مقاله در مورد تجزیه فوتوشیمیایی محلول‎های محتوی سولفانیلیک اسید با استفاده از تابش مستقیم نور فرابنفش

word قابل ویرایش
13 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

تجزیه فوتوشیمیایی محلول‎های محتوی سولفانیلیک اسید با استفاده از تابش مستقیم نور فرابنفش

چکیده
در این تحقیق بر روی تجزیه فوتوشیمیایی سولفانیلیک اسید در محلول‌های مائی کار شده است. این ماده به مقادیر قابل توجهی در صنعت بکار رفته و درصدی از آن وارد پساب می‌شود. یک واکنشگاه دو جداره همراه با جریان چرخشی و با تابش بدون واسطه نور فرا بنفش استفاده و اطلاعات تجربی پس از تنظیم pH و دمای محلول حاصل شده است. پیشرفت واکنش با اندازه‌گیری غلظت توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر فرا بنفش- مرئی تعقیب گردیده و اثر زمان تابش نیز مورد

بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که در pH حدود ۴ بیشترین میزان تجزیه حاصل می‌شود. این مقدار در حدود pH محلول بازای غلظت اولیه ppm 10 می‌باشد و یک زمان ۳۰ دقیقه‌ای برای محو کامل این ماده کافی است. کاهش قابل ملاحظه معیار COD و محو نوار‎های مربوط به پیوندهای دو گانه کربن- کربن در طیف FT-IR موید آنست که معدنی شدن ماده آلی (تبدیل حلقه بنزنی به دی اکسید کربن و آب، تبدیل گروه سولفیت به سولفات و تبدیل گروه آمین به نیترات) انجام گرفته و این روش برای کاربرد صنعتی مفید است.

واژه‌های کلیدی: تجزیه فوتوشیمیایی، واکنشگاه با جریان چرخشی، سولفانیلیک اسید، COD

Photochemical Decomposition of Solutions Containing Sulfanilic Acid Using Direct UV Irradiation

J. Saen and A. Amisama

Department of Chemistry, University of Bu Ali, Hamadan

Abstract

This investigation is concerned with photochemical degradation of sulfanilic acid. This substance is largely used in textile and dye industries, a part of which is discharged in the wastewater. A jacketed circulating reactor, equipped with direct imposed irradiation has been designed and used in this work. The concentrations of substrate have been determined using an ultraviolet-visible spectrophotometer. The experimental data has

been obtained for each run after adjustment of pH and temperature of operation. The irradiation time has also been controlled. There is an optimal pH≈۴ (close to substrate concentration of 10 ppm) for which the maximum conversion is obtained. A 30 min irradiation time, for example, was sufficient for complete removal of substrate with 10 ppm

initial concentration. The significant decrease of COD and the significant removal of the carbon – carbon double bonds observed in the FT-IR spectrum indicate that the degradation is consistent with mineralizing of the organic substrate (conversion of benzene ring to carbon dioxide and water, conversion of sulfite group to sulfate and conversion of amine group to nitrate). The method of degradation of sulfanilic acid could therefore have useful industrial applications.

Keywords: Photochemical decomposition, Circulating reactor, Sulfanilic acid, COD

مقدمه
تصفیه فوتوشیمیایی پسابها روشی موثر برای از بین بردن آلودگیهاست. به‎تازگی توجه ویژه‌ای به آلاینده‎های آروماتیک و آلیفاتیک محلول در پسابها معطوف شده است. در این رابطه، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)، روش‌هایی برای تصفیه آب هستند که سبب معدنی شدن

آلاینده‌های آلی بوسیله عوامل اکسید‎کننده قوی می‌گردند (۱-۳). یکی از سودمندترین این روشها که در تصفیه شیمیایی، آلودگی ثانوی ایجاد نمی‌کند، تابش نورفرا بنفش به محلول حاوی مواد آلاینده است. استفاده از اکسید کننده‌های موثری نظیر آب اکسیژنه و اوزون نیز در این فرآیند رایج بوده است، بعنوان مثال کاربرد این روش برای تصفیه پساب داروسازی و باستناد معیار COD، توسط هر دو فرآیند H<sub>2</sub>O<sub>2/UV و O<sub>3/UV انجام شده است (۴).

