بخشی از مقاله
چکیده
آلودگی آبهای زیرزمینی و سطحی به نیترات در بسیاری از مناطق دنیا به صورت یک مشکل جدی مورد توجه است. نیترات از طریق تجزیه و فساد پس مانده های انسانی و حیوانی، تولیدات صنعتی و رواناب حاصل از کشاورزی وارد آب های سطحی و زیرزمینی می شود. استفاده از اکسید روی به عنوان کاتالیست نیمه هادی برای پاکسازی محیط زیست به خاطر کارایی بالای آن، پایداری فتوشیمیایی، غیر سمی بودن برای طبیعت و هزینه پایین می تواند مفید باشد. هدف از این مطالعه بررسی حذف فتوکاتالیستی نیترات از محلول های آبی با استفاده از فرآیند ZnO/UV می باشد.
-1 مقدمه
مقادیر زیاد نیترات در آب آشامیدنی میتواند باعث بروز بیماری کودک آبی که در نوزادان اتفاق میافتد و همچنین افزایش احتمال بروز سرطان بر اثر تشکیلنیتروزوآمین ها شود. سازمان حفاظت محیطزیست آمریکا حداکثر غلظت نیترات را بر حسبازت 10 میلی گرم در لیتر و موسسه استاندارد وتحقیقات صنعتی ایران 45 میلی گرم در لیتر بر حسب نیترات تعیین نموده است روش های موجود برای حذف نیترات از آب آشامیدنی شامل تبادل یون، تصفیه بیولوژیکی، اسمز معکوس، الکترودیالیز، دنیتریفیکاسیون و کاهش شیمیایی می باشد.
نانوتکنولوژی به عنوان یکی از تکنولوژی های جذاب برای تصفیه آب ظاهر شده است. مزایای استفاده از نانو مواد شامل سطح زیاد، واکنش پذیری بالا، ساخت در محل و پتانسیل بالای استفاده در تصفیه آب می باشد. فرآیندهای اکسیداسیون فتوکاتالیتیک توسط اکسیدهای فلزی در سال های اخیر در حذف آلاینده های آلی و عوامل میکروبی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. مکانیزم این فرآیندها، تابش اشعه فرابنفش به ماده نیمه هادی و متعاقب آن برانگیختگی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی است .[1-3] برانگیختگی الکترون باعث تولید رادیکال های هیدروکسیل در محلول های آبی می شود.
همچنین با رفتن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی حفره هایی در نوار ظرفیت ایجاد میشود که بسیار فعال بوده و می تواند مستقیماً با آلاینده های آلی جذب شده بر سطوح کاتالیست وارد واکنش شود یا غیرمستقیم از طریق تشکیل رادیکال هیدروکسیل این کار را انجام دهد. استفاده از اکسید روی به عنوان کاتالیست نیمه هادی برای پاکسازی محیط زیست به خاطر کارایی بالای آن، پایداری فتوشیمیایی، غیر سمی بودن برای طبیعت و هزینه پایین می تواند مفید باشد. در مطالعه ای که در مورد حذف رنگ اسید رد 14 با استفاده از فرآیند ZnO/UV توسط دانشور در سال2004 در ایران انجام شد مشخص گردید که حذف کامل رنگ اسید رد 14 بعد از انتخاب پارامترهای موثر بهینه درمدت یک ساعت می تواند انجام شود و بیشترین کارایی تجزیه این رنگ در pH طبیعی مشاهده شد.
در مطالعه ای دیگر که توسط مدیرشهلا وهمکاران در سال 2006 در ایران در مورد حذف p -نیتروفنل با استفاده از فرآیند ZnO/UV انجام شد نشان داد که حذف کامل -p نیتروفنل بعد از انتخاب پارامترهای موثر بهینه در مدت یک ساعت انجام شد. جوشی نیز در مطالعه ای در سال 2010 به این نتیجه دست یافت که حذف فلز سرب توسط فتوکاتالیستهایی مانند اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم تحت تابش UV درpH= 6 حدود %98/8 بود .[2-6] هدف از این مطالعه بررسی حذف فتوکاتالیستی نیترات از محلول های آبی با استفاده از فرآیند ZnO/UV می باشد.
-2 روش انجام آزمایش
در این تحقیق نانوذرات ZnO از شرکت نانوپارس لیما خریداری شده که اندازه ذرات و سطح ویژه آن بترتیب در حد 6-12nm و 120 m2/g است. آزمایش های فتوکاتالیستی در یک راکتور شیشه ای استوانه ای شکل به حجم 2 لیتر انجام شد. منبع تابش یک لامپ فرابنفش - 125W - از نوع UV به طول 7 cm بودکه در داخل غلاف کوارتز به ارتفاع 30 cm و قطر 5cm محافظت می شد.
برای اینکه نمونه بهتر مورد تابش قرار گیرد و نور تابیده شده تلف نشود لامپ در مرکز ظرف در محلول قرار داده شد و راکتور شیشه ای در داخل کاغذ آلومینیومی پیچیده شد. زمان های پرتوتابی در این تحقیق 30، 60، 90، 120، 150 و 180 دقیقه در نظر گرفته شد که در هر کدام از این زمان ها نمونه برداری انجام شد. بعد از نمونه برداری، هر کدام از نمونه ها در حجم26 میلی لیتر جهت جداسازی نانو ذرات در دستگاه سانتریفوژ با دور 5000 rpm به مدت 20 دقیقه قرار داده شد و بعد با استفاده از صافی های 0/2 میکرون صافسازی شد و نیترات باقیمانده در محلول با روش اسپکتروفتومتری در طول موج های 220 nm و 275 اندازه گیری شد.
غلظت های مورد بررسی نیترات در این تحقیق شامل سه غلظت 50، 100 و 150 میلی گرم در لیتر بود. به منظور تعیین از غلظتهای 0/1، 0/4و 0/8 گرم در لیتر استفاده شد. برای تعیین pH بهینه هم از سه 5 pH، 7 و 9 استفاده شد. با توجه به تعداد متغیرها - تعداد نمونه ها برابر - 33 و تکرار آزمایشات 3 - بار - تعداد حجم کل نمونه 99 عدد محاسبه شد.
در آغاز واکنش به هر یک از محلولهای ساخته شده اسید فرمیک - HCOOH - در غلظت 0/02مولار به عنوان ربایند حفره اضافه شد تا از طریق حذف حفره های مثبت تولید شده بر روی ذرات کارایی واکنش را بالا ببرد. برای ساختن محلول استوک نیترات از KNO3 محصول مرک آلمان استفاده شد. برای اندازه گیری pH نمونه ها از pH متر استفاده شد و برای تنظیم pH نمونه ها از هیدراکسید سدیم0/01، 0/1و 1 نرمال و اسید کلریک0/01 3و 0/1نرمال استفاده گردید. اسیدها، بازها، معرف ها و سایر مواد مورد استفاده از خود آزمایشگاه شیمی مذکور تهیه شد.
برای مقایسه کارایی ها در شرایط مختلف، نمونه ها در شرایط جداگانه تحت پرتو UVو نانو ذره ZnO توأم با کاربرد UV قرار گرفت. به منظور تعیین تاثیر متغیرهای pH، زمان ماند، غلظت نانو ذره و غلظت اولیه نیترات بر کارایی فرآیندZnO/UV و همچنین تاثیر زمان ماند بر کارایی تابش UV از آنالیز رگرسیون خطی ساده استفاده گردید.
-3 نتیجه و بحث
اثر زمان تماس و غلظت اولیه نیترات در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که در این شکل ملاحظه می گردد در هر سه غلظت اولیه نیترات با افزایش زمان تماس درصد حذف نیترات افزایش یافته است به طوری که به عنوان نمونه در غلطت 100 میلی گرم در لیتر نیترات کارایی حذف از 14 درصد در زمان 30 دقیقه به 80 درصد در زمان 180 دقیقه رسیده است. همچنین نتایج ارائه شده در شکل 1نشان میدهد که با ثابت بودن سایر شرایط - غلظت نانو ذره و - pH میزان حذف نیترات با افزایش غلظت اولیه آن کاهش مییابد.
