دانشکده فناوریهای نوین
پایان نامهی کارشناسیارشد در رشتهی نانومهندسیشیمی
حذف فنول از پساب های صنعتی با استفاده از فناوری نانو
به کوشش:
حسن صادقی

استادان راهنما:
دكتر صمدصباغی
دکتر رضا پولادی
اسفند ماه 91
بـه نام خـدا
اظهارنامــه
اينجانب حسن صادقی (890784) دانشجوي رشته‌ي نانومهندسيشيمي دانشكده‌ي فناوریهای نوین 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 صادقی
تاريخ و امضا
به نام خدا
حذف فنول از پساب های صنعتی با استفاده از فناوری نانو

به کوشش
حسن صادقی

پایان نامه
ارائه شده به تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیراز به عنوان بخشی از فعالیتهای تحصیلی لازم برای اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته:
نانو مهندسی شیمی
از دانشگاه شیراز
شیراز
جمهوری اسلامی ایران
ارزیابی شده توسط کمیته پایان نامه، با درجه:عالی
دکتر صمد صباغی استادیار بخش نانومهندسی شیمی (استاد راهنما) …………………………………..
دکتر رضا پولادی استادیار بخش نانومهندسی شیمی(استاد راهنما) ……………………………………
دکتر صدیقه زینلی استادیار بخش نانومهندسی شیمی………………………………………………………….
دکتر سید محمد اعظمی، استادیار بخش شیمی ………………………………………………………………….
تقدیم به
روح پدربزرگم و همه دوستداران دانش و دانش اندوزی.
سپاس گزاری
بر خود لازم می دانم از استاتید بزرگوار و فرزانه، جنابان آقایان دکتر صمد صباغی و دکتر رضاپولادی اساتید راهنما به پاس مساعدت و راهنمایی دلسوزانۀ ایشان در امور مربوط به پایان نامه، سپاسگزاری نمایم. همچنین تشکر صمیمانۀ خود را تقدیم اساتید فرهیخته، خانم دکتر صدیقه زینلی و آقای دکتر سید محمد اعظمی می نمایم که با ارشادات مهربانانۀ ایشان، تدوین پژوهش پیش رو میسّر گردید. در نهایت به جاست که از همه دلسوزان امر تعلیم و تربیت علی الخصوص اساتید گرانبها و محترم دکتر شیخی ، دکتر قطعی ، دکتر علمداری و دکتر مرادی که در این سه سال از ایشان کسب فیض کردم تشکری صمیمانه به عمل آورم ونیز از سرکار خانم مهرجهانیان کارشناس محترم گروه و دوستان ارجمندم مهندس مجتبی محمدی و مهندس حسن عبادی به خاطر همکاری های بی دریغشان کمال تشکر را دارم.
چکیده
حذف فنول از پساب های صنعتی با استفاده از فناوری نانو
به کوشش
حسن صادقی
در این تحقیق حذف فوتو کاتالیستی فنول به عنوان مدلی از آلاینده آلی در یک رآکتور بستر سیال تحت تابشهای فرابنفش و مرئی مورد مطالعه قرار گرفته است. تاثیرات کمیتهای مهمی چون pH، غلظت کاتالیست، غلظت فنول و روشهای سنتز نانوکامپوزیت بر حذف فوتوکاتالیستی فنول مورد بررسی قرار گرفته است. غلظت فنول حذف شده از لحاظ کمی به عنوان تابعی از زمان تابش در اسپکتوفوتومتر مرئی- فرابنفش اندازه گیری شده و نانوکامپوزیتهای مورد استفاده در این کار متشکل از نانوذرات نیمه رساناهای ZnO، CuO و TiO2میباشد.
براساس نتایج آزمایشها، سنیتیک حذف فنول از سنیتیک شبه مرتبه اول تبعیت میکند. نتایج، وابستگی معنادار حذف فوتوکاتالیستی فنول به کمیتهای عامل را نشان دادند. نتایج نشان دهندهی این است که در هر دو روش سنتز نانوکامپوزیت (مخلوط کردن مکانیکی و اشباع سازی مرطوب) نانوکامپوزیت c تحت تابشهای مرئی و فرابنفش بهترین نرخ حذف فنول را دارد. درصد حذف فنول با این نانو کامپوزیت، در روش مخلوط کردن مکانیکی به ترتیب تحت تابشهای مرئی و فرابنفش 11/53 و 20/55 بوده است. همچنین درصد حذف فنول با این نانوکامپوزیت در روش اشباع سازی مرطوب، تحت تابشهای مرئی و فرابنفش به ترتیب 76/62 و 88/63 اندازه گیری شده است . در همهی آزمایشها pH بهینه، 5 بود.
کلمات کلیدی: نانو کامپوزیت، اسپکتروفوتومتر، تابش فرابنفش و مریی، اشباع مرطوب
فهرست عناوین
عنوان صفحه
فصل اول
مقدمه و کلیات
1-1- فناوري ‌نانو1
1-2- اهمیت تصفیه آب2
1-2-1- نانو فناوری و تصفیه آب4
1-3- روش های مختلف تصفیه پساب6
1-3-1- تصفیه بیولوژیکی7
1-3-2- تجزیه گرمایی8
1-3-3- جذب و دفع8
1-3-3-1- شناورسازی با هوا9
1-3-3-2- کربن فعال9
1-3-3-2-1- تصفیه با کربن فعال دانه ای(GAC)10
1-3-3-2-2- تصفیه با کربن فعال پودری (PAC)10
1-3-3-2-3- بازیابی کربن فعال11
1-3-4- فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته12
1-3-4-1- فوتوکاتالیست14
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 ویژگیهای آن22
فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده26
فصل سوم
روش سنتز و انجام آزمایشات36
3-1- تصفیه پساب و اهمیت آن36
3-1-1-1- فرآیند فوتوکاتالیستی مستقیم42
3-1-1-1-1- فرآیند فوتوکاتالیستی همگن- فرآیند لانگمیر- هینشلوود42
3-1-1-1-2- فرآیند الای- رایدیل43
3-1-1-2- فرآیند فوتوکاتالیستی غیر مستقیم43
3-2-آزمایشگاه45
3-2-1- شناخت و تهیه مواد و وسایل موردنیاز برای انجام کارهای آزمایشگاهی45
3-2- 3- دستگاه و روش ساخت46
3-2-4- روی اکسید 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 مکانیکی52
3-2-6-2- روش اشباع سازی مرطوب53
3-2-7- تهیه محلول آزمایشگاهی حاوی فنول55
3-2-8- شناسایی محلول مجهول55
3-2-9- انجام آزمایش های مورد نظر56
فصل چهارم
نتایج و بحث60
4-1- کاتالیست ساخته شده از روش مخلوط کرن مکانیکی60
4-1-1- بهینه سازی نوع کاتالیست در تابش فرابنفش60
4-1-2- بهینه سازی نوع کاتالیست درنور مرئی62
4-1-3- بهینه سازی pHبرای کاتالیست بهینه63
4-1-3-1- بهینه سازی pHبرای کاتالیست بهینه در نور فرابنفش63
4-1-3-2- بهینه سازی pHبرای کاتالیست بهینه در نور مرئی65
4-1-3-3- مقایسه انواع کاتالیست مکانیکی در نور فرابنفش و نور مرئی66
4-1-3-4- زمان66
4-1-3-4-1- زمان بهینه در نور مرئی66
4-1-3-4-2- زمان بهینه در نور فرابنفش67
4-2- کاتالیست ساخته شده از روش اشباع سازی مرطوب69
4-2-1- بهینه سازی نوع کاتالیست در تابش فرابنفش71
4-2-2- بهینه سازی نوع کاتالیست در تابش مرئی72
4-2-3- بهینه سازی pHبرای کاتالیست بهینه73
4-2-3-1- بهینه سازی pHبرای کاتالیست بهینه در نور فرابنفش73
4-2-3-2- بهینه سازی pHبرای کاتالیست بهینه در نور مرئی74
4-2-3-3- مقایسه میزان جداسازی نانوکامپوزیت در نورمرئی و فرابنفش74
4-2-3-4- زمان بهینه75
4-2-3-4-1- زمان بهینه در نور مرئی75
4-2-3-4-1- زمان بهینه در نور فرابنفش76
فصل پنجم
نتیجه گیری و پیشنهادات78
5-1- نتایج78
5-2-پیشنهادات79
فصل ششم
6- فهرست منابع82

فهرست اشکال
عنوان شکل صفحه
شکل1- 1- روش سل- ژل و محصولات آن در مسیر18
شکل1-2- ساختار مولکولی فنول23
شکل2- 1-تاثیر فرآیند های مختلف در زمان های مختلف و 3= pH………………………………………30
شکل2- 2-تاثیر فرآیند های مختلف در زمان های مختلف و7= pH31
شکل2- 3-تاثیر فرآیند های مختلف در زمان های مختلف و 11= pH ..31
شکل3- 1- نمایی از فرآیند فوتوکاتالیستی با تیتانیا و نور فرابنفش………………………………………….41
شکل3- 2- لامپ فرابنفش مورداستفاده در فوتورآکتور46
شکل3- 3- درپوش مورد استفاده در فوتورآکتور47
شکل3- 4- فوتورآکتور48
شکل3- 5- میانگین اندازه ذرات روی اکسید سنتز شده51
شکل3- 6- میانگین اندازه ذرات مس اکسید52
شکل3- 7- خط بدست آمده جهت شناسایی مجهول56
شکل4- 2- بهینه سازی کاتالیست در نور فرابنفش(غلظت در مقابل زمان)………………………..61
شکل4- 3- بهینه سازی نوع کاتالیست در نور مرئی(جذب در مقابل طول موج)62
شکل4- 4- بهینه سازی کاتالیست در نور مرئی(غلظت در مقابل زمان)63
شکل4- 5- pH بهینه برای کاتالیست در نور فرابنفش65
شکل4- 6- pH بهینه برای کاتالیست مکانیکی در نور مرئی 65
شکل4- 7- مقایسه pH بهینه برای کاتالیست در نور فرابنفش و نور مرئی66
شکل4- 8- بهینه سازی زمان در نور مرئی67
شکل4- 9- استفاده از ترکیب نانوکامپوزیت در فرآیند فوتوکاتالیستی68
شکل4- 10- فعال شدن تیتانیا با کاتالیستی دیگر در نور مرئی.68
شکل4- 11- بهینه سازی زمان در نور فرابنفش69
شکل4- 12- شکل گیری نانوذرات به روش اشباع سازی مرطوب70
شکل4- 13- بهینه سازی نوع کاتالیست در نور فرابنفش(جذب در مقابل طول موج)71
شکل4- 14- بهینه سازی نوع کاتالیست در نور فرابنفش(غلظت در مقابل زمان)71
شکل4- 15- بهینه سازی نوع کاتالیست در نور فرابنفش(جذب در مقابل طول موج)72
شکل4- 16- بهینه سازی کاتالیست در نور مرئی(غلظت در مقابل زمان)72
شکل4- 17- pH بهینه برای کاتالیست در نور فرابنفش73
شکل4- 18- pH بهینه برای کاتالیست در نور مرئی74
شکل4- 19- مقایسه جداسازی انواع نانوکامپوزیت در نور مرئی و فرابنفش75
شکل4- 20- بهینه سازی زمان در نور مرئی76
شکل4- 21- بهینه سازی زمان در نور فرابنفش76
فهرست جداول
عنوان جدول صفحه
جدول1- 1 – میزان مجاز فنول براساس استاندارد HAL12
جدول1- 2- فهرست روشهای مهم و ترکیبی AOPs13
جدول1- 3- انحلال پذیری فنول و برخی از مشتقات کلر و نیتروژن دار آن22
جدول1- 4- برخی از ویژگیهای فنول24
جدول3- 1- درصد جرمی نانوذرات در نانوکامپوزیت مکانیکی………………………………………………………………53
جدول3- 2- درصد جرمی نانوذرات در نانوکامپوزیت اشباع مرطوب54
جدول3- 3- شرایط انجام آزمایش58
جدول4- 1- نسبت جرمی انواع کاتالیست ساخته شده از روش مخلوط کردن مکانیکی…………………………..60
جدول4- 2- نسبت جرمی انواع کاتالیست ساخته شده از روش اشباع سازی مرطوب 69
جدول 5- 2- مشخصات نانو کامپوزیت بهینه در دو روش ساخت………………………………..…78
فصل اول
مقدمه و کلیات
1-1- فناوري ‌نانو
فناوری 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 میباشد. 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 رويكردی جديد در تمامی رشته هاست. براي فناوري ‌نانو كاربردهايي را درحوزههاي مختلف ازجمله غذا، دارو، تشخيص پزشكي و فناوریزیستی 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 فرابخشی 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 فناوری نانو تولید مولکولی یا ساخت اتم به اتم و مولکول به مولکول مواد و ماشین‌ها توسط بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتری است]2،1[.
1-2- اهمیت تصفیه 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 آلی زيادي در آب وجود خواهد داشت. کلر موجودات زنده ريز را از آب حذف مي کند. اما با آلاينده هاي آلی 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 آلی بزرگ را به ذرات کوچک تري تبديل مي کنند. اما از آنجاکه اين ترکيبات از نظر زيستي تجزيه ناپذيرند براي تجزيه آنها بايد از نوعی 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 فناوری و تصفیه 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.
دیر زمانی نیست که یکی از اهداف مهم و اصلی در قانون تأسیس شرکتها و کارخانجات صنعتی در ایران حفظ محیط زیست و جلوگیری از آلودگی آن تعیین شده است. به موجب این قانون کارخانجات صنعتی می بایست نظارت و دقت مضاعفی در خصوص جلوگیری از تخریب محیط زیست به هر نحو به عمل آورند. در غیر این صورت با برخوردهای جدی و شدیدی از سوی سازمان حفاظت از محیط زیست روبرو خواهند شد.
در دهه های گذشته تعاریف جدیدی از توسعه یافتگی و پایداری در فرآیند توسعه در کتب و محافل علمی و سیاسی مشاهده می شود. یکی از نگرش های جدید توسعه یافتگی و یکی از ارکان مهم توسعهً پایدار در کشورهای مدعی، برخورد با آثار سوء مسایل زیست محیطی می باشد که پیگیری جدی در جهت جلوگیری از بروز آن، به فرهنگ و نگرش دولت ها در خصوص ارزش نهادن به فرهنگ والای انسانی بستگی دارد.
در دو دههً گذشته در کشور عزیز ما، ایران نیز به حفظ محیط زیست و جلوگیری از تخریب آن توجه زیادی شده است. ایران نیز مانند دیگر کشورهای جهان متعهد گردیده که درجهت حفظ محیط زیست به طور جدی تلاش و این کره خاکی را برای نسلهای آینده حفظ نماید. از جملهی این تعهدات حفظ منابع آبی و احداث تصفیه خانه فاضلاب برای تصفیه آبهای آلوده می باشد. آلودگی آب علاوه براینکه باعث نشر بسیاری از بیماریهای مختلف می شود، سلامت و کیفیت منابع محدود آب تمیز را نیز تحت تأثیر قرار داده و در بلند مدت صدمات زیادی را بر پیکره توسعهی اقتصادی و اجتماعی جامعه وارد می سازد. از این جهت بازیافت فاضلابها و پسابهای صنعتی، بخصوص در کشورهایی که دچار کم آبی یا بی آبی هستند، اهمیت خاصی پیدا نموده و این روش در حال حاضر در ایران نیز مورد توجه قرار گرفته و بسیاری از صنایع کشور در بازیافت پسابهای صنعتی به منظور افزایش تولید و ایجاد شرایط و فضای توسعه اقدام می نمایند.
آب مهم ترین ماده شیمیایی موجود در جهان می باشد. در مورد اهمیت آن می توان به این جمله بسنده کرد که خداوند در قرآن فرموده- از آب هر چیزی را زنده گردانیده ایم4 – امروزه بعلت رشد فزآینده جمعیت، محدود بودن منابع آب تجدید شونده، کاهش سطح آب سفرههای زیرزمینی و پیشروی آبهای شور دریاها دراین سفرهها، افزایش سرعت فرآیند صنعتی شدن کشورها و تغییر شیمیایی پسابها بر اثر ورود مواد شیمیایی کارخانه ها به داخل آبهای سطحی، گرم شدن کره زمین وخشکسالی، نیاز به آب برای مصارف کشاورزی وتولید انرژی وبسیاری از دلایل دیگر، بهینه سازی مصرف آب، بازیافت وتصفیه پسابها و توسعه فرآیندهای تصفیه فاضلاب اهمیت روز افزونی یافته 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، فناوری 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 های مختلف تصفیه پساب
در دوهه اخیر، تحقیقات گستردهای در زمینه حفاظت از محیط زیست با توجه به اهمیت این موضوع در نزد مسئولان سیاسی و دولتی و همچنین قوانین سختگیرانه جهانی تمهیدات و استانداردهای خاصی در این زمینه ، صورت گرفته است]3[.
باتوجه به اهمیت ذکر شده، انجام و پیاده سازی استانداردهای تدوین شده برای کاهش و حذف آلاینده های سمی که بر روی جو و موجودات زنده اثر سوء دارند و باعث آلودگی محیط زیست می شوند، به صورت ویژه انجام شده است. برای حذف و کاهش آلاینده های زیست محیطی روشهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی، اکسیداسیون و… به صورت مجزا و ترکیبی صورت گرفته است. مهمترین این روشها به اختصار و روش اکسیداسیون پیشرفته با ذکر جزئیات بیشتر در زیر توضیح داده شده است.
1-3-1- تصفیه بیولوژیکی
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[.
روشهای بیولوژیکی 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 ترکیبی با سایر روشهای تصفیهای به کار می رود. میتوان تصفیه فاضلاب با استفاده از میكروارگانیسم‌ها در فضای محدودتر و رعایت استانداردهای بهتر را هدف این فرآیند خواند.براساس استانداردهای محیط زیست، پساب تصفیه شده باید به یكی از سه حالت مختلف استاندارد برای كشاورزی و آبیاری، استاندارد برای ورود به آب‌های سطحی و استاندارد تخلیه به چاه برسد كه ساده‌ترین حالت در رابطه با نیاز به پالایش كمتر، مربوط به كشاورزی و آبیاری است. میكروارگانیسم‌ها ابتدا به آب آلوده‌ای كه باید آن را تصفیه كنند عادت داده می‌شوند. به این منظور در تصفیه‌خانه‌ها مجموعه‌ای از میكروارگانیسم‌ها وجود دارد كه با ورود فاضلاب جدید آن دسته از میكروبهایی كه نسبت به این فاضلاب مقاوم بوده، زنده می‌مانند و كشت كرده و شروع به تصفیه فاضلاب مربوطه می‌كنند .
 توده میكروارگانیسم‌های تصفیه كننده صنایع مختلف، متفاوت و مخصوص است. هر فاضلابی یك روش مطالعه خاص خود دارد؛ به طوری كه گاهی سیستم تصفیه فاضلاب دو صنعت كه یك محصول را تولید می‌كنند نیز با یكدیگر فرق دارند؛ بنابراین آزمایش، تحقیقات و مطالعات پایلوتی برای تعیین روش تصفیه ضروری است.
انواع میكروب‌های تصفیه‌كنندهی فاضلاب  به طور معمول برای تصفیه فاضلاب از روش‌های بیولوژیك یا لجن فعال استفاده می‌شود؛ به گونه‌ای كه پس از تماس میكروب‌ها با فاضلاب، در حوضچه هوازنی و در نتیجه تبدیل مواد آلی به مواد بی‌ضرر، در خروجی این حوضچه فاضلاب تصفیه شده و میكروب‌ها وجود دارد كه با استفاده از روش‌های ثقلی جداسازی میكروب از فاضلاب تصفیه شده انجام می‌شود كه فضای زیادی را اشغال ‌كرده و زمان‌بر است علاوه بر آن ممكن است ته‌نشینی و جداسازی میكروب‌ها به طور كامل انجام نشود.
1-3-2- تجزیه گرمایی
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 دوی 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- شناورسازی 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 مایع 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 تصفيهی پسابهاي حاوي روغن بطور گسترده اي رايج است. بطور كلي فرآيند شناورسازي از چهار مرحله اساسی تشکیل می 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 میآورند. برای تهیه این زغال، مواد را تا حد گداختگی گرما می دهند تا هیدروکربن های آن خارج گردند، اما مقدار هوا را کمتر از مقدار کافی نگه می دارند تا سوختن ادامه یابد. سپس ذرات زغال را با قرار دادن آن در معرض یک گاز اکساینده در دمای بالا فعال می کنند. این گاز یک ساختار متخلخل در زغال ایجاد می کند و بدین ترتیب یک سطح بزرگ با مساحت زیاد درون آن ایجاد می گردد. پس از فعال سازی، کربن را می توان در اندازه های مختلف با ظرفیتهای مختلف جذب سطح، جدا کرد. دو نوع اندازه آن عبارتند از: پودری و دانه ای.
1-3-3-2-1- تصفیه با کربن فعال دانه ای(GAC)8
از ستون بستر ثابت به منزلهی وسیله تماس فاضلاب با کربن فعال دانه ای استفاده میشود. آب از بالای ستون وارد و از پایین آن تخلیه می شود. به گونهای که کربن را با یک سیستم تخلیه تحتانی در پایین ستون در جای خود نگه می دارند.
1-3-3-2-2- تصفیه با کربن فعال پودری (PAC)9
روش دیگر استفاده از کربن، به کارگیری کربن فعال پودری است. در تاسیسات تصفیه زیست شناختی، کربن فعال پودری را در یک حوضچه تماس به خروجی اضافه می کنند. پس از مدتی تماس اجازه می دهند کربن به ته مخزن ته نشین شود و سپس آب تصفیه شده را از مخزن خارج می کنند. چون دانه های کربن بسیار ریز است، برای کمک به جداسازی ذرات کربن، به لخته سازی همچون یک پلی الکترولیت و صاف کردن با صافیهای دانهای متوسط نیاز خواهد بود.

1-3-3-2-3- بازیابی کربن فعال
کربن دانهای را میتوان به راحتی با اکسایش مواد آلی در کوره و جدا کردن آنها از سطح کربن بازیابی کرد. مقداری از کربن( در حدود 5 تا 10%) در خلال فرآیند بازیابی از بین میرود و بایدکربن بکر یا نو جایگزین آن کرد. مشکل عمده در مصرف کربن فعال پودری آن است که روش بازیابی آن بخوبی شناخته شده نیست. بسیاری از مواد مایع و گازها دارای مقادیری مواد ناخواسته و ناخالصی هستند. در برخی موارد این ناخالصی ها شامل میکروب، باکتری، مواد سمی و آلوده کنندههای دیگر میباشند که باوجود درصد بسیار کم، عملاً شرایط نامطلوبی را ایجاد می کنند، بطوریکه طعم، بو، رنگ و خواص دیگر را تغییر میدهند. برای رسیدن به شرایط دلخواه در این گونه مایعات و گازها بایستی ناخالصیها حذف شوند. یکی از بهترین روشهای حذف ناخالصیها، حذف آنها به شیوه جذب سطحی میباشد. حتی در بسیاری مواقع تنها شیوه موثر نیز می باشد. زغال فعال یک نوع جاذب قوی با جذب سطحی فوق العاده میباشد و در هیچ حلال شناخته شدهای حل نمیشود و برجستهترین مشخصه آن حذف انتخابی آلایندههاست و در برخی موارد برای بازیافت مواد نیز بکار می رود. میزان جذب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزیع اندازه منافذ و همچنین اندازه و شکل مولکولهای آلاینده بستگی دارد. کربن فعال به عنوان یک ماده جاذب، دارای کاربردهای مهم و حیاتی است. کاربردهای عمده کربن فعال در صنایع آب برای از بین بردن رنگ، بو و مزه غیردلخواه از آب در تصفیه فاضلاب کارخانه ها و در پالایشگاههای گاز برای شیرین سازی گاز، در پتروشیمی ها و پالایشگاههای نفت، در خالص سازی داروها و روغنهای خوارکی و صنعتی، صنایع قند، صنایع دفاع و درتصفیه هوا و گازها بکار میرود. بازیافت حلالها و مواد شیمیائی نیز از کاربردهای عمده کربن فعال است. با توجه به تنوع مصرف و تنوع مواد اولیه انواع زیادی با مشخصات خاص کربن فعال تولید می شود که هر کدام برای مصارف خاصی ساخته میشوند.
1-3-4- فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته10
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته که شامل کاربرد ترکیبات گوناگونی از O3، H2O2، UV و نیمه رساناها (از جمله TiO2) می شود روش های بالقوه مناسب تصفیه می باشند. حسن مهم این فرآیندها به رادیکال های هیدروکسیل () مربوط می شود که تقریبا به هر ترکیب آلی با ثابت سرعت بسیار زیاد حمله ور می شود. فرآیند های متفاوت اکسیداسیون پیشرفته هر کدام به نوبه خود با توجه به ویژگی و طبیعتی که دارند می توانند برای کاهش آلودگی پساب های مختلف با ترکیبات آلوده کننده متفاوت به کار رود.
در واقع هدف اصلی از اکسیداسیون شیمیایی، تبدیل مواد آلی به مواد معدنی مانند آب، دی اکسید کربن و یا حداقل به مواد واسطه بی ضرر میباشد. روشهای بر پایه تخریب شیمیایی وقتی به صورت کامل به کار روند می توانند با بازده خوبی آلودگی ها را از فاضلاب حذف کنند یا کاهش دهند. در بعضی موارد روشهای قدیمی مانند بیولوژیکی نمی تواند بازده خوبی در حذف آلودگیهای مختلف داشته باشد به همین منظور در چند دههی اخیر از فرآیند اکسیداسیون پیشرفته به عنوان یک فناوری جدید برای حذف آلاینده ها می تواند به صورت مجزا و ترکیبی با سایر روشهای قدیمی به کار رفته است]6[ .
AOPs معمولاً از سیستمهای واکنشی متفاوتی تشکیل شده است، اما اساس همه ی آنها با توجه یک مشخصه شیمیایی مشترک که تولید رادیکال هیدروکسل () می باشد، مشخص میشوند. رادیکالهای هیدروکسیل اجزاء فوقالعاده فعال و واکنش دهنده می باشند که به اکثر قسمتهای آلی مولکولها با ثابت سرعت ، حمله ور می شوند.
جدول1- 1 – میزان مجاز فنول براساس استاندارد HAL
Standard type
Metod detection limit (mg/l)Permit Limit (mg/l)CAS NoParameter nameHAL0015/022-94-108 phenol
این فرآیندها با توجه به اینکه دارای انتخاب پذیری پایینی برای حمله ور شدن به مواد آلی از جمله روش های اکسیداسیون مفید و پرکاربرد در تصفیه فاضلاب و حل مشکلات محیط زیستی می باشند. یکی دیگر از مزایای AOP تنوع پذیری در روش های آن برای تولید رادیکال های هیدروکسیل می باشد که این مسئله ایجاب می کند که با توجه به آلایندههای فاضلاب روش مناسب را برای تصفیه آن انتخاب میکنیم.
از آنجا که برای استفاده از AOP برای تصفیه پساب نیاز به یک سری مواد و واکنش دهنده های گران قیمت مانند آب اکسیژنه11() یا ازن (O3) هست، تا جایی که امکان تصفیه پساب با بازده مورد نظر با استفاده از روشهای قدیمی و ارزان قیمت تر مانند روشهای بیولوژیکی وجود دارد استفاده از این روش توصیه نمیشود. فهرستی از روشهای مهم و ترکیبی فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته در جدول (1-2) آمده است.
جدول1- 2- فهرست روشهای مهم و ترکیبی AOP
Photo degredationFenton/Fenton-like/Photo assisted FentonFenton- likeOzonationOzonationOzonation/Photocatalysys
1-3-4-1- فوتوکاتالیست
فتوکاتالیست ها موادی هستند که باعث نابودی آلاینده ها در آب و فاضلاب و تبدیل آنها به مواد بی خطر نظیر آب و دی اکیسد کربن می شوند. در حقیقت این مواد در اثر تابش نور منجر به بروز يك واكنش شيميايي میشوند، در حالي كه خود ماده، دست خوش هيچ تغييري نمی شود. فتوكاتاليست‌ها مستقيماً در واكنش‌هاي اكسايش و كاهش دخالت ندارند و فقط شرايط مورد نياز براي انجام واكنش‌ها را فراهم مي‌كنند. تعدادی از مواد که به عنوان فتوکاتالیست به کار میروند 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 هیدروژن 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 جنبهی 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 الكترونهایی 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 كنندهی 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 نظیر 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 فناورینانو پيشرفت چشمگيري كرده است. در مقياس نانو، نه تنها مساحت سطح ذرات اكسيد تيتانيم افزايش قابل ملاحظهای مي يابد، بلكه اثرات ديگري برروي خواص نوري و الكترومغناطيسي خواهد داشت. آزمايشات نشان ميدهد با كاهش اندازهی ذرهی 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 فناوری نانو، موادي با خواص عالي و منحصر به فرد تهيه و كارهاي غيرممكن را ممكن كرد.
1-3-4-1-1- استفاده از نانو تكنولوژي در بهبود خاصيت فتوكاتاليستي TiO2
فناورینانو تنها به ذرات بسيار كوچك مربوط نيست، بلكه يك دانش انقلابي و هنر دستكاري ماده در مقياس اتمي يا مولكولي است. محققان در حوزه هاي مرتبط با نانو مواد، نيازمند روشهاي پيشرفته ساخت مواد هستند كه از اشتراك فرآيندهاي بالا به پايين و پايين به بالا حاصل ميشود.
زماني كه ماده به اندازه 100-1نانو متر كوچك شود، بسياري از خواص آن تغيير كرده و خواص منحصر به فردي كه از هر دو حالت ماكرو و تك اتم متفاوت است، پيدا مي كند. دليل اين امر، اثرات كوانتومي، محدوديت منطقه اي ماده، و تأثيرات فصل مشترك است. هدف نهايي فناورینانو توليد محصولاتي با كاربري ويژه و خواص فيزيكي و شيميايي جديد است. به عنوان مثال دستيابي به استحكامي10 برابر بيشتر از آهن، بسيار آسان خواهد شد، تمامي اطلاعات يك كتابخانه در يك تراشه12 به اندازه حبه قند قابل جمع آوري، و تومورهايي به اندازه چندين سلول قابل شناسايي خواهد بود.
مشخصات فتوكاتاليستي تيتانيم دی اكسايد نيز به كمك فناورینانو پيشرفت چشمگيري كرده است. در مقياس نانو، نه تنها مساحت سطح ذرات تيتانيم دی اكسايد افزايش قابل ملاحظهاي مي يابد، بلكه اثرات ديگري برروي خواص نوري و الكترومغناطيسي خواهد داشت. آزمايشات نشان مي دهد با كاهش اندازهی ذره 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 ميرود در آيندهاي نزديك بتوان با استفاده از فناوری نانو، موادي با خواص عالي و منحصر به فرد تهيه و كارهاي غيرممكن را ممكن كرد.
1-4- روش هاي سنتز
1-4-1- روش سل- ژل
هدف روش سل‌- ژل انجام فرآيندهاي شيميايي در دماي پايين براي توليد اشياء، فيلم‌ها، فيبرها، ذرات يا كامپوزيت‌هايي با شكل و سطح مناسب است كه مي‌توانند بعد از يك مرحله فرايند تكميلي به صورت تجاري مصرف شوند. فرآيندهاي سنتي سراميك‌ها منجر به ساخت موادي مي‌شود كه ساختار ميكرو در محدوده 1 تا 100 ميكرومتر دارند. بوسيله فرايند سل- ژل مي‌توان ساختار ميكرو محصولات را در محدوده 1 تا 100 نانومتر كه ساختاري در مرتبه مولكولي است به دست مي‌آورد. اين مواد اغلب ویژگیهای فيزيكي و شيميايي يكنواختي دارند. اگر چه مبداء فرآيندهاي سراميك بر پايه علم شيمي به تاريخ 4000 سال قبل از ميلاد مربوط مي‌شود ولي مفهوم كنترل شكل و ساختار مولكولي سراميك‌ها و شيشه‌ها به وسيله استفاده از شيمي سل- ژل احتمالاً به مطالعات برگمن بر روي شيشه‌هاي آبي در سال 1779، مطالعات ابلمن، گراهام روي ژل سيليكا در سال 1847 و 1864 مربوط مي‌شود. البته قسمت عمده‌اي از كار در علم كلوئيدها، در اواسط دهه 1800 انجام گرفت.
سل‌ها ذرات كلوئيدي پراكنده در محلول به ابعاد 100-1نانومتر هستند كه به علت كوچكي بيش از حد بوسيله حركت براوني در محلول به حالت معلق باقي مي‌مانند. ژل نيز عبارتست از شبكه جامد و به هم پيوسته‌اي با منافذي به ابعاد زير ميكرومتر و زنجيرهاي پليمري كه طول متوسط آنها بزرگتر از يك ميكرومتر است. در حقيقت فرايند سل- ژل سنتز شبكه معدني توسط واكنش‌هاي شيميائي در محلول و در دماي پائين است كه به دليل تشكيل شبكه بي‌شكل(در مراحل اوليه) در مقابل فرايند كريستاله شدن در محلول قرار دارد. در اينجا لازم است كه درباره بعضي از اصطلاحات كليدي و رايج در فرايند توضيح داده شود. نمایی از فرآیند سل- ژل در شکل(1-1) نشان داده شده است. در مقایسه با دیگر روشها این روش مزایایی ازجمله : کنترل آسان، دسترسی به مواد نانو بلوری، تولید مواد چند جزیی با خلوص شیمیایی خوب و فعالیت فوتوکاتالیستی زیاد دارد]6[.
شکل1- 1- روش سل- ژل و محصولات آن در مسیر
1-4-1-1-انواع فرايند سل- ژل
1-4-1-1-1- مسير الكوكسيدي
مهمترين و متداولترين روش فرآيند سل-ژل در تهيه مواد معدني اعم از شيشه‌ها، پايه‌هاي كاتاليست و سراميكهاي پيشرفته مسير الكوكسيدي مي‌باشد. اين روش براساس شيمي الكوكسيدها بنا نهاده شده است.
در اينجا سل از پيشماده الكوكسيد حل شده در آب كه به عنوان يك حلال بكار برده مي‌شود تشكيل شده است. در نتيجه هيدروليز و تراكم اين پيشماده، سل به ژل تبديل شده كه طي خشك‌كردن تحت شرايط خاصي شبكه معدني از آن تشكيل مي‌شود. معادلات واكنش‌هاي اساسي كه تبديل پيش‌ماده الكوكسيد را به ژل و نهايتاً به شبكه معدني ممكن مي‌سازند را نشان مي‌دهد. در واكنش هيدروليز پيش‌مادهی الكوكسيد به گونه‌هاي معدني كه در الكل محلولند تبديل مي‌شوند.
درمرحله متراكم شدن، گونه‌هاي فعال شده باهم واكنش مي‌دهند و شبكه پليمري معدني شامل پيوندهاي M-O-M)با يك نوع الكوكسيد يا M- O – R با چند نوع الكوكسيد) در محلول شروع به تشكيل مي‌كند كه در اين واكنش M مي‌تواند Si ، Al ، Ti ، Zn ، Sn ، Pb ، Ta و Cu و Ni و Co و غيره بوده و R يك گروه آلكيل مانند متيل، اتيل، ايزوپروپيل، بوتيل و … مي‌باشد.
1-4-1-1-2- مسير كلوئيدي
در اين مسير از اصول شيمي كلوئيدها براي توليد ذرات كلوئيدي از گونه‌هاي يوني و غيريوني در يك محيط آبي استفاده مي‌شود. در اين روش سل از ذرات كلوئيدي كه در يك مايع (معمولاً آب) پراكنده شده‌اند، تشكيل يافته است. وقتي ويسكوزيته اين سل، با ازدست دادن جزئي از مايع افزايش يابد به يك ژل سخت تبديل مي‌شود. بنابراين دراين روش شبكه معدني از آرايش ذرات مجزا و ژل شدن محلول اين ذرات به وجود مي‌آيد.
از دو مسير ذكر شده در فرايند سل-ژل امروزه مسير الكوكسيد بيشتر مورد توجه قرار گرفته است. اكثر كارهاي انجام شده در اين زمينه با استفاده از الكوكسيدها به عنوان پيش ماده بوده است. زيرا الكوكسيد منبع مناسبي براي مونومرهاي معدني بوده و همچنين در مسير الكوكسيد، به وسيله روش هاي شيميائي مثلاً با كنترل سرعت واكنش هيدروليز و تراكم مي‌توان سرعت واكنش هاي كلي را كنترل كرد. بنابراين شيمي فرايند سل-ژل براساس الكوكسيد آسانتر از پديده‌هاي شيمي كلوئيدي مثل بارهاي سطحي يا گونه‌هاي جذب شده روي سطح ذرات قابل كنترل است. علاوه برآن مسير الكوكسيد امكان تهيه محصول ای با درجه خلوص و همگني بالا در دماي پائين‌تر را ميسر مي‌سازد.
1-4-1-2- مراحل فرآيند سل- ژل
فرآيند سل- ژل براي تهيه مواد گوناگون از پيش ماده‌هاي الكوكسيد به چند مرحله متوالي مطابق شکل (1- 1) تقسيم مي‌شود. هر مرحله به عنوان پلي بين مرحله قبل و بعد خود عمل مي‌كند. اين مراحل به قرار زير است:
1- مخلوط كردن پيش ماده‌ها13
2-شكل‌دهي14
3-ژل‌شدن 15
4-كهنه شدن16
5-خشك كردن 17
6- آب‌زدائي يا تثبيت شيميائي18
7- متراكم كردن19
1-4-2- روش هيدروترمال
هیدروترمال اساسا ریشه ژئوفیزیکی دارد. این عبارت برای اولین بار توسط زمین‌شناس انگلیسی به نام مورچیسن (۱۷۹۲-۱۸۷۱ میلادی) برای شرح عملکرد آب در فشار و دمای بالا در اعمال تغییرات روی پوسته زمین و تشکیل صخره‌ها به کار رفته ‌است. با وجود تمامی پیشرفتهایی که در اثر گسترش این شاخه از علم سنتز بوجود آمده‌است، هنوز تعریف مشخص و استانداردی برای این فرآیند وجود ندارد. کلمه هیدروترمال عمدتا به هر نوع واکنش ناهمگن در حضور حلال آبی در دماهایی بالاتر از دمای بحرانی و در نتیجه در فشارهای بالا اطلاق می‌شود. به عبارت دیگر هیدروترمال به واکنش‌های حلال آبی که در دماهایی بالاتر از ۱۰۰درجهی سانتیگراد و فشارهایی بالاتر از ۱ اتمسفر اطلاق می‌شود. به صورت عمومی واژه هیدروترمال از دو بخش هیدرو و ترمال تشکیل شده‌است که پیشوند هیدرو نوع محلول را نشان می‌دهد. بر اساس آنچه که در بالا اشاره شد، بطور کلی در علم شیمی به سنتز در هر محلول غیر آبی که بتواند در دماهای فوق بحرانی و در نتیجه در فشارهای بالا برای سنتز به کار رود، به اصطلاح سالووترمال می‌گویند.
1-5- فنول و ویژگیهای آن
مشتق تک هیدروکسیله بنزن به نام فنول شناخته می شود. فنول از بازیابی قطران زغالسنگ بدست می آید و مقادیر قابل توجه و زیاد آن را می توان از طریق سنتز کارگاهی بدست آورد. خالص آن جامدی سفید یا بی رنگ است. گرچه غالبأ به صورت جامد یا مایع مورد استفاده قرار می گیرد. به عبارت دیگر یکی از ترکیبات ساده آلی بوده که از اتصال یک گروه هیدروکسیل و یک حلقه بنزنی تشکیل می شود. فنول با فرمول(C_6 H_5 OH) با نام‌های هیدروکسی بنزن20 وکربولیک اسید21 نیز شناخته می شود. فنول خالص جامدی سفید رنگ با دمای ذوب ℃‎۴۲ یا ℉‎۱۰۸ است. فنول به طور معمول قابل انحلال در آب بوده و خاصیت اسیدی ضعیفی دارد (9/9=pKa) . انحلال پذیری آن و برخی از مشتقاتش در جدول(1-3) آمده است.
جدول1- 3- انحلال پذیری فنول و برخی از مشتقات کلر و نیتروژن دار آن ]7،8،9[
فنول به عنوان یک گند زدا استفاده می شود. فنول با غلظت بالا می‌تواند باعث سوختگی پوست شود. ترکیباتی که در آن بیش از یک گروه هیدروکسیل متصل به حلقه بنزن باشد را ترکیبات پلی هیدریک فنول22 می نامند. فنول یکی از ترکیبات مهم آلی مورد استفاده در صنعت است. فنول در بسیاری از صنایع به عنوان ماده اولیه کاربرد دارد. برخی از موادی که از این ماده تولید می شوند عبارتند از: نایلون، شوینده ها، افرودنی‌های بنزین، آسپرین، پلی اورتان، رنگها، علف کشها، نرم کنندهها، ضد اکسندهها، روغن‌های روان کننده، قارچ کشها میباشد.
شکل1-2- ساختار مولکولی فنول
در صورت تنفس یا خورده شدن این ماده توسط انسان این ماده وارد گردش خون خواهد شد و در صورت تماس با پوست کمتر وارد خون خواهد شد. قرار گرفتن در معرض فنول در کوتاه مدت می تواند باعث سوزش چشم‌ها و سر درد میشود. افرادی که تماس پوستی با مقدار زیادی از فنول دارند، سوزش پوست، ضایعات کبدی، ادرار تیره و ضربان نا منظم قلب در آن‌ها مشاهده می شود. بلعیدن مقدار زیادی از فنول می تواند باعث سوختگی‌های داخلی و مرگ شود. اما فنول می تواند در علم پزشکی به عنوان یک ماده بی هوش کننده و همچنین یک ماده ضد عفونی کننده مورد استفاده قرار گیرد. همچنین آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان23 فنول را به عنوان ماده ای غیر سرطانزا طبقه بندی کرده است. پسابهای خروجی از صنایع که حاوی فنول می باشند دارای درجه سمیت بسیار بالایی هستند و زیست تخریب پذیری بسیار اندکی دارند. این آلودگیها غالباً از فعالیتهای شیمیایی نظیر تولید گاز از زغالسنگ، پالایش نفت، پلاستیک سازی، آفتکشها تولید انواع رزین وارد محیط می شوند]10،11[. ساختار شیمیایی فنول در شکل (1-2) نشان داده شده است.
برخی از خواص فیزیکی آن در جدول (1-4) آمده است. درحال حاضر شیوه های متفاوتی برای حذف آلودگیهای فنولی مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از: جذب با کربن فعال ]12[، جذب با خاک رس]13[، استخراج با حلال]14[، غشای مایع]15[، حباب سازی]16[، اکسیداسیون هوای مرطوب]17[، اوزون زنی]18[ و اکسیداسیون فوتو کاتالیستی]19[. در برخی از این روش ها عیوبی چون هزینه بالا



قیمت: تومان

دسته بندی : مقاله و پایان نامه

دیدگاهتان را بنویسید