سولفانیلیک اسید در تهیه رنگها، در صنایع رنگرزی و بعنوان یک ماده حد واسط در تهیه تعدادی از رنگهای آزو مصرف می‌شود. همچنین در تولید برخی آفت‌کشها و مواد ساختمانی نیز بکار می‌رود. این ماده بصورت پودر یا کریستال به رنگ سفید، زرد یا خاکستری مایل به سفید وجود دارد. فرمول ساختمانی سولفانیلیک اسید در شکل یک ارایه شده است. سولفانیلیک اسید در آب سرد، الکل و اتر به مقدار کم حل می‌شود. اما در آب گرم و اسید کلریدریک غلیظ محلول است. حلالیت این ماده در ‏‏آب سرد، یک گرم در هر ۱۰۰ میلی لیتر آب است.

شکل۱: فرمول گسترده سولفانیلیک اسید
سولفانیلیک اسید جزو ترکیبات نسبتاً خطرناک است و برای کار با آن احتیاط‎های لازم بکار می‌رود. استنشاق این ترکیب موجب تحریک و سوزش مجاری تنفسی و سپس سرفه و عطسه می‌شود. وجود این ماده در دستگاه گوارش، باعث تهوع و اختلال در کار معده می‌شود. میزان سمیت این ترکیب برابر LD<sub>50=12300 mg/kg است (۵).
این ماده دارای مقاومت زیاد زیست هضمی درون آب و زمین بوده و تاکنون مقاله‌ای در متون راجع به تجزیه فوتوشیمیایی این ترکیب, بروشی مشابه این کار گزارش نشده است.

در این کار جهت تحقیق در زمینه تجزیه فوتوشیمیایی این ماده, یک واکنشگاه دوجداره مجهز به جریان چرخشی (circulating stream) همراه با لامپ فرا بنفش بکار برده شده است. تابش نور فرا بنقش بدون واسطه به محلول انجام می‌شود. با استفاده از این واکنشگاه تاثیر غلظت اولیه، pH و دما مورد بررسی و تحلیل قرار می‌گیرند. نتایج آزمایشگاهی بوسیله داده‌های بدست آمده از طیف‌سنج فرابنفش- مرئی، اعمال روش استاندارد اندازه‌گیری مقدار اکسیژن مورد نیاز برای تجزیه مواد آلی (Chemical Oxygen Demand, COD) (6) و طیف مادون قرمز (FT-IR) حاصل شده است.

کارهای تجربی
الف- وسایل و مواد
واکنشگاه فوتوشیمیایی استفاده شده از جنس شیشه پیرکس و دوجداره می‌باشد. بدنه اصلی آن مخروطی شکل وعمودی است که دهانه پهن آن در بالا و دهانه باریک در پایین (محل ورود جریان چرخشی) قرار دارند. تمام محلول در معرض لامپ فرابنفش قرار گرفته بدون اینکه فضای مرده‎ای بوجود آید. در صورت استفاده از کاتالیزور، این واکنشگاه مشابه یک واکنشگاه فورانی (spouted reactor) (7) عمل می‎نماید که در آن قسمت اعظم ذرات جامد کاتالیزور در فضای واکنشگاه بطور معلق باقی می‎مانند.

گنجایش واکنشگاه بکار رفته در این کار حدود یک لیتر است. یک لامپ فرابنفش (از نوع جیوه با تابش در محدوده UV-A) طول موج با توان ۴۰۰ وات به صورت عمودی در محلول داخل واکنشگاه قرار گرفته و از بالا توسط سیم و گیره نگهداری شده است. واکنشگاه مجهز به یک جریان چرخشی است که از بالای واکنشگاه درون یک مجرا خارج و به ورودی یک پمپ که جریان را به پایین واکنشگاه ارسال می‌کند، جاری می‌شود. جریان چرخشی موجب همزدن و یکنواخت شدن محیط گردیده و

امکان تماس با لامپ را برای همه ذرات محلول فراهم می‌نماید. شدت جریان چرخشی با تنظیم یک شیر که در خروجی پمپ قرار دارد، تنظیم می‌گردد. بمنظور از بین بردن اثر غلظت اکسیژن در روند اکسیدآسیون، از یک پمپ هوا دهی استفاده شده است که جریان هوا را توسط لوله ای به قطر تقریبی ۵ میلیمتر به قسمت پایین واکنشگاه و زیر لامپ هدایت می‌کند. تغییر در شدت جریان هوا در محدوده شرایط بکار موجب تغییر قابل ملاحظه‌ای در پیشرفت واکنش نشده است، لیکن قطع

جریان هوا باعث کاهش در میزان پیشرفت واکنش می‌شود. از طرفی افزایش زیاد شدت جریان هوا باعث اغتشاش در هیدرودینامیک و حرکت محلول در واکنشگاه می‌شود. دلیل این امر افزایش مقدار هوا در محلول داخل واکنشگاه و در محیط پمپ و سپس دو فازی شدن سیال می‌شود. تاثیر افزایش اکسیژن در افزایش واکنش تجزیه فوتوشیمیایی در موارد مختلف از جمله تجزیه

فوتوشیمیائی ماده ۴-ترشیو اکتیل فنل در محلول آبی گزارش شده است (۸). جداره دوم واکنشگاه محتوی آب جاری است که دمای محلول موجود در واکنشگاه را در مقدار مطلوب تنظیم می‌نماید.
سولفانیلیک اسید با خلوص بیش از ۹۹ درصد محصول شرکت مرک برای تهیه محلول‌های مختلف بکار رفته است. جهت تنظیم pH از محلول‌های یک مولار اسید کلریدریک و سود سوزآور استفاده شده است.

ب- روش کار
ابتدا محلول سولفانیلیک اسید با غلظت معین به واکنشگاه منتقل می‌شود. پس از تنظیم pH و دما، در حین انجام واکنش محلول هوادهی می‌شود و با روشن نمودن لامپ در فواصل زمانی مختلف از محلول نمونه‌برداری شده و غلظت از طریق تعیین جذب فرا بنفش- مرئی (UV-Vis) تحت طول موج ماکزیمم (nm247= max )، بدست می‌آید. نمونه برداری از فضای بالای واکنشگاه انجام می‌شود (دهانه واکنشگاه باز است). البته برداشت تعدادی نمونه از محلول موجود، موجب پایین آمدن سطح محلول تا دهانه خروجی مربوط به جریان چرخشی نخواهد شد. کل زمان انجام آزمایش برای هر محلول به یک ساعت و نیم می‌رسد. مشابه این روال توسط سایر محققین در بررسی واکنشهای فوتوشیمیایی بکار رفته است (۹ و ۱۰).

در بررسی مقدماتی، نمونه‎هایی از محلول سولفانیلیک اسید با غلظت اولیهppm 10 که مدتی تحت تابش فرابنفش قرار گرفته باشند، تهیه و طیف فرابنفش- مرئی هریک حاصل گردیده که در شکل ۲ نشان داده شده است. طیف جذبی محلول سولفانیلیک اسید طول موج ماکزیمم جذبی برابر nm247 بدست می‌دهد (شکل ۲). با توجه به وجود گروههای -NH<sub>2 و -SO<sub>3</sub>Hدر اتصال با حلقه بنزنی در مولکول سولفانیلیک اسید، طول موج ماکزیمم این ترکیب از nm5/203 به حدودnm 247 انتقال می‌یابد. اثر متقابل الکترونهای حلقه بنزن و الکترونهای π استخلاف، یک نوار انتقال الکترونی جدید را تولید می‌کند. در بعضی مواقع این نوار جدید آنقدر قوی است که نوار ثانویه سیستم بنزن را می پوشاند (۱۱). از شکل ۲ همچنین برمی‌آید که با این روش امکان زایل نمودن سولفانیلیک اسید تا حد قابل ملاحظه‌ای وجود دارد زیرا منحنی جذب در طول موج ماکزیمم با گذشت زمان محو گردیده است.

