بخشی از مقاله
چکیده: در کار پژوهشی حاضر، کارایی فرآیند ازوناسیون کاتالیستی ناهمگن در حضور نانوکاتالیست آهندار طبیعی مانند مارتیت جهت حذف جلبک Oocystis موجود در آب مورد بررسی قرار گرفت. به منظور کاهش اندازهی ذرات مارتیت طبیعی در حد نانو از روش آسیاب گلولهای سیارهای پرانرژی استفاده شد. جهت شناسایی خواص شیمیایی و فیزیکی کاتالیست قبل و بعد از بکارگیری آسیاب گلولهای سیارهای از آنالیزهای SEM و XRD استفاده گردید.
جهت حصول بیشترین راندمان حذف جلبک تاثیر پارامترهای عملیاتی از جمله شدت جریان گاز ازون ورودی به محلول، pH اولیه، غلظت اولیه جلبکها، غلظت کاتالیست و اندازهی ذرات کاتالیست در فرآیند ازوناسیون کاتالیستی ناهمگن مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که راندمان حذف جلبک Oocystis در مدت20 دقیقه از فرآیند ازوناسیون کاتالیستی، در حضور مارتیت طبیعی و مارتیت نانو ساختار به ترتیب % 66/66 و 100% بود.
مقدمه
در منابع آبی و فاضلابها، وجود مواد غذایی نظیر ازت، فسفر، نور خورشید و دمای مناسب، منجر به رشد جلبکها می-گردد. این امر میتواند با توجه به شدت، فراوانی و نوع جلبک رشد یافته تبدیل به یک نگرانی زیست محیطی بزرگ گردد. لذا به منظور کاهش اثرات زیست محیطی شکوفایی جلبکها حذف این نوع میکروارگانیسمها از آبهای آلوده از اهمیت بالایی برخوردار است. در سالهای اخیر استفاده از فرآیندهای اکسایش پیشرفته جهت حذف موثر جلبکها و سموم تولید شده آنها بطور قابل ملاحظهای افزایش یافتهاند .[1] فرآیند ازوناسیون کاتالیستی به عنوان یکی از روشهای اکسایش پیشرفته، به دلیل تولید رادیکالهای فعال با قدرت اکسید کنندگی بالا و عدم ورود آلایندههای جدید به محیط آبی بیشتر مورد نظر قرار گرفته است .[2]
فرآیند ازوناسیون کاتالیستی به دو صورت همگن و ناهمگن انجام میگیرد، اما به دلیل وجود محدودیت در جداسازی کاتالیست و بازیابی آن از محیط واکنش استفاده از روش همگن کمتر مورد توجه قرار گرفته است .[3] کاتالیستهای ناهمگن به دو نوع کاتالیستهای سنتزی و کاتالیستهای طبیعی تقسیمبندی میشوند. کاتالیستهای طبیعی از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه میباشند. . از بین کاتالیستهای طبیعی، اکسیدهای آهن از جمله مگنتیت - Fe3O4 - ، مگهمیت - γ-Fe2O3 - ، مارتیت - Fe2O3 - ، هماتیت - α-Fe2O3 - ، گوتیت - FeOOH - ، پیریت - FeS2 - ، پیروتیت - Fe7S8 - ، وستیت - FeO - ، گریگیت - α-FeOOH - و لپیدوکروسیت - γ-FeOOH - به وفور در طبیعت یافت میشوند.
[4] مارتیت به دلیل فراوانی بالا در ایران و ارزان قیمت بودن می-تواند در فرآیند ازوناسیون کاتالیستی بعنوان کاتالیست ناهمگن طبیعی استفاده شود، اما به دلیل دارا بودن مساحت سطح محدود استفاده از این کاتالیست را محدود کرده است. با کاهش ابعاد کاتالیست و تبدیل آن به نانو ذرات مربوطه، مساحت سطح افزایش و به تبع آن راندمان کاتالیست در فرآیند ازوناسیون افزایش مییابد .[5] در سالهای اخیر آسیاب گلولهای سیارهای پر انرژی به عنوان یکی از روشهای مطلوب در تهیهی نانو مواد می-باشد.
سادگی فرآیند، مقرون به صرفه بودن آن و تولید مقدار زیادی از نانو مواد در دمای محیط و در مدت زمان کوتاهی از فرآیند، از جمله مزیتهای این روش محسوب شده و استفاده از این روش را نسبت به سایر روشهای تهیهی نانو مواد بیشتر مورد توجه قرار داده است. در این کار پژوهشی به منظور کاهش اندازه-ی ذرات مارتیت طبیعی در حد نانو از روش آسیاب گلولهای سیارهای پرانرژی استفاده شد.
در این راستا، نانوساختارهای مارتیت در مدت زمانهای مختلف با استفاده از آسیاب گلولهای سیارهای پر انرژی تولید شد و جهت حصول بیشترین راندمان حذف جلبک در فرآیند ازوناسیون کاتالیستی مورد استفاده قرار گرفت. سپس تاثیر پارامترهای عملیاتی مختلف در فرآیند مذکور مورد مطالعه قرار گرفت. جهت شناسایی خواص شیمیایی و فیزیکی نمونهها قبل و بعد از بکارگیری آسیاب گلولهای سیارهای از آنالیزهای SEM و XRD استفاده شد.
