آلودگی محیط زیست توسط مواد رنگزای آلی
آلاینده‌های محیط زیست و مسئله خارج ساختن آلاینده‌ها از آب و پساب‌های صنعتی روز به روز با رشد سریع صنایع بیشتر مورد توجه قرار می گیرند. فلزات سنگین، مواد رنگزا، آلاینده‌های نفتی و سایر مواد سمی که زندگی موجودات زنده را به مخاطره می‌اندازند و از صنایع مختلفی همچون رنگ سازی، چاپ، معدن، آبکاری، نیروگاه ها، باتری سازی و … حاصل می‌شوند موجب نگرانی‌های زیست محیطی شده است. از جمله صنایعی که گستردگی وسیعی در جهان و حتی در کشور ما دارد، صنایع رنگرزی و نساجی می باشند. این صنایع یکی از بزرگترین مصرف کنندگان آب به شمار می‌روند، بطوریکه مقدار قابل توجهی پساب در مراحل مختلف فرآیند تولید می‌شود. پساب اغلب واحدهای رنگرزی و نساجی حاوی مقادیر قابل توجهی از ترکیبات آلی و سمی هستند، که از جمله این ترکیبات مواد رنگزای آلی میباشند]7[.
حضور مواد رنگزای آلی در پسابها یکی از نگرانی های ویژه محیط زیست به شمار می رود. زیرا نه تنها رنگ نامطلوبی به آب می دهند بلکه توانایی آنها در تشکیل آمینهای آروماتیک سمی و سرعت پایین حذف آن‌ها توسط روش‌های هوازی، از نظر زیست محیطی بسیار نگران کننده هستند. همچنین وجود مواد رنگی در آب به علت کاهش نفوذ نور به درون آب، فتوسنتز گیاهان را کاهش داده و باعث مرگ و میر موجودات آبزی شده و در نهایت رودخانه ها و جویبارهایی که محل جاری شدن این پساب‌ها در آنها هستند در طولانی مدت به باتلاق تبدیل می گردند]9[.
رنگزای قرمز مستقیم 23 5
ماده رنگزای قرمز مستقیم 23با نام آیوپاک دی سدیم 3- ] ] 4-(استیل آمینو)-فنیل [آزو[-4-هیدروکسی-7-]]]] 5-هیدروکسی-6- (فنیل آزو)-7- سولفو-2- نفتالینیل[ آمینو[ کربونیل[ آمینو[ -2- نفتالنو سولفونوییک اسید، دارای رنگ قرمز و محلول در آب می باشد. این رنگزا امروزه به وفور در صنایع نساجی و منسوجات و صنایع رنگرزی و همچنین کاغذ سازی به کار می رود. این رنگ آنیونی بوده از نقطه نظر شیمیایی به رنگهای آزو تعلق دارد. علیرغم قدرت رنگ کنندگی بسیار بالا، مانند سایر رنگهای مستقیم ثبات شستشوی بالایی ندارد. ساختمان و مشخصات این رنگزا در جدول (1-2) گزارش شده است]10 و7 [.

جدول 1-2 : فرمول ساختاری و خصوصیات رنگزای قرمز مستقیم 23

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

مشخصات رنگ قرمز مستقیم23دیآزونوع
ساختارC35H25N7Na2O10S2فرمول شیمیایی100-50حلالیت در آب در دمای C̊19 (mgL-1)507طول موج حداکثر جذب (nm)72/813وزن مولکولی(gmol-1)
رنگ قرمز مستقیم 23 مانند سایر رنگهای آزو توسط روشهای تصفیه بیولوژیکی به سختی از بین می رود که این به سبب ساختار پیچیده و مقاوم آنهاست. همچنین به خوبی آشکار شده است که رنگزاهای آزو قابل حل در آب وقتی که وارد بدن می شوند توسط آنزیمهای زیستی و میکروب های روده به آمین های آروماتیک متناظر شکسته می شوند که این ترکیبات می توانند منجر به سرطان در انسان شوند. از طرف دیگر تخریب رنگزاهای آزو توسط واکنش های غیرهوازی منجر به تولید آریل آمین می شود که عموماً از ترکیبات اولیه سمی تر هستند]12و11[.
رنگزای راکتیو آبی 196
در سالهای اخیر استفاده وسیع از رنگ های راکتیو باعث تاثیر بر روی روش های متداول تصفیه ی صنایع نساجی شده است]13[. رنگهای راکتیو سولفوناته، آنیونی و بسیار محلول در آب بوده نسبت به نور و عوامل مقاوم بوده و در محیطهای طبیعی بسیار پایدارند و جذب آنها بر روی تودههای بیولوژیکی ضعیف است و عمدتا دارای تجزیه بیولوژیکی ضعیف در شرایط هوازی هستند]14[. در ترکیب شیمیایی رنگهای راکتیو برای بالا بردن درجه تثبیت رنگ مقادیر زیادی نمک و اوره( به ترتیب gL-1 60 و 200) وجود دارد و به همین جهت، 50%-10% رنگ با الیاف واکنش نمیدهد و به صورت هیدرولیز شده در فاز آب باقی میماند. بنابراین هنگام استفاده از این رنگها پساب رنگی با شدت رنگ بالا ایجاد خواهد شد]14 و 13[. بنابراین دفع آنها به درون آبهای پذیرنده نه تنها به روی جنبههای زیبا شناختی تاثیر میگذارد بلکه ایجاد مشکلات جدی زیست محیطی از طریق جلوگیری از انتقال و جذب نور خورشید درون جریانهای آبی و کاهش فعالیت فتوسنتز محیطهای آبی مینمایند]15و14[. رنگ راکتیو آبی 19 جزو رنگهای آنتراکینون در برابر فرایند اکسایش شیمیایی بسیار مقاوم است]14[.
جدول1-3: مشخصات رنگ راکتیو آبی 19
مشخصات رنگ راکتیو آبی19آنتراکینوننوع
ساختارفرمول شیمیایی50حلالیت در آب در دمایF̊ 70(mgL-1)593طول موج حداکثر جذب (nm)5/626وزن مولکولی(gmoL-1)
1-5 تصفیه آب
کیفیت آبهای مورد نیاز برای مصارف خاص بندرت با اختصاصات آبهای طبیعی مطابقت میکند. آب آشامیدنی آبی زلال، خنک، بی رنگ، بی بو، بدون مزه خاص و عاری از عوامل بیماریزا و سمی، چنین آبی در طبیعت نادر است]16[.
1-5-1 اصول کلی تصفیه فاضلاب
چنانچه پیشتر بیان نمودیم، تفاوت اصلی فاضلاب با آب تمیز فراوانی مواد خارجی و به ویژه مواد آلی در آن است لذا هدف از تصفیه عبارتست از:
الف- گرفتن مواد معلق و شناور از فاضلاب.
ب- اکسیداسیون مواد ناپایدار آلی موجود درفاضلاب و تبدیل آن به مواد پایدار مانند نیتراتها، سولفاتها و فسفاتها و سپس تهنشین ساختن و جداسازی مواد.
ج- جداسازی مواد سمی محلول و نامحلول از فاضلاب نظیر ترکیبات فلزات سنگین.
د-گندزدائی و کشتن میکروبهای فاضلاب]1[
تصفیه فاضلاب چه وقتی که به صورت مصنوعی و در تصفیه خانه انجام میگیرد و چه زمانی که به صورت طبیعی و خودبخودی رخ میدهد به سه گونه ممکن است انجام شود:
1- تصفیه مکانیکی یا تصفیه فیزیکی.
2- تصفیه زیستی یا تصفیه بیولوژیکی.
3- تصفیه شیمیایی.
روشهای فیزیکی حذف مواد آلاینده در آب
به آن دسته از روش‌هایی که در آن از فرآیندهای فیزیکی جهت حذف آلاینده‌ها از پساب استفاده می‌شود، اصطلاحاً روش‌های فیزیکی تصفیه پساب گفته می‌شود و می‌توان به مواردی که در ادامه میآید اشاره کرد:
تابش7
در این روش مقادیر کافی اکسیژن حل شده لازم است تا مواد آلی به طور کامل به وسیله تابش شکسته شوند. برخی رنگ‌ها و مولکول‌های فنلی به وسیله این روش در مقیاس آزمایشگاهی حذف می‌شوند]17[.

1-5-2-2 جذب سطحی8
تکنیک‌های جذب سطحی اخیراً به خاطر کارآیی‌شان در حذف آلاینده‌ها توجه بیشتری را جلب نمودهاند و فرآیندی است که از نظر اقتصادی امکان‌پذیر است. تصفیه پساب و آلودگی‌زدایی به وسیله تکنیک جذب سطحی به عواملی مانند برهمکنشهای آلودگی و جاذب، مساحت جاذب، اندازه ذرات جاذب، دما، pH و زمان تماس بستگی دارد]18 [.
