حذف رنگزاي اسيد اورانژ 7 توسط سامانه ازنزني/ فتوکاتاليستي ارتقا يافته

فرهاد قادري، بيتا آيتي*+، حسين گنجي دوست، رسول صراف مأموري
تهران ،دانشگاه تربيت مدرس، دانشکده مهندسي عمران و محيط زيست، گروه مهندسي محيط زيست

چكيده:در اين پژوهش، تصفيه پساب داراي رنگزاي آزويي اسيد اورانژ 7 مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به قابليت پايين فرايند فتوکاتاليستي معمول نسبت به فرايند ازنزني در تصفيه پسابهاي رنگي و نيز بهدليل توانايي بالاي ازن در حذف رنگ، از سامانه ازنزني/ فتوکاتاليستي ارتقا يافته )تثبيت شده- معلق( به وسيلهي نانوذرههاي 2TiO براي تصفيه استفاده شد. اثر pH )3، 5، 7 و 9( و غلظت اوليه) 5، 35 و 55 ميلي گرم بر ليتر( بر راندمان حذف بار آلي در فرايند فتوکاتاليستي و سامانه ازنزني/ فتوکاتاليستي بررسي شد. مقدار بهينه پارامترهاي مؤثر بر سامانه ازنزني/ فتوکاتاليستي در تصفيه پساب واقعي، از روش طراحي سطح پاسخ با تابع هدف بيشينه حذف بار آلي براي متغيرهاي pH )5(، توان منبع نور) W9/119(، ميزان ازن تزريقي) g/h 2/1(، غلظت نانوماده) mg/L 121( و زمان ماند )95/2 روز( بهدست آمد.

واژههاي كليدي: آزو، ازن، فتوکاتاليست، سطح پاسخ.

KEY WORDS: Azo; Ozon; Photocatalyst; Response surface.

مقدمه
رنگزاها از جمله ترکيبهاي شيميايي مورد استفاده در صنعت هستند .
بيش از 011111 نوع رنگزا در فرايندهاي صنعتي گوناگون توليد ميشوند که بهطور عمده در صنايع نساجي مورد استفاده قرار ميگيرند [0].
توليد سالانه مواد رنگزا در جهان بالغ بر 015×7 تن ميباشد [2].
تفريحي مانند شنا، ماهيگيري و گردشگري ميشود [4]. در سالهاي اخير تصفيه اين رنگزا به روشهاي گوناگوني مورد بررسي

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
)1( Acid orange 7
37
0 تا 05 درصد مواد رنگزا در طي فرايندهاي رنگرزي و پرداخت، هدر رفته و به صورت پساب وارد محيط زيست ميشوند [3]. ورود پسابهاي رنگي به منابع آبي افزون بر ايجاد ظاهري نامطلوب ،قابليت استفاده از آب در مصارف گوناگون شهري، کشاورزي و صنعتي را کاهش داده و سبب نامناسب شدن محيط براي کاربردهاي رنگي شدن منابع آب به دليل کاهش نفوذ نور در آب، از انجام مناسب فعاليتهاي فتوسنتزي جلوگيري ميکند [5]. همچنين وجود ترکيبهاي حلقوي در بيشتر رنگزاها، عامل سرطانزايي و سميت آنها است [4] بنابراين رنگزاها را در دسته آلايندههاي خطرناک زيستمحيطي قرار ميدهند [6] و تصفيه آنها پيش از تخليه به محيط غير قابل انکار است.
از ميان رنگزاهاي صنعتي گوناگون، اسيد اورانژ 7)0( با ميزان واردات
7535 تن در سال [7] يکي از رنگزاهاي آزويي است که به دليل مصرف در صنايع نساجي اهميت زيادي در مباحث زيست محيطي دارد [9، 8]. قرار گرفته است. به عنوان نمونه از راکتور الکتريکي [01]، فرايند 2UV/H2O در فتوراکتور حلقوي با جريان پيوسته) ACFP()0( [00]، کاتاليست 3NaNO2/FeCl [02]، واکنش فتوکاتاليستي 21Bi02TiO [03] و 2TiO اصلاح شده با آهن و کربن [04] و فرايند فنتون غيرهمگن با مگنت واناديوم ـ تيتانيوم طبيعي [05] در مطالعههاي پيشين استفاده شده است .
تاکنون حذف رنگ به کمک روشهاي گوناگون فيزيکي ،شيميايي و زيستي مورد مطالعه قرار گرفته است. در اين بين ،روشهاي فيزيکي مانند رسوبدهي مستقيم )لخته سازي(، جداسازي )فراتصفيه و اسمزمعکوس( و جذب سطحي با کربن فعال
منجر به حذف و تخريب مولکول آلاينده نميشوند و فقط آن را از يک محيط به محيط ديگر انتقال ميدهند [06]. روشهاي زيستي نيز به دليل سميت و سخت تجزيهپذير بودن رنگزاهاي حلقوي راندمان مناسبي نداشتهاند. مطالعههاي آزمايشگاهي نشان داده که پساب رنگي سخت تجزيهپذير را ميتوان با فرايندهاي اکسايش پيشرفته از جمله فتوکاتاليستي و ازنزني رنگزدايي و تصفيه کرد [07].
در فرايند فتوکاتاليستي معمول، مولکولهاي آب با حفرههاي موجود و مولکولهاي اکسيژن با الکترونهاي توليدي طبق معادلههاي )0( تا) 6( واکنش ميدهند. راديکال آنيون سوپر اکسيد به دست آمده از واکنش) 2( طي معادله) 4( با پروتون موجود در محيط واکنش داده و 2.HO توليد ميکند که طي معادلههاي )5( و) 6( منجر به توليد راديکال هيدروکسيل ميشود [09، 08].
TiO2   hve h )0(
O2  e O.2 )2( H O2  h HO. H )3( O.2 H HO.2 )4(
)5( 2HO.2 H O2 2 O2 )6( 2H O2 2 O.2 HO. HOO در فرايند ازنزني، پس از واکنش ازن با آنيون هيدروکسيل ،-2O به دست آمده، الکترون اضافي خود را به ساير مولکولهاي ازن موجود در محيط داده و -3O توليد ميشود. آنيون ازن

شکل 3 ـ چگونگي تعامل ازن با ترکيبهای موجود در آب [22].

راديکال هيدروکسيل را دارد. راديکال هيدروکسيل در صورت استفاده نشدن در فرايندهاي اکسايش با ازن موجود در محلول ترکيب شده و به 4HO تبديل ميشود که اين مولکول با از دست دادن اکسيژن، مولکول آب را توليد ميکند )شکل 0(.
امروزه پژوهشهاي بسياري در زمينه فرايند فتوکاتاليستي و ازنزني صورت گرفته است. بهعنوان نمونه ،Alinsafi و همکاران، تجزيه رنگزاهاي راکتيو آزوئي و فتالوسيانين فلزي و پسابهاي نساجي داراي همين رنگزاها را با نانو ذرههاي 2TiO تثبيت شده بر روي صفحه شيشهاي و الياف پشم شيشه بافته نشده در برابر پرتوهاي خورشيدي مطالعه کردند [20]. در پژوهشهاي ديگر Jeon و
همکاران از نانورشتههاي کامپوزيتي PVA/PAAc/TiO2/CNTs)2( براي تصفيه پساب رنگي داراي CBB)3( [22] و Khanna و Shetty از ساختار نانويي داراي هسته Ag و پوسته 2TiO براي تصفيه پساب داراي 17 Acid Yellow در برابر نور خورشيد استفاده کردند [23]. Kuo و Chen تصفيه 10 Acid Orange را با نانوذرههاي 2TiO در حضور نور خورشيد عبوري از لنز Fresnel [24] و Giwa تصفيه پساب داراي Reactive Yellow 81 و 1 Reactive Violet را با نانوکاتاليست 2TiO [25] بررسي کردند. همچنين Wu و همکاران پساب نساجي داراي يک ماده رنگزاي راکتيو [26] و Chen و همکاران
آب داراي رنگزاهاي راکتيو 19 Blue و Orange 13 [27] را با ازنزني رنگبري کردند. در راکتور ستوني نيمه پيوسته )SBBCR()4( پس از ازنزني پساب داراي ماده رنگزاي
در فرايندي برگشتپذير به 3HO تبديل ميشود که توانايي توليد Sirius Blue SBRR رنگبري شد [28].

)1( Annular continuous-flow photoreactor )3( Coomassie brilliant blue R-250 )2( Poly(vinyl alcohol)/poly(acrylic acid)/titanium(IV) )4( Semi-batch bubble column reactor oxide/carbon nanotubes
38
7K2Cr2O )فراوردهي شرکت Merck آلمان(، 4Ag2SO )فراوردهي شرکت Merck آلمان(، 4H2SO )با خلوص 98 درصد، فراوردهي شرکت دکتر مجللي ايران(،KHP )فراوردهي شرکت Hach آمريکا( براي اندازهگيري COD و NaOH و HCl )فراوردهي شرکت Merck آلمان( براي تنظيم pH استفاده شدند .KI )فراوردهي شرکت Merck آلمان( براي تخريب ازن خروجي از سامانه و سيليکاژل )فراوردهي شرکت سيليکاي درخشان ايران( براي خشک کردن گاز ورودي به دستگاه آناليز کننده ازن از ديگر مواد مورد استفاده بودند .
پساب واقعي نيز از صنعت نساجي لاله مهرگان قم تأمين شد.
3240913-1974881

شکل 2ـ ساختار شيميايي اسيد اورانژ 7 در محيط آبي (A) حالت آزويي دستگاه توليد کننده ازن با نام تجاري ARDA )مدل COG-5S
(H) حالت هيدراته [9]. ساخت کشور فرانسه( ،اسپکتروفتومتر )ساخت شرکت Cary مدل 50 Conc براي تعيين غلظت رنگزا، COD و جذب نور در
از آنجا که ازن به سرعت رنگهاي محلول در آب را حذف کرده محلول در طول موجهاي گوناگون(،COD راکتور )فراوردهي شرکت ولي معايبي مانند بوي شديد، هزينه بالا و نيمه عمر کوتاه دارد [29] و Hach براي اندازهگيري pH ،)COD متر )دستگاه Metrohm مدل تصفيه فتوکاتاليستي معمول پساب رنگي نيز باوجود اقتصادي بودن 690 براي اندازهگيري pH(، روتامتر )ساخت شرکت Fischer با مشکلهاي اجرايي مانند جلوگيري رنگ از رسيدن نور porter آلمان با ظرفيت بيشينه L/min 0 براي اندازهگيري شدت به فتوکاتاليست در حجمهاي زياد رو به رو است [31]، بنابراين هدف اصلي جريان گاز ازن و اکسيژن( و رگلاتور) ساخت شرکت Zinser براي تنظيم
از انجام اين پژوهش، پيشنهاد روشي مناسب در کاهش نقاط ضعف دو فرايند و استفاده از قابليتهاي آنها در تصفيه پساب رنگي داراي ماده رنگزاي اسيد اورانژ 7 است. همچنين براي اولين بار براي رفع عيب اصلي سامانههاي فتوکاتاليستي دوغابي )جداسازي نانو مواد قبل از مراحل تصفيه بعدي يا تخليه در محيط( و بهبود راندمان پايينتر سامانههاي تثبيت شده از فرايند ارتقا يافته با کاربرد همزمان دو روش بهصورت تثبيت شده ـ معلق استفاده شد.

بخش تجربي
مواد و تجهيزات
محلول رنگي مورد استفاده از ترکيب آب مقطر و اسيد اورانژ 7
)فراوردهي شرکت Merck آلمان( تهيه و در بازهي غلظت mg/L 51-5 استفاده شد. اسيد اورانژ 7 با فرمول مولکولي C06H00N2NaO4S داراي يک گروه آزو) N=N( و عامل کمک رنگي 3NaSO داراي بيشترين ميزان جذب در طول موج 485 نانومتر ميباشد که دو صورت ساختار شيميايي آن در محيط آبي در شکل 2 ارايه شده است .
در اين پژوهش از نانو ذرههاي TiO2 (P25) )فراوردهي شرکت Degussa آلمان(، 4HgSO )فراوردهي شرکت BDH انگلستان(، فشار(، حمام اولتراسونيک )مدل Fungilab UE-6SFD براي پخش نانو ذرهها در فاز مايع قبل از پوششدهي بر سطوح آکنهها(، همزن )ساخت شرکت IKA آلمان جهت ايجاد اختلاط(، لام UV-A
021 وات )ساخت شرکت Narva براي فعال سازي نانو مواد( ، پم هوا )با نام تجاري Atinan A6500 براي هوادهي سامانه( و
پم غلتکي )ساخت شرکت Heidolph مدل 5001-PD براي چرخش آب( تجهيزهاي اصلي مورد استفاده بودند.

روش کار
-356862246860

در اين مطالعه از يک راکتور از جنس پلکسيگلاس به حجم کلي و مفيد به ترتيب 8/3 و 6/2 ليتر و اندازههاي داخلي 2cm 05×01 استفاده شد )شکل 3(. در بخش ازنزني، گاز ازن توسط دستگاه توليد کننده ازن توليد و پس از پخش در راکتور، از محلول 2% KI عبور داده ميشد. در بخش فتوکاتاليستي، از 05 قطعه دايروي شکل از جنس پلکسي گلاس به ضخامت 0 و قطر 21 ميليمتر به عنوان آکنه )که در محتواي راکتور معلق بودند( براي پوششدهي نانو ذرههاي 2TiO استفاده شد. بدين منظور ،مقدار 2g/m 0101 چسب اپوکسي 8-HEC)0( به وسيله يک تيغه فلزي صاف روي تمام سطح پلکسيگلاس پخش و حجمي
)1( Epoxy adhesive HEC-8
39
-7111-3575684

L

راکتور
:
پژوهش

A
تابلو

برق

:

F

پره
و
:
همزن

K
گاز

لوله

راکتور
از
:

خروجي

P
:

کپسول

اکسيژن
،
رگلاتور
،
فشارسنج

:
B

فرايند

سيم

برق

فتوکاتاليستي

G
پوشش
آلومينيوم

ورقه

:

L
پژوهش

راکتور
:

Q

:
ستون
KI

C
پايه

و

گيره
:

H
:
مخزن

سيليکا
ژل

M
تزريق

ازن
به

راکتور

روتامتر
و

لوله
:

R
سيم
:

ازن

فرايند
برق

زني

D
:
پم

هوا

I
دستگاه

توليد

کننده

ازن

:

N

لام
:
UV

:
S

آکنه

معلق

E
:
هوا

انتقال

لوله

:
J

آناليز
کننده

ازن

:
O

هواده

سنگ

T
آب

تجهيزات
:
چرخش



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید