بخشی از مقاله
چکیده: در این پژوهش تخریب رنگ اسید رد 73 با استفاده از نانوذرات کاتالیزور تیتانیوم دی اکسید در یک راکتور ناپیوسته انجام شد. تاثیر برخی از پارامترها نظیر: غلظت کاتالیزور، pH و غلظت اتانول اضافه شده بررسی شدند. محلول حاوی 50 میلیگرم بر لیتر از رنگ، که به اندازه غلظت پساب واقعی صنعتی میباشد، در شرایط pH طبیعی برابر با 6/1 و غلظت کاتالیزور 1 گرم بر لیتر در مدت 210 دقیقه تابش کاملا رنگ زدایی شد. رابطه بین غلظت کاتالیزور با سرعت تخریب رنگ به شکل به دست آمد. مشخص شد که هر دو عامل رادیکالهای هیدروکسیل و الکترون/حفره نقش مهمی در تخریب رنگ دارند. بهترین pH برای تخریب فتوکاتالیزوری برابر با 9 بود و میزان انرژی مصرفی در تمامی pH های ا عمالی محاسبه شد.
مقدمه
در سالهای اخیر، نگرانی های زیست محیطی در مورد آلودگی و کاهش منابع آب، از عمده ترین چالش های بشر محسوب میشوند. رنگها یکی از بزرگترین گروههای آلاینده پسابهای نساجی و سایر فرآیندهای صنعتی هستند. با توجه به اثرات سوء رنگهای آلی بر سلامت انسان، فن آوریهای متعددی برای تصفیه پساب رنگی به کار گرفته شده است .[1] اکسیداسیون فوتوکاتالیزوری یکی از تکنیکهای مؤثر و شناخته شده برای کاهش اثرات منفی آلاینده های محیط زیست محسوب میشود.
فرآیند فوتوکاتالیزوری شامل تسریع یک واکنش شیمیایی در حضور موادی به نام فوتوکاتالیزور است، که میتوانند نور کوانتایی با طول موج مناسب را ، با توجه به ساختار نواری اوربیتالهای خود، جذب نمایند. معمولاً نیمه هادیهایی مانند TiO2، ZnO، CdS و غیره به علت شکاف نواری نازک و ساختار الکترونی متمایز - نوار هدایت اشغال نشده و نوار ظرفیت اشغال شده - به عنوان فوتوکاتالیزور انتخاب می شوند .[2] در فوتوکاتالیزورهای نیمه هادی، الکترونها از نوار ظرفیت نیمه هادی به کمک نوری با بالاترین تطابق انرژی با شکاف نوار، به نوار هدایت برانگیخته میشوند که منجر به ایجاد جفت حفره مثبت - h+ - و الکترون - e- - میشود.
واکنشهای کاتالیزوری، بسته به حالت فیزیکی کاتالیزور به دو دسته همگن و ناهمگن طبقهبندی میشوند. در یک سیستم فوتوکاتالیزوری ناهمگن، واکنشها با تغییرات مولکولی ایجاد شده بوسیله تابش فرا بنفش در سطح کاتالیزور اتفاق میافتد. از میان کاتالیزورهای شناخته شده، به دلیل سرعت بالای انتقال الکترون به اکسیژن محلول، قیمت مناسب، عدم سمیت و سایر خصوصیات ویژه، دیاکسید تیتانیوم - TiO2 - کاتالیزور مناسبی در تجزیه آلایندههای موجود در آب میباشد .[3] در پژوهش پیش رو اکسیداسیون فتوکاتالیزوری رنگ Acid Red 73 - AR73 - در محیط آبی با استفاده از نانو کاتالیزور دی اکسید تیتانیوم بررسی شد و اثر عواملی مانند غلظت نانوذرات کاتالیزور، pH محیط و نسبت تخریب رنگ با رادیکال هیدروکسید یا جفت حفره مثبت - h+ - و الکترون - e- - مطالعه شدند.
بخش تجربی
از رنگ آزو به نام اسید رد - Acid Red 73 - 73 با فرمول بسته - C22H14N4Na2O7S2 - ساخت شرکت.S.D Fine Chemکشور هند استفاده شد. نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم مدل - Degussa - P25 در این تحقیق استفاده شد. هیدرو کلریدریک اسید و سود و اتانول مورد استفاده همگی از کمپانی Merck شهر بنگلور کشور هند تهیه شدند. از یک راکتور به شکل مکعب مستطیل رو باز با ابعاد، 27×21×4 سانتیمتر از جنس شیشه استفاده شد؛ ویژگی های کامل واکنشگاه بکار رفته جهت اجرای فرآیند تخریب AR73توسط فرآیند اکسایش فتو کاتالیزوری در تحقیق پیشین ذکر گردیده است .
[2] جهت فعال سازی نوری TiO2 از یک منبع تابش فرابنفش باتوان مصرفی 18 وات - Philips TUV PL-L - ساخت کشور هند استفاده گردید و این منبع تابش با فاصله 15 سانتیمتر از سطح محلول قرار گرفت. به منظور اجرای هر آزمایش، ابتدا محلولی با حجم یک لیتر از اسید رد 73 با غلظت و pH مشخص به درون واکنشگاه منتقل گشته و سپس کاتالیزور TiO2 با غلظت مشخص به محلول اضافه می گردید. واکنش گاه در دمای 26 درجه سانتی گراد - دمای محیط - قرار داشت، سپس منبع نور شروع به تابش کرده و در زمان های مختلف از محیط واکنشی نمونه برداری صورت می پذیرفت و ذرات کاتالیزور با استفاده از سانتریفیوژ جدا میگردید. غلظت باقی مانده از ماده AR73 توسط یک دستگاه اسپکتروفوتومتر UV-Vis مدل - Systronics 168 - ساخت کشور هند با اندازه گیری میزان جذب محلول آزمایشی در طول موج 480 نانومتر تعیین شده و از آن درصد بازده حذف رنگ محاسبه گردید.
برای محاسبه انرژی الکتریکی مورد نیاز جهت تصفیه رنگ - Electerical energy per order - و مقایسه جنبه های اقتصادی فرآیندهای تصفیه AR73 از رابطه شماره - 1 - استفاده شد .[4 EEO مقدار کیلو وات ساعت انرژی الکتریکی مصرفی برای یک مترمکعب آب آلوده، P توان منبع انرژی مورد استفاده بر حسب کیلو وات، V حجم آب مورد تصفیه بر حسب لیتر، t زمان تصفیه - دقیقه - ، Co و C غلظت اولیه و نهایی AR73 میباشند. مقدار انرژی EEO اینگونه ارزیابی می شود که هر چه مقدار آن کمتر باشد کارآیی سیستم تصفیه از نظر انرژی مورد نیاز بیشتر خواهد بود. لازم به ذکر است این فرمول زمانی استفاده می شود که راکتور بکار رفته ناپیوسته باشد و سرعت واکنش های تجزیه از درجه اول پیروی کند.
نتایج و بحث اثر میزان کاتالیزور
فرایند فوتولیز - تابش بدون کاتالیزور - بر روی AR73 ، در شرایط معمولی نمی تواند منجر به تجزیه این ماده به شکل موثری گردد؛ بطوریکه در مدت 210 دقیقه در حدود %6 پیشرفت در فرایند رنگ زدایی حاصل گردید. به منظور بررسی اثر مقادیر مختلف فوتوکاتالیزور در سرعت تبدیل AR73 محلول هایی با غلظت 50 mg/L ازماده رنگی و غلظت های مختلف از دی اکسید تیتانیم تهیه و سپس در معرض تابش نور فرا بنفش قرار داده شد. pH آغازی محلول ها برابر 6/1 بود که همان pH طبیعی محلول می باشد. در تمامی غلظتهای مورد استفاده از کاتالیزور معادله سرعت از مدل شبه درجه یک پیروی مناسبی داشت. نتایج در شکل 1 ارائه شده است.
همانگونه که در شکل 1 دیده میشود سرعت تخریب با افزایش غلظت کاتالیست تا 1 گرم بر لیترافزایش پیدا میکند؛ با افزایش غلظت فوتوکاتالیزور، مقدار رادیکال های هیدروکسیل تولید شده در محلول افزایش مییابد و همینطور جایگاههای بیشتری برای جذب سطحی رنگ روی سطح کاتالیست فراهم میگردد. پس از آن روند کاهشی ملایمی در سرعت تخریب مشاهده میشود؛ با توجه به میزان بالای ذرات فوتوکاتالیزور جامد به صورت سوسپانسیون، محلول کدر شده و مزاحمت در عملکرد نور ایجاد می شود.[2] برای پیدا کردن رابطه بین غلظت کاتالیست و سرعت تخریب رنگ از رابطه - - r [TiO ]n [dye] میتوان سود برد .[5] با توجه o 2 به داده های موجود در شکل شماره 2، ارتباط بین غلظت کاتالیزور و سرعت تخریب AR73 در غلظتهای کوچکتر از 1 گرم بر لیتر از کاتالیست را میتوان به شکل ro [TiO2 ]0.53 [ AR73] نمایش داد.
اثر pH محیط
با توجه به رابطه - 1 - میزان انرژی مصرفی برای تخریب آلاینده AR73 در شرایط عملیاتی pH مختلف محاسبه شد و نتایج در شکل 3 نمایش داده شده است. شکل-3 تاثیر pH بر انرژی مصرفی تخریب AR73 با غلظت اولیه 50 .mg/L همانگونه که از شکل فوق میتوان دریافت کمترین میزان مصرف انرژی برای تجزیه فتو کاتالیزوری AR73 در pH برابر با 9 حاصل میگردد؛ در این pH با توجه به غلظت مناسب از یون هیدروکسیل سرعت تشکیل رادیکالهای هیدروکسیل به عنوان عاملی مهم در تخریب رنگ بالا میرود.[3] بالاتر بردن pH محیط از این مقدار باعث میشود که رادیکالهای هیدروکسیل توسط یون
