بخشی از مقاله
چکیده:
در کار پژوهشی حاضر از فرآیند فنتون هتروژن جهت حذف ماده رنگزای راکتیو قرمز 84 موجود در محلول آبی استفاده شده است. میکروذرات پیریت طبیعی از طریق فرآوری با پلاسما به روش تخلیه تابان با گازهای نیتروژن و آرگون به نانوساختارهای پیریت تبدیل گردیدند. مشخصات پیریت طبیعی و نمونه های اصلاح شده با پلاسمای نیتروژن و آرگون با استفاده از تصاویر SEM و آنالیزهای XRD، FT-IR و BET بررسی شدند. تصاویر SEM نشان دادند که میکروذرات پیریت بعد از اصلاح پلاسمای نیتروژن و آرگون به طور موثری به نانوساختارهای پیریت تبدیل شده اند. همچنین نتایج XRD و FT-IR نشان دادند که تحت فرآوری پلاسما هیچگونه تغییری در ساختار پیریت ایجاد نشده است.
با توجه به داده های به دست آمده از آنالیز جذب/واجذبی نیتروژن، مساحت سطح ویژه از 6/48 m2/g برای پیریت طبیعی به ترتیب به 9/65 و 9/09 m2/g برای نانوساختارهای پیریت تهیه شده با پلاسمای نیتروژن و آرگون افزایش یافته است. سپس کارایی کاتالیستی نانوساختارهای پیریت تهیه شده با پلاسمای نیتروژن وآرگون در فرآیند فنتون هتروژن مورد ارزیابی قرار گرفت. راندمان رنگزدائی راکتیو قرمز 84 طی فرآیند فنتون هتروژن پس از 90 min در حضور کاتالیست طبیعی و اصلاح شده با پلاسمای نیتروژن و آرگون به ترتیب برابر با 36/3%، 98/6% و 95/1% بدست آمد.
مقدمه
صنایع رنگرزی و نساجی گستردگی وسیعی در جهان دارند. این صنایع یکی از بزرگترین مصرف کنندگان آب به شمار می-روند و از این رو مقدار قابل توجهی پساب رنگی در مراحل مختلف فرآیند رنگرزی در این صنایع تولید میشود. حضور آلایندههای رنگزا در منابع آبی حتی در غلظتهای بسیار پایین قابل تشخیص بوده و موجب عدم پذیرش آن از سوی مصرف کنندگان میشود.
واکنش فنتون به عنوان روشی مؤثر جهت حذف آلاینده های آلی از محیط های آبی شناخته شده است و بر اکسایش آهن فرو به فریک جهت تجزیه H2O2 به رادیکال هیدروکسیل دلالت دارد. رادیکال های هیدروکسیل تولید شده به آلایندههای آلی حمله کرده و موجب تخریب آنها میگردند
اخیراً واکنش فنتون هتروژن - واکنش های 1 و - 2 توجه زیادی را به خود جلب کرده است
با توجه به اینکه واکنش های ذکر شده در سطح کاتالیست انجام می شوند با کاهش ابعاد کاتالیست و تبدیل آن به نانوساختارهای مربوطه امکان افزایش مساحت سطح و به تبع آن کارایی کاتالیست وجود دارد.
پلاسما گازی یونیزه شامل فوتون ها، الکترون ها، یون های مثبت و منفی، اتم ها، رادیکالها ومولکولهای برانگیخته و غیر برانگیخته میباشد کهدائماً در حال بر همکنش با یکدیگرند. جهت ایجاد پلاسما، ساختار الکترونی گونه ها - اتم ها و مولکولها - باید تغییر کند و سپس گونه برانگیخته شده و یون تولید شود .[4] انرژی مورد نیاز این فرآیند میتواند از طریق نیروی حرارتی، جریان الکتریکی و یا تابش الکترومغناطیسی تأمین شود .[5] پلاسما به دو دسته پلاسمای حرارتی و غیر حرارتی تقسیم بندی می شود.
پلاسمای غیر حرارتی بدلیل داشتن خواص غیر تعادلی، مصرف انرژی پایین و توانایی انجام واکنشهای فیزیکی و شیمیایی در دماهاینسبتاً پایین به عنوان روشی مطمئن برای اصلاح کاتالیست ها شناخته می شود .[5] از میان روش های مختلف تولید پلاسما، پلاسمای تخلیه تابان، یک تخلیه کم فشار بین الکترودهای مسطح بوده و دارای انرژی بسیار بالایی می باشد. در این نوع تخلیه یک گاز به طور مداوم اتمها و مولکول های خنثی را به یون های مثبت و منفی و الکترونها یونیزه می کند و اجزای برانگیخته شده، مانند لامپهای فلورسنت، نوعی تابش تولید میکنند
در کار پژوهشی حاضر از روش پلاسمای تخلیه تابان با گازهای نیتروژن و آرگون جهت اصلاح پیریت طبیعی استفاده شد و عملکرد نانوساختارهای پیریت فرآوری شده بعنوان کاتالیست فرآیند فنتون هتروژن جهت حذف ماده رنگزا، قبل و بعد از اصلاح پلاسما مورد ارزیابی قرار گرفت.
بخش تجربی
حدود 3 g از پیریت طبیعی در داخل محفظه پلاسما از جنس پیرکس قرار داده شد. سپس درپوشهای آلومینیمی دو طرف محفظه محکم بسته شدند و الکترودهای مستقر بر روی درپوش به طور موازی به خازن متصل گردیدند. فشار گاز - نیتروژن یا آرگون - در داخل محفظه پلاسما به 40 Pa رسانده شد. در نهایت جریانی با ولتاژ بالا توسط منبع تغذیه DC به مدت 45 min به الکترودها اعمال گردید. شکل - 1 - شمایی از دستگاه پلاسما مورد استفاده در پروژهی حاضر را نشان می دهد.
برای تعیین مشخصات کاتالیست فرآوریشده، از آنالیزهای XRD، FT-IR، SEM و BET بهره گرفته شده است. در ادامه نانوساختارهای پیریت به منظور حذف آلایندهی رنگزا در فرآیند فنتون هتروژن استفاده شده است.
شکل -1 شمایی از دستگاه پلاسما مورد استفاده در پروژهی حاضر.
نتایج و بحث
ویژگی های نانوساختارهای پیریت
شکل - - 2 الگوهای XRD پیریت طبیعی را قبل و بعد از فرآوری با پلاسمای نیتروژن و آرگون نشان میدهد. وجود نه پیک شاخص در 2θ برابر با 28/18، 33/20، 37/22، 40/88، 47/56، 56/38، 59/10، 62/02 و 64/56° که به ترتیب میتوان به صفحات - 111 - ، - 200 - ، - 210 - ، - 211 - ، - 220 - ، - 311 - ، - 222 - ، - 023 - و - 321 - کریستالهای پیریت نسبت داد، با پیکهای استاندارد پیریت - شماره کارت JCPDS برابر با - 160629 که در شکل - 2 - نشان داده شده است مطابقت دارد .[7] مقایسه الگوهای XRD پیریت طبیعی - a - و نانوساختارهای پیریت فرآوری شده با پلاسمای نیتروژن - b - و آرگون - c - نشان میدهد که بعد از فرآوری پلاسما تغییر قابل ملاحظهای در ساختار پیریت ایجاد نشده و شبکهی پیریت در حین فرآوری پلاسما به گونههای دیگر تبدیل نگردیده است.
شکل -2 الگوهای - a - XRD پیریت طبیعی و نانوساختارهای پیریت ایجاد شده تحت فرآوری پلاسمای - b - نیتروژن و - c - آرگون.
شکل - 3 - طیف - a - FT-IR پیریت طبیعی و نانوساختارهای پیریت تهیه شده به روش پلاسمای - b - نیتروژن و - c - آرگون را نشان می دهد. پیکهای 540، 615/2 و 781/1 cm-1 مربوط به ارتعاش Fe-S است که شدت این پیکها در نمونه های فرآوری شده تحت پلاسما افزایش یافته است، این پدیده را می توان به افزایش خلوص نمونه پیریت بعد از اصلاح توسط پلاسما نسبت داد.
پیک موجود در 1020/3 cm-1 نشانگر ارتعاش Fe-O-OH می باشد. پیک موجود در 1623/9 cm-1 وجود گروه را تأیید می کند. پیک مربوط به ناحیه 3450/5 cm-1 مربوط به ارتعاشهای پیوند O-H موجود در آب است .[8] محل و موقعیت پیکهای نانوساختارهای پیریت موجود مشابه پیکهای مشاهده شده برای میکروذرات پیریت میباشد. این امر تایید می-کند که گروههای عاملی در سطح میکروذرات اولیه پیریت و نانوساختارهای پیریت یکسان میباشند.
شکل -3 طیف - a - FT -IR پیریت طبیعی و نانوساختارهای پیریت ایجاد شده تحت فرآوری پلاسمای - b - نیتروژن و - c - آرگون.
همانطور که در شکلهای a - 4 - و - - b مشخص است تصاویر SEM نمونه پیریت قبل از فرآوری پلاسما حاکی از وجود سطحی تقریباً صاف و بدون ذرات پراکنده شده به صورت یکنواخت برای این نمونه میباشد. پلاسما منجر به افزایش کندوکاش بر روی سطح کاتالیست شده و از این طریق موجب فرآوری نانوساختارهای مربوطه میگردد
شکلهای c - 4 - و - - d و شکلهای e - 4 - و - - f به ترتیب تصاویر SEM نمونه پیریت بعد از فرآوری پلاسمای نیتروژن و آرگون را نشان می دهند که حاکی از تشکیل ساختارهایی در ابعاد نانومتر برای این نمونه ها می باشند. همانطور که مشاهده می شود بعد از فرآوری پلاسما در محیط نیتروژن و آرگون میکروذرات پیریت به طور موثری به نانو-ساختارهای مربوطهبا اندازه نسبتاً منظم و یکنواخت تبدیل شده اند.
