزون فعالیت هاي صنعتی از یک سو و عدم رعایت الزامات زیست محیطی از سوي دیگر سبب شده است تا طی چند دهه اخیر مقادیر هنگفتی از آلاینده ها با دفع و دور ریز نامناسب فاضلابها و ضایعات مراکز صنعتی ، پخش آلاینده ها توسط پالایشگاهها ، صنایع پتروشیمی و نیروگاهها ، نشت آلاینده ها از مخازن نفتی زیرزمینی و ایستگاههاي سوختگیري ، تصادف تانکرها و نفتکش ها و غیره وارد محیط زیست شوند. بخشی از آلاینده ها به ویژه قسمتی که از نظر ساختاري شبیه ترکیبات طبیعی هستند به سرعت توسط میکروارگانیسمهاي موجود در آب و خاك و یا تحت تاثیر عوامل فیزیکی و بیولوژیکی تجزیه می شوند و بقیه در محیط زیست باقی خواهد ماند . تجمع این ترکیبات شیمیایی در داخل محیط زیست ، تهدیدي جدي براي سلامت انسان ، موجودات و اکوسیستمهاي زنده است [3 ]. از طرف دیگر با توجه به محدود بودن منابع آب ، آلودگی خاك و آب از مهمترین معضلات زیست محیطی هستند و در صورتیکه خاك آلوده پاکسازي و تصفیه نشود ، آلاینده ها بتدریج در عمق خاك نفوذ کرده و علاوه بر آلودگی خاك باعث آلودگی سفره هاي زیر زمینی که یکی از مهمترین منابع تامین آب در بسیاري از کشورهاي جهان از جمله ایران است خواهدشد. این آلاینده ها داراي پتانسیل سرطان زایی ، جهش زایی ، و معلولیت جنین یا سمیت می باشند. لذا وجود این مواد در خروجی تصفیه خانه هاي فاضلاب شهري و صنعتی حائز اهمیت بوده و بایستی در حد مجاز استانداردهاي تعیین شده براي خروجی تصفیه خانه هاي فاضلاب شهري و صنعتی کنترل شوند.1]و2و3و[ 4

-1 -1 فورفورال : (C4H3OCHO)

فورفورال یک ماده آلدئیدي بدون رنگ می باشد که هنگامیکه تازه تقطیر شده داراي یک بوي تند و تیز می باشد . بوي آن شبیه آلدئید بنزن است و در مجاورت نور و هوا به رنگ قرمز قهوه اي در می آید این ماده حلال تمام مواد آلی است و مواد غیر آلی در آن نامحلول هستند . در الکل ، اتر و بنزن قابل حل می باشد و در آب در دماي 20 درجه سانتی گراد به مقدار 8/3 درصد حل می شود. از لحاظ حرارتی پایدار می باشد و خواص فیزیکی آن تقریبا تا 230 درجه سانتی گراد ( بجز رنگ ) ثابت می ماند .

فوفورال ماده اي سمی می باشد که در تماس با پوست مضر می باشد.بر روي سیستم عصبی مرکزي تاثیر می گذارد. فوفورال باعث ایجاد واکنشهاي آلرژي زا و التهاب چشم و مخاط بینی می شود.

فورفورال حلال روغنها و برشهاي مختلف نفتی است و براي همین از آن در صنایع پایه نفتی مانند پالایشگاه روغن موتور براي جداسازي ترکیبات آروماتیک ، ترکیبات گوگرد دار، اکسیژن دار و نیتروژن دار، همچنین لجن ها و برشهاي نفتی از لوب اویل ها به منظور تولید روغن روانکاري، استفاده می شود. این ترکیبات موجود در روغن ،باعث پایین آمدن کیفیت روغن موتور می شود

، براي مثال حضور ترکیبات آروماتیک و اکسیژن دار در روانکار موجب تشکیل مواد پلیمري و رسوب بر روي قطعات داغ موتور

