دانشکده فناوريهاي نوين
پايان نامهي کارشناسيارشد در رشتهي نانومهندسيشيمي
حذف فنول از پساب هاي صنعتي با استفاده از فناوري نانو
به کوشش:
حسن صادقي

استادان راهنما:
دكتر صمدصباغي
دکتر رضا پولادي
اسفند ماه 91
بـه نام خـدا
اظهارنامــه
اينجانب حسن صادقي (890784) دانشجوي رشته‌ي نانومهندسيشيمي دانشكده‌ي فناوريهاي نوين اظهار مي‌كنم كه اين پايان‌نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي كه از منابع ديگران استفاده كرده‌ام، نشاني دقيق و مشخصات كامل آن را نوشته‌ام. همچنين اظهار مي‌كنم كه تحقيق و موضوع پايان‌نامه‌ام تكراري نيست و تعهد مي‌نمايم كه بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. كليه حقوق اين اثر مطابق با آيين‌نامه مالكيت فكري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام ونام خانوادگي: حسن صادقي
تاريخ و امضا
به نام خدا
حذف فنول از پساب هاي صنعتي با استفاده از فناوري نانو

به کوشش
حسن صادقي

پايان نامه
ارائه شده به تحصيلات تکميلي دانشگاه شيراز به عنوان بخشي از فعاليتهاي تحصيلي لازم براي اخذ درجه کارشناسي ارشد
در رشته:
نانو مهندسي شيمي
از دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوري اسلامي ايران
ارزيابي شده توسط کميته پايان نامه، با درجه:عالي
دکتر صمد صباغي استاديار بخش نانومهندسي شيمي (استاد راهنما) …………………………………..
دکتر رضا پولادي استاديار بخش نانومهندسي شيمي(استاد راهنما) ……………………………………
دکتر صديقه زينلي استاديار بخش نانومهندسي شيمي………………………………………………………….
دکتر سيد محمد اعظمي، استاديار بخش شيمي ………………………………………………………………….
تقديم به
روح پدربزرگم و همه دوستداران دانش و دانش اندوزي.
سپاس گزاري
بر خود لازم مي دانم از استاتيد بزرگوار و فرزانه، جنابان آقايان دکتر صمد صباغي و دکتر رضاپولادي اساتيد راهنما به پاس مساعدت و راهنمايي دلسوزان? ايشان در امور مربوط به پايان نامه، سپاسگزاري نمايم. همچنين تشکر صميمان? خود را تقديم اساتيد فرهيخته، خانم دکتر صديقه زينلي و آقاي دکتر سيد محمد اعظمي مي نمايم که با ارشادات مهربانان? ايشان، تدوين پژوهش پيش رو ميسّر گرديد. در نهايت به جاست که از همه دلسوزان امر تعليم و تربيت علي الخصوص اساتيد گرانبها و محترم دکتر شيخي ، دکتر قطعي ، دکتر علمداري و دکتر مرادي که در اين سه سال از ايشان کسب فيض کردم تشکري صميمانه به عمل آورم ونيز از سرکار خانم مهرجهانيان کارشناس محترم گروه و دوستان ارجمندم مهندس مجتبي محمدي و مهندس حسن عبادي به خاطر همکاري هاي بي دريغشان کمال تشکر را دارم.
چکيده
حذف فنول از پساب هاي صنعتي با استفاده از فناوري نانو
به کوشش
حسن صادقي
در اين تحقيق حذف فوتو کاتاليستي فنول به عنوان مدلي از آلاينده آلي در يک رآکتور بستر سيال تحت تابشهاي فرابنفش و مرئي مورد مطالعه قرار گرفته است. تاثيرات کميتهاي مهمي چون pH، غلظت کاتاليست، غلظت فنول و روشهاي سنتز نانوکامپوزيت بر حذف فوتوکاتاليستي فنول مورد بررسي قرار گرفته است. غلظت فنول حذف شده از لحاظ کمي به عنوان تابعي از زمان تابش در اسپکتوفوتومتر مرئي- فرابنفش اندازه گيري شده و نانوکامپوزيتهاي مورد استفاده در اين کار متشکل از نانوذرات نيمه رساناهاي ZnO، CuO و TiO2ميباشد.
براساس نتايج آزمايشها، سنيتيک حذف فنول از سنيتيک شبه مرتبه اول تبعيت ميکند. نتايج، وابستگي معنادار حذف فوتوکاتاليستي فنول به کميتهاي عامل را نشان دادند. نتايج نشان دهندهي اين است که در هر دو روش سنتز نانوکامپوزيت (مخلوط کردن مکانيکي و اشباع سازي مرطوب) نانوکامپوزيت c تحت تابشهاي مرئي و فرابنفش بهترين نرخ حذف فنول را دارد. درصد حذف فنول با اين نانو کامپوزيت، در روش مخلوط کردن مکانيکي به ترتيب تحت تابشهاي مرئي و فرابنفش 11/53 و 20/55 بوده است. همچنين درصد حذف فنول با اين نانوکامپوزيت در روش اشباع سازي مرطوب، تحت تابشهاي مرئي و فرابنفش به ترتيب 76/62 و 88/63 اندازه گيري شده است . در همهي آزمايشها pH بهينه، 5 بود.
کلمات کليدي: نانو کامپوزيت، اسپکتروفوتومتر، تابش فرابنفش و مريي، اشباع مرطوب
فهرست عناوين
عنوان صفحه
فصل اول
مقدمه و کليات
1-1- فناوري ‌نانو1
1-2- اهميت تصفيه آب2
1-2-1- نانو فناوري و تصفيه آب4
1-3- روش هاي مختلف تصفيه پساب6
1-3-1- تصفيه بيولوژيکي7
1-3-2- تجزيه گرمايي8
1-3-3- جذب و دفع8
1-3-3-1- شناورسازي با هوا9
1-3-3-2- کربن فعال9
1-3-3-2-1- تصفيه با کربن فعال دانه اي(GAC)10
1-3-3-2-2- تصفيه با کربن فعال پودري (PAC)10
1-3-3-2-3- بازيابي کربن فعال11
1-3-4- فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته12
1-3-4-1- فوتوکاتاليست14
1-4- روش هاي سنتز17
1-4-1- روش سل- ژل17
1-4-1-1-انواع فرايند سل- ژل19
1-4-1-1-1- مسير الكوكسيدي19
1-4-1-1-2- مسير كلوئيدي20
1-4-1-2- مراحل فرآيند سل- ژل20
1-4-2- روش هيدروترمال21
1-5- فنول و ويژگيهاي آن22
فصل دوم
مروري بر تحقيقات انجام شده26
فصل سوم
روش سنتز و انجام آزمايشات36
3-1- تصفيه پساب و اهميت آن36
3-1-1-1- فرآيند فوتوکاتاليستي مستقيم42
3-1-1-1-1- فرآيند فوتوکاتاليستي همگن- فرآيند لانگمير- هينشلوود42
3-1-1-1-2- فرآيند الاي- رايديل43
3-1-1-2- فرآيند فوتوکاتاليستي غير مستقيم43
3-2-آزمايشگاه45
3-2-1- شناخت و تهيه مواد و وسايل موردنياز براي انجام کارهاي آزمايشگاهي45
3-2- 3- دستگاه و روش ساخت46
3-2-4- روي اکسيد ZnO48
3-2-4- 1- سنتزZnO50
3-2-5- سنتز CuO51
3-2-6- حذف فنول از پساب52
3-2-6-1- روش مخلوط کردن مکانيکي52
3-2-6-2- روش اشباع سازي مرطوب53
3-2-7- تهيه محلول آزمايشگاهي حاوي فنول55
3-2-8- شناسايي محلول مجهول55
3-2-9- انجام آزمايش هاي مورد نظر56
فصل چهارم
نتايج و بحث60
4-1- کاتاليست ساخته شده از روش مخلوط کرن مکانيکي60
4-1-1- بهينه سازي نوع کاتاليست در تابش فرابنفش60
4-1-2- بهينه سازي نوع کاتاليست درنور مرئي62
4-1-3- بهينه سازي pHبراي کاتاليست بهينه63
4-1-3-1- بهينه سازي pHبراي کاتاليست بهينه در نور فرابنفش63
4-1-3-2- بهينه سازي pHبراي کاتاليست بهينه در نور مرئي65
4-1-3-3- مقايسه انواع کاتاليست مکانيکي در نور فرابنفش و نور مرئي66
4-1-3-4- زمان66
4-1-3-4-1- زمان بهينه در نور مرئي66
4-1-3-4-2- زمان بهينه در نور فرابنفش67
4-2- کاتاليست ساخته شده از روش اشباع سازي مرطوب69
4-2-1- بهينه سازي نوع کاتاليست در تابش فرابنفش71
4-2-2- بهينه سازي نوع کاتاليست در تابش مرئي72
4-2-3- بهينه سازي pHبراي کاتاليست بهينه73
4-2-3-1- بهينه سازي pHبراي کاتاليست بهينه در نور فرابنفش73
4-2-3-2- بهينه سازي pHبراي کاتاليست بهينه در نور مرئي74
4-2-3-3- مقايسه ميزان جداسازي نانوکامپوزيت در نورمرئي و فرابنفش74
4-2-3-4- زمان بهينه75
4-2-3-4-1- زمان بهينه در نور مرئي75
4-2-3-4-1- زمان بهينه در نور فرابنفش76
فصل پنجم
نتيجه گيري و پيشنهادات78
5-1- نتايج78
5-2-پيشنهادات79
فصل ششم
6- فهرست منابع82

فهرست اشکال
عنوان شکل صفحه
شکل1- 1- روش سل- ژل و محصولات آن در مسير18
شکل1-2- ساختار مولکولي فنول23
شکل2- 1-تاثير فرآيند هاي مختلف در زمان هاي مختلف و 3= pH………………………………………30
شکل2- 2-تاثير فرآيند هاي مختلف در زمان هاي مختلف و7= pH31
شکل2- 3-تاثير فرآيند هاي مختلف در زمان هاي مختلف و 11= pH ..31
شکل3- 1- نمايي از فرآيند فوتوکاتاليستي با تيتانيا و نور فرابنفش………………………………………….41
شکل3- 2- لامپ فرابنفش مورداستفاده در فوتورآکتور46
شکل3- 3- درپوش مورد استفاده در فوتورآکتور47
شکل3- 4- فوتورآکتور48
شکل3- 5- ميانگين اندازه ذرات روي اکسيد سنتز شده51
شکل3- 6- ميانگين اندازه ذرات مس اکسيد52
شکل3- 7- خط بدست آمده جهت شناسايي مجهول56
شکل4- 2- بهينه سازي کاتاليست در نور فرابنفش(غلظت در مقابل زمان)………………………..61
شکل4- 3- بهينه سازي نوع کاتاليست در نور مرئي(جذب در مقابل طول موج)62
شکل4- 4- بهينه سازي کاتاليست در نور مرئي(غلظت در مقابل زمان)63
شکل4- 5- pH بهينه براي کاتاليست در نور فرابنفش65
شکل4- 6- pH بهينه براي کاتاليست مکانيکي در نور مرئي 65
شکل4- 7- مقايسه pH بهينه براي کاتاليست در نور فرابنفش و نور مرئي66
شکل4- 8- بهينه سازي زمان در نور مرئي67
شکل4- 9- استفاده از ترکيب نانوکامپوزيت در فرآيند فوتوکاتاليستي68
شکل4- 10- فعال شدن تيتانيا با کاتاليستي ديگر در نور مرئي.68
شکل4- 11- بهينه سازي زمان در نور فرابنفش69
شکل4- 12- شکل گيري نانوذرات به روش اشباع سازي مرطوب70
شکل4- 13- بهينه سازي نوع کاتاليست در نور فرابنفش(جذب در مقابل طول موج)71
شکل4- 14- بهينه سازي نوع کاتاليست در نور فرابنفش(غلظت در مقابل زمان)71
شکل4- 15- بهينه سازي نوع کاتاليست در نور فرابنفش(جذب در مقابل طول موج)72
شکل4- 16- بهينه سازي کاتاليست در نور مرئي(غلظت در مقابل زمان)72
شکل4- 17- pH بهينه براي کاتاليست در نور فرابنفش73
شکل4- 18- pH بهينه براي کاتاليست در نور مرئي74
شکل4- 19- مقايسه جداسازي انواع نانوکامپوزيت در نور مرئي و فرابنفش75
شکل4- 20- بهينه سازي زمان در نور مرئي76
شکل4- 21- بهينه سازي زمان در نور فرابنفش76
فهرست جداول
عنوان جدول صفحه
جدول1- 1 – ميزان مجاز فنول براساس استاندارد HAL12
جدول1- 2- فهرست روشهاي مهم و ترکيبي AOPs13
جدول1- 3- انحلال پذيري فنول و برخي از مشتقات کلر و نيتروژن دار آن22
جدول1- 4- برخي از ويژگيهاي فنول24
جدول3- 1- درصد جرمي نانوذرات در نانوکامپوزيت مکانيکي………………………………………………………………53
جدول3- 2- درصد جرمي نانوذرات در نانوکامپوزيت اشباع مرطوب54
جدول3- 3- شرايط انجام آزمايش58
جدول4- 1- نسبت جرمي انواع کاتاليست ساخته شده از روش مخلوط کردن مکانيکي…………………………..60
جدول4- 2- نسبت جرمي انواع کاتاليست ساخته شده از روش اشباع سازي مرطوب 69
جدول 5- 2- مشخصات نانو کامپوزيت بهينه در دو روش ساخت…………………………………..78
فصل اول
مقدمه و کليات
1-1- فناوري ‌نانو
فناوري نانو، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطح مولكولي و اتمي و استفاده از خواص آنها در مقياس نانو ميباشد. علم نانو، عبارت است از مطالعه و پژوهش وسايل و ساختار هايي كه در كوچكترين واحد ديمانسيون( 100 ) نانومتر يا كوچكتر وجود دارند. از تعاريف فوق بر ميآيد كه فناوري ‌نانو يك رشته نيست بلكه رويكردي جديد در تمامي رشته هاست. براي فناوري ‌نانو كاربردهايي را درحوزههاي مختلف ازجمله غذا، دارو، تشخيص پزشكي و فناوريزيستي تا الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، حمل ونقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوا و فضا و امنيت ملي بر شمردهاند.كاربرد هاي وسيع اين عرصه و پيامد هاي اجتماعي سياسي و حقوقي آن، اين فناوري را به عنوان زمينه فرارشته اي و فرابخشي مطرح نموده است.
اولين جرقه فناوري نانو درسال 1959زده شد(البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود). در اين سال ريچارد فاينمن طي يك سخنراني با عنوان “فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد” ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مستقيم دستكاري كنيم. واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو درسال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد(وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كياريك دركسلر1 در کتابي تحت عنوان “موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو” بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آن را در کتابي تحت عنوان “نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي، چگونگي ساخت و محاسبات آنها” توسعه داد. هدف فناوري نانو توليد مولکولي يا ساخت اتم به اتم و مولکول به مولکول مواد و ماشين‌ها توسط بازوهاي روبات برنامه‌ريزي شده در مقياس نانومتري است]2،1[.
1-2- اهميت تصفيه آب
افزايش جمعيت جهان وکاهش منابع آب آشاميدني، نگرانيهايي را درباره تأمين آب آشاميدني مورد نياز کشورهاي مختلف در سراسر جهان به وجود آورده و کمبود آب که در نتيجه افزايش آلودگي هاي زيست محيطي شدت پيدا مي کند، سبب شده تا تأمين آب بهداشتي مورد نياز مردم به يکي از مشکلات اساسي جهان امروز تبديل شود. امراض ناشي از آلودگي منابع آب، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شايد ده ها هزار نفر از مردم جهان مي شود، اين در حالي است که امکان بازيافت آب دسترسي به يک منبع مناسب براي مصارف گوناگون را فراهم خواهد آورد . اخيراً با ورود فناوري هاي نوين از قبيل زيست فناوري و نانو فناوري، مواد و راهکارهاي جديدي براي تصفيه آب و فاضلاب هاي صنعتي و کشاورزي معرفي شده و يا مي شوند. استفاده از فيلترهاي نانومتري، تحول عظيمي را در بازيافت و استفاده مجدد از منابع آب ايجاد کرده کاربردهاي فناورينانو در اين خصوص عبارتند از : نانو سنسورها، نانو فيلترها، نانو فتوکاتاليست ها، مواد نانو حفره اي، نانو ذرات، توانايي هاي اين فناوريها در تصفيه آب با توجه به انواع آلودگي هاي نقاط مختلف ايران مورد ارزيابي قرار گرفته است.
محققان به دنبال توسعه روش منحصر به فردي براي تصفيه فاضلاب هستند که بدون استفاده از مواد شيميايي گرانقيمت، کيفيت آب را در مقايسه با روش هايي که در حال حاضر مورد استفاده قرار مي گيرند، به ميزان قابل توجهي افزايش خواهد داد . آخرين مرحله تصفيه آب، حذف موجودات زنده بسيار ريز است که در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفوني کننده استفاده مي شود. اما در اين صورت حتي پس از تصفيه نيز ترکيبات آلي زيادي در آب وجود خواهد داشت. کلر موجودات زنده ريز را از آب حذف مي کند. اما با آلاينده هاي آلي واکنش مي دهد و محصولات جانبي تجزيه ناپذير و سمي توليد مي کند که نمي توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال اين مواد به محيط زيست و استفاده از آنها در کشاورزي وصنايع ديگر ميتواند مشکلات بهداشتي خطرناکي ايجاد کند.
تصفيه فاضلاب به کمک نانوکاتاليزور نوري مي تواند جايگزين سومين مرحله تصفيه يعني ضدعفوني با کلر شود تا موجودات زنده و ترکيبات آلي را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به يک منبع آب مناسب تبديل کند. به طور طبيعي موجودات زنده ريز، ترکيبات آلي بزرگ را به ذرات کوچک تري تبديل مي کنند. اما از آنجاکه اين ترکيبات از نظر زيستي تجزيه ناپذيرند براي تجزيه آنها بايد از نوعي انرژي بهره برد. اين انرژي از اشعه فرابنفش نور خورشيد تأمين شده و به همراه کاتاليزورهاي نوري مورد استفاده قرارميگيرد. انرژي آزاده شده از واکنش سلول کاتاليزور نوري مي تواند موجودات زنده ريز را از ميان برده و ترکيبات تجزيه ناپذير را تجزيه کند. اين فرآيند به دليل امکان استفاده مجدد از کاتاليزورهاي نوري از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است. ذرات کاتاليزوري يا بصورت همگن در محلول پراکنده ميشوند يا به صورت ساختارهاي غشايي رسوب داده شده هستندکه تجزيه شيميايي آلايندهها را امکان پذير مي کنند.
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعاليت کاتاليزوري شناخته شده و دانشمندان از آن در حذف تري‌کلرواتيلن2 از آب‌هاي زيرزميني استفاده کرده‌اند. تحقيقات مرکز فناوري‌نانوي زيست‌ محيطي3 دانشگاه‌ رايس نشان مي‌دهد نانوذرات طلا و پالاديم، کاتاليست‌هايي بسيار مؤثر براي حذف آلودگي‌TCE از آب هستند. مزيت‌هاي حذف TCE با پالاديم به خوبي مشخص است ولي اين روش تا حدودي پرهزينه است.
1-2-1- نانو فناوري و تصفيه آب
با به کارگيري فناوري‌نانو مي‌توان تعداد اتم‌هاي در تماس با مولکول‌هاي TCEو در نتيجه کارايي اين کاتاليست را چندين برابر کاتاليست‌هاي رايج افزايش داد. محققان دانشگاه رايس روش جديدي را توسعه داده‌اند که طي آن نانوبلورهاي تيتانيوم با سطح ويژه بالا (بيش از m2/g 250) براي حذف آروماتيک‌هاي آلي توليد مي‌شوند. اين مواد تحت تابش اشعه فرابنفش، قابليت اکسيداسيون نوري بسياري از مولکول‌ها را پيدا مي‌کنند. همچنين C60 کاتاليزور نوري بسيار خوبي است که کارايي آن صدها برابر بيش از تيتانياي موجود در بازار است. توليد راديکال آزاد به وسيله C60 متراکم در آب، امکان تجزيه آلاينده‌ها را فراهم مي‌کند.
با توجه به کاربردها و قابليت هاي فناورينانو در صنعت آب و فاضلاب بسياري از شرکتها از اين فناوري در تصفيه آب و فاضلاب استفاده مي کنند و به همين دليل امروزه استفاده از محصولات و توليدات بر پايه فناورينانو افزايش يافته است. اين محصولات اغلب شامل نانو فيلترها و انواع حسگرهايي است که به منظور تشخيص مواد و ذرات موجود در آب مورد استفاده قرار مي گيرند.
دير زماني نيست که يکي از اهداف مهم و اصلي در قانون تأسيس شرکتها و کارخانجات صنعتي در ايران حفظ محيط زيست و جلوگيري از آلودگي آن تعيين شده است. به موجب اين قانون کارخانجات صنعتي مي بايست نظارت و دقت مضاعفي در خصوص جلوگيري از تخريب محيط زيست به هر نحو به عمل آورند. در غير اين صورت با برخوردهاي جدي و شديدي از سوي سازمان حفاظت از محيط زيست روبرو خواهند شد.
در دهه هاي گذشته تعاريف جديدي از توسعه يافتگي و پايداري در فرآيند توسعه در کتب و محافل علمي و سياسي مشاهده مي شود. يکي از نگرش هاي جديد توسعه يافتگي و يکي از ارکان مهم توسعهً پايدار در کشورهاي مدعي، برخورد با آثار سوء مسايل زيست محيطي مي باشد که پيگيري جدي در جهت جلوگيري از بروز آن، به فرهنگ و نگرش دولت ها در خصوص ارزش نهادن به فرهنگ والاي انساني بستگي دارد.
در دو دههً گذشته در کشور عزيز ما، ايران نيز به حفظ محيط زيست و جلوگيري از تخريب آن توجه زيادي شده است. ايران نيز مانند ديگر کشورهاي جهان متعهد گرديده که درجهت حفظ محيط زيست به طور جدي تلاش و اين کره خاکي را براي نسلهاي آينده حفظ نمايد. از جملهي اين تعهدات حفظ منابع آبي و احداث تصفيه خانه فاضلاب براي تصفيه آبهاي آلوده مي باشد. آلودگي آب علاوه براينکه باعث نشر بسياري از بيماريهاي مختلف مي شود، سلامت و کيفيت منابع محدود آب تميز را نيز تحت تأثير قرار داده و در بلند مدت صدمات زيادي را بر پيکره توسعهي اقتصادي و اجتماعي جامعه وارد مي سازد. از اين جهت بازيافت فاضلابها و پسابهاي صنعتي، بخصوص در کشورهايي که دچار کم آبي يا بي آبي هستند، اهميت خاصي پيدا نموده و اين روش در حال حاضر در ايران نيز مورد توجه قرار گرفته و بسياري از صنايع کشور در بازيافت پسابهاي صنعتي به منظور افزايش توليد و ايجاد شرايط و فضاي توسعه اقدام مي نمايند.
آب مهم ترين ماده شيميايي موجود در جهان مي باشد. در مورد اهميت آن مي توان به اين جمله بسنده کرد که خداوند در قرآن فرموده- از آب هر چيزي را زنده گردانيده ايم4 – امروزه بعلت رشد فزآينده جمعيت، محدود بودن منابع آب تجديد شونده، کاهش سطح آب سفرههاي زيرزميني و پيشروي آبهاي شور درياها دراين سفرهها، افزايش سرعت فرآيند صنعتي شدن کشورها و تغيير شيميايي پسابها بر اثر ورود مواد شيميايي کارخانه ها به داخل آبهاي سطحي، گرم شدن کره زمين وخشکسالي، نياز به آب براي مصارف کشاورزي وتوليد انرژي وبسياري از دلايل ديگر، بهينه سازي مصرف آب، بازيافت وتصفيه پسابها و توسعه فرآيندهاي تصفيه فاضلاب اهميت روز افزوني يافته است.
