بخشی از مقاله
خلاصه
افزایش روز افزون آلودگیهای زیست محیطی، تهدیدی جدی برای منابع آب شرب به شمار میرود. در حال حاضر برخی منابع آب شرب به نیترات آلوده شدهاست. استفاده از جاذبهای مختلف برای حذف نیترات از آب آشامیدنی به طور وسیعی مورد مطالعه قرار گرفته است. شبیه سازی دینامیک مولکولی میتواند به عنوان ابزار قدرتمندی برای پیش بینی جذب آلایندهها از آب مورد استفاده قرار گیرد و علاوه بر صرفه جویی در زمان و هزینه، درک بهتری از فرایند جذب فراهم آورد. در این مقاله جذب نیترات از آب آشامیدنی با استفاده از نانو اکسید آهن - Fe3O4 - ابتدا به روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است. سپس نتایج با دادههای تجربی مقایسه شده است که نشان دهنده همخوانی بسیار خوبی با نتایج حاصل از شبیه سازی است.
1 مقدمه
جمعیت شهری، در طی سالهای 1950 تا 2005 بیش از چهار برابر شده است. آلایندهها، به خصوص فاضلاب شهری و روستایی و پساب زمینهای کشاورزی بدون تصفیه و به صورت مستقیم به روان آبها و چاهها وارد می شود و در نقاطی که منابع آبی با هجوم منابع آلاینده مواجه اند، ایجاد بیماری های مختلف در مصرف کنندگان این گونه آبها دور از ذهن نیست.
نیترات NO3 یکی از آنیون ها ی معدنی است که در نتیجه اکسید اسیون نیتروژن عنصری حا صل می شود. این ماده یکی از عناصر بسیار ضروری برای سنتز پروتئین در گیاهان است ونقش مهمی در چرخه نیتروژن دارد. نیترات از طریق اکسیداسیون طبیعی تولید و بنابراین در تمام محیط زیست یافت می شود . فاضلاب های شهری، صنعتی، مواد دفعی حیوانی وگیاهی در شهرهای بزرگ که دارای نیتروژن آلی هستند به خاک دفع میشوند.
دراثر فعالیت میکرو ارگانیزمهای خاک، نیتروژن آلی به یون آمونیوم NH4+ تبدیل شده که به این پدیده آمونیفیکاسیون گفته می شود. خاک توانائی نگهداری این ترکیب را در خود دارد اما به مرور طی پدیده دیگری به نام نیتریفیکاسیون بخشی از یون آمونیوم ابتدا به نیتریت - - - NO وسپس به نیترات تبدیل می شود. لایه سطحی خاک قادر به حفظ و نگهداری این دو ترکیب نبوده و در نتیجه نیتریت و نیترات به آبها ی زیر زمینی راه مییابند.
نیتریت حاصل از احیای نیترات معدنی وآلی پس از ورود به سیستم گردش خون آهن همو گلوبین را اکسید نموده و از ظرفیت II به ظرفیت III تبدیل می نماید که در نتیجه هموگلوبین به متهموگلوبین تبدیل ظرفیت اکسیژن رسانی بسیارکمتری از هموگلوبین دارد ودر نتیجه به بافت ها اکسیژن کافی نمی رسد بعداز مدتی رنگ پوست - در نا حیه دور چشم ودهان - به تیرگی میگراید وازاین رو به آن سندرم کودک آبی می گویند.
این عارضه اولین نشانه مسمومیت با نیترات است ونوزادان زیر شش ماه آسیب پذ یرترین گروه سنی دراین مورد هستند. زیرا نوزادان برخلاف بزرگسالان علاوه بر pH بالای معده و زیادی باکتری های طبیعی احیاء کننده نیترات، فاقد آنزیم برگشت دهنده متهموگلوبین به هموگلوبین هستند. از دیگر علائم افزایش متهموگلوبین می توان به سردرد، خواب آلودگی و اشکال در تنفس اشاره نمود. . این درحالی است که اثرات منفی نیترات حداقل 15 سال بعد از مصرف آشکار خواهد شد. وجود این ماده خطرناک در آب آشامیدنی برای نوزادان و زنان باردار عوارض جبران ناپذیری را در پی خواهد داشت 5]،.[4
در حال حاضر، جاذبها در تصفیه آب به صورت گستردهای جهت حذف آلایندههای آلی و معدنی از آبهای آلوده بکار میرود. در سالهای اخیر، استفاده از جاذبهای ارزان قیمت به دلیل هزینههای پایین آن، دسترسی آسان، عدم سمیت و پتانسیل تبادل یونی، بسیار متداول شده است. ویژگیهای خاص نانو اکسید آهن مانند سطح ویژه بالا، به این ماده قابلیت کاربردی ویژهای داده است. استفاده از نانو اکسید آهن به عنوان جاذب جهت حذف فلزات مختلف، ترکیبات آلی و رنگها نتایج خوبی را نشان داده است.[4-1]
از جاذب ها برای حذف فیزیکی نیترات به روش جذب سطحی استفاده می شود. جاذبهای گوناگونی مانند جاذب نانو حفره سیلیکایی عاملدار شده با گروههای آلی دیآمینی،گرانول های هیدروکسید آهن، ذغال چوب بامبو، کیتوسان، سپیولایت، کربن فعال، زئولیت، مواد ضایعاتی کشاورزی، مواد ضایعاتی صنعتی، بیوجاذبها و جاذبهای طبیعی و... برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته اند7]،.[6 باتوجه به ارزان بودن جاذبها نسبت به غشاءها، سهولت عملکرد، تعمیر و نگهداری فرایند جذب و پیشرفت تکنولوژیهای ساخت جاذبهای ارزان با ظرفیت بالای جذب، به نظر میرسد این فرایند گزینه مناسبی برای حذف آلایندگی نیترات از آب آشامیدنی میباشد.
نانو تیوبهای کربنی به دلیل سایز بسیار کوچک، توزیع یکنواخت حفره ها، سطح ویژه زیاد و قابلیت عامل دار شدن توسط گروه های عامل مختلف مورد توجه قرار گرفته اند 9]،.[8 در مقایسه با جاذبهای معمولی مانند کربن فعال نانو تیوبهای کربنی عامل دار شده ظرفیت جذب بیشتری دارند و زمان کمتری برای رسیدن به تعادل نیاز دارند. اما استفاده از پودر نانوتیوب کربنی چند ایراد دارد: اول اینکه پس از جذب جداسازی آن از محیط مشکل است و در صورت فیلتراسیون فیلتر سریع اشباع می شود. عامل دیگر نگرانیهایی درخصوص سمیت و احتمال نشت آن به محیط وجود دارد. به همین دلیل صفحات نانوتیوب کربنی سنتز شد تا این مشکل را برطرف کند.
استفاده از نانوذرات آلومینا[10] و نانوذرات آهن صفر[11] برای جذب نیترات مورد مطالعه قرار گرفته است. سینتیک جذب نیترات توسط نانو ساختار سلولوزتغییر یافته با هیدروکسی آپاتیت کربناته[12]، جذب نیترات توسط کوپلیمر آکریلونیتریل/دی وینیل بنزن/وینیل بنزیل کلراید با قابلیت بازیابی بالا [13]، جذب همزمان سرب و نیترات از محلول آبی توسط کائولینیت عامل دار شده روی نانو ذرات اهن/نیکل [14]، سنتز سبز نانو ذرات آهن جهت جذب نیترات [15]، استفاده از لایه دوگانه منیزیم-آلومینیوم به دام افتاده در دانه های آلجینات/پلی¬وینیل الکل برای جذب نیترات[16]، مقایسه جذب نیترات توسط گرافن اکساید پوشیده شده توسط نانو ذرات کبالت، نیکل و آهن[17]، جذب همزمان کادمیم و نیترات توسط نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی و طلای پوشیده شده با نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی[18]، از جمله مواردی است که برای جذب نیترات به آنها اشاره شده است.
.2 روش کار
شبیه سازی دینامیک مولکولی در این تحقیق توسط کد محاسباتی DL_POLY انجام می شود. در این کد شبیه سازی با استفاده از پارامترهای میدانهای نیرو از قبیل چارم و امبر و ... به بررسی برهمکنش های میان آلایندهی نیترات با سطح جاذب در دیدگاه میکروسکوپی پرداخته خواهد شد. برای این منظور برهم کنشهای غیر پیوندی، پتانسیلهای کولمبی، پیوندها وزوایای پیوندی، دای هدرالها و ... برای بررسی بر همکنشهای بین مولکولی؛ به طور دقیق تعریف می گردد.
با این کد شبیه سازی و بررسی فایلهای خروجی میتوان میزان جذب و حتی نحوه جذب الاینده را روی جاذب بررسی نمود. جهت بررسی صحت شبیه سازی صورت گرفته؛ می توان نتایج حاصل شبیه سازی سیال مورد بررسی را در حالت توده ای با نتایج آزمایشگاهی در شرایط مشابه مقایسه نمود. بدین منظور کمیتهای از قبیل ضریب نفوذ، دانسیته، و ... با مقادیر تجربی یا نتایج سایر شبیه سازی ها مقایسه می گردد.