، هنگام کارکرد میشود. ترکیبات گوگرد دار و نیتروژن دار نیز اسیدي شدن روغن روانکار و در نهایت خوردگی انواع آلیاژبه کار رفته در چمچ ها ، موتورها و چرخ دنده ها را موجب می شود. همچنین مواد رسوبی (Sludge) می تواند سبب کاهش کارایی
رینگ پیستون ها وگرفتگی فیلترها و لوله هاي انتقال روغن می شود. تمام ناخالصی ها ي گفته شده در یک واحد استخراج فورفورال در پالایشگاه روغن موتور پاکسازي می شوند. و این باعث آلوده شدن پسابهاي این کارخانجات به این ماده می شود و اثرات زیست محیطی سوئی بر جاي می گذارد .

در جریان مطالعات علمی پسابهاي پالایشگاه ها مشخص شده که اکثر این پسابهاي شامل فورفورال ، از طریق چاه جذبی دفع می شوند که این باعث آلودگی خاك و در نهایت آلودگی آبهاي زیر زمینی می شود.

در بررسی هاي انجام شده ، وجود میکروارگانیسمی که فوفورال را تجزیه کند یافت نشده است .همین موضوع باعث شده که استفاده از جاذبهاي طبیعی که سازگاري زیادي با محیط زیست دارند و همچنین هزینه بسیار پایینی دارند، مورد توجه قرار گیرد.در

٢

13th Iranian National Chemical Engineering Congress & 1st International Regional Chemical and Petroleum Engineering

Kermanshah, Iran, 25-28 October, 2010

-2-1 خاك اره

از نظر شیمیایی خاك اره سه بخش عمده تشکیل شده است:

• سلولز که ساختمان مولکولی آن از پلیمر کربوهیدرات تشکیل شده و 38 تا 50 درصد وزن چوب را تشکیل می دهد.الیاف سلولز در سود قابل حل است. زنجیره خطی پلیمر شامل تعداد زیادي گروه هیدروکسیل و کربوکسیل است.
• همی سلولز که داراي واحد هاي متفاوت منوساکاریدي می باشد و 20 تا 30 درصد وزن چوب را تشکیل می دهد. همی سلولز تشکیل شده از مولکول هاي عمده اي چون گروههاي کربوکسیلی ، مونوکسیلی ، انواع قندها می باشد. در بازها به میزان زیادي قابل حل هستند.

• لیگنین از ترکیبات آروماتیک بوده و ساختار پلیمري سه بعدي دارد و 20 تا 30 درصد وزن چوب را تشکیل می دهد.

داراي گروههاي هیدروکسیل ، کربونیلسطحمتوکسیدویژه می باشد. (m2 /g) 180 دارد.

-2 مواد و روشها :

– 1-2 آماده سازي خاك اره

خاك اره مورد نیاز در این تحقیق از نجاري هاي سطح شهر خریداري گردید و با استفاده از الک هاي شماره 40 و 60 الک شده و ذرات با اندازه مش 40 براي آزمایش انتخاب گردید. سپس با آب فراوان خاك اره ها طی سه مرحله شستشو داده شد و پس از آن یک مرحله نیز با آب مقطر شسته شد و در هواي محیط خشک گردید.

-2-2 تعیین PH بهینه جذب فورفورال

براي تعیین PH بهینه جذب فورفورال ، تعداد پنج ارلن انتخاب شد . با آب شهر و آب بدون یون کاملا شسته شد و 500 میلی لیتر محلول فورفورال ( با غلظت 150 میلی گرم در لیتر ) از محلول ذخیره برداشت گردید و در هر یک از ارلن ها ریخته شد. بعد در هر کدام از ارلن ها ، مقدار 5 گرم خاك اره ریخته شدو PH آنها به ترتیب در 4 ، 5 ، 6 ، 7 و 8 تنظیم گردید . ارلن هاي حاوي محلول به مدت 3 ساعت با سرعت 150 دور در دقیقه روي همزن قرار داده شد. با استفاده از قیف شیشه اي و کاغذ صافی واتمن نمونه ها در قوطی هاي پلاستیکی که قبلا شسته شده بود ریخته و بلافاصله براي اندازه گیري مقدار فورفورال باقیمانده در محلول ، آزمایش هاي جذب توسط دستگاه ) UV/VIS spectrometer مدل (PERKIN ELMER انجام گرفت و نتایج یاداشت گردید.

-3-2 آزمایش هاي جذب

تعداد پنج ارلن انتخاب شده و ابتدا با آب شهر و آب بدون یون کاملا شسته شده و 500 میلی لیتر از محلول فورفورال با غلظت 250

میلی گرم در لیتر در آن ریخته شد. در هر کدام از ارلن ها ، مقدار 10 گرم خاك اره ریخته و pH محلول با توجه به نتایج بدست آمده از آزمایش هاي قبلی ، روي 6 تنظیم گردید. محلول ها بر روي همزن با سرعت 150 دور در دقیقه و به مدت 15 ، 30 ، 45 ، 60 ، 90 ، 120 ، 150 و 180 دقیقه قرار گرفتند. بعد از زمان هاي سپري شده ، نمونه ها به ترتیب از روي همزن برداشته شد و با استفاده از قیف شیشه اي و کاغذ صافی واتمن ، نمونه ها را در قوطی هاي پلاستیکی که قبلا کاملا شسته شده بود ، ریخته و بلافاصله براي اندازه گیري مقدار فورفورال در محلول اقدام گردید.

٣

13th Iranian National Chemical Engineering Congress & 1st International Regional Chemical and Petroleum Engineering

Kermanshah, Iran, 25-28 October, 2010

مقدار ظرفیت جذب تعادلی فورفورال و راندمان حذف به ترتیب زیر محاسبه شدند:

(mg/l) C0غلظت اولیه فوفورال ،(C0(mg/l غلظت تعادلی فوفورال پس از رسیدن به تعادل ، V(L) حجم محلول ،(M(g

جرم خاك اره خشک می باشد.

-4 -2 تعیین بهترین دوز جاذب

تعداد سه ارلن انتخاب شده و پس شستشو با آب شهري و آب بدون یون 500 میلی لیتر از محلول فورفورال با غلظت 250 میلی گرم در لیتر در آن ریخته شده و به هریک از ارلن ها به ترتیب 1 ، 5 و 10 گرم خاك اره ریخته وPH محلول با توجه به آزمایش هاي قبلی ، روي 6 تنظیم گردید. محلول ها بر روي همزن با سرعت 150 دور در دقیقه و به مدت 15 ، 30 ، 45، 60و 120 دقیقه قرار گرفتند.( زمان تعادل بدست آمده از مرحله قبل)
بعد از زمان هاي سپري شده ، نمونه ها به ترتیب از روي همزن برداشته شد و با استفاده از قیف شیشه اي وکاغذ صافی واتمن ، نمونه ها را در قوطی هاي پلاستیکی که قبلا کاملا شسته شده بود ، ریخته و بلافاصله براي اندازه گیري مقدار فورفورال در محلول اقدام گردید.

-5-2 ایزوترمهاي جذب

ایزوترم جذب مرحله اولیه تعیین امکان سنجی فرآیند جذب میباشد و براي آنالیز و طراحی سیستم جذب مفید می باشد.مدل لانگمیر طبق زیر تعریف میشود:

که qe ظرفیت جذب فلز به ازاي واحد وزن جاذب q m , (mg/g) ظرفیت جذب اشباع یا ماکزیمم را براي جذب تک لایه اي K L , (mg/g) ثابت مربوط به کشش بین جاذب و جذب شونده یا ثابت لانگمیر((L/mg و Ce غلظت تعادلی یونها (mg/L)
میباشد.

ثوابت q m و K L از نمودار خطی معادله زیر بدست می آید:

معادله لانگمیر بر اساس این فرضیات شکل گرفته است : ماکزیمم جذب وقتی اتفاق می افتد که یک لایه ازمولکولهاي حل شونده روي سطح جاذب جذب شود .انرژي جذب ثابت است و هیچ نوع نقل مکان از مولکولهاي جذب شونده در سطح وجود ندارد. ثوابت K L وm ازq برازش کردن دیتاهاي آزمایشگاهی با ایزوترم لانگمیر بدست می آیند.

ایزوترم فرندلیچ فرم زیر را دارد:

فرم خطی معادله زیر به شکل زیر است:

٤

13th Iranian National Chemical Engineering Congress & 1st International Regional Chemical and Petroleum Engineering

Kermanshah, Iran, 25-28 October, 2010 qe ظرفیت جذب فلز به ازاي واحد وزن جاذب Ce , (mg/g) غلظت تعادلی یونها Kf , (mg/L) ثابت فرندلیچ , (mg/g)

n هم ثابت تجربی که شدت جذب را نشان میدهد((L/mg میباشند. مقدارKf و n با کشیدن نمودار بین Ln Ce و qe Ln به دست می آیند.
ایزوترم تمکین نیز به فرم زیر می باشد:

با خطی کردن آن به صورت زیر در می اید:

B=RT/b به گرماي جذب فرآیند مرتبط است.

ضریب رگرسیون نمودار R2 ،هرچه به مقدار یک نزدیک باشد نشان دهنده اینست که دیتاهاي آزمایشی به طور خیلی خوبی ایزوترم را برازش می کنند و هرچه به مقدار صفر نزدیک تر باشد ، یعنی این ایزوترم براي این دیتاها مناسب نمی باشد. بنابراین معادله اي که مقدار ماکزیمم ضریب رگرسیون را ارائه دهد بهترین معادله برازش کننده دیتاها می باشد.

-3 بحث و نتایج:

در این تحقیق پس از برپا کردن سیستم آزمایشگاهی ، ابتدا تاثیر پارامترهاي pH محلول، دوز جاذب، غلظت اولیه فورفورال و اثر زمان تماس و سپس تطابق نتایج حاصله با ایزوترمهاي تعادلی جذب بررسی گردید.

-3-1 اثر pH

pH محیطی که فرایند جذب در آن صورت می گیرد با تاثیر گذاشتن روي بار سطحی جاذب و درجه یونیزاسیون جذب شونده ، تاثیر زیادي روي میزان جذب دارد. تحقیقات انجام شده توسط سایر محققین نشان داده است که pH بهینه جذب ، بین 5 تا 8 متغیر است. [ 7] به همین دلیل ، محدوده pH مورد بررسی در این تحقیق بین 4 تا 8 انتخاب و آزمایش هاي جذب انجام شد. تنظیم pH با استفاده از اسید سولفوریک 0/025 نرمال و هیدروکسید سدیم 0/025 نرمال انجام شد.

اثرpH بر روي راندمان جذب فورفورال توسط خاك اره در شکل 1 نشان داده شده است.

90
80
ph=4 70
ph=5 60 اندمانر
ph=6 50

ph=7 40 (%)
ph=8 30

20
10
0
200 150 100 50 0

زمان ( min )

شکل -1 تاثیر ph بر راندمان جذب فورفورال با استفاده از خاك اره

٥

13th Iranian National Chemical Engineering Congress & 1st International Regional Chemical and Petroleum Engineering

Kermanshah, Iran, 25-28 October, 2010

حداقل راندمان جذب در pH=4 اتفاق می افتد. راندمان جذب در pH=4 برابر 60/6 درصد می باشد. با افزایش تدریجی pH،

راندمان جذب نیز افزایش می یابد به طوري که در pH=6 ، راندمان جذب فورفورال به 84/5 درصد می رسد. در pH=7 راندمان

کمتر شده است به طوریکه راندمان جذب برابر با 81/6 درصد می باشد و در pH=8 راندمان بدینجذب برابر 80/7 می باشد.

ترتیب با افزایش pH میزان راندمان جذب افزایش و دوباره کاهش پیدا کرده است. در pH=6 ماکزیمم مقدار جذب براي

فورفورال مشاهده شدهشکلاست. ( 1و(2