شکل۲: طیف جذب فرا بنفش- مرئی محلول‌های محتوی سولفانیلیک اسید
بر حسب طول موج در زمانهای مختلف تابش

محلول‌هایی از این ماده با غلظتهای مختلف تهیه و جذب آنها در طول موج nm247 اندازه‌گیری شده است. شکل ۳ تغییرات میزان جذب برحسب غلظت (منحنی کالیبراسیون) را نمایش می‌دهد. معادله کالیبراسیون بصورت c0750/0A= (c بر حسب ppm) و با ضریب رگرسیون ۹۹۷۵/۰ بدست می‌آید. همانطور که مشاهده می‌شود تغییرات در محدوده خطی و قانون لامبر- بیر می‌باشند.

شکل۳: نمودار کالیبراسیون برای تعیین غلظت سولفانیلیک اسید

بحث و نتایج
ابتدا تجزیه سولفانیلیک اسید بصورت فوتو کاتالیزوری مورد مطالعه قرار گرفت, لیکن طبق نتایج مشاهده شده (شکل ۴) معلوم گردید افزودن کاتالیزورهای رایج TiO<sub>2 (نوع آناتاز) و FeCl<sub>3، هر دو به شکل جامد، در پیشرفت واکنش موثر نیست. دلیل این امر شاید انجام واکنش یکطرفه‌ای در محیط، بین کاتالیزور و سولفانیلیک اسید می‌باشد (pH محلول اولیه محتوی

ppm 10 در شرایط معمولی برابر ۷/۴ است). در این مورد طی آزمایشهای مکرر، از غلظتهای مختلف کاتالیزور استفاده شده است.: بدین دلیل در ادامه کار، تجزیه ماده مورد بررسی در محیط تابش نور فرا بنفش و در غیاب کاتالیزور صورت گرفته است که موجب بدست آمدن نتایج بشرح زیر شده است:

شکل ۴: تغییرات میزان تبدیل سولفانیلیک اسید بر حسب زمان در حضور و غیاب کاتالیزور

الف- اثر غلظتهای اولیه
نتایج ارایه شده در شکل ۵ نشان می‌دهد که با افزایش غلظت اولیه محلول, میزان تبدیل (:X نسبت کاهش غلظت به غلظت اولیه) با ثابت ماندن سایر شرایط بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. دلیل این امر می‌تواند بدین صورت باشد که با ثابت بودن زمان تابش نور فرابنفش و سایر

شرایط یکسان، غلظت رادیکالهای هیدروکسیل تولید شده (۱۲) در همه محلول‌ها برابر بوده است. بنابراین محلولی با غلظت کم از سولفانیلیک اسید و با همان میزان از رادیکال هیدروکسیل، میزان تبدیل بیشتری نسبت به محلولی با غلظت زیادتر پیدا خواهد کرد. به عبارت دیگر میزان تبدیل در یک زمان معین برای نمونه‌ای با غلظت کمتر از آلاینده بیشتر خواهد بود.

شکل ۵: میزان تبدیل سولفانیلیک اسید بر حسب زمان در غلظتهای اولیه مختلف
ب- اثر pH
با اعمال گستره وسیعی از pH بین ۳ -۱۰، مقدار بهینه‌ای حدود ۴ مشاهده می‌شود که در این pH بالاترین میزان تبدیل را دارا می‌باشد (شکل۶). همانطور که ذکر شد pH طبیعی محلول سولفانیلیک اسید با غلظت ppm 10‍‍، برابر ۷/۴ است که نزدیک همین pH بهینه می‌باشد. بنابراین استفاده از محلول اصلی بدون تغییر pH می‌تواند بیشترین میزان تجزیه را فراهم نماید.

اینگونه روند تغییرات در کارهای انجام شده قبلی نیز مشاهده می‌شود (۱۳). لازم به ذکر است که در حین پیشرفت واکنش pH محلول تغییر محسوسی پیدا نمی‎کند.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 13 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد