بخشی از مقاله
چکیده:
این مطالعه با عملکرد و بهینهسازی فرآیند تبادل یون به روش سوئیچینگ الکتریکی برای حذف نیترات سروکار دارد که این مهم با به کاربردن پلیمرهای ارتوفنتیدین و ارتوکلروآنیلین بر روی الکترود طلا بهعنوان الکترود کار در یک راکتور الکتروشیمیایی ناپیوسته انجام میگردد. غلظت اولیه نیترات، pH و پتانسیل کنترلشده نسبت به الکترود کالومل بهعنوان متغیرها در روش پاسخ سطح شامل طراحی مرکب مرکزی انتخاب شدند درحالیکه بازده حذف نیترات بهعنوان تابع پاسخ در نظر گرفته شد. نتایج بیانکننده این است که بازده حذف برای ارتوفنتیدین و ارتوکلروآنیلین به ترتیب برابر%85/11 و%51/24 در شرایط بهینه pH:5/82، غلظت اولیه نیترات 46/22 میلیگرم بر لیتر و پتانسیل کنترلشده 1/34 ولت است. علاوه بر این توانایی کاربرد مجدد پلیمرها بررسی و مشخص گشت ارتوفنتیدین و ارتوکلروآنیلین به ترتیب تا 3 و 1 سیکل احیا دارای توانایی حذف بالای %60 نیترات هستند.
واژههای کلیدی: تبادل تعویض یون به روش سوئیچینگ الکتریکی، حذف نیترات، روش پاسخ سطح، ارتوفنتیدین، ارتوکلروآنیلین
مقدمه
آب دارای اهمیت زیادی برای زندگی است چون مکانیسم متابولیسم، سنتز، انتقال مواد مغذی به درون سلول و تعامل با محیطزیست در ارتباط نزدیک با ویژگیهای آب است. تنها حدود 2/66% کل منابع آبی که شامل دریاچهها و رودخانهها، آبهای زیرزمینی، یخچالها منابع آب تازه هستند که فقط 0/6% این منابع قابلنوشیدن هستند. یکی از چالشهای مهم در قرن 21 آلودگی آب است، پستصفیه آب بهطور مناسب و مؤثر باید انجام شود .[1] به دلیل استفاده بیشازحد از کودهای شیمیاییمیزان نیترات در آبهای زیرزمینی و سطحی زیاد شده است که سبب بیماریهای مختلفی نظیر تیروئید، سرطان معده و سندروم کودکان آبی میشود .[2] روشهای متداول فیزیکی شیمیایی زیادی نظیر معاوضه یون، الکترودیالیز، اسمز معکوس برای حذف نیترات انجامشده است .[3] تکنیک الکتروشیمیایی که در آزمایشگاه ملی Pacific Northwest توسعه پیداکرده است روش تبادل تعویض یونی الکتریکی است که در این تکنیک روش الکتروشیمی و معاوضه یون در جهت تفکیک گزینشی و برگشتپذیر با/بدون تولید محصولات جانبی باهم ترکیبشدهاند.[4]
به کاربردن پلیمرهای رسانا بهعنوان جاذب در این تکنیک به دلیل قیمتنسبتاً پایین در چند سال اخیر متداول شده است. پلی آنیلین به دلیل ویژگیهایی نظیر رسانایی خوب، توانایی معاوضه یون، پایداری محیطی مناسب سنتز آسان کاندیدای خوبی برای جاذب بودن در تکنیک مذکور است. گروههای الکترون کشنده و الکترون دهنده اگرچه رسانایی را کاهش میدهند، اما حلالیت پلی آنیلین را در حلالها افزایش میدهند. در این پژوهش کاربرد جدید پلی ارتوفنتیدین و پلی ارتو کلروآنیلین در حذف نیترات از آب برمبنای تبادل یون به روش سوئیچینگ الکتریکی مورد هدف قرار داده شد. برای هر پلیمر رسانا روش پاسخ سطح شامل طراحی مکعب مرکزی جهت سنجش پارامترهای مستقل آزمایشگاهی مانند غلظت محلول - میلیگرم بر لیتر - ، pH محلول و پتانسیل کنترلشده - ولت - در حذف نیترات به کار گرفته شد.
بخش تجربی
اسیدها و بازها و تمامی مشتقات پلیمر از شرکت مرک تهیهشدهاند. ارتو فنتیدین بهوسیله تقطیر در خلأ خالصشده و تا زمان استفاده در مکان تاریک و سرد نگهداری شدند. ارتو کلروآنیلین بدون نیاز به خالصسازی برای آزمایش به کار گرفته شد. سنتز الکتروشیمیایی ارتوفنتیدین و ارتوکلروآنیلین با استفاده از تکنیک ولتامتری چرخهای در یک سیستم سه الکترودی انجام گردید. سنتز الکتروشیمیایی بر روی الکترود طلا به ابعاد 2سانتیمتر مربع در محلول حاوی 1/5 مولار اسیدسولفوریک و 0/1 مولار از مشتقات انجام شد. الکترود پلاتین 3 - سانتیمتر مربع - بهعنوان الکترود کمکی و الکترود کالومل اشباع بهعنوان الکترود مرجع برای سنتز به کار گرفته شد. قبل از پلیمریزاسیون محلول با عبور دادن نیتروژن به مدت 20 دقیقه اکسیژن زدایی شد.
دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات SAMA برای آزمایشهای الکتروشیمیایی به کار گرفتهشده و پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی بهصورت پتانسیل پویا با چرخش پتانسیل 0<ESCE<1.0 برای ارتواتوکسی و 0<ESCE<0.9 برای ارتو کلروآنیلین در سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه انجام شد. فیلم پلیمری تهیهشده با اسید و آب مقطر شسته شده و سپس در آون قرار داده شد. طراحی آزمایش به روش پاسخ سطح شامل طراحی مرکب مرکزی جهت حذف فاکتورهای غیر مهم قبل از اتلاف وقت و انرژی بهکاربرده شد. پارامترهای ورودی شامل غلظت محلول نیترات، pH محلول و پتانسیل اعمالشده بوده و پارامتر خروجی مقدار حذف نیترات است.
همه آزمایشها در یک راکتور ناپیوسته حاوی سه الکترودکار - پلیمر پوشش دادهشده روی الکترود طلا - ، کمکی - پلاتین - و مرجع - کالومل اشباع - برقرار گردید. غلظت محلول نیترات، pH و پتانسیل اعمالشده طبق دادههای روش پاسخ سطح تنظیم شدند.پس از یک ساعت غلظت نیترات توسط دستگاه Hach DR 2800 آنالیز شد. برای بررسی توانایی احیا و استفاده مجدد پلیمرها، تست احیا انجام شد که پس از عمل تصفیه، الکترود کار از راکتور خارجشده و در محلول اسیدسولفوریک قرار داده شد و پتانسیل -0/4 ولت برای مدت مشخص به آن اعمال و بهسرعت دوباره در محلول نیترات تازه جهت عمل تصفیه در شرایط بهینه قرار داده شد. ریختشناسی پلیمرها قبل و بعد از تصفیه به وسیله طیفسنجی الکترونی روبشی بررسی گردید.
نتایج و بحث
بر اساس نتایج طیفسنجی الکترونی روبشی - شکل - 1ریختشناسی پلیمرها در دو حالت قبل و بعد از تصفیه دارای تفاوتهایی است که نشان از جذب نیترات توسط پلیمرها دارد. بر اساس طراحی مرکب مرکزی تعداد کل آزمایشها 20 مورد بود. مدل مرتبه دوم که میتواند رفتار سیستم را بهخوبی توصیف کند از معادله زیر پیروی میکند: که در اینجا Z پاسخ، B0 ضریب ثابت، bjضریب پارامتر خطی، bjjضریب درجه دوم، bji ضریب برهمکنش پارامترها، Xi و Xj بیانکننده متغیرها و εخطای تصادفی هستند. بر اساس نتایج بهدستآمده معادله مرتبه دوم بهصورت زیر درمیآید: برای سنجش بامعنی بودن، برازش و صحت مدل نتایج بهوسیله آنالیز واریانس بررسی شد و شواهد بیانکننده ضریب همبستگی - R-sq - بالایی بود بهطوریکه مقدار آن - بهصورت درصد - برای به روش پاسخ سطح مشتمل بر طراحی مرکب مرکزی مقدار بهینه حذف نیترات در 5/82 :pH، پتانسیل کنترلشده 1/34 ولت و غلظت اولیه نیترات 46/22 میلیگرم بر لیتر برای ارتوفنتیدین و ارتوکلروآنیلین به ترتیب برابر% 85/11 و 51/24% گردید.
سپس به بررسی توانایی احیا-استفاده مجدد پلیمرها پرداخته شد. برای هردو پلیمر پس از عمل تصفیه، 5 بار عمل احیا انجام شد. نتایج - شکل - 3 نشان داد ارتو فنتیدین تا 3 بار و ارتو کلروآنیلین تا 1 بار میتوانند بالای 60 درصد توانایی حذف نیترات داشته باشند.ارتوفنتیدین و ارتوکلروآنیلین به ترتیب برابر 99/95% و%99/05 بود که نشان از صحت خوب دادههای پیشبینیشده با دادههای واقعی دارد. هرچقدر ضریب همبستگی به یک نزدیکتر باشد مدل برازش و صحت بهتری دارد. شکل 2 به بررسی تأثیرات غلظت و پتانسیل اعمالشده بر میزان حذف نیترات میپردازد. افزایش غلظت سبب کاهش میزان حذف نیترات میشود چون در غلظتهای پایینتر مکانهای فعال روی پلیمر برتری بیشتری نسبت به آلایندهها دارند و میزان حذف بیشتر است. میزان حذف نیترات با افزایش ولتاژ بیشتر میشود زیرا هرچقدر ولتاژ بیشتر شود پلیمر بار مثبت و توان بیشتری برای جذب نیترات پیدا میکند و بدین سبب در ولتاژ بالاتر میزان حذف نیترات بیشتر است. با توجه
