بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با بررسی ساختارهای" چارچوب فلز-آلی"1 و در نظر گرفتنگافانرژی 2 مناسب و تخلخل بالا، ZIF-67 به عنوان کاتالیست مناسب به منظور حذف آلاینده انتخاب شد. در طراحی روش سنتز، بهینهسازی میزان بازده در الویت قرار گرفت و از متانول به عنوان حلال استفاده شد که بازده این روش بر اساس میزان نمک کبالت مصرفی به %76 رسید.بررسی ساختار کاتالیست سنتز شده بهوسیله تستهای شناسایی XRD و FE-SEM انجام شد. همچنین متیلنبلو به عنوان آلاینده مدل انتخاب و نقش دو عامل pH و میزان بارگذاری کاتالیست بررسی شد که در شرایط بهینه بازده حذف به %99 رسید.
کلمات کلیدی:فتوکاتالیست، چارچوب فلز-آلی، آلاینده آلی، تصفیه پساب
-1 مقدمه
آلودگی آب یکی از گستردهترین مشکلات جهانی است که به صورت مستقیم بر زندگی کلیه موجودات تاثیرگذار است. پسابهای بسیاری از صنایع و کارخانجات به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به منابع آبی تخلیه میشوند و ترکیبات سمی و خطرناک بسیاریبه منابع آبی راه مییابند.[1]یکی از خطرناکترین مواد، آلایندههای آلی و بهطور خاص رنگهای مصنوعی هستند که در صنایع نساجی، تولید کاغذ، صنایع غذایی، سموم کشاورزی و آزمایشگاهها مورد استفاده قرار میگیرند. حدود %15 از کلیه رنگهای تولید شده در جهان، از طریق استفادههای ذکر شده هدر رفته و به پساب راه مییابند.[2] یکی از پرکاربردترین رنگها در صنعت نساجی، رنگرزی و موارد آزمایشگاهی متیلن بلو بافرمول مولکولی است.در غلظتهای پایین - 2-4ppm - سبب کمخونی و مشکلات پوستی در نوزادان، در غلظت 7 ppm سبب تهوع، درد قفسه سینه و تب، در فلظت 20 ppm سبب افت فشار خون و در غلظت 80 ppm باعث تغییر رنگ پوست به آبی میشود.[3]
روشهای قدیمی تصفیه نظیر جذب، لخته سازی و غشاء از مشکل هزینه بالا و تولید آلایندههای ثانویه رنج میبرند. استفاده از خواص فتوکاتالیستی نیمه رساناها TiO2 - ، ZnO، CdS، GaP و - ZnS باعث کاهش موثر آلایندهها به آلایندههای زیستتخریبپذیر یا ترکیبات آلی با سمیت کمتر مانند CO2، H2O،میشود".[4]چارچوبهای فلز-آلی"دسته جدیدی از کریستالهای متخلخل هستند که با داشتن قدرت جذب بالا، ساختار اصلاحپذیر، خواص فتوکاتالیستی، قابلیت جداسازی و... توجه زیادی را در زمینه توسعه پایدار و بهبود مسائل زیستمحیطی به خود جلب کردهاند.[8-5] در این پژوهش ZIF-67به عنوان کاتالیست مورد نظر انتخاب و در حذف متیلنبلو مورد استفاده قرار گرفت که در ادامه نتایج آن گزارش میشود.
-2 بخش آزمایشگاهی
-1-2 سنتز کاتالیست
بهمنظور سنتز ZIF-67 محلولی از نمک کبالت و دومتیلایمیدازول در متانول به صورت جداگانه تهیه و پس از همخوردن، محلول حاوی فلز به آرامی به محلول دومتیلایمیدازول اضافه و تغییر رنگ به بنفش و شکلگیری کریستال به سرعت مشاهده شد. کریستالهای تشکیل شده با سانتریفیوژ جدا شدهوبهوسیله اتانولو آب شستشو داده شدند.ساختار تشکیل شده به مدت 24 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد بهمنظور خشک شدن و برای آماده سازی نهایی جهت انجام تستهای شناسایی به مدت 24 ساعت در آون خلاء با دمای 120 درجه سانتیگراد قرار گرفت.
-2-2 تجهیزات و دستگاهها
برای حصول اطمینان از تطابق ساختار سنتز شده با منابع مرجع،آزمون XRD توسط دستگاه EQUINOX3000 شرکت اینل و تحت پرتوی تابشی Cu-. با طول موج 0/15418 نانومتر و در ولتاژ و جریانی بهترتیب برابر با 40 کیلوولت و 30 میلیآمپر انجام گرفت. در اینراستا، با استفاده از دستگاه میکروسکوپ الکترونی TESCAN - FE-SEM - مدل MIRA3-XMU مورفولوژی سطح کاتالیست سنتز شده بررسی گردید.
-3-2 حذف فتوکاتالیستی
خاصیت فتوکاتالیستی ZIF-67 با بررسی میزان حذف متیلنبلو تحت تابش نور فرابنفش و در دمای اتاق ارزیابی شد. لامپهای ضدآب مستقیما درون 500ml پساب با غلظت 25ppm قرار گرفتند. قبل از شروع تابش، محلول به مدت 1 ساعت در محیط تاریک روی همزن قرار گرفت تا تعادل جذب-واجذب برقرار شود. همچنین بعد از شروع تابش نیز برای حفظ حالت سوسپانسیون محلول، هم زدن ادامه یافت. . در طول زمان تابش هر نیم ساعت از رآکتور نمونهگیری شد و کل زمان تابش به 4 ساعت رسید. برای بررسی میزان آلاینده حذف شده از تست شناسایی UV-Visible استفاده شد. ابتدا منحنی کالیبراسیون MBتهیه و سپس با استفاده از دستگاه اسپکترومتر شرکت Lovibondو در طول موج 664nmغلظت MBمحاسبه شد.با توجه به نقش پررنگpHمحلول بر تعیین بار سطحی فتوکاتالیست و تولید رادیکال >9@OHو همچنین اثرمیزان بارگذاری کاتالیست بر حذف آلاینده[10]، تاثیر این دو پارامتر مورد بررسی قرار گرفت. به همین منظور pHمحلول با استفاده از NaOHو H2SO4، pHبین 4 تا 12 تنظیم شد. بارگذاری کاتالیست نیز بین 0,2 تا - g/L - 0,8 در نظر گرفته شد.
-3 بحث و بررسی
-1-3 شناسایی کاتالیست
با استفاده از دستگاه پراش پرتو ایکس از کاتالیست سنتز شده طیف XRDگرفته شد تا اطلاعات ساختار کریستالی بهدست آید. شکل - - 1aطیف XRDپیکهای داده شده در محدوده 5 تا 80 درجه - براساس 2 - را نشان میدهد که با مقاله مرجع همخوانی دارد. همچنین بر اساس رابطه شرر اندازه کریستال ذرات کاتالیست ZIF-67، 2,95 نانومتر گزارش شد.تکنیکFTIRنیز براساساندازهگیریفرکانسارتعاشیباندهایشیمیاییبیناتمهاکارمیکند به بررسی شیمی سطح کاتالیست می-پردازد. در شکل - 1b - طیف FTIRمربوط به ZIF-67نشان داده شدهاست که مکان پیکهای موجود در طیف با طیف FTIRمقاله مرجع همخوانی دارد. تصاویر مورفولوژی سطح کاتالیست با استفاده ازFESEMدر شکل 1 نشان داده شدهاست. شکل - - 1c نشان میدهد که ذرات کاتالیست ZIF-67 در کنار هم و بسیار نزیدک بهصورت توده قرار گرفتهاند. نیز در شکل - 1d - که نمای بسیار نزدیکی از خود کاتالیست ZIF-67 است - شکلی همچون مکعب ناقصمعروف به دوازده وجهی لوزی ناقص - را به تصویر کشیده است.
