بخشی از مقاله
چکیده
امروزه بخش عمده انرژی کشور از احتراق سوختهای فسیلی بهدست میآید. از طرف دیگر باتوجه به اینکه مصرف آب در نیروگاههای با سوخت فسیلی نسبت به سایر نیروگاهها بیشتر است، مدیریت راهکارهای تصفیه پساب نیروگاهها از اهمیت زیادی برخودار است. استفاده از کاتالیستها یکی از کاربردیترین روشها برای تصفیه پساب است. امروزه با ظهور و پیشرفت نانوفناوری، فعالیت کاتالیستهای نانوساختار بطور چشمگیری افزایش یافته است. نانوکاتالیستها بهشدت میتوانند بازدهی حذف آلایندههای آبی را در فرایند اکسیداسیون پیشرفته که رایج-ترین روش تصفیه است، افزایش دهند. تاکنون بخش عمده مقالات منتشر شده در این زمینه بر توسعه نانوفوتوکاتالیستها تمرکز داشته است. در این مقاله جهت تعیین نقش نانوکاتالیست در تصفیه پساب خروجی از نیروگاه، انواع نانوکاتالیستهای مورد استفاده مورد بررسی قرار گرفته و به رصد آخرین تحولات در این زمینه پرداخته شده است.
واژههای کلیدی: نانوکاتالیست، تصفیه پساب، نیروگاه
مقدمه
نیروگاهها با تولید برق مورد نیاز مناطق مختلف از ارزش بالایی برخوردارند، اما در صورت عدم نظارت صحیح میتوانند آب و هوا را آلوده کنند. سوخت مصرفی نیروگاهها معمولا سوختهای فسیلی از جمله گازوئیل،مازوت و .. میباشد که هر کدام به نوبه خود باعث آلودگی محیط زیست میشود. حجم بسیار زیاد آب مورد استفاده از نیروگاه ها باعث تولید پساب با طیف وسیعی از آلایندهها شده و رهاسازی این پسابها به محیط پیرامون اینگونه صنایع باعث آلودگی آبهای زیرزمینی، آبهای پذیرنده و زمینهای کشاورزی میشود.اخیرا با ورود فناوریهای نوین از قبیل نانوفناوری، مواد و راهکارهای جدیدی برای تصفیه پساب صنعتی معرفی شده است که یکی از موثرترین مواد و راهکارها، استفاده از کاتالیستهای نانوساختار میباشد.
کاتالیست گونهای است که سرعت واکنش را افزایش میدهد بدون آنکه خود وارد واکنش شود. هدف پژوهشگران، تولید کاتالیستی با فعالیت و بازده بالا، گزینشپذیری کامل، قابلیت جداسازی و بازیابی از مخلوط واکنش، مصرف انرژی کم و عمر بالا است. عملکرد کاتالیست با کنترل متغیرهایی همچون اندازه، ساختار و ترکیب سطح میتواند تعیین شود. با نانوساختار کردن کاتالیستها میتوان به بازده بالا، صرفهی اقتصادی، هدر رفت کم مواد شیمیایی، مصرف گرما و انرژی پایین، ایمنی بالا و استفادهی بهینه از مواد شیمیایی اولیه دست پیدا کرد. اخیرا پژوهشهای زیادی، میزان تاثیرگذاری، قابلیت گزینش مواد و طول عمر نانوکاتالسیتها را با کنترل ابعاد و ساختار نانومواد در حوزههای مختلف مورد ارزیابی قرار دادهاند.
در این مقاله اهمیت تصفیه پساب نیروگاه و نقش نانوکاتالیستها در این حوزه مورد بررسی قرار خواهد گرفت. این بررسی با در نظر گرفتن آخرین دستاوردهای پژوهشگرانایران و جهان در زمینه تصفیه پساب با استفاده از کاتالیستهای نانوساختار صورت گرفته است. همچنین، در این مقاله، علاوه بر بررسی فنی، به بررسی آماری مقالات نیز پرداخته شده است. البته باید به این نکته توجه کرد که از آنجاییکه در پساب نیروگاهی، انواع آلایندهها مثل فلزات سنگین و مواد روغنی، مشابه با دیگر صنایع موجود میباشد، آمارهای ارائه شده در این مقاله به صورت کلی در مورد تصفیه انواع پسابها با استفاده از نانوکاتالیستها است.
اهمیت تصفیه آب و پساب نیروگاهی
آب مورد استفاده در نیروگاه به دو قسمت آب خارج شده - withdrawal - وآب مصرف شده - consumption - تقسیم میشود. آب خارج شده ممکن است مجددا به منبع برگردد یا برای موارد دیگر مورد استفاده قرار گیرد. آب مصرف شده عمدتا به دلیل تبخیر، قابل برگشت به سیستم نمیباشد. آب در قسمتهای مختلف نیروگاه از جمله بویلر، سیستم خنککننده، حذف خاکسترو مواد باقیمانده و فرایند گوگردزدایی - FGD - مورد استفاده قرار میگیرد. عمده مصرف آب در نیروگاههای حرارتی جهت تامین آب در سیستمهای خنککننده است. تصفیه آب خوراک نیروگاهها به دلیل پیشگیری از بروز مشکلاتی مانند خوردگی تجهیزات، تشکیل رسوب بر مبدلهای حرارتی و تشکیل رسوب زیستی از اهمیت زیادی برخوردار است. برخی از آلایندههای رایج که باعث بروز چنین مشکلاتی میشوند، عبارتند از ترکیبات کلریدی، سولفاتی، آمونیاکی، کربنات کلسیم، سولفات منگنز، سیلسیوم، آهن، میکروارگانیسمها و ذرات مغذی نیترات و نیتریت .[1]
از طرف دیگر آب مصرفی در چرخه تولید برق در نیروگاه، پذیرنده موادی خواهد بود که نهایتا بعنوان فاضلاب از نیروگاه خارج شده و وارد آبهای سطحی و زیرزمینی یا زمینهای کشاوری میشود. پساب صنعتی نیروگاهها شامل پساب تمیز کننده دیگ بخار، نشت سوخت از مخازن، مواد حاصل از شستشوی دودکشها، مواد حاصل از فرایند گوگردزدایی، آلایندههای ناشی از تجهیزات مکانیکی و الکتریکی است. تخلیه این پسابها به داخل آبهای پذیرنده روی فاکتورهای فیزیکی، شیمیایی و بیوشیمیایی آب اثر میگذارد. میزان تاثیر آنها به غلظت ترکیبات، سرعت تزریق، تجزیه، تخریب و تبخیر مواد شیمیایی در اثر فاکتورهای فیزیکی مثل حرارت و تلاطم بستگی دارد. بطور کلی از اهداف اصلی تصفیه پساب در نیروگاهها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-جلوگیری از تخلیه پساب نیروگاه به محیط زیست و آلودگی زیست محیطی
- بازیافت آب برای تامین بخشی از آب مصرفی در نیروگاه
-صرفهجویی در برداشت از منابع آبی کشور
- استحصال فلز سنگین جذب شده
تصفیه پساب نیروگاهی با نانوکاتالیستها
کاتالیست مادهای است که سرعت واکنشهای شیمیایی را افزایش میدهد و خود وارد واکنش نمیشود. با نانوساختار کردن کاتالیستها، خواص کاتالیستی به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم تقویت میشود. رایجترین نانومواد کاتالیستی مورد استفاده در تصفیه پساب میتوانند برپایه ساختارهای کربنی، فلزات و یا اکسیدهای فلزی باشند - شکل.[2] - 1 بررسی مقالات منتشر شده در پایگاه اطلاعاتی اسکوپوس نشان میدهد که %11 مقالات منتشر شده در زمینه کاتالیستها مربوط به نانوکاتالیستها است. شکل2 انواع آلایندههای آبی تصفیه شده با نانوکاتالیستها را با توجه به مقالات منتشر شده در سایت اسکوپوس نشان میدهد.
مشخص است که بیشتر مقالات منتشر شده روی حذف یا کاهش آلایندههای رنگی متمرکز شدهاند.یکی از رایجترین روشهای تصفیه پساب صنعتی، فرایند اکسیداسیون پیشرفته - AOP - است. هدف اصلی این فرایند تبدیل آلایندههای آلی به مولکولهای ساده و بیضرر با استفاده از کاتالیستها است. شکل 3 انواع روشهای اکسیداسیون پیشرفته را نشان میدهد. بررسی نتایج پژوهشهای پیشین نشان میدهد که استفاده از کاتالیستها در مقیاس نانو در این فرایندها منجر به افزایش بازدهی تصفیه و کاهش مصرف انرژی میشود. در ادامه این روشها به اختصار توضیح داده خواهد شد.
اکسیداسیون مرطوب کاتالیستی
در روش اکسیداسیون مرطوب کاتالیستی - CWO - ، رادیکالهای فعال از انحلال اکسیژن در فاز مایع تولید شده و آلایندههای آلی را اکسید میکنند. این روش برای حذف غلظت زیادی از آلایندههای مقاوم به تصفیه زیستی بکار میرود. استفاده از کاتالیست در این روش باعث کاهش دما و فشار فرایند میشود. فلزات نجیب و اکسیدهای فلزی از رایجترین کاتالیستهای مورد استفاده در این روش هستند. از پژوهشهای اخیر در این حوزه میتوان به توسعه کاتالیستهای برپایه کربن و بدون استفاده از فلز اشاره کرد. جدول 1 انواع کاتالیستهای مورد استفاده در این روش را نشان میدهد.
اکسیداسیون پراکسید مرطوب کاتالیستی
در روش اکسیداسیون پراکسید مرطوب کاتالیستی - CWPO - از هیدروژن پراکسید به عنوان عامل اکسید کننده استفاده میشود. این روش برای حذف آلایندههای مقاوم و سمی مناسب بوده و از فشار اسمزی و دمای زیر 323 درجه کلوین استفاده میکند. سنتز نانوکامپوزیت برپایه آهن و کربن از موضوعات جدید مورد بررسی در این حوزه است. این سامانه کاتالیستی جدید با اعمال میدان میدان مغناطیسی قابل کنترل است وفعالیت کاتالیستی و پایداری زیادی دارد .[5] کاتالیستهای آمفیفیلیک برپایه کربن نیز یکی دیگر از موضوعات جدید پژوهشی در این حوزه است. این کاتالیستها به دلیل ماهیت دوگانه آبدوست و آبگریز بودن برای تصفیه پسابهای روغنی نیروگاهها مناسب است .[6] شکل 4 نشاندهنده روند رشد تحقیق و پژوهش در زمینه اکسیداسیون پراکسید مرطوب کاتالیستی و شکل 5 انواع پایه و فاز فعال رایج در این روش را نشان میدهد. آهن رایجترین فاز فعال و خاک رس رایجترین پایه کاتالیستی در این حوزه است.
