تعهدنامه اصالت اثر
اينجانب لیلا قلمچی متعهد مي شوم كه مطالب مندرج در اين پايان نامه باعنوان بررسی حذف مواد آلی رنگزا در مقادیر کم از آبهای آلوده شده طی فرآیندهای اکسایش پیشرفته در حضور نور خورشید و نور فرابنفش با استفاده از فتوراکتورهای متمرکز کننده حاصل كار پژوهشي اينجانب است و به دستاوردهاي پژوهشي ديگران كه در اين پژوهش از آنها استفاده شده است، مطابق مقررات ارجاع و در فهرست منابع و مآخذ ذكر گرديده است. اين پايان نامه قبلاً براي احراز هيچ مدرك هم سطح يا بالاتر ارائه نشده است. در صورت اثبات تخلف (در هر زمان) مدرك تحصيلي صادر شده توسط دانشگاه از اعتبار ساقط خواهد شد.كليه حقوق مادي و معنوي اين اثر متعلق به دانشگاه زنجان مي باشد.
تقدیم به خدایی که آفرید
جهان را، انسان را، عقل را، علم را، معرفت را، عشق را
و به کسانی که عشقشان را در وجودم دمید.
تقدیم با بوسه بر دستان پدرم
به او که نمی دانم از بزرگی اش بگویم یا مردانگی سخاوت، سکوت، مهربانی و …..
تقدیم به مادرم
دریای بی کران فداکاری و عشق که وجودم برایش همه رنج بود و وجودش برایم همه مهر.
تقدیم به مهربان فرشتگانی که
لحظات ناب باور بودن، لذت و غرور دانستن، جسارت خواستن، عظمت رسیدن و تمام تجربه های یکتا و زیبای زندگیم، مدیون حضور سبز آنهاست.
تقدیم به خانواده عزیزم
نمی توانم معنایی بالاتر از تقدیر و تشکر بر زبانم جاری سازم و سپاس خود را در وصف استاد خویش آشکار نمایم، که هر چه گویم وسرایم ، کم گفته ام.
با تشکر از استاد گران قدر جناب آقای دکتر محمد حسین رسولیفرد
دانشکده علوم
گروه شیمی
پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته شیمیکاربردی
بررسی حذف مواد آلی رنگزا در مقادیر کم از آبهای آلوده شده طی فرایندهای اکسایش پیشرفته در حضور نور خورشید و نور فرابنفش با استفاده از فتوراکتورهای متمرکز کننده
تحقیق و نگارش
لیلا قلمچی
استاد راهنما
دکتر محمدحسین رسولی‌فرد
استاد مشاور
آقای رحمتاله پورعطا
مهرماه1392
چکیده
در پروژه حاضر به مطالعهی تخریب مواد آلی رنگزای راکتیو آبی 19 و قرمز مستقیم 23 از محلول آبی که به عنوان مواد آلی رنگزا کاربرد وسیعی در صنایع نساجی دارد، از طریق فرآیندهای اکسایش پیشرفته، توسط فرآیندهای (UV-C; 30 W) /S2O82- UV ، /S2O82- solar همینطور فرآیند فتواکاتالیزوری در حضور نانو ذرات تیتانیم دی اکسید و نانو ذرات مغناطیسی مگنتیت تثبیت شده بر روی لولههای شیشهای در حضور فتوراکتورهای متمرکز کنندهی نور خورشید و فرابنفش و بررسی مجموعهای از متغیرهای موثر بر ميزان حذف از قبيل غلظت S2O82-، غلظت رنگزا (RB19) و (DR23) وpH، پرداخته شده است. نور ماورای بنفش و نور خورشید در نقش منابع تحريک موجب تبدیل یون پراکسیدیسولفات به رادیکال سولفات (SO4-•) میشود که به عنوان یک اکسنده قویتر از پراکسیدیسولفات باعث افزايش اکسایش آلایندهها و تخريب آنها ميشود. همچنین حضور فتوراکتور سهمیوار باعث تمرکز بیشتر تابش دریافتی میگردد و افزایش سرعت واکنش را در پی دارد. تغییرات طیفهای جذبی محلولهای رنگزای راکتیو آبی 19 و قرمز مستقیم 23 در طی فرآیندهای فتواکسیداسیون و فتوکاتالیزوری نشان دادند که پیک جذبی در طول موج ماکزیمم 593 و507 نانومتر به شدت کاهش مييابند که دلالت بر تخریب سریع رنگزاهای موجود دارد. نتایج کار حاضر نشان داد که فرآیند اکسایش با استفاده از پراکسیدیسولفات فعال شده با نور ماورای بنفش و نورخورشید و همینطور کاربرد نانو ذرات دیاکسیدتیتانیم و نانو ذرات مغناطیسی مگنتیت تثبیت شده بر روی لولهی شیشهای تعبیه شده در مسیر کانونی فتوراکتور متمرکز کنندهی سهمیوار میتواند انتخاب کارآمدی برای تصفیه پسابهای حاصل از صنایع نساجی باشد.
کلمات کلیدی: فرايند اکسيداسيون پیشرفته، نور ماورای بنفش، فتوراکتور متمرکزکنندهی سهمیوار، نانو ذرات مغناطیسی مگنتیت، دي اکسيد تيتانيم، فناوری نانو، تصفیه پساب
امام علی(ع) فرمودند: شریف ترین نوشیدنی آب است
مقدمه
آب از دیر باز و از بدو پیدایش حیات نقش اساسی در ادامه زندگی و طبیعتا موجودیت انسان ایفا کرده است. در طول تاریخ آب عامل مهمی در شکل دادن به روش زندگی بشر و توسعه تکنولوژی، زبان و فرهنگ بوده است. انسان به طرق مختلف با انجام فعالیتهای کشاورزی و صنعتی و…. این نعمت الهی را آلوده مینماید و با گذشت زمان مخازن آب سالم و گوارا به تدریج آلوده شده و شاهد تنزل کیفیت آب بهخصوص منابع محدود آب شیرین است. دانشمندان در قرن بيستم با مطالعه عمليات تصفيه آب و فاضلاب و مشاهده كمبود روشهاي رايج درصدد ابداع روشهاي نوين تصفيه به منظور افزايش بازدهي روشهاي قبلي و حذف آلاينده‌هايي كه با روشهاي سنتي قابل حذف نبودند، بر آمدند.
ابداع و استفاده از روشهاي اکسايش پيشرفته تحول عظيمي را در حذف آلاينده‌هاي محيط زيست بوجود آورده است، چنانچه فعاليتهاي علمي و صنعتي انجام شده در اين زمينه و تلاش براي كارآمدتر كردن اين روش بيانگر اين موضوع خواهد بود و مطالعه در مورد استفاده از اين فرآيندها ميتواند گامي موثر در اين نوآوريها باشد.
آب
آب مهمترين منبع طبيعي در جهان است به طوريكه بدون آن حيات نمي‌تواند وجود داشته باشد و اكثر صنايع نيز قادر به ادامه كار نيستند، با توجه به اينكه وجود منابع مطمئن و ايمن آب، از شرايط ضروري تشكيل يك جامعه پايدار است، آب به عنوان يك منبع طبيعي، نيازمند مديريت و نگهداري دقيق مي‌باشد كه بايد در سطح جهاني به رسميت شناخته شود با وجود اينكه طبيعت، در اغلب موارد قابليت زيادي براي جبران لطمات زيست محيطي دارد اما افزايش نياز به منابع آب اين ضرورت را پيش مي‌آورد كه با به كارگيري علوم مربوطه، در چرخه آب، از كيفيت و كميت آن نگهداري و مراقبت گردد.
عمليات تصفيه و آماده‌سازي در مورد آب بستگي به محل مصرف آن دارد. بعلاوه امروزه، تصفيه پساب حاصل شده در صنعت يكي از موضوعات قابل توجه زيست محيطي به شمار ميرود. مناسبترين پساب در هر صنعت آن است كه هزينه تصفيه آن كمتر از مخارج آثار عواقب زيانبخش ناخالصي‌های آن باشد [1].
به نظر مي‌رسد كه تقسيم پسابها بر اساس منشأ تولید، ممكن است كمك موثري در جهت تقسيم‌بندي آنها باشد كه داراي ماهيت متفاوتي هستند. تقسيم‌بندي مزبور را میتوان به این صورت ارائه نمود فاضلابهاي خانگي، فاضلابهاي شهري (مجموع فاضلابهاي خانگي، تجاري و توليديها)، فاضلابهاي سطحي، فاضلابهاي صنعتي، مخلوط فاضلابها، آبهاي خنك كننده، آبهاي آلوده معادن و شيرابه‌هاي محلهاي دفن زباله[2].
آلودگی آب
تمام آبهاي طبيعي حاوي انواع آلودگي‌هايي هستند كه از فرآيندهاي فرسايش، شستشو و هوازدگي ناشي مي‌شوند. به اين آلودگي‌هاي طبيعي، آلاينده‌هاي ديگري كه ناشي از تخليه فاضلابهاي خانگي و صنعتي است نیز اضافه مي‌گردد. آلاينده‌هاي آب انواع مختلفي دارند: آلاينده‌هاي غيرمقاوم1 شامل اکثر مواد آلي، بعضي مواد معدني و برخي ميكروارگانيسم ها هستند كه توسط فرآيندهاي خودپالايي طبيعي تجزيه مي‌شوند بطوريكه غلظت آنها با زمان كاهش مي‌يابد. سرعت تجزيه اين مواد تابعي از نوع آلاينده، كيفيت آب پذيرنده، دما و ديگر عوامل زيست محيطي است. بسياري از مواد معدني و برخي از مواد آلي تحت تأثير فرآيندهاي تصفيه طبيعي قرار نمي‌گيرند، بطوريكه غلظت اين آلاينده‌هاي مقاوم2 تنها با رقيق شدن كاهش مي‌يابد]3[. علاوه بر طبقه بندي آلاينده‌ها به مقاوم و غيرمقاوم، خصوصيات زير نيز بايد در مورد انواع آلاينده‌ها در نظر گرفته شود:
1- مواد سمي كه مانع فعاليتهاي بيولوژيكي در آب مي‌شوند. منشاء اين مواد از پساب هاي صنعتي است و شامل موارد زير مي‌باشد:
فلزات سنگين موجود در پساب واحدهاي آبكاري، آفت كش‌ها و حشره‌كش‌ها، پساب كارخانجات نساجي، صنايع رنگرزي و غيره.
2- موادي كه بر مقدار اكسيژن آب اثر مي‌گذارند:
الف- موادي كه اكسيژن آب را مصرف مي‌كنند: شامل مواد آلي كه به صورت بيوشيميايي اكسيد مي‌شوند و يا مواد معدني احياء كننده.
ب- موادي كه در فصل مشترك هوا- آب مانع انتقال اكسيژن مي‌شوند. به عنوان نمونه روغنها، شوينده‌ها و انواع رنگها مي‌توانند با تشكيل لايه‌اي بر روي آب، سرعت انتقال اكسيژن را كاهش دهند و تأثير مواد مصرف كنندهی اكسيژن را تشديد نمايند.
ج- آلودگي حرارتي: غلظت اكسيژن محلول در آب با افزايش دما كاهش مي‌يابد.
3- مواد معلق يا جامدات حل شده در غلظت هاي بالا باعث بروز مشكلاتي مي‌شوند. به عنوان مثال، خاك رس با كشيدن پوششي بر بستر جريان از رشد خوراك ماهي ها جلوگيري مي‌كند ] 6-4[.
در حال حاضر تأمين آب شيرين3 مورد نياز مردم، يكي از مشكلات اساسي اكثر كشورهاي جهان به شمار مي رود. پيش بيني‌هاي مؤسسات وابسته به سازمان ملل متحد نشان مي‌دهد كه كمبود آب شيرين مورد نياز جوامع بشري ميتواند يكي از عوامل اصلي بروز اختلاف و برخورد ملت‌ها در دهه‌هاي آينده باشد. با توجه به اينكه مصرف خانگي جزء كوچك از همه آب مورد نياز را تشكيل مي‌دهد، استفاده از فاضلاب تصفيه شده (مشروط به پيروي از ضوابط بهداشتي آب) جهت آبياري كشاورزي و نيز تأمين بخشي از مصارف صنعتي، روشي است كه در همه كشورها، بدان روي آورده‌اند. فرآيندهاي تصفيه معمول آب و فاضلاب اغلب برآلاينده‌هاي مقاوم تأثيري نمي گذارند و با توجه به وجود اين مواد در اغلب پسابهاي صنعتي، لزوم استفاده از فرآيندهاي پيشرفته كه باعث تجزيه اين آلاينده‌ها گردد احساس مي شود.
آب خالص بههیچوجه در طبیعت وجود ندارد. لیکن انواع ناخالصی ها به صورت حل شده در آب وجود دارد. جنبه وخیم تر آلودگی آب ناشی از فعالیت های انسانی مانند: شهرنشینی و صنعتی شدن است.
1-3 مواد رنگزای آلی
به طور عمده رنگها بر اساس معیارهای ساختار، منبع تهیه، رنگ (طول موج جذبی از طیف نور مرئی) و روش استفاده، در منابع و جداول راهنمای رنگ طبقهبندی شدهاند که به طور پیوسته از سال 1924 میلادی تاکنون در حال ویرایش است، ولی مهمترین و قابل قبولترین طبقهبندی رنگهای آلی عبارتند از:
الف- طبقهبندی بر اساس ساختمان رنگها (سیستم کروموفوری).
ب- طبقهبندی بر اساس کاربرد رنگها.
طبقهبندی بر اساس گروه عاملی رنگزای موجود در ساختار مولکول رنگ (گروههای کروموفوری)، رنگها را در بیش از 20 گروه مختلف جای میدهد که به ترتیب اهمیت شامل رنگهای آزو، آنتراکینون، تری آریل متان و دی آریل متان، ایندیگو، فتالوسیانین، نیتروزو، نیترو، گزانتین، آکریدین، کینولین، متین، تیازول، ایندیامین، آزین، اکسازین، تیازین و لاکتون میباشد گزانتین، آکریدین، کینولین، متین، تیازول، ایندیامین، آزین، اکسازین، تیازین و لاکتون میباشد ] 6[.
در جدول (1-1) ساختار مهمترین گروههای رنگی همراه با یک مثال از هر گروه نشان داده شده است. در بین گروههای زیر عمومیترین گروه، نوع آزو میباشد که 60 تا 70 مصارف رنگی را به خود اختصاص دادهاند]7[
جدول1-1 ساختار گروههای مهم رنگی
گروه رنگمثالآزوآمیدو بیآنتراکنیونکارمیندیاریل متانآئورامین تریآریل متانمالاکت سبزنیترونفتول صورت دیگری از طبقهبندی رنگها بر اساس اسلوب استفاده آنها در منسوجات میباشد که شامل گروههای اسیدی، دیسپرس، مستقیم، دندانهای، خمی، بازی، آزوییک، راکتیو، گوگردی، رنگهای حلال وشفافکنندههای نوری میشوند که هر یک انواع شیمیایی مختلفی را در بر میگیرند. رنگهای مستقیم نمکهای سدیم رنگهای آلی سولفونیک اسیدی هستند که از نقطه نظر شیمیایی شامل انواع شیمیایی آزو و دی اکسازین میشوند.
رنگها‌ی اسیدی، مستقیم و راکتیو رنگهای آنیونی (یعنی سیستم رنگی در قسمت آنیون میباشد) و رنگهای بازی، رنگهای کاتیونی (یعنی سیستم رنگی در قسمت کاتیون میباشد) و رنگ‌های دیسپرس رنگزا‌های غیر یونی میباشند. رنگزاها مواد آلی آروماتیکی قابل حل در آب هستند که کاربردهای زیادی در صنایع به ویژه در صنعت نساجی دارند. بسیاری از رنگینههای آلی ترکیبات آلی هستند که بر روی یک ماده معدنی (مانند هیدروکسید آلومینیوم) ذخیره شدهاند. در سال1856 میلادی ویلیام هنری پرکین درحال تحقیق برای یافتن دارویی برای مالاریا بود که به طور اتفاقی اولین رنگ سنتزی را تهیه نمود. از آن زمان تا حال تعداد بسیار زیادی رنگزا‌های سنتزی ساخته شده است]7 [.
رنگدانههای گروه آزو یکی از مهمترین و بزرگترین گروه رنگدانههایی است که در صنعت نساجی، چرمسازی، صنایع دارویی، پلاستیکسازی و صنایع غذایی مورد استفاده قرار میگیرند. نشانۀ تشخیص رنگدانههای گروه آزو دارا بودن گروه عاملی آزو (-N=N-) میباشند که از طرفین به گروههای بنزن یا نفتالن دارای گروههای الکترون دهنده و یا الکترون کشنده متصل است]8 [.
تقریباً نیمی از رنگدانههای سنتزی(700 هزار تن در سال) که در صنعت نساجی مورد استفاده قرار میگیرند از رنگدانههای گروه آزو میباشند که بیش از 15% از این رنگدانههای سنتزی مورد استفاده در صنعت نساجی هر سال در طی فرآیند تولید محصولات وارد پسابها می گردند]9[. به علت ساده بودن سنتز رنگهای آزو، دی آزو و پلی آزو و همچنین کاربرد وسیع آنها بزرگترین دسته مواد شیمیایی از لحاظ تعداد و میزان تولید را، رنگهای آزو به خود اختصاص دادهاند. بیشتر از دوهزار ساختار شیمیایی از رنگهای آزو در جلد 4 شاخص رنگ4 فهرست شده است. از رنگهای آزو هم برای رنگرزی مواد طبیعی از قبیل نخ، کاغذ، ابریشم، چرم و پشم و هم به منظور رنگرزی ترکیبات مصنوعی از قبیل پلی آمیدها، پلی استرها، آکریلیکها، پلی اولفینها و غیره استفاده میشود. یک دسته از رنگها، رنگهای اسیدی میباشند. این ترکیبات در واقع اسید نمیباشند بلکه نمکهای سولفوناته(Na3dye-SO) گروههای اسید سولفونیک قوی میباشند. رنگهای اسیدی تجاری شامل یک یا بیشتر از گروههای Na3–SO میباشند بنابراین در محیطهای آبی به آسانی حل میشوند. عمدتاً این رنگها در حضور اسیدهای معدنی و یا آلی مورد استفاده قرار میگیرند. بیشتر مونو آزو و یا دی آزو هستند.
آلودگی محيط زيست توسط مواد رنگزای آلی
آلاينده‌هاي محيط زيست و مسئله خارج ساختن آلاينده‌ها از آب و پساب‌هاي صنعتي روز به روز با رشد سريع صنايع بيشتر مورد توجه قرار مي گيرند. فلزات سنگين، مواد رنگزا، آلاينده‌هاي نفتي و ساير مواد سمي كه زندگي موجودات زنده را به مخاطره مي‌اندازند و از صنايع مختلفي همچون رنگ سازي، چاپ، معدن، آبكاري، نيروگاه ها، باتري سازي و … حاصل مي‌شوند موجب نگراني‌هاي زيست محيطي شده است. از جمله صنايعي كه گستردگي وسيعي در جهان و حتي در كشور ما دارد، صنايع رنگرزي و نساجي مي باشند. اين صنايع يكي از بزرگترين مصرف كنندگان آب به شمار مي‌روند، بطوريکه مقدار قابل توجهي پساب در مراحل مختلف فرآيند توليد مي‌شود. پساب اغلب واحدهاي رنگرزي و نساجي حاوي مقادير قابل توجهي از تركيبات آلي و سمي هستند، که از جمله اين تركيبات مواد رنگزاي آلي ميباشند]7[.
حضور مواد رنگزاي آلي در پسابها يکي از نگراني هاي ويژة محيط زيست به شمار مي رود. زيرا نه تنها رنگ نامطلوبي به آب مي 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 رنگزاي قرمز مستقیم 23با نام آيوپاک 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
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 روش‌هايي كه در آن از فرآيندهاي فيزيكي جهت حذف آلاينده‌ها از پساب استفاده مي‌شود، اصطلاحاً روش‌هاي فيزيكي تصفيه پساب گفته مي‌شود و مي‌توان به مواردی که در ادامه میآید اشاره كرد:
تابش7
در اين روش مقادير كافي اكسيژن حل شده لازم است تا مواد آلي به طور کامل به وسیله تابش شكسته شوند. برخي رنگ‌ها و مولكول‌هاي فنلي به وسیله این روش در مقياس آزمايشگاهي حذف مي‌شوند]17[.

1-5-2-2 جذب سطحي8
تكنيك‌هاي جذب سطحي اخيراً به خاطر كارآيي‌شان در حذف آلاينده‌ها توجه بيشتري را جلب نمودهاند و فرآيندي است كه از نظر اقتصادي امكان‌پذير است. تصفيه پساب و آلودگی‌زدايي به وسیله تكنيك جذب سطحي به عواملي مانند برهمکنشهای آلودگی و جاذب، مساحت جاذب، اندازه ذرات جاذب، دما، pH و زمان تماس بستگي دارد]18 [.
شناورسازي9
شناورسازي شامل فرآيند تبديل مواد معلق و بعضي از كلوئيدها، امولسيونها و مواد محلول، به مواد شناور است. دو نوع فرآيند شناورسازي وجود دارد كه عبارتند از: شناورسازي خلاء و شناورسازي فشاري. در واحدهاي شناورسازي خلاء، ابتدا پساب به مدت 30 ثانيه با همزن مكانيكي هوادهي شده و پساب تا حدودی اشباع از هواي محلول وارد حوضچه خلاء با فشار دروني حدود 3/0 اتمسفر مي‌شود. اين خلاء حبابهاي هوا را بالا آورده و سبب شناورسازي مي‌شود. در شناورسازي فشاری، هواي تحت فشار حدود 5/2 اتمسفر به مدت يك دقيقه به پساب در حوضچه شناورسازي در معرض جو وارد مي‌شود. مواد معلق كلوئيدي به وسیله حبابهاي كوچك بالا رونده به دام مي‌افتند و سپس به كمك پمپهاي لجن‌كشي، لجن‌هاي شناور به طور رويه‌گيري جدا مي‌شوند] 17[.

روشهای بیولوژیکی حذف مواد آلاینده از آب
يكي از مهم‌ترين روشهاي تصفيه پسابهاي صنعتي، تصفيه بيولوژيكي10 است. هدف اصلي اين روش، تبديل مواد آلي به محصولهای ثانويه قابل تجزیه توسط موجودات ذره‌بيني (ميكروارگانيسم‌ها) است، به نحوي كه محصولهای توليد شده براي محيط زيست بي‌ضرر و يا قابل جداسازي باشند. در اين فرآيند، انواع موجودات ذره‌بيني از جمله باكتريها، پروتوزوآها، قارچها و جلبكها نقش فعالي را ايفا مي‌كنند]18 [.
روشهای شیمیایی حذف مواد آلاینده در آب
-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
تصفيه شيميايي پساب ممكن است به يكي از دلايل زير انجام گيرد:
– به عنوان پيش تصفيه براي حذف مواد رنگي، معلق ريز و كلوئيدي
– به عنوان روش كامل تصفيه، در اين روش از فعل و انفعالاتي چون ته‌نشيني، ازوناسيون، اكسيداسيون شيميايي و اكسيداسيون فوتوشيميايي 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 اخير از روش‌هاي جديدي به منظور رعايت هر چه بيشتر مقررات مورد نظر سازمانهاي حفاظت محيط زيست استفاده شده است. اين روش‌هاي تجزيه‌اي، فرآیندهایاکسایش پیشرفته12(AOP) نامگذاري شده‌اند]19 [.
فرایندهای اکسایش پیشرفته
ويژگي‌ عمده اين فرآيندها اين است كه در دما و فشار محيط قابل انجام هستند. بخش مورد توجه فرآيندهاي اکسايش پيشرفته در اکسايش مواد آلي به دي اکسيد کربن و آب و مواد معدني است. اگرچه فرآيندهاي اكسيداسيون پيشرفته به گروه هاي متعددي تقسيم مي‌شوند ولي ويژگي‌ 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[.
راديكال‌هاي هيدروكسيل گونه‌هاي اكسيد كننده بسيار فعالي هستند كه با ثابت سرعت(M-1s-1 109- 106) به تركيبات آلي حمله نموده و آنها را تخريب مي‌نمايند. انتخاب‌گري راديكال‌هاي هيدروكسيل در حمله به آلاينده‌هاي آلي خيلي كم است. اين ويژگي در واقع يك خاصيت مفيد براي يك اكسيد كننده است كه در تصفيه پساب و به منظور حل مسايل و مشكلات آلاينده‌ها استفاده مي‌شود.
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 شكل(1-1) فهرستي از فرآيندهاي اكسيداسيون پيشرفته ارائه شده است. همانطور كه در این شکل نشان داده شده است فرآيندهاي اكسيداسيون پيشرفته در یک دسته بندی کلی، ساده و مقدماتی به سه دسته فرآيندهاي اكسيداسيوني، فتواكسيداسيوني (که هر دسته خود به کاتالیزوری همگن و ناهمگن قابل تقسیم بندی می باشند) و فتوكاتاليزوری تقسيم‌بندي مي‌شوند. در فرآيندهاي اكسيداسيوني 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 فرآيندهاي فتواكسيداسيوني از تركيب اشعه فرابنفش با يك اكسيدكننده نظير H2O2 و يا O3 و به تازگی نمک های پراکسی مونو سولفات و پراکسی دی سولفات گاهی در حضور یک کاتالیزور استفاده ميشود. در فرآيندهاي فتوكاتالیزوري از تركيب اشعه فرابنفش و يك فتوكاتاليزور نيمهرسانا نظير ZnO، TiO2وغيره استفاده میشود. تجزيه مواد رنگزا توسط فرایند های اکسایش پیشرفته به عواملي همچون pH، غلظت کاتاليزور، غلظت سوبسترا و حضور پذيرنده هاي الکتروني نظير هيدروژن پراکسيد و پتاسیم پرسولفات بستگي دارد]21 [.
شکل1-1: فرایند های اکسایش پیشرفته]20[
1-6-1پرتو UV
همانطور که قبلا بیان شد، در برخی فرآيندهاي اکسايش پيشرفته از تابش UV كه از لامپهاي UV و يا از نور خورشيد ساطع مي‌شود به عنوان منبع نور استفاده مي‌شود که در این بخش این پرتوها بیشتر معرفی میگردند. ناحية UV تقريباً محدوده nm 400-100 از امواج الکترومغناطیسی را به خود اختصاص مي‌دهد. انرژي تابش‌هاي UV بيشتر از نور مرئي و كمتر از ناحية اشعه ايكس مي‌باشد. اين ناحيه برپايه تأثير بيولوژيكي به سه ناحية زير تقسيم مي‌شود:
1) UV-A با گسترۀ nm400-315
2) UV-B با گسترۀnm 315-280
3) UV-C با گسترۀnm 280-100.
UV-A كه به نور سياه معروف است با داشتن حداقل انرژي اثرات زيان بار كمتري دارد، و باعث فلورسانس در رنگ¬هاي خاص مي‌گردد و در نور خورشيد نيز وجود دارد.
انرژي UV-B بيشتر از UV-A است. اين بخش از نور UV به طور كامل توسط لايه ازون جذب نمي‌شود. به علت انرژي زياد، UV-B داراي خاصيت ميكروب كشي است.
UV-C بطور كامل توسط هوا جذب مي‌شود و در نور خورشيد مشاهده نمي‌شود. تابش آن به پوست باعث بروز سرطان مي‌شود و به چشم آسیب های جدی می¬رساند. به علت اينكه لامپهاي UV-C توانايي ميكروب‌كشي بالايي دارند از اين لامپ¬ها براي ميكروب زدايي از آب و هوا استفاده مي‌شود ]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 براي توليد راديکال هاي هيدروکسيل و تخريب آلاينده استفاده مي 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 فرآيندهاي فوتوليز همگن ميتوان فرآيندهاي 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. اين فرآيند ها شامل استفاده از سوسپانسيون هاي فتوکاتالیزورهای نیمههادی يا فوتوکاتاليستهاي تثبيتشده روي يک بستر ثابت براي به دام
انداختن نور و توليد راديکالهاي هيدروکسيل يا راديکالهاي ديگر در سطح محلول فوتوکاتاليست ميباشد. وابسته به نوع فوتوکاتاليست و شرايط محلول ميتوان از نورمرئي به جاي 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 يکي از مجموعهای از روشهاي اکسايشپيشرفته در حذف آلاينده ها است. در این فرایندها از یک فتوکاتالیزور و یک منبع نوری مناسب برای تخریب ماده آلی طی فرایند فتوکاتالیزوری استفاده میشود. در فرایند فتوکاتاليزوری، انرژي نور حاصل از يک منبع نوري با تهيه يک الکترون از نوار ظرفيت15 فتوکاتاليزور به نوار هدايت16 و انجام يک سري از واکنشها منجر به تشکيل راديکالهاي هيدروکسيل ميشود. راديکالهاي هيدروکسيل به دليل داشتن پتانسيل بالا با حمله به بيشتر ترکيبات آلي موجب اکسايش آنها ميشود. در فرآيندهاي فتوکاتاليستي از ترکيبات اکسيدي نظير ,WO3 ,SrO2 ,Fe2O3 TiO2، ZnO، ZrO2، CeO2،V2O5 و فرمهای القایی و کوپلینگ آنها] 24-23[، و همچنين ترکيبات سولفيدي نظير CdS و ZnS به عنوان فوتوکاتاليزور در تجزيه انواع مواد رنگزا استفاده ميشود. 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 شكلگيري حد واسطهای پایدار فوتوكاتاليزوری در محيط واکنش است همچنین حفراتي كه دراثر تابش نور (در سيستم الکترون _حفره) بر سطح آن حاصل مي شود بسيار اكسنده ميباشد. بعلاوه TiO2 از نظر شیمیایی بسیار پایدار بوده در برابر خوردگی شیمیایی و نوری مقاومت بالایی دارد. همچنین قابليت اكسايش طیف وسيعي از تركيبات آلي به تركيبات بي ضرر نظير CO2 وH2O را دارا ميباشد. 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)
اكسنده هايي نظير H2O2، KMnO4، O3 به طور وسيعي در آزمايشگاه هاي فني و تعيين كاربرد تست شده اند. H2O2 پتانسيل اكسايش بالايي (V78/1=E°) دارد و به طور غير گزينشي با تمام آلاينده هاي آلي واكنش ميدهد. ازون نيز يك اكسيده قوي (V07/2=E°) ميباشد و عملكرد آن تاحدودي گزينشي و با تركيبات غني از الكترون ميباشد. در مقايسه با O3 و H2O2، پرمنگنات (KMnO4) تقريباً پايدارتر است (V68/1=E°). با اين وجود در مقايسه O3 و H2O2 ، اكسايش آلاينده ها به وسيله KMnO4 محدودتر است زيرا به طور گزينشي با تركيبات كلردار غير اشباع واكنش ميدهد. اخيراً پراکسي دي سولفات به عنوان يك اكسنده متناوب در شيمي اكسايش آلاينده ها توجه فراواني را به خود جلب كرده است. پراکسي دي سولفات به عنوان اكسنده قوي با پتانسيل كاهش V) 05/2=E°) به طور گسترده اي در بسياري از فرآيندهاي صنعتي نظير پلیمريزاسيون و اكسيداسيون سطح فلز، در پالايش سيالات هيدروليك درصنعت نفت يا به عنوان آغازگر واكنش در صنايع پتروشيمي همچنین به عنوان عامل سفید کننده در صنایع خمیر کاغذ به كار مي رود ] 28-27[. پراکسي دي سولفات بطور تجاري به عنوان اكسنده درآناليز کل کربن آلی (TOC)17 و همچنين در اكسايش شيميايي درمحل (ISCO)18 آلايندههاي موجود درخاك وآبهاي سطحي استفاده ميشود ]29 [. پراکسي دي سولفات معمولاًبه صورت نمك هاي آمونيوم، سديم يا پتاسيم وجود دارد]31 [حمل و نقل اين ماده آسان است، قيمت جهاني آن نيز پائين بوده و در کنار قدرت اکسندگی بالا بسيار ارزان‌تر از تركيبات مشابه نظير پراكسيد هيدروژن مي‌باشد.گزارشات متعددي مبني بر كارايي مطلوب پراکسي دي سولفات براي تخريب آلاينده هاي آلي در پساب هاي سمّي و خطرناك در محيط هاي اسيد يا بازي از طريق اكسايش شيميايي مستقيم ارائه شده است. باتوجه به اينكه واكنش هاي پراکسي دي سولفات در دماي معمولي عموماً آرام است، لذا تحريك توسط نور يا حرارت با تجزيه يون هاي پراکسي دي سولفات به يون هاي راديكالي سولفات (معادله 1-2) موجب تسريع فرآيند اكسايش ميشود]31 [.
(1-2)
علاوه برحرارت يا نور ماوراي بنفش، يون هاي فلزات واسطه نيز موجب تحريك پراکسي دي سولفات شده که بر اثر آن راديكال هاي سولفات تولید ميشود كه نسبت به پراکسي دي سولفات پتانسيل كاهشي بسیار بالاتري دارند و پس از تولید به راحتی موجب اکسایش و تخریب مواد آلی آلاینده موجود در محلول میشوند]32 [.
توجه و علاقهمندي جهت استفاده از پراکسي دي سولفات به عنوان يك اكسنده قوي در اكسايش شيميايي آلاينده ها رو به افزايش است. ويژگيهايي نظير قدرت اكسندگي بالا، واكنش پذيري غير گزينشي، پايداري وحلاليت بالا، ارزاني، بعلاوه بيخطر بودن محصولات جانبي آن و تولید رادیکال های فعال سولفات برای اکسایش قوی و سریع آلاینده ها، پراکسي دي سولفات را به عنوان يك اكسنده اميد بخش درفرآيند اكسايش پيشرفته 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)همچنين مواد اكسيد كننده موجود در داخل محلول و حد واسطه‌هاي مربوط در طي واكنش‌هاي زير 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 اين جفت‌هاي الكترون- حفره در عرض چند نانو ثانيه با آزاد كردن گرما با هم تركيب مي‌شوند 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 پيشنهاد بر اين است كه افزودن اكسندههايي نظير H2O2، S2O82-، HSO5-و BrO3- موجب حذف فرآيند همجوشی مجدد ميشود، بطوريكه اكسنده افزوده شده سریعاً با الکترونهای نوار هدايت واكنش داده و راديكالهاي اكسنده فعالي توليد ميكند]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 واكنش نقش يونهاي پراکسي دي سولفات، واکنش با الکترونهاي نوار هدايت حاصل از تابش نور بر نانو ذرات TiO2 ميباشد كه موجب توقف فرآيند تركيب مجدد الكترون – حفره ميشود. 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 انرژي كاتاليزور، پتانسيل اکسايش- کاهش و سرعت واکنشهای اکسایش- کاهش بستگی دارد. پتانسيل اکسايش- کاهش (e-) و (h+) (موقعيت CBوVB ) نیز بايد براي القاء فرآيندهاي اکسايش-کاهش مناسب باشد. بعلاوه سرعت واكنشهاي اکسايش-کاهش بايد به قدر كافي سريع باشد تا با تركيب مجدد ecb- و hvb+رقابت كند]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.
در مکانیزم دوم نیمههادی TiO2 میتواند به طورمستقیم منجر به حذفرنگ شود (مکانیزم مستقیم). مولکولهایآلاینده آلی که بر روی سطح TiO2 جذب سطحی شدهاند توسط حفرات hvb+ اکسید میشوند:
(1-20)TiO2 (h Vb+) + RXad TiO2 + RXad•+RXad•+ به راحتی شکسته میشود یا با ذرات رادیکالی دیگر واکنش میدهد]39 [.
واکنش محتمل دیگر تخریب ماده آلی توسط پرسولفات فعال شده توسط تابش نور UV به صورت مستقیم است. با جذب فوتون توسط پرسولفات و تولید رادیکال سولفات این رادیکالها میتوانند مواد آلی را تخریب کنند.
طی این مجموعه فرایندها مواد آلی آلاینده موجود در محلول آبی به طور کامل معدنی میشوند. بر اساس مطالعات انجام شده پی برده شده است که مکانیزم غیر مستقیم مهمترین مسیر



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید