بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
رنگبري و معدني شدن ماده رنگزاي اسيد رد ٢٠٦از آب هاي آلوده با استفاده از نانوفوتوکاتاليست ZnFeO٢٤ تثبيت شده بر روي زئوليت کلينوپتيلوليت در راکتور CFBR
چکيده
اسيد رد يک رنگ آزو با مصرف بالاي جهاني مي باشد که در پساب صنايع نساجي به مقدار زياد يافت مي شود. در اين تحقيق واکنش تجزيۀ فوتوکاتاليستي اسيد رد در آب هاي آلوده با استفاده از کاتاليست در حالت سوسپانسيون و تابش نورUV در فوتوراکتور CFBR انجام گرفت . براي شناسايي کاتاليست تهيه شده از تصاوير ميکروسکوپ الکتروني (SEM)و هم چنين الگوي پراش XRDاستفاده گرديد.واکنش از نظر سينتيکي در شرايط بهينه بررسي شد و نتايج نشان داد که سينتيک آن از درجۀ اول بوده است و نتايج قابل قبولي در اين بررسيها به دست آمد. تاثير عوامل عملياتي در تجزيۀ فوتوکاتاليستي نظير pH، غلظت آب اکسيژنه ، مقدار نانوفوتوکاتاليست و دماي واکنش مورد بررسي قرار گرفت . بر اساس اين نتايج روشي براي تجزيۀ فوتوکاتاليستي با استفاده از کاتاليست به دست آمد که ميتوان با گسترش آن به شکل صنعتي، از آن براي تجزيۀ فاضلاب هاي رنگي در صنايع نساجي استفاده نمود.
١-مقدمه
صنايع مختلف نساجي، چرم ، پارچه ، رنگ سازي، کاغذ و نيز پساب هاي خانگي منابع مهم آلودگيهاي محيطي هستند و در بيشتر کشورها پساب اين صنايع بدون تصفيه در سيستم هاي آب هاي طبيعي تخليه مي شوند. در صنايع رنگرزي مقدار قابل توجهي پساب که بخش اصلي آن ها باقيمانده رنگ ها مي باشند، نيز توليد ميگردند، از بين همه انواع مواد رنگي، رنگ هاي آزو وسيع ترين کاربرد را به دليل تنوع در ساختمان شيميايي و توليد آسان دارا ميباشند، رنگ هاي آزو براي رنگي نمودن پليآميد ها، پلياستر ها، کريليک ها، پلي اولفين ها و الياف سلولز و نيز براي رنگي نمودن روغن جلا، پلاستيک ها، جوهر چاپگر، لاستيک و لوازم آرايشي کاربرد دارند، بنابراين بدليل تنوع کاربرد اين رنگ ها، وجود اين ترکيبات در آلودگي پساب صنايع و محيط قابل انتظار است .
به علاوه امروزه ، تصفيه پساب هاي صنعتي نيز يک موضوع قابل توجه زيست محيطي به شمار ميرود و بر طبق آمار حدود پانزده درصد از رنگ هاي توليد جهان در صنايع نساجي به مصرف ميرسد، پساب هايي که در مراحل مختلف رنگرزي توليد ميشوند شامل ترکيبات رنگي واکنش نداده ، معرف هاي پراکنده کننده ، سور فکتانت ها، نمک و ترکيبات آلي که در رنگرزي شسته مي شوند، مي باشد.چند دليل وجود دارد که رنگ ها باعث بروز مشکلاتي در آب ها مي شوند:
الف ) بسته به غلظت و زمان تاثير رنگ ، رنگ ها ميتواند اثرات حاد و مزمن روي ارگانيسم هايي که در معرض آن ها قرار ميگيرند، داشته باشند.
ب )تمام مواد رنگي قابل رويت بسته به رنگ و ضريب خاموشي بر روي شفافيت آب تاثير ميگذارند، وارد نمودن غلظت بسيار کم پساب در رودخانه ها، باعث غير عادي شدن رنگ سطح آب مي شود.
ج )صرف نظر از مساله زيبايي، رنگ ها نور خورشيد ورودي به آب را جذب و يا منعکس ميکنند که اين با رشد باکتري ها و نيز تجزيه بيولوژيکي در آب ها و زنجيره غذايي تداخل مي يابد.
فرآيند تجزيه فوتوکاتاليزوري ازفن آوريهاي رو به رشد بوده و اهميت زيادي در زمينه تصفيه پساب ها پيدا کرده است . به خصوص براي تصفيه پساب هايشامل مقاديرکم مواد آلي مقاوم در مقابل تجزيه شيميايي و بيولوژيکي اين روش ، کاربرد ويژه اي دارد به طوري که مهمترين روش تصفيه در مورد آلاينده هاي آلي در پساب ها، روش اکسيداسيون با کمک کاتاليزور در حضور نور UV مي باشد. در اين روش ، اکسيد اسيون ترکيبات آلي در پساب به وسيله اکسيژن محلول (يا دميده شده ) ويا در حضور واکنشگرهاي اکسيد کننده ديگر(مانند پراکسيد هيدروژن )، در مجاورت کاتاليزورمناسب و در مقابل تابش نور UV انجام مي شود. در ضمن تحقيقات ثابت کرده است که موادي همچون هيدروژن پراکسيد، کلر و اوزون ، درحضورتابش اشعه UV با شدت بيشتري فرآيند تخريب آلاينده هاي آلي را انجام مي دهند. اواسط دهۀ ٦٠ميلادي محققان مشخص کردند که تابش UV به تنهايي قادر به اکسيداسيون مواد آلي در آب درياها مي باشد. همچنين در اواخر دهۀ ٦٠ميلادي استفاده از اشعۀ UV به منظور کاتاليز نمودن اکسيداسيون مواد آلي موجود در پساب ها و فاضلاب ها با استفاده ازکلر مورد بررسي قرار گرفت . در اوايل دهۀ هفتاد ميلادي نيز، کار بر روي فتواکسيداسيون مواد آلي در آب با استفاده از تابش UV و مواد اکسيد کننده ديگر از قبيل هيدروژن پر اکسيد و اوزون در برخي از کشورها نظير امريکا و کاناداو ژاپن صورت گرفت . همچنين در اواسط دهۀ هفتاد، کشف شد که مواد آلي مي توانند به وسيلۀ اشعۀ نور UV در حضور يک کاتاليزور نيمه رسانا مانند اکسيدروي تجزيه شوند. به طور کلي فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته به واکنش هاي تجزيه واکسيداسيوني اطلاق ميگردد که درطي آن ، راديکال هاي آزاد ايجاد شده تحت تابش نورUV، باعث اکسيداسيون ماده ي آلي مي گرددو مهم ترين راديکال آزاد ايجاد شده در اين فرآيند در محيط آبي راديکال هيدروکسيل مي باشد. اين حد واسط راديکالي، درمرحله بعد توسط اکسيژن مولکولي محلول به دام افتاده و سپس با ايجاد راديکال هاي پراکسي و پراکسيدها باعث پيشرفت و کامل شدن فرآيند تجزيه مي شوند. آلاينده هاي آلي در نهايت به مواد ساده اي مانند آب ، دي اکسيد کربن ، گاز نيتروژن و اسيدهاي معدني تجزيه مي شوند.
مقالات متعددي در زمينه بکارگيري فرآيندهاي فوتوکاتاليستي در رنگبري از پساب حاوي مواد رنگزاي آلي وجود دارد که هر يک جداگانه شرايط بهينه رنگبري ساختارهاي مختلف شيميايي مواد رنگزا را مورد مطالعه قرار داده اند .مطالعه فرآيند فوق در تخريب ساختارهاي شيميايي متنوع و جديد ما را قادر ميسازد تا اطلاعات جامع و کاملي در ارتباط با بکارگيري صنعتي اين فرآيند بدست آوريم . هدف از اين تحقيق بررسي رنگبري پساب حاوي ماده رنگزاي اسيد رد ٢٠٦در مجاورت نانوفوتوکاتاليست تثبيت شده بر روي زئوليت کلينوپتيلوليت با استفاده از تابش نور فرا بنفش UV-Cو بررسي اثر عواملي مانند غلظتهاي گوناگون کاتاليست ،غلظت ، H2O2،اثر دما و PH مي باشد . در بين پارامترهاي عملياتي PH و غلظت کاتاليست تاثيربيشتري در تجزيه آلاينده فوق دارابوده که در اين مقاله مورد بحث و بررسي قرار گرفته است .
٢-شناخت سيستم
١-٢-مواد شيميايي و وسايل
نانوکاتاليست ZnFeO٢٤ با استفاده از روش هم رسوبي بر روي زئوليت کلينوپتيلوليت تثبيت گرديد جهت تشخيص کيفيت کاتالسيت از دستگاه هاي XRD،SEM استفاده شد.(شکل هاي ١و٢).رنگ اسيد رد ٢٠٦(AR٢٠٦)ساخت شرکت R.O.D کشور چين بدون خالص سازي بعدي مورد بررسي قرار گرفته است AR٢٠٦ با فرمول مولکولي CHCaNOS٤٠٢٠٤٨٢ يک رنگ آزو با جرم مولکولي ٧٩٤.٨٧مي باشد(شکل ٣).طول موج حداکثر جذب آن nm٥١٤٧٤است . AR٢٠٦ به صورت پودر قرمز رنگ وجود دارد که اين ماده در آب محلول است .ساير مواد مورد استفاده با درجه خلوص آزمايشگاهي از شرکت مرک تهيه شدند.
دستگاه هاي مورد استفاده در اين کار پژوهشي شامل :دستگاه XRDمدل (٥٠٠-D)Simens ، دستگاه SEM مدل ٥٨٠٠- JEOLJSM، دستگاه اسپکتروفتومتري UV-VIS مدل (Lambda٢٥)Perkin- Elmer ، دستگاه pH متر مدل -PT SartoriusP١٠ ساخت آلمان ،دستگاه سانتريفيوژ Centrifuge ٤٢٣٢ ALC و همزن مغناطيسي مدل MS-HP بودند.
٢-٢-روش کار
فوتوراکتور مورد استفاده ، از نوع CFBR مي باشد ٣لامپ UV با توان w١٥ روي محفظه شيشه اي راکتور قرار داده شد يک جريان برگشتي از پايين راکتور به سمت بالا براي هم زدن محتويات راکتور و برقراري تابش براي همه ذرات برقرار مي باشد.
جريان بعد از خارج شدن از قسمت بالاي راکتور وارد ظرف مبدأ ميشود که ابتدا محلول توسط يک پمپ سيرکوله بادبي lit.min١٢٥از اين ظرف مبدأ به طرف راکتور انتقال مي يابد البته در مسير ظرف و راکتور يک مبرد که به ترموبت وصل است قرار داده شده است . براي تنظيم دماي محلول از ترموبت استفاده شد. حجم راکتور مورد استفاده با در نظر گرفتن محتويات اتصالات به آن حدود ml٣٥٠٠بود.نمونه گيري از جريان خروجي راکتور صورت گرفت تا تغييري در عمل کرد محلول تا آخرين لحظه به وجود نيايد بدين معني که شرايط تمام نمونه گيري ها نيز يکي بود تمام محلول در معرض تابش لامپ فرابنفش قرار گرفت بدون اين که فضاي مرده اي بوجود آيد هنگام استفاده از کاتاليزوز به علت جريان و چرخش ذرات جامد کاتاليزور به طور معلق در فضاي راکتور باقي ماندند براي رسيدن به اين هدف علاوه بر جريان چرخش از يک هم زن مغناطيسي که در قسمت زيرين ظرف حاوي محلول برگشتي قرار دارد استفاده شده است . (شکل ٤) سيستم فوتوشيميايي مورد استفاده و در اين پژوهش را نشان ميدهند.
تاثير عوامل مختلف بـر فرآينـد رنگبـري AR٢٠٦ شـامل دمـا (Ce١٥٢٠٢٥٣٠), PH(٦٧٨١٠) , غلظـت کاتاليسـت (ppm٥٠١٠٠١٥٠٢٠٠), مقدار هيدروژن پراکسيد ( ppm١١٨٦٥, ١٥٨.٢, ١٩٧.٧٥, ٢٣٧.٣) مـورد مطالعـه قـرار گرفـت و حجم پساب مورد استفاده در کليه آزمايشات ml٣٥٠٠در نظر گرفته شد.
٣-نتيجه گيري
با استفاده از روش طرح آزمايش تاگوچي ١٦آزمايش در هر مرحلـه انجـام پـذيرفت و پـس از ٣مرحلـه تکـرار پـذيري شرايط آزمايش مطابق جدول زير بهينه گرديد.(شکل ٥)
حال آزمايش پيشنهادي طبق روش فوق در شرايط بهينه انجام و مقدار درصد تبديل از رابطه زير محاسبه گرديد.
در رابطه فوق Cو C0 به ترتيب غلظت ماده رنگزا در لحظات tو ٠= tمي باشند.
١-٣-طيف UV-Vis
در شکل ٦طيف UV-Vis مربوط به ماده رنگزاي AR٢٠٦ پس از ١٠٠دقيقه نشان داده شده است .
همانطور که مشاهده ميشود بيشترين طول موج در ٥١٤.٧٤نانو متر بوده و رنگبري کامـل مـاده رنگـزا پـس از ١٠٠ دقيقـه انجام مي شود.
٢-٣-بررسي ميزان تبديل در شرايط بهينه
شکل ٧تغيرات ميزان تبديل در شرايط بهينه را در بازه هاي زماني ٢٠دقيقه اي جهت ماده رنگزاي AR٢٠٦ نشان مي دهد.
در اين شکل تغيرات X( ميزان تبديل ) نسبت به زمان نشان داده شده است .
٣-٣-بررسي سينتيک واکنش
در شکل ٨تغيرات نسبت به زمان نشان داده شده است . الگوي نشان داده شده با معادله سرعت مرتبه اول مطابقت نموده و ميزان ثابت سرعت بصورت محاسبه گرديد.
با توجه به مطالب ذکر شده به طور خلاصه مهم ترين نتايج بدست آمده از اين تحقيق را ميتوان به صورت زير بيان نمود:
١- نتايج آزمايشگاهي نشان داد که روش انجام شده در توليد کاتاليست روشي مناسب و کار آمد در تجزيۀ آلاينده هاي رنگي از نوع رنگ آزو مي باشد.
٢-علت تشکيل راديکال هاي فعال در فرايندهاي فوتوکاتاليستي مکانيسم الکترون -حفره مي باشد. بر اساس اين مکانيسم ها در شدت تابش هاي بيشتر، تعداد الکترون هاي انتقال يافته از باند ظرفيت به باند هدايت افزايش يافته وبه اين ترتيب تعداد حفرات ايجاد شده نيز افزايش مي يافت . و از طرف ديگر در شدت هاي بالاي تابش امکان برگشت الکترون از باند هدايت به باند ظرفيت نيز کاهش مي يافت . بنابراين هرچند ميزان کل تابش در راکتورهاثابت بود اما نحوة انجام تابش نيز در سرعت واکنش فوتوکاتاليستي مؤثر بود.
٣-در مورد رنگ مشخص گرديدکه هر چه pH بيشتر باشد تاثير فرايند فوتوکاتاليستي نيزافزايش يافته است . علت اين امر، انجام واکنش هاي زير در محيط بازي است که منجر به توليد راديکال هاي فعال شده است .
٤-با افزايش مقدارغلظت نانوفوتوکاتاليست بيش از يک مقدار معين در محلول به علت کاهش تعداد فوتون هايي که به سطح کاتاليست ميرسند و همچنين انجام پديدة پخش نور، سرعت فرآيند فوتوکاتاليستي کاهش يافته است .
٥-بررسي پارامتر پراکسيد نشان دادغلظت هاي بيشتر به دليل تسريع توليد راديکال هاي هيدروکسيد واکنش تجزيه فوتوکاتاليزوري با ميزان تبديل بيشتري همراه مي باشد.
