مقاله کاربرد ازن زنی کاتالیستی برای حذف آلودگی مواد رنگزا از پساب

بخشی از مقاله

خلاصه

آلودگی های موجود در طبیعت به ویژه آبهای آشامیدنی سبب بروز مشکلات و بیماری های جبران ناپذیری می شود. سالیانه مقدار زیادی از مواد رنگزای سرطان زا، تولید شده و در صنایع مختلف مانند نساجی، چرم، کاغذ و سایر صنایع مورد استفاده قرار میگیرند. مواد رنگزا از مهمترین گروههای آلاینده آب و پساب به شمار میروند، این مواد به سختی به وسیله روشهای معمولی تصفیه، مانند جذب، انعقاد، فرایند بیولوژیکی، کربن فعال، فیلتراسیون و اکسیداسیون از آب حذف میشوند.

ازن به عنوان یک اکسیدکننده قوی در مقایسه با دیگر اکسیدکننده ها در تجزیه ترکیبات آلاینده پساب به کار برده شده است. یکی از روشهای اکسیداسیون پیشرفته، استفاده همزمان از ازن و کاتالیست یا نانوکاتالیستها - ازنزنی کاتالیستی - است که میتواند به افزایش حذف آلاینده ها و کاهش سمیت آنها در محیط کمک کند. در این مقاله با مروری بر تحقیقات گذشته، نشان داده شده است که به کارگیری ازن در کنار کاتالیست های ناهمگن اثر بسزایی در حذف مواد رنگی از محیط دارد. حضور گونه های ازن مولکولی و رادیکال های هیدروکسیل میتواند شرایط را برای حذف کامل رنگ از محیط فراهم کند.

.1 مقدمه

تصفیه آب برای ایجاد آینده سالم و پاک به لحاظ زیست محیطی امروزه مورد توجه دانشمندان زیادی میباشد. پیشرفتهای زیادی مانند، پیشرفت در زندگی، علم، تکنولوژی و جامعه، سبب رشد در بی نظمی و اختلال در طبیعت میشوند. همچنین سبب ایجاد مشکلی یه نام آلودگی شده اند. کشاورزی، صنعت و مصارف خانگی به ترتیب با 70، 22 و 8 درصد در تولید مقدار زیادی از آلودگی آب نقش به سزایی دارند

.2 آلودگی - مواد رنگزا -

منشا آلودگیهای آبی از مواد شیمایی، نفتی، کشاورزی و صنایع نساجی میباشد که بسیار سمی و مضر میباشند .[2] سالم بودن آب آشامیدنی به یکی از مهمترین وظایف قرن 21 تبدیل شده است. از انواع روشهای اکسیداسیون شیمیایی، ازن زنی به عنوان روشی بسیار مهم و جذاب برای حذف مواد آلی در محلول اثبات شده است. ولی متاسفانه قادر به حذف مولکولهای آلی کوچک نمی باشد به همین دلیل روشهای اکسیداسیون پیشرفته برای کمک به ازن روی کار آمدند .[3] مواد رنگزا از مهمترین دسته گروه آلودگی به شمار میروند؛ و زمانی که وارد آب شوند به سختی قابل تصفیه هستند

سالیانه بیش از 700 هزار تن از 10000 نوع تقریبی مواد رنگزا و رنگدانهها تولید میشوند .[4] مواد رنگزا دارای دو جز اصلی شامل گروه کروموفور یا رنگ دهنده و گروههای عاملی می باشند .[5] مواد رنگزا ممکن است با توجه به حلالیتشان طبقه بندی شوند. مواد رنگزای محلول مانند: رنگهای اسیدی، ماده رنگرزی، کمپلکس فلزی، مواد رنگزای مستقیم1، بازی و مواد رنگزای فعال 2 و مواد رنگزای دیسپرس مانند آزوییک، حاوی سولفور، مواد رنگزای پخش شونده3 و غیره میباشند 

مواد رنگزای ذکر شده در پیکربندی مواد رنگزای آزو نیز یافت میشوند. در میان آنها مواد رنگزای فعال یا همان ری اکتیو بیشترین استفاده را در صنعت دارند .[6] قابل ذکر است که مواد رنگزای آزو یکی از مهمترین دستهی موادرنگزا هستند که حدود 70- 65 درصد تولید مواد رنگزا را به خود اختصاص دادهاند. برای تشخیص بهتر مواد رنگزا و قرار گیری آنها در یک طبقه بندی بهتر آنها را بر اساس ساختارشان طبقه بندی می کنند. طبقهبندی مواد رنگزا بر اساس ساختارشان سبب شده است که این دسته از مواد بهتر شناسایی شوند.

از این دسته می توان به موادرنگزای آزو و موادرنگزای آنتراکوئینون[1] 4 فتالوسیانین، تری آریل متان اشاره کرد. مواد رنگزای آزو با داشتن گروههای آزو که شامل دو اتم نیتروژن - -N=N- - میباشد، در صنعت نساجی بیشترین استفاده را دارند. در طی فرایند استفاده از موادرنگزای ری اکتیو بیش از 15 درصد آنها وارد پسابها میشوند

مواد رنگزای ری اکتیو در پساب نساجی به عنوان یکی از مشکلسازترین ترکیبات زیست محیطی، شناخته شدهاند. ساختار آنها شبیه موادرنگزای اسیدی است با این تفاوت که در چارچوب خود شامل گروه کلر یا O-SO3-Na هستند، و به راحتی به عنوان گروه خارج شونده میتوانند عمل کنند و قادر به تشکیل پیوند کووالانس با فیبرها - سلولز اولیه - میباشند

پیوند ایجاد شده سبب به وجود آمدن مشکلاتی برای زندگی بشریت و همچنین جهشهای ژنتیکی در سلولهای بدنی میشود 

مواد رنگزای آزو به دلیل داشتن حلالیت خوب، به هنگام ورود به بدن، آمینهای آروماتیک موجود در ترکیب به وسیله آنزیمهای کبد جدا میشوند که میتواند سبب ایجاد بیماری سرطان در بدن شود .[7] موادرنگزای آزو دارای یک یا چند گروه آزو میباشند 

این گروهها به رادیکالهای نفتیل، فنیل اتصال دارند و آنها نیز دارای گروههای عاملی مانند هیدروکسیل، کلر، متیل، نمک سدیم اسید سولفونیک و نیترو هستند .[5] این دسته از مواد به دلیل داشتن پایداری شیمیایی و فرایند سنتزی راحتتر بیشترین استفاده را در صنعت دارند

داشتن گروههای آزو برای اینچنین ترکیبهایی، آنها را در برابر روشهای تجزیهای - تجزیه شیمیایی و فوتو شیمیایی - ، روشهای شیمیایی و بیولوژیکی معمولی، مقاومتر میکند. علاوه بر اینها شرایط بیهوازی باعث تشکیل خانواده آمین آریل میشود که نسبت به ترکیب اولیه دارای سمیت بیشتری می باشد. مواد رنگزا با داشتن ساختار مولکولی پیچیده سبب پایداری و مقاومت بیشتر نسبت به تجزیه بیولوژیکی شده است

.3 روشهای تصفیه پساب، مزایا و معیاب

روشهای متعددی برای تصفیه پسابها وجود دارند. در این میان روشهای فیزیکی- شیمیایی متعددی مانند: فیلتراسیون، استفاده از کربن فعال، روش انعقاد و لخته شدن شیمیایی مورد مطالعه قرار گرفته است. اگرچه این روشها برای تصفیه موثر هستند اما نیازمند صرف هزینه بیشتر و همچنین سبب تولید لجن میشوند که خود یک مشکل ثانویه است

لازم به ذکر است که نگهداری از غشای آلوده و بازیابی جاذب نیز از دیگر مشکلات است .[10] در عمل، این روش باعث انتقال آلودگی از فاز پساب به فاز جامد دیگر میشود، که خود یک آلودگی ثانویه است 

از مزایای فرایند بیولوژیکی کم هزینه بودن، زیست سازگاری و همچنین تولید لجن کمتر است که سبب شدهاست بیشتر مورد استفاده قرار بگیرد اما همانطور که در مقالات دیده میشود فرایند بیولوژیکی معمولی نمیتواند به عنوان یک روش تصفیه مناسب و کامل برای مواد رنگزا در نظر گرفته شود .[10] این روش قادر به تجزیه بسیاری از مواد رنگزای آزو نمیباشد. لجن فعال نیز قادر به تجزیه شمار زیادی از مواد رنگزا نمیباشد 

از طرفی استفاده از روش انعقاد شیمیایی به دلیل حلالیت بالای مواد رنگزا، کاربرد آن را محدود کردهاست. روش جذب در میان روشهای ذکر شده بیشتر مورد توجه میباشد. جاذبهای متفاوتی مانند: کربن فعال، زئولیت، کیتوسان و غیره برای حذف ماده آلی به کار گرفته شدهاند. با توجه به اینکه پیشرفت در مهندسی ذرات کم است اما ذرات پلیمری با داشتن حفرات مکانیکی پایدار و همچنین داشتن مساحت سطح مشخص میتوانند گزینه مناسبی برای به سرانجام رساندن احتیاجات یک جاذب باشند

آلودگیهای مقاوم به تصفیه بیولوژیکی، سبب شدهاند که روش اکسیداسیون شیمیایی مانند ازنزنی و دیگر روشهای اکسیداسیون پیشرفته یا کلریناسیون به وجود بیایند .[ 13] رنگبری بر پایه ازنزنی در کنار تکنیکهای دیگر مانند اشعه فراصوت، کاتالیز فرابنفش و غشا فیلتراسیون مورد مطالعه قرار گرفتهاست. استفاده از اکسیداسیون بر پایه ازن از اوایل سال 1900 میلادی مورد توجه بوده است. اکسیداسیون بر پایه ازن انتخاب پذیر و برای حذف رنگ موثر میباشد. ترکیب ازن با دیگر روشهای اکسیداسیون پیشرفته1 میتواند پتانسیل اکسیداسیون بیشتر و انتخاب پذیری کمتر را نتیجه دهد. ازن به صورت معمول در تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرد

مطالعاتی در زمینه ترکیب ازن با فرایند بیولوژیکی صورت گرفتهاست به این ترتیب که ازن را به عنوان تصفیه کننده اولیه قبل از فرایند بیولوژیکی به کار میگیرند. این کار سبب افزایش قابلیت بیولوژیکی ترکیبات میشود . با این حال زمانی که ازنزنی بر روی فاضلاب تصفیه نشده استفاده میشود، ترکیبات قابل تجزیه بیولوژیکی با ترکیبات مقاوم برای واکنش با ازن و هیدروکسیل رادیکال در رقابت هستند و همین امر سبب نیاز بیشتر به تولید ازن برای حذف بیشتر ترکیبات آلی میشود. این امر میتواند منجر به هزینه اضافی و صرف انرژی زیاد شود .[15] در یک طبقه بندی کلی میتوان روشهای حذف مواد رنگزا را به صورت زیر خلاصه کرد:

الف - ته نشینی:

یک روش تصفیه پایه که به صورت گسترده در تصفیه اولیه پساب مورد استفاده قرار میگیرد. روشهای زیادی برای سنگین کردن ذرات سوسپانس شده که موجب ته نشینی مواد میشوند وجود دارد. در میان آنها میتوان به انباشتگی شیمیایی و تشتکهای ته نشینی اشارهکرد. به کار گیری این روش با دیگر روشهای فیزیکی جداسازی سبب شده است که گستره حذف مادههای خاص حل شده در محیط افزایش پیدا کند. مواد خاص می توانند بیولوژیکی، میکروبی یا به صورت شیمیایی باشند

ب - تکنولوژی فیلتراسیون:

تصفیه مواد رنگزا توسط غشا همیشه جذابیت خاص خودش را داشته است. برای تصفیه آب و فاضلاب از الترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس استفاده میشود. میکروفیلتراسیون به دلیل داشتن حفرات بزرگ، زیاد مورد استفاده قرار نمیگیرد . تصفیه مناسب و کافی برای حذف آلودگی و تولید آبی با کیفیت بالا نه تنها برای محیط ضروری است بلکه میتواند سبب کاهش هزینه فرایند رنگرزی با توجه به بازیابی آب گردد .[17] از معایب این روش میتوان نیاز به انرژی زیاد و فرایند کاری طولانی، گران قیمت بودن غشا و عمر نسبتا کوتاه غشا اشاره کرد 

ج - تصفیه شیمیایی:

عاملهای انعقاد و لخته سازی مانند: یون آلومینیوم، یون کلسیم، یون آهن - - III برای این روش به کارگرفته شدهاند .[1] به طور کلی فرایندی است که به لحاظ اقتصادی به صرفه است - اما گهگاهی دربردارنده هزینه زیادی می شود - و حذف رضایت بخشی را از مواد سولفور دار و دیسپرس به همراه دارد. با اینحال مهمترین مشکل این روش تولید لجن با غلظت بالاست. این فرایند برای مواد رنگزای که دارای محلولیت بالایی هستند مناسب نیست