بخشی از مقاله
چکیده
یکی از منابع مهم آلاینده محیط زیست، پساب های تولیدی از کارخانه های تولید کننده و مصرف کننده رنگ است. تکنیک های بسیاری برای حذف رنگ از پساب های رنگی صنعتی توسعه یافته است که می توان به روش هایی مانند جذب سطحی، تکنیک های فیزیکی -شیمیایی، بیولوژیکی، اکسیداسیون پیشرفته و تخریب الکتروشیمیایی اشاره کرد. فرآیند اکسیداسیون پیشرفته بر اساس توانایی بالای عملکرد رادیکال های هیدروکسیل عمل می کند. روش فنتون یکی از روشهای اکسیداسیون پیشرفته کارآمد برای تصفیه پساب های حاوی رنگ است. معرف فنتون - - H2O2/Fe2+ با تولید رادیکال های بسیار واکنش پذیر باعث تخریب و حذف رنگ های سنتزی می شود.
در این تحقیق، کارایی نانوکاتالیست اسپینل فریت کبالت - CoFe2O4 - در اکسیداسیون فنتون ناهمگن رنگزای متیل اورانژ بررسی شد. تاثیر سه پارامتر زمان، غلظت هیدروژن پراکسید و مقدار کاتالیزور بر روی حذف رنگ مورد مطالعه قرار گرفت. برای بهینه سازی راندمان تخریب رنگ از روش سطح پاسخ بر اساس طراحی Box-Behnken با سه متغیر و سه سطح استفاده شد. شرایط بهینه برای حذف رنگ متیل اورانژ با غلظت 50 میلی گرم بر لیتر در زمان 85/94 دقیقه، با غلظت هیدروژن پراکسید 97/19 میلی مولار و مقدار کاتالیزور 39/47 میلی گرم بدست آمد. نتایج نشان می دهد که با اکسیداسیون پیشرفته فنتون ناهمگن با نانوکاتالیست سنتز شده بیش از %67 حذف رنگ می تواند تخریب شود.
مقدمه
امروزه نگرانی های بسیاری در مورد پساب های حاوی مواد رنگزای صنایع نساجی و دیگر صنایع تولید رنگ وجود دارد1]،.[2متیل اورانژ - - MO از گروه رنگ های آزو است که به طور گسترده در صنایع نساجی، کاغذ و مواد شیمیایی صنعتی به کاربرده می شود. درشکل1 ساختار شیمیایی متیل اورانژ نمایش داده شده است.[3] متیل اورانژ و رنگ های مشابه آن به دلیل سمیت و سرطان زا بودن، تهدیدی جدی برای سلامت بشر و زندگی آبزیان به حساب می آیند.
این رنگها با روش های فیزیکی مثل انعقاد و لخته سازی، و جذب سطحی قابل حذف هستند اما در این روش ها فقط از فازی به فاز دیگر انتقال می یابند. بنابراین روش های مؤثرتری برای حذف آن ها باید مورد استفاده قرار گیرد. امروزه تکنیک های بسیاری برای حذف رنگ از پساب های صنعتی توسعه یافته است که از آن جمله می توان به روش هایی مانند جذب سطحی، تکنیک های فیزیکی-شیمیایی، بیولوژیکی، اکسیداسیون پیشرفته و تخریب الکتروشیمیایی اشاره کرد.
[4] فرآیند اکسیداسیون پیشرفته براساس تولید رادیکال های آزاد هیدروکسیل تعریف می شود. به وسیله این رادیکال ها، مواد آلی الاینده تخریب و به مولکول های ساده تری مانند آب و دی اکسید کربن تبدیل می شوند. یکی از روش های فرآیند اکسیداسیون پیشرفته، اکسیداسیون فنتون است که در یک محلول آبی با واکنش بین یون های آهن و هیدروژن پراکسید به عنوان یک اکسیدکننده قوی، تعداد زیادی رادیکال هیدروکسیل - - OH• تولید می شود. از آنجا که روش فنتون همگن دارای معایبی مانند حضور آهن در پساب تصفیه شده بیش از اندازه مجاز تخلیه است، امروزه استفاده از روش فنتون ناهمگن با استفاده از فریت های مغناطیسی مورد توجه قرار گرفته است. آهن موجود در مگنتیت که به تولید رادیکالهای هیدروکسیل کمک می کند به صورت محلول نمی باشد. همچنین وجود سایر فلزات نظیر کبالت سبب تقویت تجزیه هیدروژن پراکسید می شود.
هدف از این تحقیق، بررسی رنگبری پساب حاوی ماده رنگزای متیل اورانژ با استفاده از نانوکاتالیست در حضور هیدروژن پراکسید می باشد. محلول رنگی حاوی متیل اورانژ به عنوان یک نمونه پساب رنگی برای آزمایشات اولیه انتخاب شد. نتایج این تحقیق میتواند برای تصفیه پساب های حاوی رنگ واقعی نیز مورد استفاده قرار گیرد. اثر پارامترهای عملیاتی موثر بر حذف رنگ، نظیر زمان تماس، غلظت هیدروژن پراکسید و مقدار کاتالیزور با استفاده از روش بهینه سازی سطح پاسخ در این مقاله مورد بحث و بررسی قرار میگیرد.
بخش تجربی
.1 سنتز نانوکاتالیست: برای سنتز نانوکاتالیست فریت کبالت، 2/70 گرم نمک FeCl3.6H2O و 1/19 گرم نمک CoCl2.6H2O در 80 میلی لیتر آب مقطر حل و به مدت یک ساعت بر روی هیتر با دمای حدود 80 درجه سانتی گراد قرار داده شد. سپس به آن محلول 3 مولار NaOH اضافه شد تا pH محلول به 12 برسد. پس از آن 3 قطره اولئیک اسید به عنوان سورفکتانت اضافه و به مدت 3 ساعت در دمای 80 درجه سانتی گراد برروی هیتر قرار داده شد. پس از آن با آب و سپس اتانول شستشو داده شد تا pH آن خنثی شود. رسوب بدست آمده به مدت 24 ساعت درون آون با دمای 70 درجه سانتی گراد قرار گرفت تا کاملا خشک شود. سپس به مدت 4 ساعت در کوره با دمای 200 درجه سانتی گراد قرار داده شد. رسوب بدست آمده، نانوکاتالیست CoFe2O4 است.
2. انجام فرآیند اکسیداسیون فنتون: 100 میلی لیتر از محلول رنگی 50 میلی گرم بر لیتر متیل اورانژ در یک بشر 100 میلی لیتری ریخته شد. سپس با محلول رقیق HCl، pH محلول برروی3 تنظیم شد. پس از آن، طبق طراحی پاسخ سطح تعیین شده، هر یک از شرایط مورد بررسی قرار گرفت. محلول بدست آمده پس از حذف سانتریفیوژ شد. سپس به وسیله دستگاه اسپکتروفتومتر جذب آن در طول موج ماکزیمم متیل اورانژ 464 - نانومتر - مورد اندازه گیری قرار گرفت.
3. اندازه گیری حذف رنگ: با استفاده از معادله زیر درصد حذف رنگ محاسبه شد: - 5 - = درصد حذف رنگ Ao جذب نمونه قبل از انجام آزمایش و A جذب نمونه بعد از انجام آزمایش می باشد. جذب هر نمونه در طول موج ماکزیمم متیل اورانژ 464 - نانومتر - اندازه گیری شد.
.5 مدلسازی و بهینه سازی حذف رنگ: برای مدلسازی و بهینه سازی حذف رنگ از روش سطح پاسخ با طراحی Box-Behnken - BBD - استفاده شد. روش های طراحی Box-Behnken و مرکب مرکزی - - CCD دو طراحی متداول روش سطح پاسخ هستند. اما روشBBD دارای مزایایی از جمله تعداد کمتر آزمایشات، کارایی بیشتر و صحت بالاتر می باشد.[5] متغیرهای مستقل در این مطالعه زمان، غلظت هیدروژن پراکسید æ مقدار کاتالیزور بودند که در محدوده 10 تا 120 دقیقه برای زمان، 9/79 تا 97/9 میلی مولار برای غلظت هیدروژن پراکسید æ 5 تا 50 میلی گرم برای کاتالیست مورد آنالیز قرار گرفتند.
نتایج و بحث
شناسایی کاتالیست: طیف FT-IR کاتالیست سنتز شده با روش ترسیب همزمان در شکل 2 نمایش داده شده است. پیک مشخص شده در ناحیه 606 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی Fe–O در سایت های چهارضلعی است. پیک مربوط به پیوند ارتعاشی Co–O در این طیف قابل مشاهده نیست زیرا در نواحی زیر 400 cm-1 مشاهده شده است. پیک های قوی در ناحیه 1624 cm-1 و 3411 cm-1 به ارتعاش های مولکول های آب جذب شده - –OH - بر روی سطح نسبت داده می شود.
مدلسازی و آنالیز آماری: تطبیق داده های تجربی بدست آمده به مدلهای مختلف و آنالیز واریانس نشان میدهد که بهترین مدل برای حذف رنگ مدل درجه دوم با معادله زیر می باشد: A، B وC به ترتیب مقدار کاتالیست، زمان و غلظت هیدروژن پراکسید می باشند. ضریب تعیین - R2 - مدل بدست آمده 0/9465 می باشد. تطابق داده های حذف رنگ تجربی و پیشگویی شده با مدل در شکل 3 آمده است. نتایج نشان می دهد هر سه متغیر انتخاب شده دارای اثر معنی دار بر حذف رنگ می باشند.
تاثیر پارامترهای واکنش: تمام آزمایشات در pH ثابت 3 انجام شدکه در آزمایشات اولیه قبل از طراحی بدست آمده بود. نتایج حاصل از تاثیر زمان تماس و مقدار کاتالیست بر میزان حذف رنگ در شکل 4 آمده است. مطابق نمودار در زمان های پایین افزایش کاتالیست تاثیر چندانی ندارد. اما در زمان های بالا با افزایش کاتالیست حذف رنگ تا مقدار بهینه افزایش و بعد کاهش می یابد. در زمان های بالا به دلیل فرصت کافی برای تولید رادیکال های آزاد با افزایش مقدار کاتالیزور و در نتیجه افزایش سایت های فعال برای انجام واکنش تخریب، راندمان حذف تا مقدار بهینه افزایش می یابد. کاهش راندمان بعد از زمان بهینه می تواند به دلیل اشباع شدن سایت های فعال کاتالیزور باشد.
