بخشی از مقاله
مروري بر روشهاي فعّالسازي خاك رس با هدف افزایش قابلیت رنگبري
چکیده
خواص منحصربهفرد خاك رس موجب شده است که از این خاك به صورت گستردهاي در صنعت استفاده شود. قیمت پایین، دسترسی آسان و اثربخشی بالا ازجمله عواملی است که از خاك رس بهعنوان جاذب در تصفیه روغنهاي گیاهی و صنعتی استفاده شود. ویژگیهاي بافتی و شیمیایی رس، نقش مهمی در کاربرد این خاك در صنعت رنگبري روغنها دارد. روشهاي مختلف از جمله فعالسازي اسیدي، بازي، آلی، پیلارینگ و حرارتی در بهبود کارکرد دو عامل فوق تأثیر فراوانی دارد. در مقاله حاضر، اثر روشهاي فیزیکی و شیمیایی بر ساختار، شیمی سطح و ظرفیت جذب خاك رس بیان گردیده است. بطور کلی براي اعمال تغییرات شیمیایی در ساختار کانیهاي رسی از فعالسازي اسیدي، بازي، آلی و پیلارینگ استفاده میگردد.
در این میان فعالسازي اسیدي بهمراتب مؤثرتر از سایر روشها شمرده شده و قیمت بالاي اسیدهاي مورد استفاده در مقایسه با بازها مهمترین نقطه ضعف آن محسوب میشود. در فعالسازي اسیدي، نتایج حاصل از آزمایشهاي هر دو دسته اسید آلی و معدنی مورد بررسی قرار گرفتهاند و با مقایسهي درصد رنگبري رس احیاشده با اسید آلی و معدنی، برتري اسیدهاي معدنی در این زمینه بهخوبی مشخص است. درحالیکه در احیاي بازي، نتایج چشمگیري بدست نیامده و تنها مزیت آن هزینه پایینتر نسبت به احیاي اسیدي است.
پیلارینگ نیز روش نوینی است که با ایجاد فضاهاي خالی در ساختار خاك رس موجب بالا بردن قدرت جذب مواد رنگی آن میشود. در بهبود فیزیکی، روشهاي حرارتی متداول و مایکروویو کاربرد دارند. مهمترین مزیت حرارتدهی مایکروویو در دماي بالا نسبت به حرارتدهی معمولی، مدت زمان بسیار کم فرایند است. تابش مایکروویو نسبت به حرارتدهی از نظر انرژي، هزینه و زمان مناسبتر است.
کلمات کلیدي
خاك رس رنگبر، فعالسازي اسیدي، فعالسازي بازي، بهبود خواص فیزیکی، احیاي حرارتی
مقدمه
فرآیند تصفیه گامی اساسی در تولید روغنهاي گیاهی و صنعتی است. فرایندهاي موجود در صنعت تصفیه روغنهاي گیاهی، تصفیهي شیمیایی و فیزیکی بوده و شامل چندین مرحله مانند صمغزدایی، خنثیسازي، رنگبري و گندزدایی میباشند. در میان این چهار مرحله، رنگبري مهمترین قسمت است، زیرا به بهبود ظاهر، عطر، طعم، مزه و ثبات محصولات نهایی روغن کمک میکند. در طول فرآیند رنگبري، روغن در تماس با یک مادهي داراي سطح فعال که وظیفهي جذب ذرات نامطلوب را دارد، قرار گرفته و پساز فیلتر شدن جاذب ذرّاتو جذبشده، با رنگی مطلوب از کارخانه خارج میگردد. به طور کلی، سه نوع روش رنگبري حرارتی، اکسیداسیون شیمیایی و جذب سطحی در فرایند رنگبري وجود دارد، که رنگبري با جذب سطحی، رایجترین روش مورد استفاده میباشد. این فرایند، شامل حذف مواد رنگی محلول یا کلوئیدي پراکنده در روغن بوده، که پرکاربردترین جاذب مورداستفاده در این مرحله، خاك رس است که نسبت به سایر جاذبها مانند کربن فعال و مواد سیلیکاتی، داراي عملکرد بهتر و قیمت پایینتر میباشد. خاك رس رنگبر، موجب تغییر رنگ روغن به رنگ روشن، حذف رنگدانهها و ناخالصیهایی ازقبیل مواد صابونی، فسفولیپیدها، اکسیدها و پلیآروماتیکها بدون بروز تغییرات شیمیایی در روغن، میشود. به منظور بالا بردن خواص فیزیکی و شیمیایی خاك رس رنگبر، آنرا بوسیلهي اسید، باز و یا سورفکتانت، فعال میکنند. در طول فرایند احیا، بهمنظور حصول خواص مطلوب در رنگبري، ویژگیهاي ساختاري و بافتی رس و کانیهاي رس را بصورت کنترلشده تغییر میدهند. مطالعات Valenzuela-Diaz و Souza-Santos ، نشان داد که افزایش مساحت سطح ویژه و حجم تخلخل، ظرفیت جذب ناخالصیهاي فلزي، فسفري و ذرات رنگی را بهبود میبخشد. بنابراین، وضعیت ساختار متخلخل و شیمی سطح، نقش مهمی در عملکرد رنگبري خاك رس ایفا میکند. [1]
بهبود ویژگیهاي خاك رس
فعّالسازي، یک احیاي شیمیایی یا فیزیکی اعمالشده به انواع معیّنی از خاك رس بهمنظور افزایش ظرفیت جذب مواد رنگی و سایر ناخالصیهاي موجود در روغن و محلول، میباشد. بهدلیل ارتباطی که کانیهاي رسی با فرایند جذب و خواص شیمیایی دارند، رفتار فیزیکی و شیمیایی آنها، با تحقیقاتمتعدّد بررسی شدهاست. این رفتار توسط وسعت و ماهیت سطح خارجی خود که میتواند توسط احیاهاي مناسب، تغییر یابد و اصلاح شود، کنترل میگردد. احیا یا اصلاح موادّ معدنی خاك رس را میتوان به دو دستهي زیر تقسیم کرد:
اصلاح شیمیایی کهمعمولاً بصورت تغییر ساختار و گروههاي عملکردي سطح بوده و خود شامل احیاي اسیدي، احیاي بازي، احیاي آلی و pillaring که به معنی محدود کردن ساختار شیمیایی و فیزیکی کانیهاي رسی بهمنظور افزایش ظرفیت جذب و یا ایجاد فضاهاي خالی در ساختار رس، براي جذب یونهايمعیّن است، میباشد.
اصلاح فیزیکی یا تغییر ترکیبات شیمیایی و ساختار کریستالی در درجه حرارت بالا که شامل احیاي حرارتی یا مایکروویو میباشد.
شکل :1 طبقبندي روشهاي بهبودسازي ویژگیهاي خاك رس
.1 بهبود خواص شیمیایی
.1.1 احیاي اسیدي:
یکی از رایجترین روشهاي بهبود شیمیایی خاك رس رنگبر، احیاي اسیدي است. بطورکلّی فرایندفعّالسازي اسیدي شامل دو مرحله است: (1 جایگزینی کاتیونهاي قابل تبادل با پروتون و (2 تجزیه یونهاي فلزي ساختار رس، بوسیلهي درهم شکستن ورقهاي هشتوجهی. طبق مطالعات Madejova و همکاران، در حملهي اسیدي، کاتیونهاي بین لایهاي با پروتون جایگزین شده و کاتیونهاي ورقهاي هشت وجهی (Fe3+, Fe2+, Mg2+, Al3+) تجزیه میشوند. در نتیجه فرآوردهاي بیشکل (غیر متبلور)، داراي میزان بالاي SiO2، سطح مخصوص و تخلخل Micropores) و (Mesopores بالا خواهیم داشت. قابل ذکر است قدرت رنگبري آن، به مشخصات فرایندهايفعّالسازي (غلظت اسید، دما و زمان) بستگی دارد. [2]
مطالعاتمتعدّدي برروي احیاي اسیدي رسها بهخصوص Bentonite-Smectite, Montmorillonite, Vermiculite, Palygorskite-Sepiolite و Glauconite صورت گرفتهاست. در این میان، بنتونیتها بیشترین مصرف را بعنوان رسفعّال شدهي اسیدي در تصفیهي روغن نباتی دارند. بنتونیتها همواره بازار زیادي داشته و چند دهه است که بنتونیتفعّال شده با اسید مورد مصرف قرار میگیرد. در احیاي اسیدي، انواع گوناگونی از اسیدها، از جمله اسیدهاي معدنی مانند هیدروکلریک، سولفوریک و نیتریک اسید، و اسیدهاي آلی مانند استیک، سیتریک، اگزالیک و لاکتیک اسید به کار
گرفته میشود. در بین تمامی این اسیدها، اسید هیدروکلریک((HCl و اسید سولفوریک (H2So4) بطور گستردهاي مورد
استفاده قرار میگیرندعلّت. این امر، تأثیر زیاد و خوبیست که از فرایند اسیدیتهکردن میگیرند و نتایج درخوري که در سطح مخصوص، تخلخل و ظرفیت جذب سطحی آنها پدید میآید.
.1.1.1 اسیدهاي معدنی:
Komadel و همکاران، اثر نوع و غلظت اسید را برروي سرعت واکنش و فرآوردههاي حاصلاز تجزیه Hectorite در اسیدهاي معدنی مورد بررسی قرار دادهاند. طبق این گزارش، در غلظت مولار مشابه، نرخ فروپاشی Hectorite از ترتیب زیر پیروي میکند: [3]
HCl≥ HNO3≥ H2SO4 Hongping و همکاران، گزارش دادهاند که در نمونه هاي کلسیم مونت موریلونیتفعّال شده با H2SO4، تجزیه
لایهي هشت وجهی بصورت پیشرونده و تصاعدي خواهد بود. ترتیب تجزیه کاتیونها در ورقههاي هشت وجهی مونت موریلونیت به قرار MgO>Fe2O3>Al2O3 مشاهده گردیدهاست. بر این اساس، MgO آسانترین و Al2O3 سختترین حذف شوندهها هستند. به دنبال فروپاشی هشت وجهیهاي Al، میزان Al2O3 بطور قابلتوجّهی کاهش یافته و SiO2 نسبتاً افزایش مییابد. [4]
نتیجه نشان داد که در غلظتهاي پایینتر اسید، پروتونهاعمدتاً به Li+ (در ورقههاي هشت وجهی) که بار منفی محلّی در آنجا قرار دارد، حمله میکنند. درصورتیکه هنگام افزایش غلظت تمامی اسیدها، سرعت تجزیهي Li+ و Mg2+ به یک مقدار هماندازه و یکسان همگرا خواهد شد. در مقالات Vicente Rodriguez و همکاران [5]، Salem و [6] Karimi، Suresh و همکاران [7]، Mills و همکاران [8] و Myriam و همکاران [9] بیان کردهاند که در احیاي رس با اسیدهاي
معدنی، افزایش قابلتوجّه مساحت سطح ویژه مشاهده میگردد.
Steudel و همکاران برروي فروپاشی بنتونیتها بصورت مقادیر بالاي DioctahedralSmectites، Hectorite و Vermiculite آزمایش هایی انجام دادهاند و در این آزمایش ها از دو نوع اسید معدنی HCl و H2SO4 در غلظت مولار یکسان استفاده کردهاند. نتایج این 6 دسته حاکی از آن بود که انحلال کاتیون هاي صفحات هشت وجهی مانند Al، Mg و Fe در H2SO4 10N بیشتر از هر میزان غلظت HCl بودهاست. با H2SO4 10N بیشتر کاتیون هاي صفحات هشت وجهی حل شدهاند، در حالیکه در برابر HCl با مولاریته مشابه، بدنبال غلطت پایین تر پروتونها، اثر HCl نیز ضعیفتر بودهاست. Vermiculate و Hectorite نیز رفتار مشابهی در برابر هر دو اسید نشان دادهاند. [10]
مقالهي Salawudeen و همکاران بیان میکند که احیاي اسیدي، طرفیت رنگبري روغن را تا %94.28 در رس با HCl و %89.46 در رس با H2SO4 بالا میبرد. نتایج نشان میدهد که خاك رسفعّال شده با HCl نسبت به H2SO4،
بمنظور حذف رنگ از روغن،مؤثّرتر بودهاست. [11]
