بخشی از مقاله
خلاصه
یکی ازمناسب ترین روشهای تصفیه فاضلاب و تخریب آلایندهها روش اکسیداسیون پیشرفته - AOP - است که بر پایه تشکیل رادیکال های آزاد که مهمترین آنها رادیکال هیدروکسیل - - OHœ است قرار دارد. واکنش فنتون یکی ازقویترین واکنشهای اکسید اسیون پیشرفته است که برای تجزیه ترکیبات آلی آلاینده مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش از پراکسید هیدروژن برای تولید رادیکالهای هیدروکسیل توسط کاتالیست یون آهن استفاده میشود. اگر چه این روش، باعث حذف قابل توجهی از آلاینده های آلی میشوند، ولی ایراد بزرگی دارد وآن لزوم جداسازی یون آهن است که سبب افزایش هزینههای فرایندی میشود.
از دیگر معایب این روش، pH پایین برای این واکنش است زیرا درpH های بالا یون آهن به صورت هیدروکسید رسوب میکند، بنابراین استفاده از کاتالیست های ناهمگن اسیدی روش خوبی برای غلبه بر این مشکلات است و به راحتی میتوان آن را جدا کرد. در این پژوهش به منظور تخرب فورفورال در پساب ، کاتالیست متشکل از آهن بر پایه زئولیت کلینوپتیلولیت سنتز شد و ملاحظه گردید که این کاتالیست درpH = 6 نیز تا%70 قادر به حذف فورفورال میباشد به طوری که بازده حذف فورفورال درpH =3/5 بیشتر و حدود%90 در مدت زمان 210دقیقه به دست آمد. شرایط بهینه برای انجام واکنش اکسیداسیون فورفورال در دما و فشار محیط عبارت انداز : pH اولیه 3/5:، درصد وزنی آهن موجود در کاتالیست: %5، نسبت جرمی پراکسید هیدروژن به فورفورال 24/5: و غلظت کاتالیست برابربا 7 g L-1 به دست آمد.
1. مقدمه
امروزه با پیشرفت تکنولوژی و فرآیندهای صنعتی، آلاینده هایی که در طی این فرآیندها در صنعت تولید میشوند و باعث آلودگی آب، هوا و خاک میشوند روز به روز در حال افزایش است. آلودگی فاضلاب ها و آبهای صنعتی یکی از مهمترین نوع این نوع آلودگیها به شمار میرود. فورفورال و ترکیبات آن، آلوده کنندههای محیطی هستند که در فاضلابهای صنعتی مختلف مانند پالایشگاه و پتروشیمی وجود دارند. غلظت فورفورال در فاضلاب های صنعتی تا500 میلی گرم بر لیتر و در پالایشگاه های روغنعموماً کمتر از 300 میلیگرم بر لیترگزارش شده است .[1]
فورفورال - شکل - 1 با فرمول شیمیاییC5H4O2 یک آلدهیدآروماتیک، سمی وآتشزاست که از محصولات جانبی صنایع شیمیایی وکشاورزی به شمار میرود.[2] فورفورال یک ماده سمی وخطرناک برای انسان و محیط زیست به شمار میآید و آثارمخربی برموجودات زنده دارد و بر طبق مقدار اعلام شده مجمع دولتی متخصصین بهداشت صنعتی آمریکا - ACGIH - 1 حد مجاز فورفورال درآب باید کمتراز 2 میلیگرم برلیتر باشد .[3]
از فورفورال به عنوان ماده واسط شیمیایی در تولید رزین های جامد، حلال فوران و تترافوران و همچنین برای تولید آفت کش ها و انواع چسب هااستفاده میشود. در پالایش و تصفیه روغن های روانکننده نیزکاربرد فراوان داشته و به عنوان یک عامل طعم دهنده و نیز یک پیش ساز برای تولید ترکیبات شیمیایی خاص استفاده میشود [4]بنابراین. حذف فورفورال از فاضلاب صنایع اهمیت زیادی درحفظ محیط زیست دارد که اخیراً به مسأله هزینه و بازدهی روشهای حذف آلاینده های آلی از فاضلاب نیز توجه زیادی نشان داده شده است.
شکل -1 پیکربندی فورفورال - -2فرمالدهید -
روشهای مختلفی از جمله روشهای زیستی، جذب سطحی و روشهای اکسیداسیون برای حذف آلایندهها در صنعت وجود دارد. یکیاز مناسب ترین روشهای تصفیه فاضلاب و تخریب آلایندهها روش اکسیداسیون پیشرفته - AOP - است که بر پایه تشکیل رادیکالهای آزاد که مهم ترین آنها رادیکال هیدروکسیل - OHœ - است قرار دارد. رادیکالهای هیدروکسیل میتوانند به وسیله یک یا ترکیبی از روشهای اکسید کننده های شیمیایی - مانند - O3,H2O2 , - HQWRQʼV UHDJHQW، روشهای تابشی مانند - UV,Ultrasonic - و روشهای فوتوکاتالیست ایجاد شوند.
واکنش فنتون یکی از قویترین واکنشهای اکسیداسیون پیشرفته است که برای تجزیه ترکیبات آلی آلاینده مورد استفاده قرار میگیرد. ازاین رو از پراکسید هیدروژن برای تولید رادیکالهای هیدروکسیل توسط کاتالیست یون آهن استفاده میشود. اگر چه این روش، باعث حذف قابل توجهی از آلایندههای آلی میشوند، ولی ایراد بزرگی دارد و آن لزوم جداسازی یون آهن است که سبب افزایش هزینههای فرآیندی میشود. به عبارت دیگر، خود کاتالیست همگن، آلاینده دوم محسوب میشود. ازدیگرمعایب این روش،pH پایین برای این واکنشاست زیرا درpH های بالا یون آهن به صورت هیدروکسید رسوب میکند بنابراین استفاده از کاتالیستهای ناهمگن اسیدی روش خوبی برای غلبه بر این مشکلات است وبه راحتی میتوان آن را جدا کرد.
واکنش فنتون اولین بار توسط فنتون در سال 1876 ارائه شد. فنتون با مخلوط کردن تارتاریک اسید و پراکسید هیدروژن و مقدار کمی نمک آهن یک محصول رنگی بدست آورد. درسال 1894 نیز مقاله ای را با عنوان "اکسیداسیون تارتاریک اسید در حضور آهن" چاپ کرد که در آن به خاصیت اکسیداسیون قوی Fe2+ و پراکسید هیدروژن بر روی اسیدهای آلی اشاره داشت .[5] سیستم فنتون پیشنهادی، تولید رادیکالها هیدروکسیل را به هنگام اکسیدشدن Fe2+ به Fe3+ بیان میکرد. میتوان گفت که واکنش محلول پراکسید هیدروژن با آهن بهعنوان کاتالیست, واکنش فنتون نام دارد درطی این واکنشFe2+ توسط H2O2 اکسیدشده وتبدیل به Fe3+ میشود و رادیکال هیدروکسیل - - OHœ و یون هیدروکسید - OH- - تولید میشود.
رادیکال هیدروکسیل یک اکسیدکننده قوی است ودر واکنش با ترکیبات آلی گزینشپذیر نیست و به سرعت و بدون گزینش پذیری با بیشتر ترکیبات آلی از طریق ربایش هیدروژن و اضافه شدن به باندهای غیر اشباع C-C واکنش میدهد. این امر باعث شده است که واکنش فنتون در تجزیه آلاینده ها مورد استفاده بسیار قرار گیرد. واکنش فنتون مزیت های زیادی دارد ازجمله : سادگی، سرعت بالا، غلظت نسبتاً پایین واکنش دهنده ها، اقتصادی بودن و بازدهی بالا. اما معایبی نیز دارد، زیرا واکنش پذیری H2O2 تابعی از pH است. pH بهینه برای حداکثر کردن اکسیداسیون آلاینده های آلی بین3-4 گزارش شده است. درpH های بیشتر از 4 آهن به صورت اکسید و هیدروکسید رسوب می کند و به صورت قابل توجهی از سرعت واکنش میکاهد. لذا استفاده از فرآیند فنتون اصلاح شده امکان انجام واکنش فنتون را درpH های بالاتر نیز فراهم میکند.
1.2 شرایط واکنش فنتون اصلاح شده
استفاده از واکنش فنتون اصلاح شده یا شبه فنتون اصلاح شده در تجزیه فاضلاب های صنعتی به خصوص سالهای اخیر بسیار رواج پیداکرده است. این فرآیند بر پایه تجزیه کاتالیستی پراکسید هیدروژن درحضور محلول آهن صورت میگیرد که آهن درآن به شکل کمپلکسآهن، اکسیدهای معدنی آهن ویا آهن نشانده شده برروی پایه میباشد و رادیکال هیدروکسیل را تولید میکند.
سیستم اکسیداسیون فنتون کلاسیک رامی توان به چند روش اصلاح کرد :
-1 دراثرترکیب - - H - با لیگاندهای قوی که ازجمله آنها میتوان به اتیلن دیآمین تترا استیک اسید - EDTA - 1 ، اتیلن بیس تترا استیک اسید - EGTA - 2 ، نیتریلو تری استیک اسید - NTA - 3 و نظایر آنها اشاره کرد. در این حالت ترکیب کمپلکس تشکیل شده، آهن را درمحلول نگاه میدارد و سرعت واکنش را در خارج ازمحدوده عملیاتی ایدهال برای واکنش فنتون یعنی pHبین 3 و4، افزایش میدهد. سیستمهای اکسیداسیون کمپلکس آهن، گستره عملیاتی سیستم فنتون کلاسیک را به pH بین 6-8 افزایش داده است. درنتیجه، سیستم اکسیداسیون فنتون اصلاح شده میتواند مستقیماً در مورد سیستم های زیست محیطی و بیولوژیکی در محدوده pH خنثی به کار رود 7]و.[6
-2 استفاده از کاتالیست ناهمگن اسیدیکه در این پژوهش نیز از آن استفاده شد. به دلیلاسیدی بودن ساختارسطحی چنین کاتالیست هایی میتوان واکنشرا با pH اولیه زیاد، حدود6 شروع نمودکه البته در این حالت زمان رسیدن به حذف کامل نیز افزایش مییابد. از انواع این کاتالیستها میتوان به زئولیت های آهن Fe-ZSM5 - ،Fe-Beta - ، اکسیدهای فلزات واسطه مانند مولیبدات آهن - - Fe2 - MoO4 - 3 ، نانوذرات آهن، زئولیت ها و خاکهای معدنی حاوی فلزات و اکسیدهای آهن اشاره کرداز جمله زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت .[ 8 - 10]
.3 مواد و روش ها
در این پژوهش از زئولیت کلینوپتیلولیت برای نشاندن یون آهن بر روی پایه آن و به روش تلقیح جهت ساخت کاتالیست ناهمگن استفاده شد. به منظور نشاندن 1 -15 درصد وزنی آهن بر روی پایه ها، ابتدا محلولی با مولاریته ثابت 0/01 mol/L از کلریدآهن در آب مقطر تهیه شد. ساخت کاتالیست در دستگاه تبخیرکن دوار - - Rotary evaporator انجام شده است.