شناورسازی9
شناورسازی شامل فرآیند تبدیل مواد معلق و بعضی از کلوئیدها، امولسیونها و مواد محلول، به مواد شناور است. دو نوع فرآیند شناورسازی وجود دارد که عبارتند از: شناورسازی خلاء و شناورسازی فشاری. در واحدهای شناورسازی خلاء، ابتدا پساب به مدت 30 ثانیه با همزن مکانیکی هوادهی شده و پساب تا حدودی اشباع از هوای محلول وارد حوضچه خلاء با فشار درونی حدود 3/0 اتمسفر می‌شود. این خلاء حبابهای هوا را بالا آورده و سبب شناورسازی می‌شود. در شناورسازی فشاری، هوای تحت فشار حدود 5/2 اتمسفر به مدت یک دقیقه به پساب در حوضچه شناورسازی در معرض جو وارد می‌شود. مواد معلق کلوئیدی به وسیله حبابهای کوچک بالا رونده به دام می‌افتند و سپس به کمک پمپهای لجن‌کشی، لجن‌های شناور به طور رویه‌گیری جدا می‌شوند] 17[.

روشهای بیولوژیکی حذف مواد آلاینده از آب
یکی از مهم‌ترین روشهای تصفیه پسابهای صنعتی، تصفیه بیولوژیکی10 است. هدف اصلی این روش، تبدیل مواد آلی به محصولهای ثانویه قابل تجزیه توسط موجودات ذره‌بینی (میکروارگانیسم‌ها) است، به نحوی که محصولهای تولید شده برای محیط زیست بی‌ضرر و یا قابل جداسازی باشند. در این فرآیند، انواع موجودات ذره‌بینی از جمله باکتریها، پروتوزوآها، قارچها و جلبکها نقش فعالی را ایفا می‌کنند]18 [.
روشهای شیمیایی حذف مواد آلاینده در آب

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

-ته نشینی شیمیایی11
-اکسیداسیون شیمیایی
توسط اکسندههایی از قبیل کلر، هیپوکلریتها، دی اکسید کلر، ازون، پراکسید هیدروژن، پراکسی دی سولفات پتاسیم، پرمنگنات پتاسیم.
-اکسیداسیون الکتروشیمیایی
تصفیه شیمیایی پساب ممکن است به یکی از دلایل زیر انجام گیرد:
– به عنوان پیش تصفیه برای حذف مواد رنگی، معلق ریز و کلوئیدی
– به عنوان روش کامل تصفیه، در این روش از فعل و انفعالاتی چون ته‌نشینی، ازوناسیون، اکسیداسیون شیمیایی و اکسیداسیون فوتوشیمیایی استفاده خواهد شد.
به منظور حذف گونههای سمی آلی موجود در پسابها، از قبیل ترکیبات آروماتیک هالوژندار که در برابر تصفیه بیولوژیکی مقاوماند و با خواص سمی خود باعث از بین رفتن میکروارگانیسمها میگردند؛ از فرآیند اکسیداسیون شیمیایی استفاده میشود]1[. البته این روشها در عمل دارای محدودیتهایی هستند از جمله اینکه، این روشها در حذف بسیاری از آلایندهها نظیر مواد آلی کلردار با کارایی پایین عمل میکنند. بدین علت در یکی دو دهه اخیر از روش‌های جدیدی به منظور رعایت هر چه بیشتر مقررات مورد نظر سازمانهای حفاظت محیط زیست استفاده شده است. این روش‌های تجزیه‌ای، فرآیندهایاکسایش پیشرفته12(AOP) نامگذاری شده‌اند]19 [.
فرایندهای اکسایش پیشرفته
ویژگی‌ عمده این فرآیندها این است که در دما و فشار محیط قابل انجام هستند. بخش مورد توجه فرآیندهای اکسایش پیشرفته در اکسایش مواد آلی به دی اکسید کربن و آب و مواد معدنی است. اگرچه فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته به گروه های متعددی تقسیم می‌شوند ولی ویژگی‌ مشابه همه آنها تولید رادیکال های بسیار فعال با قابلیت اکسید کنندگی بالا مانند رادیکال هیدروکسیل و رادیکال سولفات میباشد. ذرات رادیکالی در سیستم های هموژن می توانند از طریق انتقال الکترون توسط فلزات واسطه که باعث فعال شدن اکسنده می شوند از طریق فتولیز اکسنده (فعال شدن اکسنده به وسیله تابش فوتون)، از طریق ترمولیز اکسنده (فعال شدن اکسنده به وسیله حرارت) و سونولیز اکسنده و یا از طریق سیستم های ناهمگن (مانند استفاده از فتوکاتالیزور TiO2) تشکیل شوند] 20[.
رادیکال‌های هیدروکسیل گونه‌های اکسید کننده بسیار فعالی هستند که با ثابت سرعت(M-1s-1 109- 106) به ترکیبات آلی حمله نموده و آنها را تخریب می‌نمایند. انتخاب‌گری رادیکال‌های هیدروکسیل در حمله به آلاینده‌های آلی خیلی کم است. این ویژگی در واقع یک خاصیت مفید برای یک اکسید کننده است که در تصفیه پساب و به منظور حل مسایل و مشکلات آلاینده‌ها استفاده می‌شود.
تحقیق دربارۀ پتانسیل استفاده از فرایندهای اکسایش پیشرفته برای تصفیه آب های آلوده برای بسیاری از دانشمندان و مهندسان امری بسیار جذاب شده است چرا که عملکرد ذرات رادیکالی که در این فرایند ها تولید می شوند مشابه فرایندهای اکسایشی است که به طور طبیعی به وقوع میپیوندند (مانند تصفیه بیولوژیکی) اما سرعت تولیدی بسیار بیشتر و عملکردی سریعتر و قویتر دارند و از آنجا که عامل زمان امری هزینه بر است با کاهش زمان تصفیه هزینه های تصفیه را کمتر می کنند]20 [.
در شکل(1-1) فهرستی از فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته ارائه شده است. همانطور که در این شکل نشان داده شده است فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته در یک دسته بندی کلی، ساده و مقدماتی به سه دسته فرآیندهای اکسیداسیونی، فتواکسیداسیونی (که هر دسته خود به کاتالیزوری همگن و ناهمگن قابل تقسیم بندی می باشند) و فتوکاتالیزوری تقسیم‌بندی می‌شوند. در فرآیندهای اکسیداسیونی از یک اکسنده همراه با کاتالیزور جهت فعال سازی اکسنده (فلزات واسطه یا حرارت یا امواج اولتراسونیک) استفاده می شود. فلزات واسطه طی مکانیزم انتقال الکترون منجر به فعال سازی اکسنده می گردند. در فرآیندهای فتواکسیداسیونی از ترکیب اشعه فرابنفش با یک اکسیدکننده نظیر H2O2 و یا O3 و به تازگی نمک های پراکسی مونو سولفات و پراکسی دی سولفات گاهی در حضور یک کاتالیزور استفاده میشود. در فرآیندهای فتوکاتالیزوری از ترکیب اشعه فرابنفش و یک فتوکاتالیزور نیمهرسانا نظیر ZnO، TiO2وغیره استفاده میشود. تجزیه مواد رنگزا توسط فرایند های اکسایش پیشرفته به عواملی همچون pH، غلظت کاتالیزور، غلظت سوبسترا و حضور پذیرنده های الکترونی نظیر هیدروژن پراکسید و پتاسیم پرسولفات بستگی دارد]21 [.
شکل1-1: فرایند های اکسایش پیشرفته]20[
1-6-1پرتو UV
همانطور که قبلا بیان شد، در برخی فرآیندهای اکسایش پیشرفته از تابش UV که از لامپهای UV و یا از نور خورشید ساطع می‌شود به عنوان منبع نور استفاده می‌شود که در این بخش این پرتوها بیشتر معرفی میگردند. ناحیه UV تقریباً محدوده nm 400-100 از امواج الکترومغناطیسی را به خود اختصاص می‌دهد. انرژی تابش‌های UV بیشتر از نور مرئی و کمتر از ناحیه اشعه ایکس می‌باشد. این ناحیه برپایه تأثیر بیولوژیکی به سه ناحیه زیر تقسیم می‌شود:
1) UV-A با گسترۀ nm400-315
2) UV-B با گسترۀnm 315-280
3) UV-C با گسترۀnm 280-100.
UV-A که به نور سیاه معروف است با داشتن حداقل انرژی اثرات زیان بار کمتری دارد، و باعث فلورسانس در رنگ¬های خاص می‌گردد و در نور خورشید نیز وجود دارد.
انرژی UV-B بیشتر از UV-A است. این بخش از نور UV به طور کامل توسط لایه ازون جذب نمی‌شود. به علت انرژی زیاد، UV-B دارای خاصیت میکروب کشی است.
UV-C بطور کامل توسط هوا جذب می‌شود و در نور خورشید مشاهده نمی‌شود. تابش آن به پوست باعث بروز سرطان می‌شود و به چشم آسیب های جدی می¬رساند. به علت اینکه لامپهای UV-C توانایی میکروب‌کشی بالایی دارند از این لامپ¬ها برای میکروب زدایی از آب و هوا استفاده می‌شود ]21[. در بیشتر فرایندهایی که در آنها از تابش نور UV استفاده می¬شود پرتو نوع UV-C بکار گرفته می شود
فرایند های فتو اکسیداسیونی (فتولیزی)
1-6-2-1 فتولیز همگن13
در این فرایند ها با استفاده از تابش نور UV از اکسنده هایی مانند پراکسید هیدروژن، ازون یا پراکسی دی سولفات و یا ترکیبی از آنها برای تولید رادیکال های هیدروکسیل و تخریب آلاینده استفاده می کنند. فعال سازی اکسنده با تابش نور UV بسته به ساختار اکسنده منجر به شکافت یکسان پیوند پروکسید (-O-O-) و تشکیل SO4¯• وOH• میشود]20 [.
از فرآیندهای فوتولیز همگن میتوان فرآیندهای UV/ H2O2 و UV/ S2O82- و UV/O3 را نام برد. در این فرآیند ها ممکن است از کاتیون های فلزات واسطه نیز به عنوان کاتالیزور و برای سرعت بخشیدن به تولید رادیکال های فعال از طریق دو مسیر با هم ترکیب شده استفاده شود. واکنش های فتو فنتون مثال موفقی از این دسته از فرایندها می باشد]20[.
فتولیز ناهمگن14 (فرایند های اکسایشی فتوکاتالیزی ناهمگن)
این فرایندها درواقع استفاده از نور UV برای فعالسازی اکسنده در حضور کاتالیزور است که دارای فازی غیر از فاز سایر اجزای محلول (فاز مایع) میباشد. این فرآیند ها شامل استفاده از سوسپانسیون های فتوکاتالیزورهای نیمههادی یا فوتوکاتالیستهای تثبیتشده روی یک بستر ثابت برای به دام
انداختن نور و تولید رادیکالهای هیدروکسیل یا رادیکالهای دیگر در سطح محلول فوتوکاتالیست میباشد. وابسته به نوع فوتوکاتالیست و شرایط محلول میتوان از نورمرئی به جای نور UV استفاده کرد]21 [.
واکنش های انتقال الکترون)فرایند اکسیداسیونی)
در این واکنشها از طریق مکانیزم انتقال الکترون به کمک فلزات واسطه، ماده اکسنده می تواند احیا شود و تولید رادیکال های فعال که توانایی بالایی در حذف آلایندههای آلی را دارند، نماید. اگر مقدار کافی از یک کاتیون فلزی دو ظرفیتی به عنوان دهنده الکترون وجود داشته باشد، بهعنوان مثال آنیون پرسولفات مطابق واکنش زیر می تواند تبدیل به رادیکال سولفات شود] 22[.

فرایندهای فتوکاتالیزوری
فرایندهای فتوکاتالیزوری یکی از مجموعهای از روشهای اکسایشپیشرفته در حذف آلاینده ها است. در این فرایندها از یک فتوکاتالیزور و یک منبع نوری مناسب برای تخریب ماده آلی طی فرایند فتوکاتالیزوری استفاده میشود. در فرایند فتوکاتالیزوری، انرژی نور حاصل از یک منبع نوری با تهیه یک الکترون از نوار ظرفیت15 فتوکاتالیزور به نوار هدایت16 و انجام یک سری از واکنشها منجر به تشکیل رادیکالهای هیدروکسیل میشود. رادیکالهای هیدروکسیل به دلیل داشتن پتانسیل بالا با حمله به بیشتر ترکیبات آلی موجب اکسایش آنها میشود. در فرآیندهای فتوکاتالیستی از ترکیبات اکسیدی نظیر ,WO3 ,SrO2 ,Fe2O3 TiO2، ZnO، ZrO2، CeO2،V2O5 و فرمهای القایی و کوپلینگ آنها] 24-23[، و همچنین ترکیبات سولفیدی نظیر CdS و ZnS به عنوان فوتوکاتالیزور در تجزیه انواع مواد رنگزا استفاده میشود. در بین نیمه هادیهایی که به عنوان کاتالیزور برای تولید رادیکال هیدروکسیل در فرایندهای فتوکاتالیزوری استفاده میشود، استفاده از تیتانیم دی اکسید(TiO2) به عنوان فتوکاتالیزور برای اکسایش ترکیبات آلی نسبت به سایر نیمههادیها محبوبتر بودهاست که دلیل آن سادگی و کثرت تولید TiO2 ، قیمت ارزان و دسترسی آسان، قدرت و سازگاری بیشتر آن با محیط زیست، عدم شکلگیری حد واسطهای پایدار فوتوکاتالیزوری در محیط واکنش است همچنین حفراتی که دراثر تابش نور (در سیستم الکترون _حفره) بر سطح آن حاصل می شود بسیار اکسنده میباشد. بعلاوه TiO2 از نظر شیمیایی بسیار پایدار بوده در برابر خوردگی شیمیایی و نوری مقاومت بالایی دارد. همچنین قابلیت اکسایش طیف وسیعی از ترکیبات آلی به ترکیبات بی ضرر نظیر CO2 وH2O را دارا میباشد. به نظر میرسد ZnO مناسبترین جانشین برای دی اکسید تیتانیم میباشد اما با این حال ناپایدار است و انحلال ZnO بصورت Zn(OH)2 باعث غیر فعال شدن کاتالیزور با گذشت زمان میشود ]26-25 [.
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته را میتوان به دو نوع سیستمهای هتروژن و هموژن تقسیمبندی کرد که در ادامه به شرح فرآیند فوتوکاتالیزوری در حضور کاتالیزور دی اکسید تیتانیم از نوع سیستم هتروژن و فرآیندهای فوتواکسیداسیونی در حضور اکسندهی پراکسیدیسولفات از نوع سیستم هموژن که فرآیندهای مورد بحث در این پروژه هستند، پرداخته میشود. در ابتدا توضیحاتی در مورد اشعه فرابنفش که مؤلفه اصلی فرآیندهای مورد بحث میباشد، ارائه میشود.
پراکسیدیسولفات به عنوان اکسنده در فرآیندهای اکسایش پیشرفته (AOPs)
اکسنده هایی نظیر H2O2، KMnO4، O3 به طور وسیعی در آزمایشگاه های فنی و تعیین کاربرد تست شده اند. H2O2 پتانسیل اکسایش بالایی (V78/1=E°) دارد و به طور غیر گزینشی با تمام آلاینده های آلی واکنش میدهد. ازون نیز یک اکسیده قوی (V07/2=E°) میباشد و عملکرد آن تاحدودی گزینشی و با ترکیبات غنی از الکترون میباشد. در مقایسه با O3 و H2O2، پرمنگنات (KMnO4) تقریباً پایدارتر است (V68/1=E°). با این وجود در مقایسه O3 و H2O2 ، اکسایش آلاینده ها به وسیله KMnO4 محدودتر است زیرا به طور گزینشی با ترکیبات کلردار غیر اشباع واکنش میدهد. اخیراً پراکسی دی سولفات به عنوان یک اکسنده متناوب در شیمی اکسایش آلاینده ها توجه فراوانی را به خود جلب کرده است. پراکسی دی سولفات به عنوان اکسنده قوی با پتانسیل کاهش V) 05/2=E°) به طور گسترده ای در بسیاری از فرآیندهای صنعتی نظیر پلیمریزاسیون و اکسیداسیون سطح فلز، در پالایش سیالات هیدرولیک درصنعت نفت یا به عنوان آغازگر واکنش در صنایع پتروشیمی همچنین به عنوان عامل سفید کننده در صنایع خمیر کاغذ به کار می رود ] 28-27[. پراکسی دی سولفات بطور تجاری به عنوان اکسنده درآنالیز کل کربن آلی (TOC)17 و همچنین در اکسایش شیمیایی درمحل (ISCO)18 آلایندههای موجود درخاک وآبهای سطحی استفاده میشود ]29 [. پراکسی دی سولفات معمولاًبه صورت نمک های آمونیوم، سدیم یا پتاسیم وجود دارد]31 [حمل و نقل این ماده آسان است، قیمت جهانی آن نیز پائین بوده و در کنار قدرت اکسندگی بالا بسیار ارزان‌تر از ترکیبات مشابه نظیر پراکسید هیدروژن می‌باشد.گزارشات متعددی مبنی بر کارایی مطلوب پراکسی دی سولفات برای تخریب آلاینده های آلی در پساب های سمّی و خطرناک در محیط های اسید یا بازی از طریق اکسایش شیمیایی مستقیم ارائه شده است. باتوجه به اینکه واکنش های پراکسی دی سولفات در دمای معمولی عموماً آرام است، لذا تحریک توسط نور یا حرارت با تجزیه یون های پراکسی دی سولفات به یون های رادیکالی سولفات (معادله 1-2) موجب تسریع فرآیند اکسایش میشود]31 [.

(1-2)
علاوه برحرارت یا نور ماورای بنفش، یون های فلزات واسطه نیز موجب تحریک پراکسی دی سولفات شده که بر اثر آن رادیکال های سولفات تولید میشود که نسبت به پراکسی دی سولفات پتانسیل کاهشی بسیار بالاتری دارند و پس از تولید به راحتی موجب اکسایش و تخریب مواد آلی آلاینده موجود در محلول میشوند]32 [.
توجه و علاقهمندی جهت استفاده از پراکسی دی سولفات به عنوان یک اکسنده قوی در اکسایش شیمیایی آلاینده ها رو به افزایش است. ویژگیهایی نظیر قدرت اکسندگی بالا، واکنش پذیری غیر گزینشی، پایداری وحلالیت بالا، ارزانی، بعلاوه بیخطر بودن محصولات جانبی آن و تولید رادیکال های فعال سولفات برای اکسایش قوی و سریع آلاینده ها، پراکسی دی سولفات را به عنوان یک اکسنده امید بخش درفرآیند اکسایش پیشرفته تبدیل کرده است]27 [.
1-7-1 فرایند UV /S2O82-
فعال سازی اکسنده با تابش نور UV منجر به شکافت یکسان پیوند پروکسید (پیوند بین اکسیژن- اکسیژن) در مولکول اکسنده(-O-O-) و تشکیل و بسته به ساختار اکسنده میشود. از آنجا که پرسولفات اکسنده ای متقارن نسبت به طرفین پیوند (-O-O-) است، فعال سازی توسط تابش نور UV منجر به تشکیل دو رادیکال سولفات مشابه میشود(معادلهی (1-3))
انواع مختلفی از پرتو ها (شامل پرتو UV ، پرتو گاما، امواج رادیویی پالس) برای تولید رادیکال سولفات بکار گرفته شده است؛ ولی معمولاً UV-C (nm254) برای فتولیز این اکسنده استفاده میشود که دلیل آن انرژی بالا و قابلیت جذب بالای اکسنده در این طول موج است که میتواند منجر به ارتعاش باند پیوندی اکسیژن- اکسیژن شده و سرانجام این پیوند شکسته شود]20 [.
یون پرسولفات و همچنین رادیکال سولفات تولید شده بر اثر فتولیز اکسنده توسط تابش نور UV طی واکنش های زیر با تولید ذرات رادیکالی حد واسط دیگر از مولکول های آلی ماده آلاینده منجر به شکستن و حذف مواد آلی آلاینده موجود در محلول آبی میشوند]28[.
(1-3)(1-4)همچنین مواد اکسید کننده موجود در داخل محلول و حد واسطه‌های مربوط در طی واکنش‌های زیر نشان داده شده است.
(1-5)(1-6)(1-7)(1-8)(1-9)(1-10)(1-11)
فرایندUV/ TiO2/ S2O82-
این سیستم در واقع استفاده از یک فتوکاتالیزور نیمه هادی (TiO2) ، اکسنده پرسولفات و نور UV به طور همزمان است؛ لذا از مزایای هر دو سیستم UV/S2O82-(سیستم فتولیزی همگن) و UV/TiO2 (سیستم فتوکاتالیزوری) به طور همزمان بهره میبرد و از طریق چندین مسیر مختلف منجر به حذف مؤثر مواد آلی محلول در آب میشود. مزایای استفاده از TiO2 در مقیاس نانو نیز به این مجموعه اضافه میشود. حذف مواد آلی از آبهای آلوده توسط این سیستم مطابق مکانیزم های زیر اتفاق می افتد:
مکانیزم اول مکانیزم غیرمستقیم نام دارد.
(1-12)
e-cb و h+vb به ترتیب عبارتند از الکترون در نوارهدایت و حفره الکترون در نوار ظرفیت. هر دوی این اجزا میتوانند به سطح فتوکاتالیزور مهاجرت کنند و در آنجا وارد واکنشهای اکسایش- کاهش با ذرات دیگری که بر سطح فتوکاتالیزور جذبسطحی شدهاند، بشوند. در بیشتر حالات h+vb دارای این توانایی است که به آسانی با مولکولهای آب جذب شده در سطح فتوکاتالیزور واکنشداده تولید رادیکال هیدروکسیل نماید. رادیکالهیدروکسیلتولیدشده به راحتی میتواند ساختمان ماده آلاینده را تخریب نماید]35-34[.
(1-13) بخشی از این جفت‌های الکترون- حفره در عرض چند نانو ثانیه با آزاد کردن گرما با هم ترکیب می‌شوند که این امر باعث کاهش کارایی سیستم میگردد. هر چه فتوکاتالیزور در انفصال بارهای ایجاد شده توسط فوتون ( ecb- و hvb+) بهتر عمل کند همجوشی مجدد این ذرات با یکدیگر کمتر بوده، واکنشهای مطلوب بیشتر خواهد بود]24[. همچنین تلهاندازهای الکترون نیز میتوانند از این عمل جلوگیری کنند. اکسیژن محلول در آب میتواند به عنوان گیرنده الکترون عمل کند و از همجوشی مجدد جفت الکترون- حفره جلوگیری نماید.
(1-14)آنیون رادیکال پراکسیدی که به روش بالا تولید میشود میتواند وارد واکنشهای دیگر شده و منجر به تولید رادیکال که یکی از عوامل تخریب آلاینده آلی است، گردد:
(1-15)(1-16)(1-17)شکل (1-2) شماتیکی از مکانیزم غیر مستقیم حذف آلاینده آلی توسط ذرات اکسندهای است که در تابش نور UV در یک فتوکاتالیزور ایجاد میشوند.

شکل 1-2: مکانیزم عمومی تأثیر فوتون بر ذرات TiO2 ]33 [.
با توجه به واکنشهای فوق اکسیژن محلول در آب در صورت عدم تأمین اکسیژن، به سرعت کم شده واکنشهای همجوشی جفت الکترون- حفره صورت میگیرد و کارایی سیستم رو به کاستی میگذارد. در مطالعات متعدد پیشنهاد بر این است که افزودن اکسندههایی نظیر H2O2، S2O82-، HSO5-و BrO3- موجب حذف فرآیند همجوشی مجدد میشود، بطوریکه اکسنده افزوده شده سریعاً با الکترونهای نوار هدایت واکنش داده و رادیکالهای اکسنده فعالی تولید میکند]35 – 34 [.
در سیستم UV/ Nano-TiO2/ S2O82- پرسولفات پذیرنده الکترون قویتری نسبت به اکسیژن است؛ لذا پرسولفات با گرفتن الکترونهای ecb- که در سطح TiO2 انباشته شده است، از تجمع الکترون و واکنش همجوشی مجدد جلوگیری و hvb+های تولید شده بدون مزاحمت تولید رادیکال هیدروکسیل میکنند. واکنش کلی این فرایند به صورت زیر است:
(1-18) در این واکنش نقش یونهای پراکسی دی سولفات، واکنش با الکترونهای نوار هدایت حاصل از تابش نور بر نانو ذرات TiO2 میباشد که موجب توقف فرآیند ترکیب مجدد الکترون – حفره میشود. همچنین رادیکال سولفات تولید شده توسط واکنش فوق میتواند مستقیماً باعث تخریب ماده آلی آلاینده شود]36[. پرسولفات در حضور فتوکاتالیست در واکنش زیر نیز شرکت میکند:
(1-19) سرعت این واکنش ناچیز است ولی کاهش اکسیژن محلول در آب را جبران میکند. در حالت کلی کارایی بهتر این سیستمها به فاصله نوارهای انرژی کاتالیزور، پتانسیل اکسایش- کاهش و سرعت واکنشهای اکسایش- کاهش بستگی دارد. پتانسیل اکسایش- کاهش (e-) و (h+) (موقعیت CBوVB ) نیز باید برای القاء فرآیندهای اکسایش-کاهش مناسب باشد. بعلاوه سرعت واکنشهای اکسایش-کاهش باید به قدر کافی سریع باشد تا با ترکیب مجدد ecb- و hvb+رقابت کند]38 – 37[. اندازه ذرات فوتوکاتالیزور TiO2 تأثیر زیادی بر روی میزان انرژی شکاف نوار در آنها دارد. با کوچکتر شدن اندازه ذرات، پهنای شکاف نوار افزایش پیدا میکند و لبههای نوار به سمت پتانسیلهای اکسایش و کاهش بزرگتری جابجا میشود. به عبارت دیگر الکترون وحفره ایجاد شده توسط نور بر روی ذرات فتوکاتالیزور با اندازه نانو، نسبت به حالت عادی از قدرت کاهندگی و اکسندگی بیشتری برخوردارند.

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید