حذف فتوکاتاليستي کادميوم با استفاده از نانوذرههاي روي اکسيد
محمدرضا سمرقندي
همدان، دانشگاه علوم پزشکي همدان، دانشکده بهداشت، گروه مهندسي بهداشت محيط
سيد جواد جعفري*+
اروميه، دانشگاه علوم پزشکي اروميه، دانشکده بهداشت، گروه مهندسي بهداشت محيط محمدتقي صمدي
همدان، دانشگاه علوم پزشکي همدان، دانشکده بهداشت، گروه مهندسي بهداشت
چكيده: از مهمترين آلايندههاي محيط زيست که در پساپ صنايع پتروشيمي، آبکاري و نيز شهرکهاي صنعتي وجود دارد، حضور همزمان فلزهاي سنگين و ترکيبهاي آلي )از جمله فنل و کادميوم( ميباشد که براي محيط زيست و انسان زيانآور هستند .بنابراين هدف اصلي از انجام اين پژوهش بررسي کارايي فرايند فتوکاتاليستي نانوذرههاي روي اکسيد در حذف کادميوم دو ظرفيتي از محيطهاي آبي در حضور فنل و فرمات در سامانه ناپيوسته ميباشد .ابتدا ساخت راکتور صورت گرفت .براي بررسي نقش فرايند جذب، محلول به مدت 03 دقيقه در تاريکي به تعادل رسيد. سپس در حضور نور UV، تأثير پارامترهاي گوناگون بررسي شد. به اين ترتيب که، ابتدا با تغيير pH محيط و ثابت نگه داشتن ديگر عاملهاي مؤثر، مقدار pH بهينه به دست آمد. سپس، تأثير ميزان نانو ذرهها، غلظت کادميوم ،زمان مواجهه و حضور فنل و فرمات، بر کارايي حذف هر يک از آنها، بررسي شد. هرچند با افزايش pH راندمان حذف کادميوم افزايش مييابد اما به منظور حفظ کادميوم به شکل محلول در نمونه، از 7=pH در آزمايشها استفاده شد. با افزايش زمان مواجهه، راندمان حذف افزايش يافت و ميزان بهينه نانو ذرهها برابر با g/L2 به دست آمد .همچنين راندمان حذف با افزايش غلظت کادميوم کاهش يافت. مشخص شد که حضور فنل و فرمات سبب افزايش کارايي حذف کادميوم ميشود .در مجموع نتيجههاي به دست آمده از انجام آزمايشها مشخص کرد که ميتوان از فرايند UV/ZnO به عنوان يک روش مؤثر براي حذف کادميوم در حضور فنل و فرمات استفاده کرد.
واژههاي كليدي: فرايند فتوکاتاليستي؛ نانوذره؛ کادميوم؛ فنل، فرمات.
KEYWORDS: Photocatalytic process; Nanoparticle; Cadmium; Phenol; Formate.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات*
1
مقدمه طبيعي و آب شرب به صورت هستة متراکم يافت ميشود .
ساليانه مقدارهاي زيادي پساب از منابع خانگي،کشاورزي به طور کلي فنل در پساب صنايع شامل پالايشگاهها، صنايع و صنعتي وارد محيط زيست ميشود که داراي غلظت بالايي پتروشيمي، شيمياي ، دارويي و نيز توليد رزين و پلاستيک از مواد شيميايي آلي و غير آلي مانند حلالهاي هيدروکربني، يافت ميشود ]6[. تاکنون روشهاي گوناگوني همچون تجزيه ميکروبي، فلزهاي سنگين، حشره کشها، رنگها و ترکيبهاي آروماتيک جذب بر روي کربن فعال ،اکسايش شيميايي )توسط ازن ،مانند فنل ميباشد ]1[. فلزهاي سنگين در گروه آلايندههاي هيدروژن پراکسيد ،کلر دي اکسيد(، استخراج با حلال و ساير درجه اول سمي قرار دارند. ترکيبهاي سمي درجه اول ، روشها براي حذف فنل استفاده شده است]7[. هر يک موادي هستند که داراي خطرهاي زيست محيطي بوده و از اين روشها داراي عيبهايي بوده که استفاده از آنها را محدود براي سلامت انسان زيان آور هستند. کادميوم از جمله فلزهاي کرده است .به عنوان نمونه روش تجزيه ميکروبي حساس به دما بوده، سنگين ميباشد که بهوسيله پسابهاي توليدي از صنايع آبکاري، و استفاده از کربن فعال داراي هزينه بالايي است، همچنين اينکه الکترونيک، سکه زني، جواهر سازي، رنگ سازي، ساخت جذب فنل بر روي برخي از انواع کربن فعالها برگشت ناپذير فولادهاي ضد زنگ و غيره به محيط زيست، آبهاي سطحي و ميباشد .افزون بر آن استفاده از روشهاي اکسايش شيميايي زيرزميني وارد ميشود [2]. کادميوم داراي دو گروه اکسيد و مانند کلريناسيون و اکسيد منگنز باعث آلودگي محيطهاي آبي
هيدروکسيد از ترکيبهاي دو و سه ظرفيتي ميباشد که شکل دو ظرفيتي آن در محيط حرکت ميکند و بسيار سمي، سرطان زا و جهش زا مي باشد. تجمع کادميوم در بافتهاي حيواني و گياهي
ميتواند سبب بروز مخاطرههاي جدي شود [4، 3] همچنين WHO سرطانزا بودن کادميوم را در انسان تأييد کرده است]6[. بيشترين ميزان مجاز براي کادميوم در آب 000/0 ميلي گرم در ليتر ميباشد ]3[. پژوهشهاي زيادي بر روي حذف کادميوم انجام يافته و بسياري از فرايندهاي تصفيه مورد بررسي قرار گرفته است. مهمترين روشهاي حذف کادميوم شامل جذب، تبادل يوني، اسمز معکوس و ترسيب ميباشد ]2[.
اما هر کدام از اين روشها داراي عيبهايي ميباشند . روش جذب بر روي کربن فعال داراي کارايي مناسبي است اما نيازمند صرف هزينه بالايي ميباشد]4[. فرايندهاي غشايي مانند اسمز معکوس و الکترودياليز نيز از روشهاي بسيار پرهزينه به حساب ميآيند. حذف و کاهش زيستي به ديگر آلايندههاي سمي ميشود ]8 , 7[.
گفتني است که پساب صنايع پتروشيمي، آبکاري، و نيز شهرکهاي صنعتي ميتوانند به طور همزمان داراي فنل و کادميوم باشند ]9, 0[. يکي از راهحلهاي اساسي براي رفع اين چالشها استفاده از فناوريهايي است که داراي هزينههاي سرمايه گذاري و بهره برداري کم و اندازه بسيار کوچک بوده ، اما داراي ظرفيت بسيار بالايي باشد .نانوفناوري فرايندي است که در جلوگيري از آلودگي، شناسايي، اندازه گيري و تصفيه آلايندهها نقش کليدي بازي ميکند .
واژه فتوکاتاليست در اصل به معني شتاب بخشيدن به يک واکنش فوتوني توسط کاتاليست است. در اين فرايند يونهاي فلزي و مواد آلي طي واکنش با جفتهاي الکترون ـ حفره به ترتيب احيا و اکسيد ميشوند ]11, 10[. ZnO به خاطرانرژي مستقيم و انرژي تحريک شده پيوندي در دماي اتاق و طول زياد پيوند آن، به عنوان يک ماده نيمه هادي مهم مطرح است [12].
بهوسيله برخي گونههاي باکتري براي حذف کادميوم، روشي وقتي نيمه رسانا در برابر تابش قرار ميگيرد، الکترونهاي تهييج شده مؤثر و اقتصادي ميباشد اما وجود مواد سمي باکتري کش با ترک حفرههاي باند ظرفيت وارد باند هدايت ميشوند .
در جايگاههاي دفع مواد زائد و در بسياري از پسابها، باعث به اين ترتيب جفتهاي الکترون ـ حفره به وجود ميآيد که به ترتيب محدود شدن رشد و عملکرد اين فرايند ميشود ]0, 4[ براي احيا و اکسايش آلايندهاي محيطي استفاده ميشود]13[.
همچنين بهطور کلي فلزها در pH هاي قليايي رسوب کرده راکتورهاي فتوکاتاليستي مورد استفاده بسته به حالت کاتاليست و ته نشين ميشوند اما اين روش نيز سبب توليد لجن مورد استفاده به دو شکل اصلي شامل بهرهبرداري به شکل اضافي ميشود. دوغابي و راکتورهايي ميباشند که کاتاليست بر روي يک سطح
فنل با فرمول شيميايي C6H5OH نيز يکي از مشتقهاي خنثي تثبيت شده است. راکتورهايي که به شکل دوغابي بهرهبرداري هيدروکسي بنزن بوده که در پسابهاي خانگي و صنعتي، آبهاي ميشوند به علت دارا بودن مساحت سطح بالا به ازاي واحد حجم ،
2
جدول 1ـ ويژگيهای نانو ذره روی اکسيد.
نوع نانو ذره اندازه نانو ذره سطح ويژه
90m2/g 20 nm ZnO

داراي راندمان بالا در توليد گونههاي اکسيژن فعال ميباشند .
اما تثبيت کاتاليست بر روي يک سطح بزرگ سبب کاهش مقدار محلهاي فعال کاتاليست و نيز سبب افزايش محدوديتهاي انتقال جرم ميشود. بنابراين کاربرد نوع دوغابي کاتاليست بيشتر ترجيح داده ميشود ]14[. يکي از مشکلهاي فرايندهاي فتوکاتاليستي، احتمال ترکيب دوباره الکترون ـ حفره)1( ميباشد .
درنتيجه يکي از راهکارهاي جلوگيري از اين امر وجود همزمان ترکيبهاي احيا و اکسيد براي واکنش با حفرهها و الکترونها براي جلوگيري از ترکيب دوباره آنها ميباشد. واکنش کلي حفرهها و الکترونهاي توليدي با مواد احيا و اکسيد محيط آبي به شرح زير ميباشد ]10[
H+ surface + reduced reactant  oxidized reactant )1(
)2( e- surface + oxidized reactant  reduced reactant در واقع ترکيبهاي احيا در حفرههاي به دست آمده از فرايندهاي فتوکاتاليستي اکسيد شده )معادله )1(( و از سوي ديگر ترکيبهاي اکسيد توسط الکترونهاي به دست آمده از واکنشهاي فتوکاتاليستي احيا ميشوند )معادله 2(. مقالههاي اندکي به بررسي امکان حذف فلزهاي سنگين در حضور ماده آلي پرداختهاند .
در پژوهشي که توسط نگوي )ن2( و همکاران در سال 2003 ميلادي بر روي تأثير حضور متانول بر روي تجزيه فتوکاتاليستي کادميوم توسط 2TiO انجام شد اين نتيجه به دست آمد که در نبود متانول راندمان حذف کادميوم حدود% 7 و در حضور ppm 300 متانول راندمان حذف به% 30 افزايش پيدا ميکند ]16[. درنتيجه هدف اصلي از انجام اين پژوهش بررسي کارايي فرايند فتوکاتاليستي
-410301103898

UV/ZnO در حذف کادميوم دو ظرفيتي از محيطهاي آبي در حضور و نبود فنل و فرمات ميباشد. همچنين پارامترهاي اساسي مؤثر در انجام اين فرايند مانند تغيير غلظت ورودي کادميوم، تغيير pH، تغيير غلظت اوليه نانوذرههاي روي اکسيد و زمان مواجهه مورد مطالعه قرار گرفت .
)4( X-ray diffration
)5( Cooling jacket
5

درصد خلوص شکل ظاهري چگالي ظاهري
-10550-292128

99% پودر سفيد رنگ 3g/m 60/0بخش تجربي
تهيه مواد و وسايل مورد نياز
نانوذره ZnO از شرکت نانو پارس ليما و ساير مواد شيمايي مورد نياز از شرکت Merck آلمان تهيه شد. در جدول 1 مشخصهها و در شکل 1 تصوير SEM)3( و XRD)4( نانو ذره ZnO نشان داده شده است.

اندازه گيري کادميوم دو ظرفيتي
طبق روش B 3111 از کتاب استاندارد، روش ابتدا محلول استوک mg/L 100 کادميوم با استفاده از حل کردن 1/0 گرم فلز کادميوم دو ظرفيتي در mL 12 نيتريک اسيد داغ در دماي 70-60 درجه سلسيوس، سپس به حجم رساندن با آب مقطر تهيه ميشود. اين محلول در يخچال در4 درجه سلسيوس در شرايط اسيدي) 2pH=( تا 6 ماه قابل نگهداري ميباشد. سپس محلولهاي استاندارد از محلول استوک تهيه شده و غلظت کادميوم دو ظرفيتي بر طبق روش استاندارد پيشنهادي B 3130 با استفاده از دستگاه جذب اتمي خوانده شد ]17[ .

ساخت راکتور
راکتور مورد نظر مطابق شکل 2 طراحي و ساخته شد.
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است، راکتور مورد استفاده از سه بخش تشکيل شده است .
1ـ قسمت محفظه خنک کننده)0(: حجم آن L 10 بوده و نقش آن حفظ دماي محلول در c o 20 ميباشد.
2ـ قسمت بيروني راکتور: به حجم 2 ليتر ميباشد که واکنشهاي شيمايي در آن رخ ميدهد .
3ـ قسمت دروني راکتور: محفظهاي که درون بخش بيروني راکتور قرار گرفته و نقش آن نگه داشتن لامپ UV ميباشد. براي جلوگيري از ورود نور، راکتور به طور کامل با فويل آلومينيوم پوشيده شده و براي هم زدن محلول از همزن استفاده شد.
)1( Electron hole recombination
)2( Nguyen
)0( Scan electron microscopy

شدت

)
a.u.
(

Zinc oxide, ZnO

Stock number:
3052
CD

JCPDS card number:
50

1431

Radiation: CuKa

Crystallographic system: hexagonal

Space grou;: P
0
, mc
(
100
)

شدت

)

a.u.

(

Zinc oxide, ZnO

Stock number:

3052



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید