بخشی از مقاله
چکیده
هدف این تحقیق، بررسی فعالیت فتوکاتالیستی هیبرید حاوی نانوذرات ZnO و SnO2 جهت تخریب آلاینده متیل اورانژ میباشد. جهت سنتز هیبرید در ابتدا نانوذرات SnO2 با استفاده از روش سل ژل تهیه و سپس نانوذرات ZnO بر روی سطح خارجی نانوذرات SnO2 سنتز گردید. نانوذرات SnO2 و هیبرید سنتز با استفاده از طیف XRD مورد آنالیز قرارگرفت.
نتایج حاصل از طیف XRD نشان داد که نانوذرات SnO2 دارای ساختار کریستالی تتراگونال میباشد و نانوذرات ZnO به طور موفقیت آمیزی بر روی سطح خارجی نانوذرات SnO2 تشکیل شده است. آنالیز FTIR هبرید سنتز شده نیز تشکیل نانوذرات SnO2 و ZnO را بر روی سطح هیبرید تایید مینماید. بررسی فعالیت فتوکاتالیستی هیبرید سنتز شده نشان میدهد که غلظت فتوکاتالیست و زمان تابشدهی بر روی میزان حذف آلاینده موثر میباشد. بطوری که با افزایش غلظت و زمان میزان جذب آلاینده متیل اورانژ که در طول موج 464 نانومتر میباشد کاهش مییابد.
-1 مقدمه
انواع متفاوتی از آلایندهها در آب، خاک و هوا وجود دارند که اثرات زیان آوری بر سلامت انسان، گیاهان و جانوران داشته و محیط زیست طبیعی را تحت تأثیر قرار میدهند. آلودگی آب در اثر مواد متفاوت شیمیایی که در واحدهای صنعتی متفاوت تولید و به آبهای سطحی و یا زیر زمینی و یا هوا وارد میشوند، یکی از تهدیدهای عمده محیط زیست به شمار میرود و رفع آنها یکی از چالشهای مهمی است که در زندگی امروز انسان مطرح است.از این رو فعالیتهای وسیعی صورت میگیرد تا پسابهای صنعتی قبل از ورود به محیط زیست تصفیه شده و مواد آلاینده آن حذف شود
تا کنون روشهای مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی برای تصفیه این نوع فاضلاب به کار رفته است که از جمله آنها می توان به جذب توسط کربن فعال، انعقاد، اکسیداسیون شیمیایی، اسمز معکوس و فیلتراسیون اشاره نمود. [3,2] اما جذب و انعقاد تنها آلودگی را از فاز آبی به فاز جامد منتقل کرده و به دلیل مشکلات محیط زیستی به تصفیه دوباره نیاز دارند. علاوه بر این در این روشها تجزیه آلاینده ها نیز صورت نمیگیرد. [4] روشهای بیولوژیکی متداول نیز قادر به تجزیه این آلاینده ها نبوده و بیشتر جذب سطحی روی لجن اتفاق میافتد. [5] به همین دلیل در سالهای اخیر روشهای اکسیداسیون پیشرفته و الکتروشیمیایی برای حذف آلاینده های سمی و سخت تجزیه پذیر از آب آشامیدنی و پساب کارخانجات، مطلوبیت و گسترش زیادی یافته اند.
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته بطور کلی به فرآیندهایی گفته می شود که در آن یک ماده اکسیدکننده قوی مانند آب اکسیژنه، ازن و یک کاتالیست مانند اکسید روی، آهن و منگنز در حضور یا عدم حضور منبع تابش اشعه فرابنفش مورد استفاده قرار می گیرد. این فرآیندها بر پایه تولید رادیکال های آزاد هیدروکسیل با قدرت اکسیداسیون بالا بوده که سبب تبدیل آلاینده های شیمیایی آلی به مواد معدنی می شود که بیشترین کارایی را در اکسیداسیون ترکیبات آلی مقاوم دارند .هنگامی که انرژی یک فوتون برابر یا بیشتر شکاف انرژی - Eg - نیمه هدایت-گر باشد نتیجه آن برانگیختن الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت است که به علت برانگیختن الکترون باعث تولید حفره در باند ظرفیت می شود. الکترون های تحریک شده و حفرهها می توانند بطور مستقیم یا غیر مستقیم تولید رادیکال هیدروکسیل کنند که رادیکالهای هیدروکسیل تولید شده مواد آلی را به مواد معدنی تبدیل میکنند.
اکسید قلع یا SnO2، یک نیمه هادی از نوع n می باشد که دارای شکاف انرژی برابر3.8ev میباشد. SnO2 کاربرد زیادی بویژه در پیلهای خورشیدی، سنسورها، پیل های سوختی، کاتالیزورها و سوپر خازنها دارد. [10] تاکنون مطالعات بسیاری بر روی فعالیت فتوکاتالیستی نانوذرات مختلف از جمله Au [11]، Ag- ZnO-SnO2 جهت تجزیه فتوکاتالیستی آلایندهها صورت گرفته است.
هرچند فعالیت فتوکاتالیستی بسیاری از نانوذرات مختلف جهت حذف آلایندهها تاکنون مورد توجه و بررسی قرار گرفته است ولی تاثیر غلظت نانوذرات بر روی فعالیت فتوکاتالیستی مورد بررسی قرار نگرفته است. بنابراین هدف از انجام این مطالعه بررسی تاثیر غلظت هیبرید حاوی نانوذرات ZnO و SnO2 بر روی حذف آلاینده متیل اورانژ میباشد.
-2 روش تحقیق
در این تحقیق جهت سنتز هیبرید حاوی نانوذرات ZnO و SnO2 مواد زیر مورد استفاده قرار گرفته است.
کلراید روی - ZnCl2, M= 136.30, Merck - ، کلراید قلع دوآبه - SnCl2.2H2O, M= 225.63, Scharlau - ، هیدروکسید سدیم - NaOH, Merck - و محلول آمونیاکی . - 25%, Merck - جهت سنتز نانوذرات SnO2 ابتدا 2 گرم SnCl2.2H2O به 100 میلی لیتر اضافه میگردد تا کاملا حل شود. سپس 1 میلی لیتر محلول آمونیاکی به محلول بالا اضافه میشود تا ژل حاصل گردد. حال ژل تولید شده را فیلتر نموده و به مدت 24 ساعت در دمای 80œC خشک نموده و در نهایت جهت فرایند کلسیناسیون به مدت 2 ساعت در کوره با دمای 550œC قرار میدهیم تا نانوذرات کریستالی SnO2 حاصل شود.
جهت سنتز هیبرید حاوی نانوذرات ZnO و SnO2 بایستی نانوذرات ZnO را بر روی سطح نانوذرات SnO2 سنتز نمود. جهت سنتز نانوذرات ZnO از روش ارائه شده در تحقیق قبلی انجام شده توسط قادری و همکاران [17] استفاده شده است. به طوریکه 0.3 گرم از نانوذرات SnO2 سنتز شده در مرحله قبل را در 10 میلی لیتر آب مقطر اضافه نموده و به مدت 10 دقیقه در حمام اولتراسونیک قرار میدهیم
1 گرم ZnCl2 در 24 میلی لیتر آب مقطر با دمای 90œC که بر روی همزن مغناطیسی با دور بالا قرار دارد اضافه میکنیم - محلول . - 2 سپس محلول 1 و 2 را به آرامی با هم مخلوط نموده و بر روی همزن مغناطیسی قزاز میدهیم - محلول . - 3 سپس 5.34 میلی لیتر محلول 5 مولار NaOH را آهسته به محلول 3 که بر روی همزن با دمای 90œC قرار دارد اضافه مینماییم. محلول حاصل را در دمای 90œC نگه میداریم تا محلول به رنگ شیری تبدیل شود. سپس محلول شیری رنگ را تا دمای محیط سرد میکنیم. نانوذرات تشکیل شده را که تهنشین شده است با فیلتر جدا نموده و چندین بار با آب مقطر شستشو میدهیم و پس از خشک نمودن در دمای 80œC به مدت12 ساعت در کوره با دمای 300œC به مدت 3 ساعت کلسینه مینماییم.
در تحقیق حاضر جهت شناسایی فاز نانوذرات سنتز شده از آنالیز اشعه ایکس استفادهگردید. آزمایشهای پراش اشعه X با دستگاه Philipsتحت ولتاژ 40KV و جریان 30mA صورت گرفت. لامپ دستگاه از جنس مس و در تمام آزمایشها از اشعه CuN با طول موج 1/542 A استفاده شد. همچنین آنالیز پراش اشعه ایکس در بازه 2 =4- 90 انجام گردید. جهت شناسایی گروههای عاملی ایجاد شده بر روی سطح نانوذراتSnO2 و نانوکامپوزیت حاوی ZnO و SnO2 از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز و روش تهیه قرص استفاده شد. طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز در دمای محیط در طیف سنج Tensor 70 در محدوده 400-4000cm- 1 انجام شد.
جهت بررسی تجزیه فتوکاتالیستی آلاینده متیل اورانژ مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت زیرا متیل اورانژ مرسومترین نوع آلاینده موجود در پساب کارخانههای صنعتی میباشد و همچنین مقاومت خوبی در برابر تجزیه نوری دارد. [13] تخریب فتوکاتالیستی متیل اورانژ با استفاده از فتوکاتالیستهای تهیه شده در یک فتوراکتور به حجم 80 میلی لیتر که حاوی 60 میلی لیتر محلول متیل اورانژ با غلظت 10 میلی گرم بر لیتر و مقدار 0.25 و 0.5 گرم از فتوکاتالیست میباشد مورد بررسی قرار گرفت.
جهت تابشدهی سوسپانسیونهای مورد بررسی از یک لامپ جیوه فشار قوی 150 واتی استفاده گردید. تمام سوسپانسیونهای مورد آزمایش قبل از فرایند تابشدهی به مدت 60 دقیقه در یک اتاق تاریک و روی همزن مغناطیسی مورد اختلاط قرار گرفتند تا تعادل بین جذب و واجذب فتوکاتالیستها به خوبی انجام گیرد.
جهت مطالعه تخریب فتوکاتالیستی متیل اورانژ از تکنیک طیف سنجی ماورابنفش با استفاده از دستگاه Lambda EZ 201, Perkin Elmer company استفاده گردید. بنابراین پس از سپری شدن هر 5 دقیقه از زمان تابشدهی مقداری از محلول را برداشته و نانوذرات موجود در آن را با استفاده از سانتریفیوژ جدا نموده و میزان جذب آلاینده متیل اورانژ در طول موج 464 نانومتر ثبت گردید
