بخشی از مقاله
چکیده
تولید و استفاده از مواد منفجره نیترامینی برای کاربردهای نظامی منجر به انتشار این مواد به محیط زیست می گردد. حضور مواد منفجره نیترامینی در آبراه ها و خاک، خطرات محیطی و سلامتی را مطرح می سازد. در این مقاله روش های در دسترس یا مطالعاتی برای تصفیه مناطق آلوده شده با این ترکیبات مرور شده است.
واژه های کلیدی: نیترامین، هگزوژن، تتریل، تصفیه، کربن فعال، تصفیه بیولوژیکی، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته
مقدمه
نیترامین ها، برای مثال، هگزا هیدرو-1و3و-5تری نیترو-1و3و-5تر آزین - هگزوژن - 1، اکتاهیدرو-1و3و5 و-7تترانیترو-1و3و5و-7 تترازوسین - اکتوژن - 2 و تتریل، مهمترین مواد منفجره نیترامینی هستند که اخیرا در صنایع نظامی کشورهای مختلف استفاده می شود. پساب فرآیند ساخت مواد منفجره اغلب حاوی این ترکیبات بسیار سمی می باشند. آژانش حفاظت از محیط زیست آمریکا3 هگزوژن و اکتوژن را بعنوان مواد سرطانزا بترتیب در گروه های C و D طبقه بندی و حد مجاز هگزوژن در آب آشامیدنی 0,002 میلیگرم بر لیتر و 0,04 میلیگرم بر لیتر تعیین کرده است.[1] نیترامین ها - خصوصا هگزوژن و اکتوژن - نسبت به مواد منفجره معمول نظیر تری نیترو تولوئن4، بسختی تجزیه می شوند. بعلاوه محصولات تخریب آنها، نظیر، هگزا هیدرو--1نیتروزو 3-و-5دی نیترو-1و3و-5تری آزین5، هگزا هیدرو-1 و3و-5تیری نیتروزو-1و3و-5تری آزین6، -Nهیدروکسی فرمامید و نیتروفرمالدهید نسبت به مواد اولیه ترکیبت سمی تری هستند 2] و .[3 بنابراین، تخریب کامل و معدنی کردن این نیترامین ها در پسماندهای آلوده شده از نگرانی های اصلی محیط زیست می باشد. روش های مختلفی برای تصفیه نیترامین ها در محلول های آبی مانند جذب سطحی، برقکافت، تصفیه بیولوژیکی و فرآیندهای اکسیداسیون و نورکافت بکار برده شده است.[4] که در ادامه به بررسی هر یک از این روش ها پرداخته می شود.
جذب سطحی بر روی کربن فعال
روش جذب سطحی از طریق کربن فعال بدلیل توانایی آن در حذف سریع مقادیر زیاد آلودگی از محیط های آبی ، روشی مرسوم است. با این وجود، نسبت به دیگر روش های تخریب پسماندهای شیمیایی، نیازمند فرآیند جداسازی و تصفیه بیشتر برای تبدیل آنها به ترکیبات غیر زیان آور می باشد. بعلاوه، جاذب های سطحی مصرف شده حاوی مواد منفجره برجای می ماند که مشکلات جدی ایمنی را در پی دارد.[4-6]
تصفیه بیولوژیکی
تصفیه بیولوژیکی با استفاده از میکروارگانیزم ها یا تصفیه از طریق گیاه7، شامل استفاده از گیاهان بزرگ، روش های دوستدار محیط زیست و کم هزینه هستند. با این وجود، معایب عمده آنها، سرعت تخریب پایین، بازده معدنی کردن پایین و مشکلات تصفیه نمونه های آلوده شده با غلظت های بالای مواد منفجره می باشد7] و .[8
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته
تصفیه با فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته بعنوان یکی از مهمترین روش ها برای تصفیه خاک و آب های آلوده شده با ترکیبات منفجره می باشد. اغلب این فرآیندها از طریق تولید رادیکال و اساسا رادیکال های هیدروکسیل انجام می شود. رادیکال هیدروکسیل بعنوان عامل اکسنده قوی قادر است با مواد آلی واکنش داده و منجر به بازگشایی حلقه شود. برخلاف بسیاری از رادیکال ها، رادیکال هیدروکسیل گزینش پذیر نیست و به سرعت به گروه های بزرگ مواد شیمیایی آلی حمله کرده و آنها را کمپلکس های کوچکتر و محصولات حدواسط با مضرات کمتر تبدیل می کند. مزیت فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته نسبت به فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی این است که آنها کاملا دوستدار محیط زیست بوده بصورتی که آلودگی را از فازی به فاز دیگر - نظیر رسوب شیمیایی، جذب سطحی و تبخیر - همراه با ایجاد مقادیر زیاد لجن خطرناک در پی ندارد 9 ] و .[10
در میان فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته رایج، فرآیندهای اکسیداسیون بر اساس واکنشگر فنتون - هیدروژن پراکسید در حضور سولفات آهن - ، یکی از معمول ترین فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته برای تصفیه مواد آلی و معدنی در شرایط آزمایشگاه و همچنین پساب واقعی از منابع مختلف می باشد. در فراید فنتون، واکنش میان آهن - - II و هیدروژن پراکسید - H2O2 - ، رادیکال هیدروکسیل، رادیکال های بسیار فعال، ایجاد کرده که می تواند بصورت غیر گزینش پذیر با آلاینده های آلی مختلف واکنش دهد - واکنش .[11] - 1 از جنبه دیگر، روش الکترواکسیداسیون - الکترولیتیک - برا تصفیه پساب توسعه یافته است. در این روش، رادیکال های هیدروکسیل از اکسیداسیون آب در آند ایجاد شده که بصورت یک جاذب سطحی برای این گونه ها عمل می کند، منجر به تشکیل .OHad می گردد. این امر در واکنش 2 نمایش داده شده است.[12] سپس این گونه های .OHad به مولکول های آلی حمله کرده و آنها را به ترکیبات با سمیت کمتر تخریب می کنند. بعلاوه، عامل اکسید کننده هیدروژن پراکسید در طول این فرآیند تشکیل می گردد. واکنش 3 بر روی الکترود کاتد و واکنش 4 بر روی الکترود آند روی می دهد.[12]
این اکسید کننده ها در محلول آزاد شده و در فرآیند تخریب آلاینده های آلی شرکت می کنند - اکسیداسیون غیرمستقیم - . علاوه بر این، ترکیبات سمی می تواند با انتقال الکترون از آند به مولکول های آلی جذب شده بر روی سطح الکترود در فرآیند اکسیداسیون مستقیم، تخریب شود. از اینرو در بازده فرآیند الکترواکسیداسیون هر دو فرآیند اکسیداسیون مستقیم و غیرمستقیم سهیم هستند.[12]
برای غلبه بر مصرف بالای انرژی فرآیند الکترولیتیک - که برای تکیمل تبدیل آلاینده های آلی به دی اکسید کربن نیاز است - ، روش های مختلفی نظیر افزودن عامل اکسید کننده هیدروژن پراکسید یا استفاده هم زمان از فرآیندهای دیگر مانند اکسیداسیون فنتون، پیشنهاد شده است13] و .[14
تخریب نیترامین ها در محلول های آبی از طریق واکنشگر فنتون
سرعت واکنش و بازده تخریب نیترامین ها با استفاده از واکنشگر فنتون به پارامترهای زیادی از قبیل زمان واکنش، غلظت اولیه آهن - - II، هیدروژن پراکسید و نسبت غلظت آنها، pH و دما بستگی دارد. بنابراین برای رسیدن به شرایط بهینه، اثر هر یک از آنها به تنهایی و همچنین اثرات پارامترها با یکدیگر باید به دقت بررسی شود.[ 15] این عوامل در یک کار آزمایشگاهی نوعی بر روی پساب حاوی هگزوژن و تتریل مورد مطالعه قرار گرفته که در ادامه به آنها پرداخته می شود.
اثر زمان واکنش
همانطوری که در شکل 1 نمایش داده شده، غلظت های تتریل و هگزوژن به سرعت کاهش می یابد. در pH=3، تتریل بعد از گذشت 90 دقیقه و هگزوژن بعد از 180 دقیقه بطور کامل تخریب می شوند و این امر نشان می دهد که تخریب تتریل بسیار موثرتر از تخریب هگزوژن است. بعلاوه تخریب هگزوژن از طریق فرآیند فنتون بسیار بیشتر از روش الکتروشیمیایی آن است.[11]
اثر pH
از آنجایی که در واکنش فنتون رادیکال هیدروکسیل از طریق تجزیه هیدروژن پراکسید - کاتالیز شده بوسیله آهن - II - عامل اصلی اکسیداسیون است، بنابراین، pH پایین تر برای ایجاد رادیکال هیدروکسیل مناسب تر است در حالیه اگر pH بالاتر باشد، کمپلکس های فروس و فریک هیدروکسیل تشکیل می گردد که این موضوع برای ایجاد رادیکال هیدروکسیل نامطلوب است. به عبارت دیگر، واکنشگرهای فنتون در محیط اسیدی نسبت به شرایط خنثی موثرتر است. بنابراین تمامی آزمایشات با استفاده از واکنشگرهای فنتون در محیط اسیدی صورت می پذیرد. باید به این موضوع نیز توجه داشت که تخریب نیترامین های مورد بحث در pH حدود 6 بهتر عمل می کند، حال آنکه در در این pH، آهن - II - رسوب کرده و فعالیت واکنشگرهای فنتون را کاهش می دهد. در ضمن نباید فراموش شود که، واکشنگرهای فنتون برای تخریب هگزوژن و روش الکترولیتیک در مورد تتریل مناسب تر است - شکل های 2 و 16]. - 3 و .[17
اثر غلظت آهن - II -
در مطالعات آزمایشگاهی که بر روی تخریب پساب نیترامینی حاوی هگزوژن و تتریل انجام شده، نشان می دهد که سرعت تخریب در غلظت های بالاتر آهن - II - بهبود می یابد.[7]
اثر دما
یکسری آزمایشات برای تعیین وابستگی دمایی مواد منفجره مطالعه شده روی واکنشگرهای فنتون انجام شده است. نتایج برای تتریل و هگزوژن به ترتیب در شکل 4 نمایش داده شده است. افزایش دما از 30 به 50 درجه سانتیگراد منجر به افزیش سرعت واکنش شده است. بطوری که در 30 درجه سانتیگراد بعد از گذشت 120 دقیقه بازده تخریب 80 درصد، درحالیکه در 50 درجه سانتیگراد این مقدار بعد از طی زمان 15 دقیقه به 100 درصد رسیده است.[7]
اثر غلظت هیدروژن پراکسید و نسبت CH2O2 / CFe2+
منطقی به نظر می رسد که غلظت های پایین هیدروژن پراکسید نمی تواند رادیکال هیدروکسیل کافی در محلول تولید نماید. در ضمن، غلظت های بالای آن اثرات نامطلوبی بر روی بازده واکنش دارد. غلظت اولیه هیدروژن پراکسید بالاتر ، فرآیند اکسیداسیون را افزایش داده و منجر به افزایش غلظت رادیکال های هیدروکسیل تا حد غلظت معین می شود، هنگامی که هیدروژن پراکسید شروع به واکنش با رادیکال های هیدروکسیل نموده و بعنوان رباینده رادیکال های آزاد عمل می نماید و رادیکال های هیدروپروکسیل - .OOH - که واکنش پذیری کمی دارد تولید می کند4] و .[17 با توجه به اینکه هیدروژن پراکسید بخش اعظم هزینه های واکنشگرهای فنتون را شامل می شود، بنابراین، از نظر اقتصادی مهم است که مقدار هیدروژن پراکسید مورد نیاز، کمینه باشد.[16]
نتیجهگیری و جمعبندی
این مقاله بر روی تصفیه پساب های آلوده شده با مواد منفجره - تتریل، هگزوژن - از طریق برخی فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته متمرکز شده است. با فرآیند اکسیداسیون الکتروشیمیایی، تتریل در آب های آلوده شده - pH ~ 6-7 - با سرعت تبدیل بالا، تخریب می گردد. با این حال، بدلیل سرعت تخریب الکتروشیمیایی پایین هگزوژن، این روش برای تصفیه هم زمان تتریل/هگزوژن کاربردی نیست. اکسیداسیون تتریل و هگزوژن با استفاده از واکنشگر فنتون در pH=3 تحت شرایط معین، مناسب است. همچینن وابستگی دمایی تخریب تتریل نشان می دهد که با افزایش دما از 30 به 50 درجه سانتیگراد بطور قابل توجهی افزایش می یابد. در میان تحقیقات انجام شده بر روی عوامل اکسید کننده پیشرفته، واکنشگر فنتون می تواند تتریل و هگزوژن را در محیط آبی و با سرعت تبدیل بالا، تخریب نماید. بنابراین فرآیند فنتون یکی از قدرتمندترین فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته است که می تواند بطور موثری برای در تصفیه همزمان پساب های حاوی نیترامین های خطرناک مورد استفاده قرار گیرد.
