بخشی از مقاله
چکیده
عملیات استخراج نفت و گاز که در رشد اقتصادی و صنعتی کشور ها بسیار موثر بوده و از درجه اهمیت بسیاری و بویژه برای کشورهای نفت خیز برخوردار است، جهت رفاه حال جامعه انسانی طراحی و به مرحله اجرا در میآیند. فرایندهای اکتشاف، استخراج ، بهره برداری، نمکزدایی و انتقال نفت موجود در اعماق زمین، موجب بروز آلودگی های زیست محیطی بسیاری میگردند،که بعضاً بهدلیل وسعت و حجم بالای آلودگی های ایجاد شده و مستمر بودن تخلیه این آلودگی ها به محیط، جبران ناپذیر می رسند. فلزات سنگین موجود در این آلودگیها وارد چرخه طبیعت شده و وارد آبهای زیرزمینی میگردد، فلزات سنگین در آب تاثیرات خطرناکی بر سلامت انسان دارند، حتی در غلظت های کم اثر نامطلوب بر محیط زیست میگذارند.ذرات نانو به دلیل داشتن اندازه کوچک، سطح مقطع زیاد، شکل کریستالی و نظم شبکهای منحصر به فرد و واکنش پذیری بسیار زیاد میتوانند برای تصفیه و تبدیل آلاینده ها به مواد کم ضرر استفاده شوند. این پژوهش استفاده از نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی - - NVZIرا جهت حذف فلزات سنگین از آلاینده های نفتی مورد مطالعه قرار میدهد.
کلمات کلیدی: آلایندههای نفتی، نانوذرات آهن صفر ظرفیتی، فلزات سنگین
.1 مقدمه
هنگامی که نفت از چاههای مختلف توسط خطوط لوله انتقال وارد کارخانه بهره برداری و سپس نمکزدایی میشود، به منظور بالا بردن عیار و ارزش نفت تولید شده، آب، نمکهای مختلف و گازهای همراه آن توسط فرایندهای مختلف گرفته می شود. در کارخانه بهره برداری ، گاز همراه با نفت و در کارخانه نمک زدایی، آب و نمک همراه با نفت - آب سازنده یا آب فراورش - طی چندین مرحله از آن جدا سازی می شود که در این مراحل مواد شیمیایی اکسیژن زدا، تعلیق شکن، ضد خوردگی، باکتری کش و ...به نفت افزوده می شود. نفت خارج شده از چاهها بسته به نوع، عمق و عمر چاه، دارای مقدار مختلفی آب و نمک همراه می باشد - هر چه عمر چاه بیشتر باشد آب و نمک همراه تولیدی بیشتر است - که اغلب در مجاورت شن و ترکیبات اکسیژنه به حالت امولسیون در می آید و باعث ایجاد اختلالاتی در حین عمل تقطیر و ایجاد خوردگی در دیگهای بخار می شود، همچنین ارزش نفت صادراتی را به شدت می کاهد.
فرایند های جدا سازی آب و نمک همراه از نفت خام در کارخانه نمک زدایی صورت میگیرد که طی آن پساب نمکی با خواص بسیار ویژه تولید می شود که حاوی مقادیر بسیار زیادی فلزات و عناصر سمی - ارسنیک، جیوه، وانادیم، مولیبیدن، نیکل، کروم، سرب و ... - ، روغن و چربی و مواد جامد معلق و محلول می باشند که آلودگی حاصل از آن محیط زیست پیرامون را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد.[1] قرار رفتن در معرض فلزات سنگین، حتی درسطح کم هم، به عنوان یک خطر برای انسان است.[3-6] خطرات جدی از جمله تجمع در خون، بافتهای نرم، معدنی شدن در استخوان، آنمی، آسیب به کلیه، شش ها، مغز و سیستم عصبی و غیره را به دنبال دارد.[7] بنابراین، چگونگی انجام حذف فلزات نامطلوب ازسیستمهای آب هنوز هم یک کار بسیار مهم است، اماهنوز این مساله برای مهندسان محیط زیست چالش برانگیز است.
امروزه، روشهای متعدد و کارآمدی برای حذف فلزات سنگین ازآب، پیشنهاد شده، و تنها محدود به رسوب شیمیایی، تبادل یونی، جذب، فیلتراسیون غشاء وفن آوریهای الکتروشیمیایی نشده است.[8-12] یکی از این تکنیکها را، سیستم جذب سطحی ارائه میدهد، که انعطاف پذیری درطراحی و بهره برداری و تولید کیفیت بالای آب و تصفیه پساب را دارد. علاوه بر این، باتوجه به خاصیت برگشتپذیر بسیاری از فرآیندهای جذب سطحی، جذب کننده را میتوان توسط فرآیندهای دفع مناسب برای استفادههای متعدد بازسازی کرد.[13] بسیاری از فرآیندهای دفع ازهزینه نگهداری پایین، راندمان بالا، وسهولت عملیات برخوردارند.[14] بنابراین، فرایند جذب سطحی درصدر روشهای ا صلی برای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب است.
ازجمله جذب کنندههای دردسترس، نانو ذرات اکسیدفلزی - - NMOs، ازجمله نانو ذرات اکسیدآهن، نانو آهن با ظرفیت صفر، اکسیدمنگنز، اکسیدآلومینیوم، اکسیدتیتانیوم، اکسیدمنیزیم و اکسیدسریم، به عنوان امیدی برای حذف فلزات سنگین ازسیستمهای آبی طبقه بندی میشوند.[15-17] در بین این ذرات نانو آهن با ظرفیت صفر - - NVZI به دلیل فراونی، ارزانی، غیر سمی بودن، واکنش سریع و توانایی و بازده بالا در تجزیه آلاینده ها به عنوان یک فرایند تصفیه در اولویت قرار دارد.[18] مکانیسم حذف آلایندهها توسط آهن با ظرفیت صفر - - NVZI ازطریق واکنشهای احیایی یا فرایند جذبسطحی میباشد. فرآیند جذب سطحی جدا شدن یک جزء یا اجزایی از حالت سیال و تجمع آن بر روی سطح یک جسم جاذب است، بنابراین از این روش میتوان برای جداسازی اجزاء یک مخلوط از یکدیگر و یا جداسازی برخی از ناخالصیها از سیال مورد نظر استفاده نمود. اندازه ذره یک ویژگینسبتاً مهم ذرات و واکنش با آلایندههاست. چون واکنشهای ذرات آهن با ظرفیت صفر فرایندی است که به سطح بستگی دارد، بنابراین هر چه اندازه ذره کمتر و سطح مقطع ذره بیشتر شود میزان واکنش پذیری این ذرات افزایش مییابد.[19]
2. مواد و روشها
.1-2 فناوری نانو
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدیدبا کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوحظاهر میشود. یکی از خصوصیات مشخص کننده ی مواد نانو این است که رفتاری متفاوت با رفتار مواد درشت ساختاری و میکروساختاری دارند. زمانی که اندازه ی ذرات یک ماده از مقدار خاصی کوچکتر شود، ابعاد آن یکی از عوامل تأثیرگذار بر روی خواص ماده، علاوه بر ترکیب و ساختار آن ماده خواهد بود.[2] تغییر اندازه ی دانه ها باعث خواهد شد تا خواص فیزیکی مواد تغییر یابد و افزایش سطح تماس باعث تغییر واکنش پذیری شیمیایی و در نتیجه خواص شیمیایی می گردد.[20] بنابراین مادهینانو معمولاً واکنش پذیری و توانایی جذب بالاتری را نسبت به اندازه ی معمولی همان ماده نشان می دهد.
.2-2 نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی - - NVZI
ساختار معمول نانو ذرات به صورت هسته - پوسته میباشد. NVZI بدون پوشش، از یک هسته با جنس آهن صفر ظرفیتی و واکنش پذیری از اکسیداسیون هستهی NVZI میباشد درحالی که یک پوسته اکسیدی - با ترکیبی از آهن دو و سه ظرفیتی - در نتیجه اکسایش آهن فلزی به دور آن تشکیل شده است. هسته قدرت احیاکنندگی را برای واکنش با آلاینده های محیط زیستی ایجاد میکند و پوسته مکانهایی را برای تشکیل کمپلکس شیمیایی فراهم مینماید .[21]
سطح ویژه بالا در بسیاری از موارد، دلیل انجام واکنش با آلاینده ها توسط نانو ذرات آهن میباشد. دلیل دیگر واکنش پذیری بالای نانو ذرات میتواند واکنش پذیری ذاتی بالای این مواد باشد. نانو ذرات به طور خاصی پایدار نیستند و در حالت خشک، وقتی در معرض هوا قرار میگیرند اکسید میشوند. ذخیره سازی NVZI فقط در حالت خشک و تحت جو بی اثر امکان پذیر است. متاسفانه NVZI تمایل به آگلومره شدن و چسبیدن به سطح دارد که منجر به توزیع کم این مواد در زیر سطح زمین میشود .[22]
.3 -2 نقش مکانیزم نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی - - NVZI در حذف عناصر سنگین
نانو ذرات آهن به عنوان احیا کننده و جذب کننده در حذف آلاینده ها عمل میکنند. به خاطر پتانسیل اکسایش- کاهش کم NVZI به مدت طولانی به عنوان احیا کننده های کم هزینه، موثر و دوستدار محیط زیست مورد استفاده قرار گرفته است .[23] آهن فرو - - FeIIنیز میتواند الکترون اضافی خود را در اختیار بگذارد و به اهن فریک - - FeIIIتبدیل گردد.[23] به دلیل ساختار پوسته- هسته، نانو ذرات آهن خصوصیات استثنایی را برای جذب و رسوب کاهشی یون های فلزی دارا هستند. یون های فلزی مثل - Zn - IIبا پتاسیل الکترودی استاندارد کاهشی خیلی نزدیک و یا منفی تر از آهن - - -0/14 مکانیزم حذف تشکیل کمپلکس سطحی است. برای فلزات با بتانسیل استاندارد کاهشی مثبت تر از آهن مثل - - Hg - IIو Ag - I - مکانیزم دفع به صورت غالب، احیا است. در ضمن فلزاتی که پتاسیل استاندارد کاهشی آن ها به مقدار کمتری نسبت به آهن مثبت تر است مثل - Pb - IIو - Ni - IIمکانیزم دفع بر روی سطوح نانو ذرات هم با جذب و هم با احیا میباشد. هر دو مکانیزم احیا و جذب بر روی سطوح زیاد نانو ذرات، بازیابی بالای دفع و واکنش وسیعی را ایجاد میکنند که nZVI را به عنوان موادی با بازیابی بالا برای سالم سازی و غیر متحرک سازی فلزات سنگین مطرح میسازد.[24] پتانسیل الکترودی چند فلز سنگین در جدول شماره - 1 - آمده است:
