بخشی از مقاله
چکیده
در طی سالهاي اخیر، رنگهاي راکتیو، به دلیل کارایی ویژه به طور گسترده در صنایع نساجی مورد استفاده قرارگرفتهاند؛ اما تخلیه پسابهاي حاوي چنین رنگهایی به منابع آبی، به دلیل ویژگیهاي سرطانزایی، جهشزایی، ماهیت سمی و ایجاد رنگ در آب، می-تواند آثار زیانباري بر محیط طبیعی بر جاي گذارد. مطالعه حاضر، با هدف بررسی کارایی فرآیند نانوذرات آهن صفر در حضور هیدروژن پراکسید در جهت حذف رنگ راکتیو قرمز 198 از محلولهاي آبی انجام پذیرفت. این مطالعه در مقیاس آزمایشگاهی انجام شد.
در این مطالعه ابتدا نانوذرات آهن با استفاده از سدیم بوروهیدرید به عنوان کاهنده اصلی فریک آهن، تهیه گردید و سپس کارایی هیدروژن پراکسید و هیدروژن پراکسید-نانوذرات آهن صفر ظرفیتی در حذف رنگ راکتیو قرمز 198 بررسی شد. هم چنین اثر pH محلول، غلظت رنگ، هیدروژن پراکسید، مقدار نانوذرات آهن صفر ظرفیتی و زمان تماس در کارایی عمل رنگزدایی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج آزمایشات نشان داد که فرآیند ترکیبی نانوذرات آهن صفر ظرفیتی هیدروژن پراکسید، نسبت به هیدروژن پراکسید تنها، از قدرت رنگبري بالایی برخوردار است. در pH=4، زمان تماس 40 دقیقه، هیدروژن پراکسید 200 میلی مول، غلظت رنگ 75 میلی گرم در لیتر و مقدار نانوذرات آهن صفر ظرفیتی 2 گرم، حذف رنگ در حدود 91 درصد بوده است. با توجه به نتایج آزمایشها، استفاده از هیدروژن پراکسید-نانوذرات آهن صفر ظرفیتی کارایی مناسبی در حذف رنگ راکتیو قرمز 198 از گروه رنگهاي آزو، دارد.
مقدمه
یکی از عمدهترین صنایع آلاینده محیط زیست پسابهاي صنعتی میباشد. صنایع نساجی و رنگرزي یکی از صنایع مهم و پایه بوده و یکی از شاخصههاي توسعه هر کشوري محسوب میشود . علاوه بر صنایع نساجی و رنگرزي، صنایع دیگر از جمله صنایع مواد آرایشی، کاغذ سازي، داروسازي نیز فاضلاب رنگی تولید میکنند .[1-8] در فرآیندهاي رنگرزي، در حدود 15 درصد از کل رنگ تولید شده وارد فاضلاب میشود و فاضلابهاي رنگی به این صورت تشکیل میگردند
مواد رنگزاي مختلفی در صنایع استفاده میشود که معمولترین آنها رنگهاي گروه آزو میباشد. رنگهاي آزو یکی از بزرگترین گروه رنگهاي سنتتیک را به خود اختصاص داده که داراي یک یا تعداد بیشتري باند آزو –N=N– میباشند. براي تصفیه فاضلابهاي رنگی روشهاي مختلفی توسط محققان زیادي مورد بررسی قرار گرفته است از جمله این روشها میتوان به روشهاي مختلف فیزیکی شیمیایی نظیر اولترا فیلتراسیون، اسمز معکوس، تبادل یونی و جذب روي مواد مختلف نظیر کربن فعال، زغال، تراشههاي چوب و سلیکاژل به منظور حذف رنگ از پساب اشاره کرد
ولی از آنجا که تنها آلودگی را از فاز آبی به شبکه جامد منتقل میکنند و فرآیندهاي تخریبی و حذفی نیستند، تکنیکهاي فراگیر به حساب نمیآیند. از این رو در سالهاي اخیر فرآیند اکسیداسیون پیشرفته که بر مبناي تولید رادیکالهاي آزاد و فعال به ویژه OH متکی هستند، به دلیل قدرت بالاي اکسایش با پذیرش علمی نسبتا گسترده اي روبرو شدهاند
در فرآیند نانوذرات آهن صفر و هیدروژن پراکسید نسبت به فرآیند فنتون معمولی، تولید رادیکال هیدروکسیل در دو مرحله اتفاق میافتد . بنابراین کارایی فرآیند افزایش مییابد . از طرف دیگر در فرآیند فنتون با تشکیل یون فروس عملا کارایی فرآیند کاهش یافته و متوقف میشود .[14] مهمترین واکنشهایی که در حذف ماده آلی توسط فرآیند هیدروژن پراکسید در حضور نانوذرات آهن صفر، موثرند به صورت زیر است:
Fe0 + H2O2 → Fe2+ + OH- + OH●
Fe2+ + H2O2 → Fe2+ + OH- + OH● + H2O رنگ اکسید شده → رنگ راکتیو قرمز OH● + 198
تنوع گستردهاي از آلایندهها از جمله ترکیبات آلی کلرینه شده، بی فنیلهاي پلی کلرینه، یونهاي فلزات سنگین، اکسی آنیونها و دي متیل فتالات میتوانند با نانوذرات آهن صفر ظرفیتی - NZVI - مورد تصفیه قرار گیرند .[15, 16] همچنین غیرفعال سازي میکروارگانیسمهاي موجود در آب آشامیدنی، فاضلاب، آبهاي سطحی و دیگر منابع از کاربردهاي دیگر NZVI میباشد
رنگ-ها از دسته مواد شیمیایی هستند که ممکن است توسط این فرآیند ناپایدار شوند و اخیرا براي حذف چندین رنگ آزو مورد استفاده قرار گرفتهاند . بنابراین با توجه به مطالبی که اشاره شد، به علت کارایی نسبتا بالاي این فرآیند در حذف آلایندههاي مختلف ازجمله مواد رنگزا، هدف اصلی این پژوهش بررسی کارایی فرآیند نانوذرات آهن صفر در حضور هیدروژن پراکسید در جهت حذف رنگ راکتیو قرمز 198 از محلولهاي آبی میباشد.
مواد و روشها –1 نحوه سنتز نانوذرات آهن صفر ظرفیتی
نانوذرات آهن صفر با افزودن محلول سدیم بوروهیدرید 0/16 مولار به محلول کلرید آهن آبدار 0/1 مولار در دماي محیط سنتز شد. پس از آماده سازي محلولها، محلول سدیم بوروهیدرید به صورت قطره قطره و در شرایط اختلاط شدید و اتمسفر خنثی به محلول کلرید فریک افزوده شد. این مرحله حدود 30 دقیقه به طول انجامید. در زمان انجام واکنش، درب ظرف ملاًکا بسته شد تا سنتز نانوذرات در شرایط اتمسفر خنثی صورت گیرد. سدیم بوروهیدرید طبق واکنش 1 با کلرید فریک واکنش داده و سبب احیاي Fe0 گردید.
واکنش 2FeCl3. 6H2O2 + 6NaBH4 → 2 Fe0 + 6B - OH - 3 + 21H2 + 6NaCl 1
پس از انجام این واکنش، نانوذرات آهن به صورت ذرات سیاه رنگ ریزي تهنشین شدند . این واکنش در زیر هود انجام شد زیرا در اثر واکنشهاي شیمیایی، گاز هیدروژن بهعنوان محصول جانبی تولید میگردد. براي تعیین خصوصیات نانوذرات آهن تولیدي از میکروسکوپ الکترونی SEM استفاده گردید.
–2 آزمایشهاي حذف رنگ راکتیو قرمز 198
مطالعه حاضر از نوع بنیادي-کاربردي میباشد که در مقیاس آزمایشگاهی و به صورت ناپیوسته انجام گرفته است. در این پژوهش متغیرهاي مورد بررسی عبارتند از زمان تماس 5 - ، 10، 20، 40 و - 80 دقیقه، غلظت نانوذرات 0/5 - ، 1، 2، 3 و - 4 گرم، 4 - pH، 6، 8 و - 10، هیدروژن پراکسید - 25، 100، 150، 200 و - 300 میلی مول و غلظت رنگ راکتیو قرمز 25 - 198، 50، 75 و - 100 میلی گرم در لیتر.
براي اندازه گیري pH از pH متر مدل Mettler Toledo و براي تنظیم pH از سود 1 نرمال و اسید کلریک 1 نرمال استفاده گردید. رنگ راکتیو قرمز 198، یک رنگ آنیونی با وزن مولکولی معادل 968/21 گرم بر مول و حداکثر جذب 530 nm λmax=است . رنگ راکتیو قرمز - C27H18ClN7Na4O15S5 - 198 مورد استفاده در این مطالعه، از نوع آزمایشگاهی و ساخت کارخانه مرك آلمان بود. فرمول شیمیایی این ترکیب در شکل 1 نشان داده شده است
شکل -1 ساختار شیمیایی ترکیب رنگ راکتیو قرمز198
جهت انجام آزمایشها، غلظتهاي مختلف از رنگ به حجم 250 میلی لیتر به بشرهاي 500 میلی لیتري اضافه گردید و pH رنگ در محدوده مورد نظر تنظیم گردید. سپس غلظتهاي مختلف نانوذرات و هیدروژن پراکسید به حجم 250 میلی لیتر از رنگ با غلظت مختلف اضافه گردید و بعد از عمل اختلاط توسط جارتست با دور 250 دور در دقیقه در فواصل زمانی مشخص نمونه برداري صورت گرفت. با داشتن میزان جذب و با استفاده از منحنی کالیبراسیون غلظت باقیمانده تعیین گردید.
نتایج
–1 خصوصیات نانو ذرات تولیدي
نتایج حاصل از SEM، اندازه ذرات تولیدي را در محدوده نانو نشان داد. اندازه موثر نانو ذرات با نسبت سطح به جرم 7-19 m 2/g میباشد.
– 2 نتایج حذف رنگ راکتیو قرمز198
نتایج نشان می دهد که افزایش مقدار نانوذرات آهن صفر، هیدروژن پراکسید، زمان تماس و کاهش غلظت رنگ و pH تا یک مقدار معین، راندمان حذف را افزایش میدهد. نتایج بهینه آزمایشات نشان میدهد که در زمان تماس 40 دقیقه، pH=4، غلظت رنگ 75 میلی گرم درلیتر، مقدار نانوذرات 2 گرم و غلظت هیدروژن پراکسید 200 میلی مول، درصد حذف رنگ در مورد فرآیند هیدروژن پراکسید به همراه نانوذرات و هیدروژن پراکسید تنها به ترتیب در حدود 91 و 34 درصد بوده است و با افزایش pH به 10، درصد حذف رنگ به ترتیب به حدود 27 و 10 درصد کاهش یافت. تاثیر کاهش pH در افزایش راندمان حذف رنگ به وضوح در نمودار 3 نشان داده شده است .
به طوري که با کاهش pH از 10 به 4، راندمان حذف فرآیند هیدروژن پراکسید -نانوذرات آهن و هیدروژن پراکسید به ترتیب از 27 به 91 و 10 به 34 درصد افزایش پیدا کرده است. با افزایش زمان تماس، درصد حذف رنگ افزایش مییابد به طوري که با افزایش زمان از 5 به 80 دقیقه، راندمان حذف فرآیند هیدروژن پراکسید-نانوذرات آهن و هیدروژن پراکسید به ترتیب از 50 به 97 و 8 به 29 درصد افزایش پیدا کرده است.
با افزایش غلظت رنگ، درصد حذف رنگ کاهش مییابد به طوري که با افزایش غلظت رنگ از 25 به 100 میلی گرم در لیتر، راندمان حذف فرآیند هیدروژن پراکسید-نانوذرات آهن و هیدروژن پراکسید به ترتیب از 99 به 80 و 38 به 26 درصد کاهش پیدا کرده است. با افزایش NZVI از 0/5 به 4 گرم در لیتر در pH برابر 4 و هیدروژن پراکسید برابر با 200 میلی مول، در فرآیند هیدروژن پراکسید-نانوذرات آهن صفر، درصد حذف رنگ از حدود 25 به 98 درصد افزایش یافته است.
تاثیر هیدروژن پراکسید به تنهایی در مقادیر 25 تا 300 میلی مول، در pH=4 مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که راندمان حذف براي بالاترین و پایین ترین مقدار H2O2 به ترتیب در حدود 8 تا 37 درصد بوده است. کارایی حذف رنگ، با افزایش مقدار هیدروژن پراکسید درحضور NZVI ، افزایش مییابد. به طوري که با افزایش مقدار هیدروژن پراکسید از حدود 25 به 300 میلی مول در pH برابر 4، میزان درصد حذف رنگ از 80 به 99درصد افزایش مییابد.
