میزان تخریب رنگ رودامین B، در حضور لامپ UV، با بررسی عوامل مختلف چون اثر غلظت رنگ ،مقدار مشخصی از فتوکاتالیست، PH محلول، حضوراکسنده های مختلفمثل H2O2, K2S2O8, KBrO3, KIO3 ، یون های معدنی، زمان تابشو… انداره گیری و شرایط بهینه برای بیشترین تخریب مشخص شد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
در کار حاضر، بر اساس نتایج، مقدار بهینهء، فتوکاتالیست استفاده شده mg7 ، غلظت رنگ ppm20و ۹=pH می باشد. لازم به ذکر است بیشترین تخریب در حضور اکسنده K2S2O8 با مقدار ( mM3 ) صورت گرفت.
کلید واژه ها: تخریب فتوکاتالیزوری، اکسید روی آلوده شده با (کربن ،نیتروژن و گوگرد) ، نانو فوتوکاتالیز، رنگ، رودامین .B
مقدمه:
موضوع مورد مطالعه در این پایان نامه تخریب فتوشیمیایی رودامینB در محلول های آبی با استفاده ازنانوفتوکاتالیست ZnO آلاییده با C,N,Sمی باشد. رودامین B یک رنگ سنتزی است که در دسته ی رنگ های زانتن قرار می گیرد. این رنگ در صنعت نساجی ، صنعت چرم ، داروسازی و به عنوان رنگ افزودنی لوازم آرایش به کار می رود. به علت سمی و سرطان زا بودن مشکلات زیادی را برای جانداران ایجاد می کند.
این رنگ به جهت کاربرد زیاد، اثرات زیست محیطی فراوانی ایجاد می کند و موجب آلودگی پساب خانگی و صنعتی می گردد.در این پروژه هدف حذف این رنگ از پساب حلالی به کمک تخریب فتوشیمیایی با بهره گرفتن از نانو فتوکاتالیست ZnO آلاییده شده با نافلزات ( C,N,S) و یافتن شرایط بهینه تخریب می باشد.
از طرفیدستیابی به بهترین شرایط تخریب فتوشیمیایی رنگ به کمک فتوکاتالیست ZnOآلاییده شده با نافلزات (C,N,S) با بررسی عوامل مختلف موثر بر فرایند تخریب، می توان فرایند را در پایلوت آزمایشگاهی به شرکت های تولید رنگ ، آب و فاضلاب، صنایع نساجی و داروسازی پیشنهاد کرد.نتایج این تحقیق علاوه بر گسترش مرز های دانش و رعایت جنبه های اقتصادی در بازیابی حلال، می تواند از ورود مواد شیمیایی سمی و خطرناک به آب های جاری و پساب ها جلوگیری نماید.که مسائل مطرح شده ضرورت انجام تحقیق حاضر و اهداف این پژوهش را برای ما روشن میسازد.
سؤالات و فرضیاتی که ما در این پروژه با آنها روبرو هستیم شامل:
تخریبرنگ، به کمک نور UV و فتوکاتالیست های ZnO آلاییده شده با نا فلزات (C,N,S) صورت
میگیرد.
-
- ارزیابی میزان تخریب به کمک اندازه گیری جذب به روش اسپکتروفتومتری صورت می گیرد.
-
- شرایط بهینه واکنش از نظر غلظت و میزان آلاینده، میزان فتوکاتالیست ،pH، دما و… بررسی می شود.
-
- سنتیک تخریب از نظر مرتبه واکنش بررسی می شود.
-
- مقایسه تخریب رنگ به کمک نور مرئی و فرابنفش در شرایط یکسان.
فصل اول
کلیات
حذف ناخالصی ها با روش تخریب فوتوکاتالیزوری
روش های شیمیایی متنوعی مانند رسوب دهی و جداسازی آلودگی ها، لخته شدن[۱]، لخته شدن الکتریکی[۲]و حذف توسط فرایند جذب روی سطح جاذب (به عنوان مثال روی کربن اکتیو) وغیره روش هایی مخرب نیستند و فقط آلودگی ها را از یک جا به جای دیگرمنتقل می کنند ]۱ [. بنابر این روش دیگری برای حذف آلودگی ها مورد نیاز است.
از میان تعداد روش های پیشنهادی و حتی روش های توسعه یافته در راستای تخریب آلودگی های آلی، روش تخریب زیستی[۳] یا میکروبی[۴]بیشترین توجهات را به خود جلب کرده اند. با این وجود تعداد زیادی از ترکیبات آلی قابلیت اصلاح پذیری با روش میکروبی را نداشتند ]۲[. اخیراًّ مطالعات دانشمندان روی استفاده از نیمه رساناها به عنوان ابزاری جهت اکسیداسیون انواع سموم آلی شیمیایی معطوف شده است ]۳و۴[.
اکثر ترکیبات رنگی ساختار مولکولی قطبی دارند، بنابراین به طور کامل بر زیر خاک بر جذب نمی شوند و با حل شدن در آبهای زیرزمینی، به آب های سطحی نفوذ می کنند]۵و ۶[.
از ٱنجا که تخریب فوتوکاتالیزوری مزایایی از قبیل عدم تولید باقی مانده های شیمیایی و زائدات سمی در پایان پروسه دارد، می تواند به عنوان یک روش بسیار مناسب جهت پاکسازی انواع پساب ها بکار رود ]۶[. اشعه فرابنفش یک اکسنده بسیار قوی و ساده است. این اشعه پتانسیل بالایی برای اکسایش در طول موج ۷/۲۵۳ نانومتر با قدرت ۸۹/۴ الکترون ولت دارد که برای برهمکنش با ساختار الکترونی مواد مناسب و کافی است ]۷[.
اخیراً مطالعه روی پروسه های اکسیداسیون پیشرفته[۵]جهت تخریب کامل انواع ساختارهای آلی توجهات زیادی را به خود جلب کرده است.
این روش بر اساس تولید ذرات فعالی مانند رادیکالهای هیدروکسیل (که توانایی اکسیداسیون گستره وسیعی از آلودگی های آلی را با سرعت زیاد و بدون گزینش پذیری دارد) استوار است ]۸[. AOPs شامل سیستم های فوتوکاتالیزوری از قبیل ترکیب نیمه رسانا و نور یا نیمه رسانا و اکسیدکننده است. امروزه فوتوکاتالیزورهای هتروژن به عنوان پرکاربردترین تکنولوژی مخرب شناخته شده که اکثر آلودگی های آلی با ساختارهای مولکولی آلیفاتیک و آروماتیک را به طور کامل به فرم معدنی[۶]تبدیل می کنند ]۹- ۱۳[.
انتخاب یک شرایط بهینه برای حذف رنگ ها و تخریب ساختار آنها نیاز به بررسی ها و مطالعات زیادی دارد. با توجه به اهمیت تجاری و زیست محیطی رنگ ها، تمامی عوامل شرکت کننده در فرایند تخریب از جمله فوتوکاتالیست، اکسنده، شدت تابش و غیره باید مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند. در قسمت بعد به بررسی تعدادی از این عوامل می پردازیم.
آشنایی با تعدادی از فوتوکاتالیزورها در واکنش های تخریبی
فوتوکاتالیزورهای مورد استفاده در واکنش های تخریب فوتوکاتالیزوری اکسیدهای نیمه رسانا در ابعاد نانو هستند این کاتالیزورها به علت نسبت سطح به حجم بالایشان بسیار کاراهستند. فوتوکاتالیزورهای رایج در واکنش های تخریب فوتوکاتالیزوری اکسیدهای نیمه رسانا در ابعاد نانو هستند. امروزه، استفاده از مواد نیمه رسانا در ابعاد نانو توجه بسیاری را به خود جلب کرده است و دارای کابردهای گسترده ای همانند: انرژی فوتوالکتریک تبدیل مواد[۱۴-۱۶] و تصفیه آب و هوا به عنوان فوتوکاتالیست های دوستدار محیط زیست [۱۷ و۱۸] و مواد سوپر مغناطیسی [۱۹] هستند. بعضی از نیمه رساناها مانند TiO2، ZnO، SnO2 به دلیل دارا بودن باند گپپهن دارای توانایی فوتوکاتالیزوری بسیار بالایی هستند ]۲۰[.
۱-۲-۱ فوتوکاتالیزور TiO2
فوتوکاتالیست تیتانیم دی اکسید از مهمترین و پرکاربردترین فوتوکاتالیست های مورد استفاده برای تخریب مواد آلی است. فعالیت فوتوکاتالیزوری با کاهش ذرات TiO2 افزایش می یابد، با کاهش سایز ذرات مساحت سطح TiO2 افزایش یافته که سبب بهبود اثر فوتونی و در نتیجه خواص کاتالیزوری می شود ]۲۱ و۲۲[.
TiO2یک نیمه رسانای باند گپ پهن است، در TiO2نوار والانس از اوربیتال هایp 2هیبرید شده با حالت های d3 تیتانیوم ساخته شده است، در حالی که نوارهدایت از d3 خالص تیتانیوم حاصل شده است. وقتی که TiO2به وسیله نورUV برانگیخته شد، الکترون ها از لایه والانس به لایه هدایت رفته و حفره ها باقی می مانند.
تیتانیم دی اکسید در طبیعت به صورت معدنی در سه ساختار روتایل[۷]، آناتاز[۸]، بروکیت[۹]وجود دارد ]۲۳-۲۴[.
ساختارهای معدنی آنها در شکل (۱-۶) و ساختارهای کریستالی در شکل (۱-۷) نشان داده شده اند. علاوه بر این ساختارها در فشارهای بالا دو فرم دیگر از تیتانیوم دی اکسید به نام های فرم مونوکیلینیک[۱۰] و فرم اورتورومبیک[۱۱] نیز مشاهده شده است ]۲۵ و۲۶[. به طور کلی فرم روتایل متداولترین ساختار است و ساختارهای آناتاز و بروکیت هم در نتیجه حرارت دادن به فرم روتایل تبدیل می شوند]۲۷-۳۰[.
در ساختار TiO2 هر یون Ti4+ توسط ۶ یون O2- احاطه شده و ساختار هشت وجهی دارد. تفاوت روتیل و آناتاز در این است که در روتیل هشت وجهی با اندکی واپیچش ارتورومبیک مشاهده می شود و هر هشت وجهی با ۱۰ هشت وجهی مجاور اتصال دارد (دو تا با اشتراک گذاشتن اکسیژن های لبه و ۸ تا با اشتراک گذاشتن اکسیژن های کناری)، حال آن که در آناتاز ساختار هشت وجهی کاملاً واپیچیده است و تقارن آن از ارتورومبیک کمتر است، هر هشت وجهی به هشت وجهی مجاور اتصال دارد (۴ تا با اشتراک گذاشتن اکسیژن های لبه و ۸ تا با اشتراک گذاشتن اکسیژن های کناری). تقارن های ساختاری سبب اختلاف در دانسیته جرمی و وضعیت پیوندها در دو فرم TiO2 می شود. اولین بار در سال ۱۹۶۷ خاصیت فوتوکاتالیزوری TiO2 توسط آکریا فوجیشیما گزارش شد ]۳۱]. پروسه ای که در یک فرایند فوتوکاتالیزوری روی سطح TiO2 رخ می دهد تحت عنوان اثر هوندا ـ فوجیشیما[۱۲]شناخته شده است [۳۲ و۳۳]. در مطالعه فوتوکاتالیزوری، TiO2 به طور ویژه در حالت آناتاز مورد استفاده قرار می گیرد. در این حالت TiO2فوتوکاتالیزور بسیار خوبی در سیستم های فوتوکاتالیزوری فرابفش است. طبق مطالعاتی که اخیراً انجام شده، مشخص شده که در صورت دوپه کردن اکسیدهای فلزی مانند تنگستن تری اکسید روی سطح TiO2و مجاور کردن یون های نیتروژن با ذرات TiO2، قدرت فوتوکاتالیزوری آن را حتی در تابش های مرئی تأمین
می کند [۳۴ و۳۵].
پودر (Degussa-P25( TiO2تجاری که تقریباً مساحت سطح بزرگی دارد ( m2/g 15±۵۰ ) امروزه به عنوان TiO2 استاندارد در واکنشهای فوتوشیمیایی استفاده می شود. بایکلی اولین بار فعالیت فوتوکاتالیتیکی P25 را توضیح داد. تهیه آن از هیدرولیز TiCl4در دمای بالاتر ازC 120 و در حضور هیدروژن و اکسیژن انجام
می شود.
© (b) (a)
شکل ( ۱-۶) ساختار معدنی مربوط به (a) روتیل، (b) آناتاز، © بروکیت
© (b) (a)
شکل (۱-۷) ساختار کریستالی مربوط به (a) روتیل، (b) آناتاز، © بروکیت
مکانیسم اثر حضور فوتوکاتالیزور TiO2در فرآیندهای تخریب از مکانیسم کلی تخریب آن تبعیتمی کند، اکسیژنی که در اطراف TiO2وجود دارد به عنوان پذیرنده الکترون عمل می کند و به یونهای رادیکال سوپر اکسید تبدیل می شود، در این زمان گروه های هیدروکسید جذب شده و مولکول های آب، به عنوان دهنده الکترون عمل می کنند تا رادیکال های (OH) را ایجاد کنند [۳۵-۳۹].
(۱-۱۸) (۱-۱۹)
(۱-۲۰)
عامل مشکل ساز در این فرایند ، بازترکیب[۱۳]جفت الکترون / حفره است که باعث کاهش بازده کوانتومی[۱۴] در حضور فوتوکاتالیزور TiO2می شود. یک روش برای حذف این اثر سوء و افزایش قدرت فوتوکاتالیزوری تیتانیوم دی اکسید استفاده از هم جذب[۱۵]، مانند کربن اکتیو است به این ترتیب لایه های حد واسطی بین سطوح جامد ایجاد می شود.
کربن اکتیو در این جا به عنوان عامل جاذب مؤثر برای جذب آلودگی ها عمل می کند و مانع جذب شدن آن ها در ابتدای حضور TiO2، روی سطح آن می شود [۴۰]. انتقالات الکترونی که منجر به انجام واکنش می شود در شکل (۱-۸) نشان داده شده است.
شکل (۱-۸) مکانیسم تبادل الکترونی بین الکترون و حفره
یکی از کاربردهای مهم TiO2مربوط به خواص کاتالیستی به ویژه برای کاربردهای محیطی است. خواص فوتوکاتالیستی TiO2نه تنها برای تخریب ترکیبات آلی مورد استفاده قرار می گیرد، بلکه برای کشتن میکروارگانیسم ها نیز مفید است. وسایل فوتوکرومیک، سطوح مافوق هیدروفیل، سطوح مافوق هیدروفوب، فیلتراسیون و محافظت در برابر خوردگی از جمله این موارد می باشد. در طیف وسیعی از تحقیقات به مطالعه سلول فوتوالکتروشیمیایی برای تبدیل انرژی خورشیدی به ویژه سل های گراتزل پرداخته شده است. این سلول ها براساس نانو ذرات TiO2حساس شده با یک رنگ برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی است.
موضوعات: بدون موضوع
لینک ثابت