بخشی از مقاله
خلاصه :
در این کار با استفاده از نانو ذرات اکسید روی تخریب فتوکاتالیستی آمونیاک تحت تابش نور مرئی مورد بررسی قرار گرفته است. نانو ذرات اکسید روی با روش رسوبی سنتز شده و سپس به عنوان فتوکاتالیست مورد استفاده قرار گرفته است. فعالیت فتوکاتالیستی کاتالیزور آماده شده برای تخریب آمونیاک با انجام آزمایشاتی مورد بررسی قرار داده شده و نتایج آزمایشات نشان داده که نانو ذرات اکسید روی آماده شده فعالیت فتوکاتالیستی بسیار خوبی برای حذف آمونیاک در شرایط مطلوب دارند. شرایط مطلوب واکنش غلظت 160 mg/l ، میزان کاتالیست مصرفی0/5 g/l0و مدت زمان تابش نور مرِئی 180min است که در این شرایط میزان حذف 79٪ حاصل شده است. سنیتیک واکنش مورد بررسی قرار گرفته و مرتبه دوم است. آنالیزهای FTIR ، XRD و SEM برای تجزیه و تحلیل فتوکاتالیست آماده شده مورد استفاده قرار گرفته است.
.1 مقدمه:
آمونیاک ماده ای مناسب و کاربردی در کارخانه های صنعتی می باشد اما اگر در مقادیر بیش از حد به رودخانه ها وارد شود اثرات قابل توجهی در سلامت انسان و ماهی ها دارد. [1] آمونیاک مهم ترین آلاینده حاوی نیتروژن است که با سرعت بخشیدن به اتروفیکاسیون باعث افزایش رشد جلبک ها و در نتیجه افزایش سمیت در زندگی آبزیان می شود. هم چنین با کاهش اکسیژن محلول در آب بازده ضدعفونی کننده کلر را کاهش می دهد. . [2] زمانیکه میزان آمونیاک در آب و هوا افزایش می یابد باعث بعضی از مشکلات زیست محیطی می شود. خطر وجود آمونیاک در آب بسیار جدی می باشد و در غلظت های بالا اثرات قابل توجهی بر گیاهان و حیوانات و زندگی انسان ها دارد. [3]
مطالعات اخیر نشان داده است که فتوکاتالیست ها پتانسیل بالایی در تصفیه پساب دارند. نیمه هادی های مختلفی برای حذف آلاینده ها مورد استفاده قرار گرفته اند در بین آنها دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی با باند گپ یکسان - 3/2 ev - بطور گسترده بعنوان فتوکاتالیست استفاده شده اند. [3] اخیرا فرایندهای فتوکاتالیستی بسیاری از محدودیت ها را از بین برده اند و بعنوان یک روش تصفیه موثر شناخته شده اند. یکی از مزایای این روش تولید H2O و CO2 می باشد که محصولاتی بی خطر و سازگار با محیط زیست هستند. [4]
اکسید روی نیمه رسانایی با گاف انرژی گسترده - 3-3/8 ev - می باشد که دارای کاربردهای ویژه ای در پمادهای سوختگی، کرم های ضد آفتاب و هم چنین به عنوان جذب کننده قوی پرتوی UV در ساخت ترانزیستور ها و به عنوان کاتالیست در فرآیند های فتوکاتالیستی و به عنوان رنگدانه برای تهیه رنگ و روکش های ضد خوردگی می باشد. [2] در مطالعات قبلی حذف آلاینده آمونیاک از پساب با نانو فتوکاتالیست های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
از میان مطالعات انجام شده حذف آمونیاک از پساب با استفاده از فتوکاتالیست اکسید روی تثبیت شده بر روی پایه های لیکا و همچنین فتوکاتالیست TiO2/ZnO بر روی پایه های لیکا توسط شریف نیا و همکاران مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج جاصل نشان داده است که با استفاده از فتوکاتالیست اکسید روی تثبیت شده بر روی پایه های لیکا در مدت زمان 150 دقیقه تابش نور UV میزان حذفی برابر با %57 حاصل شده است. همچنین با استفاده از فتوکاتالیست TiO2/ZnO بر روی پایه های لیکا در شرایط بهینه واکنش یعنی pH= 11 و میزان کاتالیست مضرفی 25 گرم بر لیتر تحت تابش نور UV میزان حذفی برابر با 92/5٪ حاصل شده است.
در مطالعه حاضر تاثیر پارامترهای مختلفی همچون pH ، غلظت اولیه آمونیاک، میزان کاتالیست مصرفی و مدت زمان تابش نور مرئی مورد بررسی قرار گرفته است. محدوده پارامترها بصورت pH = 4-12 ، غلظت اولیه آمونیاک -160 25 میلی گرم بر لیتر، میزان کاتالیست مصرفی 0/5- 3 گرم بر لیتر و مدت زمان تابش نور مرئی 30-240 دقیقه در نظر گرفته شده است و در شرایط بهینه pH=12 ،غلظت اولیه آمونیاک 160 میلی گرم بر لیتر، میزان کاتالیست مضرفی 0/5 گرم بر لیتر و مدت زمان تابش نور مرئی 180 دقیقه میزان حذفی برابر با 79٪ حاصل شده است.
.2.1 مواد
تمام مواد شیمیایی استفاده شده از جمله نیترات روی ، سدیم کربنات، سدیم هیدروکسید ، هیدروکلریک اسید، اتانول و آمونیوم کلرید از شرکت مرک آلمان خریداری شده است.
.2.2 آماده سازی و تعیین مشخصات کاتالیست :
سنتز نانو ذرات اکسید روی
برای سنتز نانو ذرات اکسید روی از روش رسوبی استفاده شده است. 200 میلی لیتر محلول 0/1 مول بر لیتر - مولار - نیترات روی به آرامی و بصورت قطره قطره به 240 میلی لیتر محلول 0/1 مول بر لیتر - مولار - سدیم کربنات - نسبت مولی - 1/2 :1 افزوده شده و پس از افزودن، رسوب تشکیل شده است . رسوب حاصل با فیلتراسیون جمع آوری شده و برای حذف ناخالصی ها چندین بار با محلول آب - اتانول خالص شستشو داده شده و سپس به مدت 6 ساعت در دمای 100 درجه سانتیگراد خشک شده است. در نهایت پودر جاصل برای گلسینه شدن به مدت 2 ساعت در کوره با دمای 350 درجه سانتیگراد قرار داده شده و بدین ترتیب نانو ذرات اکسید روی حاصل شده است.
افزودن نیترات روی به سدیم کربنات و تشکیل رسوب
جمع آوری رسوب حاصل و چندین بار شستشو با محلول آب و اتانول خالص
خشک کردن رسوب در دمای 100 درجه سانتیگراد به مدت6 ساعت و کلسیناسیون در دمای 350 درجه سانتیگراد به مدت2 ساعت
.3.2 رآکتور
در مطالعه حاضر یک راکتور فتوکاتالیستی ناپیوسته از جنس کوارتز و حجم داخلی یک و نیم لیتر برای تخریب فتوکاتالیستی آمونیاک از پساب مورد استفاده قرار گرفته است. نور لازم برای انجام واکنش فتوکاتالیستی در سیستم توسط یک لامپ زنون با قدرت 55 وات که در بالای سر محفظه ودر مرکز راکتور قرار داشت تامین شده است. به منظور جلوگیری از تداخل نور بیرون با نور لامپ، کل سیستم با استفاده از یک لایه آلومینیوم پوشیده شده است.
مقدار 0/5 گرم کاتالیست اکسید روی بر روی یک لیتر محلول ریخته شده و سپس محلول حاصل درون رآکتور ریخته شده است . ابتدا رآکتور به مدت 30 دقیقه در تاریکی و سپس به مدت 240 دقیقه در معرض نور مرئی قرار گرفته است. هوا توسط یک پمپ هوادهی و از پایین رآکتور توسط دو لوله به محلول وارد شده و بدین صورت اکسیژن مورد نیاز واکنش تامین شده است . راکتور فاقد همزن بوده و عمل اختلاط نیز توسط پمپ هوا انجام شده است. دما در مدت زمان واکنش کنترل و تمامی آزمایش ها در دمای 25 درجه سانتیگراد انجام شده است. کنترل دما با گردش آب در اطراف محفظه واکنش صورت پذیرفته است. مدت زمان تابش 240 دقیقه بوده و نمونه گیری در مدت زمان های 30 دقیقه ای و از طریق لوله خروجی در پایین راکتور انجام شده است. در شکل - 2 - شماتیک کلی راکتور مورد استفاده نشان داده شده است.