بخش تجربی
نمونهی آبی حاوی جلبک Oocystis با استفاده از محیط کشت Beijerinck در ارلنهای 500 میلیلیتری،کشت داده شد .[6] در هر آزمایش 25 میلیلیتر از نمونه کشت داده شده برداشته و در یک بالن 250 میلی لیتر ریخته شد سپس این محلول با 0/25 g از نانو ذرات مارتیت توزین شده به حجم رسانده شد. در ادامه از محلول 250 میلیلیتری در فرآیند ازوناسیون کاتالیستی استفاده گردید. سپس تعداد جلبکها قبل و بعد از فرآیند با استفاده از لام هموسیتومتر شمارش گردید. پس از شمارش تعداد جلبکها، راندمان حذف با استفاده از روشهای ارائه شده در منابع محاسبه گردید .[2] برای تعیین مشخصات نانو کاتالیست تهیه شده، از آنالیزهای SEM و XRD بهره گرفته شده است.
نتایج و بحث
مشخصات نانو ذرات مارتیت
برای تشخیص مورفولوژی نانو ذرات مارتیت، تصاویر SEM تهیه شدهاست. شکل - 1 - و - 2 - نمونهای از تصاویر SEM مارتیت طبیعی و نانوذرات حاصل از آسیاب گلولهای سیارهی را نمایش میدهند. نانوذرات مارتیت به طور مشخصی قابل مشاهده میباشد. همچنین بیشترین فراوانی اندازه ذرات مارتیت بعد از آسیاب کردن محاسبه گردید که طبق نتایج به دست آمده فراوانی آن با توجه به شکل 3 به محدودهی 30 الی 60 نانومتر رسیده است.
فرآیند ازوناسیون کاتالیستی ناهمگن
مارتیت نانو ساختار بدست آمده در فرآیند ازوناسیون کاتالیستی استفاده شد و سپس کارایی آن با مارتیت طبیعی مقایسه گردید. در این مقایسه مشاهده شد که در شرایط یکسان درصد حذف جلبک Oocystis در حضور مارتیت طبیعی - % - 66/66 بود، در حالی که در حضور نانو ساختار مارتیت راندمان حذف به - 100% - رسید - شکل . - 5 نتایج نشان دهندهی کارایی بالای فرآیند ازوناسیون کاتالیستی در حضور نانو ذرات مارتیت میباشد.
شکل -3 نمودار فراوانی اندازهی ذرات مارتیت آسیاب شده به مدت 6 ساعت شکل 4 نمودار XRD کاتالیست مارتیت را نشان میدهد. بررسی نتایج نشان میدهد. ارتفاع پیکهای پراش در طیف XRD نمونهها نشان دهندهی ساختار بلورین بالایی هستند. برطبق معادله-ی دبای-شرر با استفاده از تیزترین پیک - 2 =35/5 - اندازه متوسط کریستالهای مارتیت طبیعی و مارتیت آسیاب شده به مدت 2، 4 و 6 ساعت به ترتیب 21/1، 13/6، 10/3 و 9/7 نانو متر میباشد. این امر نشان میدهد که اندازهی ذرات برای مارتیت آسیاب شده به مدت 6 ساعت کمتر میباشد.
شکل -4 الگوی XRD مارتیت - a قبل از آسیاب، b بعد از 2 ساعت آسیاب، c بعد از 4 ساعت آسیاب و d بعد از 6 ساعت آسیاب - شکل -5 نمودار مقایسهای راندمان حذف جلبک Oocystis در حضور مارتیت آسیاب نشده و آسیاب شده به مدت 6 ساعت شرایط آزمایش: غلظت کاتالیست 1 گرم بر لیتر ، pH = 8/5، شدت جریان گاز ازون ورودی 3 L/h، غلظت جلبک .8/5×106cells/mL Oocystis همچنین اثر هم افزایی فرآیند ازوناسیون کاتالیستی در حضور نانوذرات مارتیت در شکل 6 نشان داده شده است.
به دلیل وجود سایتهای فعال زیاد بر روی سطح نانوذرات مارتیت باعث تخریب تعداد زیادی از مولکولهای ازون به رادیکالهای هیدروکسیل با پتانسیل اکسایشی بالا میگردند. در نتیجه طبق نتایج به دست آمده، فرآیند ازوناسیون کاتالیستی در حضور نانو ذرات مارتیت راندمان حذف بالایی در مقایسه با مجموع فرآیند ازوناسیون منفرد و فرآیند جذب سطحی بر روی کاتالیست نشان میدهد. این امر نشانگر وجود اثر هم افزایی فرآیند ازوناسیون کاتالیستی میباشد. تست کنترل در شکل6، مجموع نتایج به دست آمده در هر یک از فرآیندهای منفرد جذب سطحی و ازوناسیون را نشان میدهد.