امروزه سلامتي بشر و محيط زيست در معرض خطر انواع مختلفي از آلاينده ها قرار دارد. با پيشرفت تكنولوژي در زندگي روزمره با مواد سمي ناشي از اگزوز ماشين ها، فرمالدهيد، بنزن، انواع قارچ ها و مانند آن روبرو هستيم. آمار و ارقام نشان مي دهد كه تنها در چين سالانه بالاي صدهزار نفر به دليل آلودگي مكانهاي سرپوشيده جان خود را از دست مي دهند. بررسي200 اتومبيل جديد نشان داد كه90 درصد اين محصولات داراي گازهاي خروجي بسيار سمي و مرگبار هستند. بنابراين پيدا كردن راهكاري براي پالايش محيط زيست، هدفي است كه بسياري از دانشمندان در سراسر جهان براي رسيدن به آن تلاش مي كنند. در اين ميان، فناوري جديدي با عنوان فتوكاتاليست5 مورد توجه بسياري قرار گرفته است. واژه فتوكاتاليست در اصل به معني شتاب بخشيدن به يك واكنش فوتوني توسط كاتاليست است. به طوردقيق تر، كاتاليست در شرايط تهييج شده يا عادي خود از طريق ميانكنش با مواد واكنشگر يا محصولات اوليه، واكنش فوتوني را تسريع خواهد كرد. كاتاليستها انواع مختلف دارند. بهترين راه براي تميز كردن آبهاي آلوده استفاده از كاتاليستي است كه براي تعداد زيادي از آلاينده ها كاربرد داشته باشد.
1-3- روش هاي مختلف تصفيه پساب
در دوهه اخير، تحقيقات گستردهاي در زمينه حفاظت از محيط زيست با توجه به اهميت اين موضوع در نزد مسئولان سياسي و دولتي و همچنين قوانين سختگيرانه جهاني تمهيدات و استانداردهاي خاصي در اين زمينه ، صورت گرفته است]3[.
باتوجه به اهميت ذکر شده، انجام و پياده سازي استانداردهاي تدوين شده براي کاهش و حذف آلاينده هاي سمي که بر روي جو و موجودات زنده اثر سوء دارند و باعث آلودگي محيط زيست مي شوند، به صورت ويژه انجام شده است. براي حذف و کاهش آلاينده هاي زيست محيطي روشهاي فيزيکي، شيميايي، بيولوژيکي، اکسيداسيون و… به صورت مجزا و ترکيبي صورت گرفته است. مهمترين اين روشها به اختصار و روش اکسيداسيون پيشرفته با ذکر جزئيات بيشتر در زير توضيح داده شده است.
1-3-1- تصفيه بيولوژيکي
تصفيه بيولوژيكي يكي از روشهاي متداول در از بين رفتن آلودگيهاي هيدروكربني همراه آب مي باشد بيشتر تركيبات هيدروكربني توسط تصفيه بيولوژيكي قابل تجزيه مي باشد]4[.
اين نوع تجزيه با افزايش رشد ميكروبي توسط آماده سازي شرايط محيطي مناسب جهت تجزيه مواد آلاينده صورت مي پذيرد كه در نهايت مواد آلي به گازهايي چون دي اكسيد كربن، مواد معدني و آب تجزيه مي گردد]4[.
روشهاي بيولوژيکي در محلولهاي رقيق در مورد آلايندههايي كه از لحاظ بيولوژيكي قابل تجزيه باشند به كار ميرود اما در بسياري از موارد به دليل غلظت بالاي آلاينده و يا سميت بالاي آن روش بيولوژيكي به تنهايي پاسخگو نمي باشد و معمولاً به صورت ترکيبي با ساير روشهاي تصفيهاي به کار مي رود. ميتوان تصفيه فاضلاب با استفاده از ميكروارگانيسم‌ها در فضاي محدودتر و رعايت استانداردهاي بهتر را هدف اين فرآيند خواند.براساس استانداردهاي محيط زيست، پساب تصفيه شده بايد به يكي از سه حالت مختلف استاندارد براي كشاورزي و آبياري، استاندارد براي ورود به آب‌هاي سطحي و استاندارد تخليه به چاه برسد كه ساده‌ترين حالت در رابطه با نياز به پالايش كمتر، مربوط به كشاورزي و آبياري است. ميكروارگانيسم‌ها ابتدا به آب آلوده‌اي كه بايد آن را تصفيه كنند عادت داده مي‌شوند. به اين منظور در تصفيه‌خانه‌ها مجموعه‌اي از ميكروارگانيسم‌ها وجود دارد كه با ورود فاضلاب جديد آن دسته از ميكروبهايي كه نسبت به اين فاضلاب مقاوم بوده، زنده مي‌مانند و كشت كرده و شروع به تصفيه فاضلاب مربوطه مي‌كنند .
توده ميكروارگانيسم‌هاي تصفيه كننده صنايع مختلف، متفاوت و مخصوص است. هر فاضلابي يك روش مطالعه خاص خود دارد؛ به طوري كه گاهي سيستم تصفيه فاضلاب دو صنعت كه يك محصول را توليد مي‌كنند نيز با يكديگر فرق دارند؛ بنابراين آزمايش، تحقيقات و مطالعات پايلوتي براي تعيين روش تصفيه ضروري است.
انواع ميكروب‌هاي تصفيه‌كنندهي فاضلاب به طور معمول براي تصفيه فاضلاب از روش‌هاي بيولوژيك يا لجن فعال استفاده مي‌شود؛ به گونه‌اي كه پس از تماس ميكروب‌ها با فاضلاب، در حوضچه هوازني و در نتيجه تبديل مواد آلي به مواد بي‌ضرر، در خروجي اين حوضچه فاضلاب تصفيه شده و ميكروب‌ها وجود دارد كه با استفاده از روش‌هاي ثقلي جداسازي ميكروب از فاضلاب تصفيه شده انجام مي‌شود كه فضاي زيادي را اشغال ‌كرده و زمان‌بر است علاوه بر آن ممكن است ته‌نشيني و جداسازي ميكروب‌ها به طور كامل انجام نشود.
1-3-2- تجزيه گرمايي
تجزيه گرمايي به عنوان مثال سوزاندن6 يكي از انتخابهاي موثر در تجزيه گرمايي پساب هاي حاوي غلظت بالاي آلايندههاي آلي مي باشد و با توجه به ميزان انرژي لازم جهت گرمايش و تبخير آب موجود در پساب در غلظتهاي متوسط و اندك آلاينده از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نميباشد علاوه بر اين تجزيه گرمايي معمولاً در دماهاي بالا و فرآيندهاي پيچيده شيميايي اتفاق ميافتد كه در بعضي موارد مي تواند باعث تشكيل مواد آلي سمي جديد در طول واكنشها گردد.
1-3-3- جذب و دفع
از ديگر روشهاي تصفيه آلايندههاي همراه آب استفاده از فرآيند جذب توسط كربن فعال و يا دفع توسط بخار و يا هوا ميباشد. اما با توجه به اينكه در هر دوي اين فرآيندهاي تصفيه، در واقع مواد آلاينده از بين نميرود بلکه فقط به محيط ديگري انتقال مي يابد و مشكلات ثانويه محيط زيستي ايجاد مي نمايد، نميتواند به عنوان روش بهينه تصفيه آلايندهها مورد استفاده قرارگيرد. به عنوان مثال پس از تصفيه،كربن فعال به پسماند تبديل مي گردد و فرآيند دفع باعث آلودگي هوا ميگردد ]5[.
1-3-3-1- شناورسازي با هوا
در اين روش، جداسازي از طريق وارد كردن حبابهاي ريز گاز(معمولاً هوا) به داخل فاز مايع صورت مي پذيرد. حبابهاي هوا به ذرات جامد مي چسبند و نيروي شناوري مجموعه ذره و حبابهاي گاز بقدري زياد است كه سبب صعود ذره به سطح مي شود. بدين ترتيب مي توان ذراتي را كه چگالي آنها از مايع کمتر است را به صعود به سطح مايع وادارکرد. صعود ذرات با چگالي كمتر از مايع(مانند روغن محلول در آب) را نيز مي توان با اين عمل تسهيل كرد . استفاده از حبابهاي گاز يا هوا به منظور جداسازي ذرات معدني و نيز در تصفيهي پسابهاي حاوي روغن بطور گسترده اي رايج است. بطور كلي فرآيند شناورسازي از چهار مرحله اساسي تشکيل مي شود:
توليد حباب7در پساب روغني
برخورد بين حبابهاي گاز و قطرات روغن شناور در آب
چسبيدن ذرات روغن به حبابهاي گاز
صعود مجموعه هوا- روغن به سطح آب يعني جايي كه روغن (و نيز ذرات جامد معلق همراه آن) جمع آوري مي شود.
1-3-3-2- کربن فعال
کربن فعال را از چوب و زغال سنگ بدست ميآورند. براي تهيه اين زغال، مواد را تا حد گداختگي گرما مي دهند تا هيدروکربن هاي آن خارج گردند، اما مقدار هوا را کمتر از مقدار کافي نگه مي دارند تا سوختن ادامه يابد. سپس ذرات زغال را با قرار دادن آن در معرض يک گاز اکساينده در دماي بالا فعال مي کنند. اين گاز يک ساختار متخلخل در زغال ايجاد مي کند و بدين ترتيب يک سطح بزرگ با مساحت زياد درون آن ايجاد مي گردد. پس از فعال سازي، کربن را مي توان در اندازه هاي مختلف با ظرفيتهاي مختلف جذب سطح، جدا کرد. دو نوع اندازه آن عبارتند از: پودري و دانه اي.
1-3-3-2-1- تصفيه با کربن فعال دانه اي(GAC)8
از ستون بستر ثابت به منزلهي وسيله تماس فاضلاب با کربن فعال دانه اي استفاده ميشود. آب از بالاي ستون وارد و از پايين آن تخليه مي شود. به گونهاي که کربن را با يک سيستم تخليه تحتاني در پايين ستون در جاي خود نگه مي دارند.
1-3-3-2-2- تصفيه با کربن فعال پودري (PAC)9
روش ديگر استفاده از کربن، به کارگيري کربن فعال پودري است. در تاسيسات تصفيه زيست شناختي، کربن فعال پودري را در يک حوضچه تماس به خروجي اضافه مي کنند. پس از مدتي تماس اجازه مي دهند کربن به ته مخزن ته نشين شود و سپس آب تصفيه شده را از مخزن خارج مي کنند. چون دانه هاي کربن بسيار ريز است، براي کمک به جداسازي ذرات کربن، به لخته سازي همچون يک پلي الکتروليت و صاف کردن با صافيهاي دانهاي متوسط نياز خواهد بود.

1-3-3-2-3- بازيابي کربن فعال
کربن دانهاي را ميتوان به راحتي با اکسايش مواد آلي در کوره و جدا کردن آنها از سطح کربن بازيابي کرد. مقداري از کربن( در حدود 5 تا 10%) در خلال فرآيند بازيابي از بين ميرود و بايدکربن بکر يا نو جايگزين آن کرد. مشکل عمده در مصرف کربن فعال پودري آن است که روش بازيابي آن بخوبي شناخته شده نيست. بسياري از مواد مايع و گازها داراي مقاديري مواد ناخواسته و ناخالصي هستند. در برخي موارد اين ناخالصي ها شامل ميکروب، باکتري، مواد سمي و آلوده کنندههاي ديگر ميباشند که باوجود درصد بسيار کم، عملاً شرايط نامطلوبي را ايجاد مي کنند، بطوريکه طعم، بو، رنگ و خواص ديگر را تغيير ميدهند. براي رسيدن به شرايط دلخواه در اين گونه مايعات و گازها بايستي ناخالصيها حذف شوند. يکي از بهترين روشهاي حذف ناخالصيها، حذف آنها به شيوه جذب سطحي ميباشد. حتي در بسياري مواقع تنها شيوه موثر نيز مي باشد. زغال فعال يک نوع جاذب قوي با جذب سطحي فوق العاده ميباشد و در هيچ حلال شناخته شدهاي حل نميشود و برجستهترين مشخصه آن حذف انتخابي آلايندههاست و در برخي موارد براي بازيافت مواد نيز بکار مي رود. ميزان جذب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزيع اندازه منافذ و همچنين اندازه و شکل مولکولهاي آلاينده بستگي دارد. کربن فعال به عنوان يک ماده جاذب، داراي کاربردهاي مهم و حياتي است. کاربردهاي عمده کربن فعال در صنايع آب براي از بين بردن رنگ، بو و مزه غيردلخواه از آب در تصفيه فاضلاب کارخانه ها و در پالايشگاههاي گاز براي شيرين سازي گاز، در پتروشيمي ها و پالايشگاههاي نفت، در خالص سازي داروها و روغنهاي خوارکي و صنعتي، صنايع قند، صنايع دفاع و درتصفيه هوا و گازها بکار ميرود. بازيافت حلالها و مواد شيميائي نيز از کاربردهاي عمده کربن فعال است. با توجه به تنوع مصرف و تنوع مواد اوليه انواع زيادي با مشخصات خاص کربن فعال توليد مي شود که هر کدام براي مصارف خاصي ساخته ميشوند.
1-3-4- فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته10
فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته که شامل کاربرد ترکيبات گوناگوني از O3، H2O2، UV و نيمه رساناها (از جمله TiO2) مي شود روش هاي بالقوه مناسب تصفيه مي باشند. حسن مهم اين فرآيندها به راديکال هاي هيدروکسيل () مربوط مي شود که تقريبا به هر ترکيب آلي با ثابت سرعت بسيار زياد حمله ور مي شود. فرآيند هاي متفاوت اکسيداسيون پيشرفته هر کدام به نوبه خود با توجه به ويژگي و طبيعتي که دارند مي توانند براي کاهش آلودگي پساب هاي مختلف با ترکيبات آلوده کننده متفاوت به کار رود.
در واقع هدف اصلي از اکسيداسيون شيميايي، تبديل مواد آلي به مواد معدني مانند آب، دي اکسيد کربن و يا حداقل به مواد واسطه بي ضرر ميباشد. روشهاي بر پايه تخريب شيميايي وقتي به صورت کامل به کار روند مي توانند با بازده خوبي آلودگي ها را از فاضلاب حذف کنند يا کاهش دهند. در بعضي موارد روشهاي قديمي مانند بيولوژيکي نمي تواند بازده خوبي در حذف آلودگيهاي مختلف داشته باشد به همين منظور در چند دههي اخير از فرآيند اکسيداسيون پيشرفته به عنوان يک فناوري جديد براي حذف آلاينده ها مي تواند به صورت مجزا و ترکيبي با ساير روشهاي قديمي به کار رفته است]6[ .
AOPs معمولاً از سيستمهاي واکنشي متفاوتي تشکيل شده است، اما اساس همه ي آنها با توجه يک مشخصه شيميايي مشترک که توليد راديکال هيدروکسل () مي باشد، مشخص ميشوند. راديکالهاي هيدروکسيل اجزاء فوقالعاده فعال و واکنش دهنده مي باشند که به اکثر قسمتهاي آلي مولکولها با ثابت سرعت ، حمله ور مي شوند.
جدول1- 1 – ميزان مجاز فنول براساس استاندارد HAL
Standard type
Metod detection limit (mg/l)Permit Limit (mg/l)CAS NoParameter nameHAL0015/022-94-108 phenol
اين فرآيندها با توجه به اينکه داراي انتخاب پذيري پاييني براي حمله ور شدن به مواد آلي از جمله روش هاي اکسيداسيون مفيد و پرکاربرد در تصفيه فاضلاب و حل مشکلات محيط زيستي مي باشند. يکي ديگر از مزاياي AOP تنوع پذيري در روش هاي آن براي توليد راديکال هاي هيدروکسيل مي باشد که اين مسئله ايجاب مي کند که با توجه به آلايندههاي فاضلاب روش مناسب را براي تصفيه آن انتخاب ميکنيم.
از آنجا که براي استفاده از AOP براي تصفيه پساب نياز به يک سري مواد و واکنش دهنده هاي گران قيمت مانند آب اکسيژنه11() يا ازن (O3) هست، تا جايي که امکان تصفيه پساب با بازده مورد نظر با استفاده از روشهاي قديمي و ارزان قيمت تر مانند روشهاي بيولوژيکي وجود دارد استفاده از اين روش توصيه نميشود. فهرستي از روشهاي مهم و ترکيبي فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته در جدول (1-2) آمده است.
جدول1- 2- فهرست روشهاي مهم و ترکيبي AOP
Photo degredationFenton/Fenton-like/Photo assisted FentonFenton- likeOzonationOzonationOzonation/Photocatalysys
1-3-4-1- فوتوکاتاليست
فتوکاتاليست ها موادي هستند که باعث نابودي آلاينده ها در آب و فاضلاب و تبديل آنها به مواد بي خطر نظير آب و دي اکيسد کربن مي شوند. در حقيقت اين مواد در اثر تابش نور منجر به بروز يك واكنش شيميايي ميشوند، در حالي كه خود ماده، دست خوش هيچ تغييري نمي شود. فتوكاتاليست‌ها مستقيماً در واكنش‌هاي اكسايش و كاهش دخالت ندارند و فقط شرايط مورد نياز براي انجام واكنش‌ها را فراهم مي‌كنند. تعدادي از مواد که به عنوان فتوکاتاليست به کار ميروند درچنين شرايطي اكسيدهاي فلزي مثلZnO، WO3 و TiO2 بهترين گزينه بوده و مطالعات نشان داده كه در اين ميان اكسيد تيتانيم نسبت به بقيه برتري دارد. در سال1972 هنگاميكه پروفسور فوجيشيما و دانشجويش هوندا مشغول انجام آزمايش بودند به پديده عجيبي برخوردند. آنها مشاهده كردند كه به هنگام قرار دادن الكترودهايي از جنس TiO2 و Pt در آب، مداري تشكيل مي شود كه بدون اعمال جريان الكتريسيته از بيرون، و تنها در معرض نور مي تواند آب را به اكسيژن و هيدروژن تجزيه كند. به دنبال اين پديده هوندا كشف كرد كه TiO2 خاصيت اكسيدكنندگي قوي دارد. بنابراين مطالعات خود را بر روي اثر اين ماده ارزشمند در پديدههاي زيست محيطي مانند استريليزه كردن، گندزدايي و حذف آلودگي ها معطوف كرد. محصولات جديد اين فناوري داراي اثرت ضد باكتريايي بوده و بنابراين يكي از پيشرفته ترين ابزار براي ضد عفوني كردن فضاها و يكي از شاخه هاي اصلي مورد مطالعه در صنعت مواد است. هم اكنون بيش از5 سال است كه توليد تجاري فتوكاتاليست ها در اروپا، امريكا، ژاپن و كره انجام ميشود. بخصوص در ژاپن از اين پديده در صنايع مختلف استفاده مي شود. آمار بازار تجارت ژاپن نشان مي دهد، پس از ظهور اولين يافتهها مربوط به خاصيت فتوكاتاليستي TiO2 در سال1970، تا سال1990 فتوكاتاليستها جنبهي يك كالاي تجاري را به خود گرفتند. از فروش آزمايشي اين محصول0/2 ميليارد ين در سال1997، 1/2 ميليارد ين در سال1998، 4 ميليارد ين در سال1999 و بالغ بر100 ميليارد ين در سال2001 حاصل شد. اين آمار نمايانگر رشد چشمگير تقاضاي اين محصول در بازار جهاني است. پيش بيني مي شود كه تا سالهاي آينده در ژاپن اين رقم بين100 تا500 ميليارد ين افزايش يابد. جهت بهبود خاصيت فتوكاتاليستي TiO2 امروزه فتوكاتاليستهاي نانومتري از ذرات TiO2 با اندازه دانه 20 نانومتر ساخته مي شود. پس از جذب UV اشعه خورشيدي توسط اين ذرات، الكترونهاي آنها توسط انرژي UV به تحرك درآمده و از مدار خود خارج مي شوند، كه نتيجه آن بر جاي گذاشتن حفراتي است كه قابليت اكسيدكنندگي بسيار بالايي دارند. در عين حال الكترونهايي كه خاصيت احيايي قوي دارند، پس از تماس با H2O و O2 هوا راديكالهاي آزاد اكسيژني و هيدروكسيدي ايجاد مي كنند. اين راديكالهاي آزاد خاصيت اكسيدكنندگي بالايي داشته و قادر خواهند بود كه مواد آلاينده، دود و باكتريهاي مضر را به مواد بي ضرري مانند H2O و CO2 تجزيه كنند. در نتيجه، راديكالهاي تشكيل شده در نقش يك اكسيد كنندهي قوي با تركيبات آلي واكنش ميدهند. محققان از اكسيداسيون فتوكاتاليستي براي شكستن و از بين بردن بسياري از آلايندههاي ارگانيك(آلي) و تبديل آنها به CO2 و آب استفاده مي كنند. اين روش براي تصفيه آب آشاميدني، از بين بردن باكتريها و ويروسها و جدا كردن فلزات از جريان فاضلابها بكار مي رود .در مورد تصفيه آب، تحقيقات نشان داد كه هيدروكربنهاي آليفاتيك كلردار با استفاده از اين روش كلرزدايي شده و به CO2 و H2O شكسته مي شوند. علاوه براين بسياري از آروماتيكها نظير فنول كه در برابر واكنشهاي اكسيداسيوني معمولي مقاوم هستند به راحتي از بين ميروند.
در روش تصفيه فتوكاتاليستي آب هاي آلوده،TiO2 بصورت پودر به آب اضافه مي شود و يا آنكه برروي يك زمينه پوشش داده شده و آب از روي آن عبور داده مي شود. در حالت اول به يك سيستم بازيابي نياز خواهد بود تا كاتاليست دوباره قابل استفاده شود. تحقيقات نشان مي دهد كه فتوكاتاليست اكسيد تيتانيوم نه تنها آلودگي هاي ذكر شده، بلكه تركيبات رنگي و بدبو را نيز از بين مي برد.
تصفيه هواي آلوده، اغلب موثرتر از آبهاي آلوده است. زيرا سينتيك فاز گازي اين امكان را مي دهد كه واكنشها سريعتر از فاز مايع رخ دهد. در فرآيند تصفيه هوا، TiO2 بايد بر روي سطحي به صورت معلق قرار گيرد، تا جريان گاز از روي آن عبور كرده و واكنش انجام شود. اين سطح معمولاً به صورت ماتريسي با مساحت سطح بالا است كه در معرض اشعه فرابنفش خواهد بود. مشخصات فتوكاتاليستي اكسيد تيتانيم نيز به كمك فناورينانو پيشرفت چشمگيري كرده است. در مقياس نانو، نه تنها مساحت سطح ذرات اكسيد تيتانيم افزايش قابل ملاحظهاي مي يابد، بلكه اثرات ديگري برروي خواص نوري و الكترومغناطيسي خواهد داشت. آزمايشات نشان ميدهد با كاهش اندازهي ذرهي TiO2 و افزايش پتانسيل اكسيداسيون- احيا، سرعت واكنش فتوكاتاليستي افزايش چشمگيري خواهد داشت. حتي در برخي شرايط انرژي ساطع شده از هر منبع نوري در محيط مي تواند به جاي تابش اشعه ماوراء بنفش (UV) منبع انرژي مؤثري براي فتوكاتاليست باشد. بنابراين انتظار مي رود در آينده اي نزديك بتوان با استفاده از فناوري نانو، موادي با خواص عالي و منحصر



قیمت: تومان


پاسخ دهید