بخشی از مقاله
چکیده: در تحقیق حاضر،کارایی سیستم سونوکاتالیزوری با استفاده از دستگاه التراسونیک و نانوذرات تیتانیوم اکسید - US/TiO2 - در حذف رنگ آبی بروموتیمول بررسی شد. آزمایش های تجربی به منظور بررسی کارایی حذف رنگ بوسیله ی نانوذرات تیتانیوم اکسید در غیاب التراسونیک و در حضور آن با در نظر گرفتن اثر پارامترهایی نظیر مقادیر مختلف کاتالیزور، pH و غلظت اولیه رنگ انجام شد. نتایج آزمایش نشان داد که در حذف رنگ بوسیله ی نانوذرات تیتانیوم اکسید - در غیاب و حضور التراسونیک - با افزایش مقدار کاتالیزور راندمان حذف افزایش می یابد. همچنین نتایج ارزیابی اثر pH نشان داد که میزان حذف رنگ در محیط های اسیدی و قلیایی قوی به مراتب بیشتر از سایر pH ها است. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش غلظت اولیه رنگ هم در سیستم کاتالیزروی - TiO2 - و هم سیستم سونوکاتالیزوری - US/TiO2 - میزان راندمان حذف افزایش می یابد.
مقدمه
منابع محدود آب شیرین قابل دسترس موجودات زنده به طور جدی در معرض آلودگی های میکروبی و شیمیایی قرار گرفته است و حل این مشکل از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. بنابراین باید به دنبال راهکارهای مناسب جهت تصفیه آب از آلاینده ها باشیم.[1] یکی از آلاینده های آب مواد رنگی مورد استفاده در صنایع نساجی و رنگرزی می باشد که در حدود 20 درصد از رنگهای تولید شده در سراسر جهان صرف رنگ آمیزی منسوجات می شود. این رنگها باعث رنگی و سمّی شدن آب های سطحی و زیر سطحی می شوند.
تصفیه مؤثر پساب ها جهت حذف آلودگی ها و استفاده مجدد از آب بازیافت شده در کشاورزی خود می تواند مانع نفوذ آلودگی ها به محیط زیست شده و به تبع آن موجب صرفه جویی در مصرف منابع اب گردد. برای از بین بردن رنگها روشهای مختلفی همچون روشهای فیزیکی، روشهای شیمیایی و روشهای بیولوژیکی ابداع گردیده اند.[2] از جمله معایب این روشها تشکیل رسوب، هزینه اقتصادی بالا،زمانبر بودن و تاٌثیر نداشتن بر روی ترکیبات آروماتیک پیچیده می باشد. در این راستا فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته روش های مناسبی برای حذف مواد رنگی به شمار می آیند .[2] اکسیداسیون پیشرفته بر مبنای شکل گیری ذرات بسیار واکنش پذیر مانند رادیکال های هیدروکسیل است که محدوده وسیعی از آلاینده ها را به صورت غیر انتخابی اکسید می کنند .
[3] اکسیداسیون پیشرفته شامل ادغام فرآیندهای مختلفی از جمله ازون، پراکسید هیدروژن، سونولیز، اشعه فرابنفش و تصفیه فوتوکاتالیستی می باشند که در دوره های اخیر فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته توسعه بیشتری یافته و برای کاربردهای صنعتی بکار رفته است. این روش ها شامل ازون زنی، پراکسید کردن، پراکسید کردن کاتالیستی، اکسیداسیون هوای مرطوب، سیستم پراکسید هیدروژن/ازون/فرابنفش، سیستم واکنش های فنتون، فوتوکاتالیست های نیمه رسانا همچون دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی، سونولیز، سونوفوتوکاتالیست و غیره می باشند که در واکنش های این فرآیند ها، رادیکال های آزاد بسیار فعال و واکنش پذیری همچون هیدروکسیل، هیدروژن و هیدروپرواکسیل تولید می شوند که این رادیکال ها گونه های اساسی تخریب ترکیبات مولکولی و غیر آلی در آلودگی های تولید شده بوسیله فرایند های صنعتی می باشند.
[3] وجود رنگ آبی بروموتیمول باعث سمی و سرطان زا بودن آب های سطحی و پساب کارخانجات رنگرزی می شود و همچنین پایداری و مقاومت آنها لزوم تصفیه و تخریب این مواد رنگی را اثبات می کند. سونولیز یک روش بسیار مهم و جذاب در تخریب آلاینده های آلی در محلول آبی می باشد. وانگ و همکارانش در سال 2005 تخریب سونوکاتالیستی متیل اورانژ را در حضور پودر TiO2 در دو اندازه نانو ذره و معمولی مورد مطالعه قرار دادند.
[4] بربریدو و همکارانش در سال 2007 به بررسی اثر روش سونولیز فتوکاتالیستی و سونوفتوکاتالیستی مالاکیت سبز در محلول آبی پرداختند و در این مطالعه تخریب مالاکیت سبز در آب بوسیله انتشار امواج فراصوت و ترکیب آن با فتوکاتالیست در اکسید تیتانیوم ناهمگن فتوکاتالیست و همگن فتوفنتون بررسی شد .[2] وانگ و همکارانش در سال 2008 به بررسی تخریب سونوکاتالیستی اسید قرمز B و رودامین B توسط نانوپودر ZnO تحت روش التراسونیک پرداختند. در این روش تاًثیر پارامترهایی از قبیل pH محلول، غلظت اولیه ماده رنگی، مقدار نانوپودر ZnO مورد مطالعه قرار گرفت .[3] آمتا و همکارانش در سال 2009 به بررسی و تخریب سونولیزی، فتوکاتالیستی و سونوفتوکاتالیستی تولیدین در محلول آبی پرداختند.
اثر pH، اثر غلظت رنگ، اثر مقدار بهینه نیمه رسانا و اثر اندازه ذرات اکسید روی در این آزمایش بررسی شد .[5] ملکی و همکارانش در سال 2009 به مقایسه فرآیندهای فوتولیز و سونولیز برای تخریب ترکیب رنگی راکتیو 198پرداختند .[6] در سال 2011 چو و همکارانش در مطالعه ای به بررسی اثر تخریب سونوکاتالیتیکی دی اتیل فتالات پرداختند .[7] نتایج نشان داد فرایندهای تلفیق سونولیزی بسیار موثرتر از سونولیز به تنهایی هستند.
در سال 2012 لی و همکارانش به مطالعه تخریب سونوکاتالیستی رودامین B بوسیله نانوکامپوزیت های Graphene-TiO2 تحت روش التراسونیک پرداختند. نتایج نشان داد با افزایش شدت امواج التراسونیک درصد تخریب . رودامین B افزایش می یابد .[8] صالحی و همکارانش در سال 2012 تخریب متیلن آبی را در حضور نانوپودر TiO2 با استفاده از روش تخریب کاتالیستی مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از این بررسی نشان داد که تخریب فتوکاتالیستی رنگ متیلن آبی در محیط بازی بهتر انجام می شود و با بالا رفتن قدرت اشعه فرابنفش در غلظت ها ی اولیه رنگ میزان تخریب افزایش پیدا خواهد کرد .[9] در این تحقیق، نتایج بدست آمده از حذف رنگ آبی بروموتیمول با روش سونوکاتالیتیکی در شرایط مختلف غلظت، pH و اندازه امواج فراصوت ارائه شده است.
بخش تجربی
رنگ آبی بروموتیمول، اسید کلریدریک و سود از شرکت مرک آلمان و نانو ذرات تیتانیم اکسید از شرکت دگوسا خریداری شدند. دستگاه التراسونیک مورد استفاده مدل UP 400S ساخت کشور آلمان برای اندازه گیری طیف جذبی رنگ از دستگاه اسپکتروفتومترUV – Vis هک مدل DR 5000-15 V ساخت کشور آمریکا استفاده گردید از شرکت بود. در این تحقیق از روش سونوکاتالیستی برای تخریب رنگ آبی برموتیمول استفاده شده است. بدین ترتیب که بعد از تهیه محلول مادر و تعیین طول موج جذب ماگزیمم - λmax - رنگ آبی برموتیمول، اثر پارامترهای مؤثر بر تخریب رنگ - مقدار کاتالیزور، دامنه ارتعاش دستگاه اولتراسونیک، pH و غلظت اولیه رنگ - بررسی شد.
در هر آزمایش، مقدار 250 mL از محلول رنگ بروموتیمول آبی - با غلظت و pH معین - در ارلن-مایر 500 mL ریخته شد و بعد از اضافه نمودن کاتالیزور، در دمای معین همزده شد. در طول فرآیند و در فواصل زمانی معین، نمونه برداری از ظرف انجام شد و به کمک فیلتر سرنگی، نمونه-ها صاف شدند. با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومترUV-Vis، مقدار جذب محلول صاف شده تعیین و غلظت آن محاسبه شد.
نتایج و بحث
در این قسمت نتایج اثر پارامترهای عملیاتی در حذف رنگ بروموتیمول آبی در سیستم سونوکاتالیستی آورده شده است. در این تحقیق از نانو ذرات تیتانیم اکسید به عنوان کاتالیزور استفاده شده است. آزمایشات بررسی اثر مقادیر مختلف نانوذرات تیتانیم اکسید بر روی حذف رنگ بروموتیمول آبی در سیستم سونوکاتالیستی - US/TiO2 - با دامنه ارتعاش 100 µm و فرکانس 1 هرتز دستگاه اولتراسونیک انجام شد و نتایج در شکل 1 نشان داده شده است. مطابق شکل1، مشاهده میشود که با افزایش مقدار نانوذرات در مجاورت امواج اولتراسونیک، درصد حذف رنگ افزایش یافته است. در اینجا نیز صرفنظر از حضور امواج اولتراسونیک، ملاحظه میشود که با افزایش مقدار جاذب از 0/01 به 0/2 g تعداد جایگاههای فعال موجود بر روی نانوذرات تیتانیم اکسید افزایش یافته و در نتیجه، درصد حذف رنگ بروموتیمول آبی بالا میرود.[9]
آزمایش های بررسی اثر مقادیر مختلف pH بر روی حذف رنگ بروموتیمول آبی در سیستم سونوکاتالیستی - US/TiO2 - با دامنه ارتعاش 100 µm و فرکانس 1 هرتز دستگاه اولتراسونیک انجام شد که نتایج در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به شکل 2 ملاحظه میشود که میزان حذف رنگ برموتیمول آبی توسط سیستم US/TiO2 همانند حذف رنگ توسط نانوذرات تیتانیم اکسید در محیط های اسیدی و قلیائی قوی به مراتب بهتر از دیگر pH ها اتفاق می افتد.[6]
