بخشی از مقاله
چکیده
مزوپورتیتانیا با فرآیند سل-ژل سنتز شد و بهعنوان پایه در کاتالیست دوفلزی پالادیوم-مس عمل کرد.این نانوکاتالیست در یک فرآیند هیدروژناسیون شرکت کرده و نحوه عملکرد آن در کاهش نیترات از آب مورد ارزیابی قرار گرفت. ابتدا جریان هیدروژن و کربندیاکسید و با دبی یکسان استفاده گردید. در مورد بعدی در کنار جریان هیدروژن از اسیدفرمیک استفاده شد که راندمان حذف نیترات را افزایش داد. وقتی غلظت نیترات اولیه 88mg/l بود، بدون استفاده از اسیدفرمیک، مقدار نیترات نهایی 30mg/l و با استفاده از اسیدفرمیک مقدار نیترات نهایی 28mg/l بدست آمد.
برای بررسی تاثیر فاز مزوپورتیتانیا ایجاد شده، نمونه دیگری مورد آزمایش قرار گرفت که دارای فاز آناتاز بود و نتایج نشان داد که با وجود نداشتن مورفولوژی مناسب این ماده نیز به همان اندازه مفید واقع شد. برای آنالیز کاتالیست از SEM و XRD و برای اندازهگیری غلظت نیترات از اسپکتروفتومتری استفاده شد.
.1 مقدمه
نیترات از آلایندههای موجود در آب به شمار میرود که چه در آبهای صنعتی و چه در آب شرب باید غلظت آن را کم کرد. افزایش فعالیتهای صنعتی و کشاورزی باعث ایجاد آلایندههای سمی در آب شده و چون قابلیت انحلالپذیری نیترات در آب بالاست از جمله آلایندههای مهم در آب محسوب میشود
نیترات در کودهای شیمیایی و پسآبهای صنعتی به وفور وجود داشته و از این رو غلظت آن در آب نیز زیاد است. در کنار سرطانزا بودن نیترات، این ماده برای کودکان زیر 6 سال خطرناک بوده و با هموگلوبین خون ترکیب شده و ایجاد بیماری سندروم آبی میکند و همچنین انتقال اکسیژن در بدن انسان را با دشواری همراه میکند
محدوده مجاز برای نیترات در آمریکا 44 میلیگرم بر لیتر، در اروپا 50 میلیگرم بر لیتر و در بهترین حالت 25 میلیگرم بر لیتر در نظر گرفته شده است.
روشهایی که برای حذف نیترات از آب وجود دارد به سه دسته روشهای فیزیکی-شیمیایی، بیولوژیکی و کاتالیستی تقسیم میشوند
از مهمترین روشهای فیزیکی-شیمیایی میتوان به اسمز معکوس، الکترودیالیز و تبادل یونی اشاره کرد. روشهای فیزیکی-شیمیایی به علت داشتن هزینه اولیه بالا و دشواری در انجام فرآیند کمتر مورد توجه محققان قرار گرفته است. روشهای بیولوژیکی نیز در حذف نیترات راندمان قابل توجهی دارند. در روشهای بیولوژیکی بعد از تبدیل، نیترات به یک محصول نامطلوب تبدیل شده و برای رسیدن به محصول بی ضرر نیازمند مرحلهای اضافی میباشد.
گروه سوم از روشها که بسیار گسترده هستند روشهای کاتالیستی میباشند. کاتالیستها و شرایط عملیاتی مختلفی برای حذف نیترات وجود دارد. آن چه در روشهای کاتالیستی باید به آن توجه کرد، این است که در انتهای فرآیند محصولات نامطلوب واکنش که نیتریت و آمونیوم میباشند کمتر و نیتروژن به عنوان محصول مطلوب بیشتر تولید شود. از این رو تلاش برای دستیابی به کاتالیستهایی با میزان تبدیل بالاتر به نیتروژن از اهداف مهم محققان به شمار میرود.
در انجام فرآیند هیدروژناسیون، از کربندیاکسید به عنوان بافر برای کنترل PH استفاده میشود - - 5، زیرا نیترات آنیون بوده و در صورتی که PH محیط قلیایی باشد بین OH- و NO3- نقش رقابتی شکل گرفته و باعث کاهش بازدهی سیستم میشود. در بخشی از آزمایش از اسید فرمیک استفاده میشود که در صورت تجزیه به هیدروژن و کربندیاکسید تبدیل شده و به طور همزمان به احیای کاتالیست و کنترل PH کمک میکند
در فرآیند کاتالیستی نیترات به ترکیبات واسطه NO2-، NO و N2O تبدیل شده و در انتهای کار آن چه بعنوان محصول نهایی واکنش میباشد نیتروژن و آمونیوم میباشد که در آن آمونیوم به عنوان محصول نا مطلوب بوده و برای کم شدن تولید این ماده باید از جریان هیدروژن کمتری استفاده نمود.
مزوپور تیتانیا که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است دارای سه فاز آناتاز، روتایل و بروکیت میباشد که فاز بروکیت بسیار ناپایدار بوده و دستیابی به این فاز دشوار است.
.2 سنتز مزوپور تیتانیا
1.2 دستیابی به فاز روتایل
برای سنتز مزوپور تیتانیا به روش سل-ژل - - 7، 40ml از نرمال هپتان بر روی همزن مغناطیسی قرار گرفت و در حالی که همزده میشد به آن 10ml از تیتانیومایزوپروپوکساید اضافه شد و برای مدت زمان 2 ساعت بر روی همزن باقی ماند. سپس 3ml از آب مقطر قطرهقطره به محلول اضافه شد. محلول برای 72 ساعت در دمای اتاق باقی ماند و بعد در دمای 70 درجه سلسیوس برای 12 ساعت قرار گرفت که خشک شود. برای تکمیل شدن ساخت مزوپور تیتانیا، ماده مورد نظر در دمای 600 درجه سلسیوس کلسینه شد.
2.2 دستیابی به فاز آناتاز
در سال 2011 مزوپور تیتانیا با تیتانیوم بوتوکساید به عنوان پیش ماده و ترکیبی از پلی اتیلن گلیکول 600 و P123 به عنوان سورفکتانت سنتز شد - . - 8 در مطالعه حاضر 6 میلی لیتر از اسید استیک %20 را بر روی همزن مغناطیسی قرار داده و مقدار 4/32 میلی لیتر از تیتانیوم ایزو پروپوکساید قطره قطره به اسید اضافه شد. محلول حاصل را برای 4 ساعت بر روی همزن قرار داده و این محلول با عنوان محلول 1 شماره گذاری می شود.
بصورت جداگانه 3 گرم از پلی اتیلن گلیکول 20000 را در 20 میلی لیتر از متانول حل کرده و این محلول که محلول شماره 2 می باشد قطره قطره به محلول 1 اضافه می گردد و محلول برای 24 ساعت بر روی همزن مغناطیسی قرار گرفت. محلول برای مدت زمان 40 ساعت درون اتوکلاو با دمای 120 درجه سلسیوس تحت فرآیند هیدروترمال قرار گرفت و پس از جدا کردن با سانتریفیوژ 10000 دور بر دقیقه و برای مدت زمان 10 دقیقه ماده را شست و شو داده و در دمای 80 درجه سلسیوس خشک گردید.
پودر زرد رنگ حاصل به مدت 3 ساعت در کوره با دمای 500 درجه سلسیوس قرار گرفت تا کلسینه شده و سورفکتانت موجود سوخته و در نتیجه خلل و فرج در ماده حاصل شود.
.3 آماده سازی کاتالیست دو فلزی
برای نشاندن فلزات بر روی پایه مزوپور تیتانیا از روش تلقیح - 9 - استفاده شد. مجموعا 3 درصدوزنی فلز نسبت به مزوپور تیتانیا و به نسبت مولی 2 به 1، پالادیوم به مس استفاده شد . - 10 - در نیم سی سی HCl مقدار 0/0404 گرم پالادیوم کلراید را حل کرده و میزان 10 سی سی آب مقطر به آن اضافه شد و آرامآرام 1 گرم از مزوپور تیتانیا سنتز شده به آن افزوده شد. بر روی همزن مغناطیسی چندین ساعت به آن زمان داده شد تا پالادیوم به خوبی درون خلل و فرج موجود در تیتانیا بنشیند. دمای هیتر بالا برده شد تا مایع اضافه تبخیر شود و بعد در دمای 85 درجه ابتدا نمونه خشک شده و سپس برای 2 ساعت در دمای 500 درجه سلسیوس قرار گرفت. برای نشاندن مس از منبع مس 2 نیترات استفاده شد و مانند مرحله قبل 28 میلی گرم از این ماده را به کاتالیست اضافه کردیم و تمام مراحل مجددا تکرار شد.
.4 انجام فرآیند کاتالیستی
فرآیند کاتالیستی با دو شرایط عملیاتی مختلف انجام شد که در هر دو مورد غلظت کاتالیست اولیه 1g/l، دمای عملیات همان دمای محیط و مقدار محلول حاوی نیترات 100cc بود. برای آمادهسازی راکتور واکنش از یک بالون سه دهانه استفاده شد که جریان هیدروژن از یک سر و جریان کربندیاکسید در صورت نیاز از دهانه دیگر وار د شد. دهانه سوم نیز برای خروجی جریان گازها در نظر گرفته شد. در طول فرآیند، محلول توسط همزن مغناطیسی و به صورت کاملا ملایم همزده شد. مدت زمان انجام فرآیند در تمام آزمایشها 60 دقیقه در نظر گرفته شد.
برای ایجاد محلول نیترات از روش استاندارد نیترات و با استفاده از پتاسیم نیترات صورت گرفت و غلظت های مختلف نیترات حاصل شد. در مرتبه اول 100cc از آب حاوی 100mg از کاتالیست درون بالون ریخته شد
