سمینار تصفیه آب بوسیله فرآیندهای فتوکاتالیتیکی

مقدمه
آب در زندگی بشر نقش حیاتی داشته و تهیه آب یک چالش جهانی بوده و خواهد بوده و خواهد بود. با شروع سال 2000 ،1.1 بیلیون نفر یعنی در حدود یک ششم از کل جمعیت جهان فاقد آب تصفیه شده می باشند.با افزایش جمعیت جهان به رقم 8 بیلیون در سال 2025 این نیاز بیشتر هم احساس خواهد شد.
در سال 2000 شورای همیاری تامین آب و سیستم فاضلاب برای پوشش جهانی تامین آب تشکیل گردید.تحقیقات این موسسه نشان می دهد که تقریبا 3 بیلیون نفر به تامین آب نیاز خواهند داشت.
با توجه به شکل کمبود و حتی فقدان آب ابداع روش های موثر و ارزان قیمت در تصفیه فاضلاب ها و آب های زیر زمینی از انواع آلوده کننده های صنعتی یک امر ضروری به شمار می رود.
از جمله روش های به کار گرفته شده در زمینه حذف آلاینده های صنعتی می توان به انعقاد،جذب سطحی،اسمز معکوس،اکسیداسیون پیشرفته از جمله فرآیند فتو کاتالیزوری اشاره کرد.
آب
آب بیش از سه چهارم سطح کره زمین را پوشانده است.
۹۷٫۲ درصد از آب های موجود در این سیاره در اقیانوس ها و دریاها انباشته شده اند.لیکن حدود ۸/۲ درصد از آب های موجود قابل شرب می باشد.مقدار قابل توجهی از کل آب های سطح کره زمین به صورت یخچال های قطبی،مناطق قطبی،رطوبت هوا و خاک می باشد که عملا غیر قابل دسترسی است.
تنها ۰٫۶۲ درصد از آن در رودخانه ها جاری بوده و یا به صورت دریاچه های آب شیرین و منابع زیرزمینی قرار گرفته اند و انسان ها آب آشامیدنی خود را از این منابع تامین می کنند.
امروزه این منابع محدود در معرض انواع آلودگی های میکروبی و شیمیائی قرار گرفته و آلاینده های فراوانی از طریق فاضلاب های صنعتی و کودهای شیمیائی منابع حیاتی انسان ها را به طور جدی تهدید می نماید.

مدیریت آب
ارتباط بین معرف آب و مشکلات شوری آب ها کاملا آشکار است.افزایش جریان آب در هر زمان در رودخانه ها وکاهش مصرف در کمترین مقدار باید ثابت بماند.البته مورد اخیر با رشد روز افزون جمعیت جهان افزایش می یابد.بنابراین اصلاح مدیریت در تمام چرخه آب برای تامین آب در آینده مهم و حیاتی است.استخراج آب با کاهش یا افزایش آب های مصرفی، ارتباط مستقیم دارد که ساختار محیط زیست را تشکیل می دهد.لازم به ذکر است که به منظور کاهش تخریب محیط زیست استخراج آب از محیط طبیعی باید کاهش یابد.آب های زیادی در ساختار محیط زیست وجود دارد، البته زمان اقامت در سیستم کمتر از کل مصرف طبیعت می باشد.
این امر با افزایش استفاده مجدد آب و بازسازی مانند آنچه که در شکل زیر شرح داده شده است،نشان داده شده است.بنابراین همه اشکال آب قطع نظر از کیفیت آن، باید به عنوان یک ارزش و منبع قابل مصرف شناسایی شود.

آلودگی آب درجهان
حدود 69 % آب مصرفی جهان صرف کشاورزی و عموما آبیاری می شود. 23 % به مصرف صنایع می رسد و مصارف خانگی تنها حدود 8 % را شامل می شود. در کشورهای توسعه یافته کشاورزی و صنایع بیشترین مصرف آب را داشته و بالاترین نقش را در آلودگی آب ها دارد.

آلاینده های آب
تمام آب های طبیعی دارای آلودگی هایی هستند که از فرسایش،شستشو و هوازدگی خاک ها ناشی می شوند.یکی دیگر از مهمترین عوامل آلودگی های آب های سطحی،تخلیه پسابهای صنعتی به محیط زیست می باسد.آلاینده های آب وقتی به آب اضافه می شوند به صورت های مختلفی عمل می کنند.

آلاینده های غیر مقاوم :
شامل مواد آلی، بعضی مواد معدنی و برخی میکرواورگانیسم ها که توسط فرآیندهای خود پالایی تجزیه می شوند.به طوریکه غلظت آن ها با زمان کاهش می یابد.سرعت تجزیه این مواد تابعی از نوع آلاینده، کیفیت آب پذیرنده دما و برخی از عوامل دیگر است.
آلاینده های مقاوم:
شامل بسیاری از ترکیبات معدنی و برخی مواد آلی می باشند که تحت تاثیر تصفیه طبیعی قرار نمی گیرند. به طوریکه غلظت این آلایندهها تنها با رقیق شدن کاهش می یابد.
خصوصیات آلاینده های آب :
مواد سمی که مانع فعالیت های بیولوژیکی در آب می شوند:
منشاء این مواد از پساب های صنعتی است و شامل موارد زیر می باشد:
فلزات سنگین موجود در پساب واحدهای آب کاری و آفت کشها و حشره کشها ،پساب کارخانجات نساجی، رنگرزی و …
موادی که به مقدار اکسیژن آب اثر می گذارند:
الف- موادی که اکسیژن آب را مصرف میکنند:مانند مواد آلی که به صورت بیو شیمیایی اکسید می شوند و یا مواد معدنی که به صورت احیا کننده عمل می کنند.
ب- موادی که در فصل مشترک هوا-آب مانع انتقال اکسیژن می شوند: به عنوان مثال روغن ها، شوینده ها و انواع رنگ ها میتوانند با تشکیل لایه های روی آب سرعت انتقال اکسیژن را کاهش دهند و از این طریق تاثیر مواد مصرف کننده اکسیژن را تشدید می کنند.
ج-آلودگی حرارتی: غلظت اکسیژن محلول در آب با افزایش دما کاهش می یابد.
مواد معلق یا جامدات حل شده در غلظت های بالا باعث بروز مشکلاتی می شوند:
به عنوان مثال خاک رس با کشیدن پوششی بر بستر جریان از رشد خوراک های ماهی ها جلوگیری می کند.
تعریف فاضلاب:
فاضلاب یا گنداب عبارت است از آب استفاده شده ای که برای مصرف خاص خود قابل استفاده مجدد نیست یا به عبارتی کیفیت آن پایین تر از قبل از استفاده از آن می باشد. این آب دارای مقادیری فضولات جامد و مایع است که از خانه ها، خیابان ها، شستشوی زمین ها و در مجموع ناشی از فعالیتهای انسانی نظیر سرویس های بهداشتی، کارخانه ها، صنایع و کشاورزی است. چون این آب اغلب ناپاک و دارای بویی ناخوشایند است"گنداب" نیز نامیده می شود.
فاضلاب مجموعهای از پساب کارخانجات و تاسیسات صنعتی و تجاری و نیز فاضلاب حاصل از توالت ها و شتشوی ظروف آشپزخانه ها و حمام ها و رختشوی خانه هاست.
فاضلاب و پس آبهای مراکز صنعتی ، کشاورزی و همینطور محلهای مسکونی از آلوده کننده های عمده آبهای زیرزمینی و آبهای سطحی بویژه آبهای رودخان هها ، دریاها و دریاچه ها هستند.
درجه بندی فاضلابها
فاضلاب بر حسب مقدار BOD درجه بندی می شود.فاضلاب هایی که BOD آن ها به ترتیب در حدود 600،350،210 میلی گرم در لیتر هستند،فاضلاب های ضعیف،متوسط و قوی هستند.برای جلوگیری از آلودگی آب ها در بیشتر نقاط جهان ، هیچ فاضلابی حتی بعد از تصفیه در صورتیکه BOD آن بیش از 20 میلی گرم در لیتر باشد ، مجاز به ورود به جریان های سطحی و یا زیر زمینی نیست.
فاضلاب های حیوانی:
در طبیعت به جز انسان فعالیت حیواناتی مانند اسب،گاو،گوسفند،خوک و مرغ خانگی نیز در این آلوده سازی موثراند.
تخلیه بی رویه فاضلابهای صنعتی در آبهای سطحی
تخلیه بی رویه پسابهای صنعتی و همینطور غیر صنعتی و کشاورزی در آبهای سطحی ، با توجه به کیفیت فاضلاب می تواند موجب مرگ و میر حیوانات آبزی بخصوص ماهی ها گردد. جالب توجه است که تلاشی اجساد همین حیوانات خود مزید برعلت موجب آلودگی هر چه بیشتر می گردد از دیگر اثرات مهم این فاجعه تبدیل فعالیت باکتریهای آب از حالت هوازی (Aerobic) یعنی توام با مصرف اکسیژن به حالت بی هوازی (Anaerobic) و اختیاری ( Facultative) می باشد که این پدیده منجر به از بین رفتن کیفیت آب، تولید بو، از بین رفتن گونه های مناسب آبزی، از بین رفتن کارکردهای اجتماعی و گردشگری و … می گردد.

مواد شیمیایی ، ایجاد کننده اصلی فاضلاب صنعتی
از مهمترین و شناخته شده ترین مواد شیمیایی که در ابعاد وسیعی مصرف عمومی دارد و به علل مختلف ایجاد آلودگی م یکند، عبارت از شوینده ها (Detergents)است. که مهمترین آن ها الکیل بنزن سولفانات است این نوع شویند ه ها دارای یک نکته ضعف مهمی هستند که عبارت از عدم تجزیه آنها توسط میکرو ارگانیسمها. وجود این مواد در آب باعث ایجاد کف می گردد و این کف باعث مشکلات فراوانی برای عمل تصفیه است و در ضمن باعث کندی عمل فتوسنتز می گردد.
انواع فاضلاب
• فاضلاب خانگی Domestic
• پساب شهری Storn-Water
• فاضلاب کشاورزی
• فاضلاب صنعتی Industrial Wastewater

فاضلاب خانگی Domestic
توالت ها 21.8%
حمام ها 25.4%
دستشویی ها 12.2%
آشپزخانه ها 3.6%
ماشین رخت شویی 11.7%
ماشین ظرف شویی8.3%

پساب شهری
در این پساب ها انواع موجودات ریز ، میکروبها و ویروس ها و چند نوع مواد شیمیایی معین وجود دارد که عمده ترین آن آمونیاک و نیز مقداری اوره می باشد.
انواع آلاینده های موجود در فاضلابهای شهری
آلاینده های بیولوژیکی : از دفع پسابهای بیمارستانی و مراکز بهداشتی شهری ناشی می شود.
آلاینده های شیمیایی : بیشتر آلاینده های شیمیایی از دفع پسابهای خانگی شامل مصرف شوینده هاست که روز به روز مصرف آنها بیشتر می شود.
سایر آلوده کننده ها : مواد جامد و رسوبات ، مواد رادیواکتیو ، مواد نفتی و آلوده کننده های حرارتی مثل نیروگاهها.

فاضلاب های کشاورزی
در این فاضلابها سموم کشاورزی مانند هیدروکربنهای هالوژنه،DDT آلودین،ترکیبات فسفردارنظیر پاراتیون وجود دارد. مخصوصا ترکیبات هالوژنه بسیار خطرناک هستند و هنگامی که توام با آب کشاورزی در لایه های زمین نفوذ نمایند یا به بیرون از محیط کشاورزی هدایت شوند، باعث ایجاد فاضلابهای کشاورزی فو ق العاده خطرناک می شوند.

فاضلاب صنعتی (Industrial Wastewater)
فاضلابهایی هستند که از صنایع مختلف حاصل می شوند و نسبت به نوع صنایع ، ترکیبات شیمیایی مختلفی دارند و وقتی وارد دریاها می شوند باعث آلودگی آب و مرگ آبزیان می گردند.
این فاضلاب ها بر حسب نوع صنعت دارای ترکیبات شیمیایی و سمی اند که نمی توان مستقیما در رودخانه ها و دریاچه ها تخلیه گردند و باید قبلا به طور استاندارد تصفیه شوند.
مواد شیمیایی موجود در فاضلابهای صنعتی
بسته به نوع کارخانه ها و محصول تولیدی آنها ترکیبات شیمیایی و درصد آنها در پسابهای صنعتی متفاوت است اما از مهمترین این ترکیبات می توان به آرسنیک ، سرب ، کادمیم و جیوه می توان اشاره کرد. این مواد از طریق پساب کارخانجات تهیه کاغذ ، پلاستیک ، مواد دفع آفات نباتی ، استخراج معادن وارد آبهای جاری و محیط زیست می شود.

روش های حذف آلاینده ها از محیط های آبی
تولید فاضلاب های صنعتی ، بهداشتی و نفوذ آن ها به منابع آب و از طرفی محدودیت در منابع آب قابل استفاده در صنعت کشاورزی و جوامع بشری را به شدت به استفاده بهینه از این منابع و نیز استفاده مجدد از آب های آلوده واداشته است.روش های تصفیه بسیاری برای تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار گرفته است که هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند.
1. روش های سنتی:
این روش تصفیه آب ، روش قدیمی تصفیه بوده و در بسیاری از کشورها با وجود روش های دیگر مورد استفاده قرار می گیرد و عمدتا شامل مراحل زیر می باشد.عملیات پیش تصفیه ، منعقد سازی ذرات ، رسوب گذاری ، گند زدایی ، هوادهی ، صاف کردن
2. روش های مرسوم
به طور کلی روش های مرسوم تصفیه آب شامل سه روش تصفیه فیزیکی ، بیولوژیکی ، شیمیایی می باشد.
– تصفیه فیزیکی
این روش شامل تصفیه حرارتی ، فیلتراسون ، انعقاد ، هوادهی ف پرتو دهی و اشعه ماورای بنفش می باشد.
– تصفیه بیولوزیکی
یک فرآیند طبیعی که در در آن مواد آلی درون میکرواورگانیسم ها توسط آنزیم ها اکسیداسیون کاتالیزوری می شوند.
– روش های شیمیایی تصفیه آب
این نوع تصفیه شامل کلر زنی و استفاده از اوزون می باشد.
3. روش های پیشرفته
زمانیکه فرآیندهای موجود تصفیه آب و پساب قادر نیستند به عنوان سدی معتبر ، نسبت به بعضی از ترکیبات عمل کنند ، معرفی تکنولوژی های تصفیه پیشرفته در بخش هایی که مشکل آلودگی مضر شناسایی یا پیش بینی شده است ، لازم بوده و استفاده از روش های پیشرفته برای تصفیه آب بیش ار پیش احساس می گردد.
به طور کلیی تکنولوژی تصفیه پیشرفته گوناگونی برای این هدف در سال های اخیر ارزیابی شده اند که عبارتند از:نانو فیلتراسیون ، اسمز معکوس ، جذب سطحی کربن فعال ، فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)
معایب روشهای دیگر
از مهمترین مشکلات روش های متداول تصفیه آب ، عدم امکان تصفیه آلاینده در غلظت های کم و هم چنین خواص سمی و مقاوم برخی از آلاینده ها می باشد که به سادگی تخریب نشده و در مقابل عوامل بیولوژیک از خود مقاومت نشان می دهد.
هوادهی: فقط برای ترکیبات فرار مفید بوده و قادر به تخریب آلاینده ها نمی باشند.مگر اینکه در ادامه به وسیله ی حرارت دادن و یا سایر روش ها ، تخریب و عمل تصفیه صورت گیرد.
انعقاد: آلودگی های موجود به فاز دیگر منتقل شده و تغلیظ می شود.اما به طور کامل حذف یا تخریب نمی گردد.
کلردار کردن: هنوز هم به طور گسترده و رایج در فرآیند ضدعفونی سازی مورد استفاده قرار می گیرد اما محصولات فرعی آن برای انسان سرطان زا و جهش زا است.
ته نشینی،فیلتراسیسون: هزینه های کارکرد بالایی دارند و می توانند گونه های آلوده کننده سمی دیگری را وارد اکوسیستم کنند.

بررسی فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته
در اوایل سال 1901 تشخیص داده شد که احتمالا تابش UV مصنوعی می تواند برای ضد عفونی آب عملی باشد و در اواسط دهه 60 بود که معلوم شد تابش UV به تنهایی قادر به اکسایش مواد آلی آب دریا می باشد.در اواخر دهه 60 استفاده از اشعه UV به منظور کاتالیز نمودن اکسایش مواد آلی موجود در پساب ها توسط کلر مورد بررسی قرار گرفت و در اوایل 70 کار بر روی فتواکسایش مواد آلی در آب با استفاده از تابش UV و معرف های اکسید کننده دیگر از قبیل هیدروژن پراکسید و اوزن در برخی از کشورها نظیر ایالات متحده امریکا ، کانادا و ژاپن انجام گرفت.همچنین در اواسط دهه 70 کشف شد که مواد آلی می توانند به وسیله اشعه UV در حضور یک کاتالیزور نیمه رسانا از قبیل تیتانیوم دی اکسید تجزیه شوند.
کاربرد فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته
فرآیندهای اکسایش پیشرفته برای حذف انواع آلاینده های محیط زیست مخصوصا انواع آلاینده های آب از قبیل انواع رنگ ها ، آفت کش ها ، شوینده ها ، انواع حلال های آلی نرم کننده ها و حتی انواع فلزات سنگین استفاده شده است.
فرآیند اکسیداسیون پیشرفته AOPs
به هر واکنش شیمیایی که در آن ظرفیت مثبت یک عنصر یا یک یون با از دست دادن الکترون های خود به یک عامل اکسید کننده افزایش می یابد ، واکنش اکسیداسیون گفته می شود.
در عمل به فرآیند تصفیه ای که در آن عامل اکسید کننده رادیکال OH باشد ، فرآیند AOPs می گویند.
فرآیند اکسیداسیون پیشرفته ، تنها فرآیندی است که فقط با استفاده از اشعه فرابنفش ناشی از لامپ گزنون با طول موج 172nm باعث تجزیه مواد آلی موجود در آب و پساب می شود. تابش نوری با طول موج پایین تر از 190nm باعث فتولیز آب به رادیکال های OH˙ و˙ H می گردد. مواد آلی به وسیله ی OH˙ اکسید و یا به وسیله ی ˙ H احیا می گردد و در نهایت به طور کامل تجزیه می شوند.
از این روش ، معمولا برای تهیه آب های مورد نیاز صنایع دارویی و الکترونیکی استفاده می شود.
مزایای روش های اکسیداسیون پیشرفته
مزیت عمده این روش این است که نیازی به افزودن مواد شیمیایی نیست و در تهیه مقادیر کم آب استفاده می گردد.

انواع روش های اکسیداسیون پیشرفته
1. فوتولیز مستقیم با استفاده از تابش نور ماورای بنفش
2. اوزوناسیون
3. فرآیند هیدروژن پراکسید/ ماورای بنفش UV/H2O2))
4. فرآیندهای فنتون و فوتوفنتون
5. فرآیندهای فوتوکاتالیزوری هتروژن UV/ZnO-UV/TiO2))

از میان فرآیندهای اکسایش پیشرفته،فرآیندهای هتروژنی،اگرچه سیستم های واکنش مختلفی دارند اما همگی با خواص شیمیایی یکسانی توصیف می شوند و آن ، استفاده از ترکیبات فتو کاتالیزوری نظیر: TiO2 ، ZnO ، Fe2O3 ، CdS می باشد.
فتوکاتالیزورها و مکانیسم عمل
فتوکاتالیزورها مواد نیمه رسانایی که با قرار گرفتن در معرض تابش با انرژی خاص،فعال می شوند و با تولید گونه های اکسید کننده و احیا کننده موجب به وجود آمدن واکنش های اکسیداسیون-احیا می گردند.این ترکیبات عمدتا با تولید رادیکال های هیدروکسیل همراه است.رادیکال های هیدروکسیل گونه های واکنشی بسیار فعالی هستند که دارای قدرت اکسید کنندگی بالایی بوده و بیشتر به بخش آلی ترکیبات آلاینده حمله کرده و منجر به تولید ترکیبات حدواسط رادیکالی در آن می گردند.این ترکیبات حد واسط رادیکالی ، منجر به تشکیل جفت الکترون- حفره می شوند. این ترکیبات در مراحل بعدی توسط اکسیژن به دام افتاده و از طریق رادیکال های پراکسی و پراکسیدها منجر به پیشرفت واکنش و نهایتا کامل شدن فرآیند تخریب می شوند.
ناپایداری،طول عمر کوتاه و ثابت سرعت بالای واکنش این رادیکال ها از ویژگی های مهم رادیکال های هیدروکسیل می باشند.
ترکیبات فتوکاتالیزوری به تنهایی و یا به صورت کوپل شده نظیر:
TiO2-CdS ، TiO2-SnO2 ،TiO2-Fe2O3 ،ZnO-ZnS، CdS-ZnOمورد آزمایش قرار می گیرند.

فرآیندهای فوتوکاتالیزوری ناهمگن
این فرآیند شامل استفاده از سوسپانسیون های نیم رسانا یا فتوکاتالیست های تثبیت شده روی یک بستر ثابت مانند : اکسید تیتانیوم ، اکسید روی، اکسید آهن سه ظرفیتی، اکسید مس ، سولفید روی برای به تله انداختن نور و تولید رادیکال های هیدروکسیل یا رادیکال های دیگر در سطح فتوکاتالیست می باشد.وابسته به نوع فتوکاتالیست و شرایط محلول می توان از نور مرئی به جای UV استفاده کرد.

فتولیز همگن
این فرآیندها از فتولیز مستقیم نورUV محلول دارای اکسنده هایی مانند H2O2 ، اوزن و یا ترکیبی از هر دو، برای تولید رادیکال های هیدروکسیل و تخریب آلاینده استفاده می کنند. از فرآیندهای فتولیز همگن می توان فرآیندهای UV/H2O2 و UV/S2O82-را نام برد.

مزیت فتوکاتالیزورهای ناهمگن نسبت به همگن
1) قابلیت بازیابی واستفاده مجدد از آنها
2) همزمانی واکنشهای اکسیداسیون و احیا

اشعه فرابنفش 1 UV
اشعهUV جزو امواج الکترومغناطیس است و طول موج آن در محدوده nm 400-100 قرار دارد و به این دلیل توانایی شکستن پیوندهای شیمیایی را داراست،که از این میان ،طول موج nm 254 حاصله از لامپ های UV دارای انرژی Kcal/mol113بوده و قادر به شکستن پیوندهای آلی مانند: C-C،C-H، C-Oمی باشد.
بنابراین در اکثر فرآیند های APOs از اشعه فرابنفش که از لامپ های UV و یا از نور خورشید ساطع می شود به عنوان منبع نوراستفاده می شود.

شکل ناحیه فرابنفش

جدول ناحیه فرابنفش

طول موج
توضیحات
UV نزدیک
UV-A))
400-320
معروف به نور سیاه باعث فلورسانس در رنگهای معینی میشود و برای بسترهای خورشیدی استفاده می شود.
UV متوسط
((UV-B
320-280
برای برخی از واکنشهای فتو شیمیایی استفاده می شود.
UV دور
((UV-C
280-100
در سیستم هایUV میکروب کش و واکنش های فتو شیمیایی کاتالیستی استفاده می شود.

UV-A که به نور سیاه معروف است با داشتن حداقل انرژی اثرات زیان بار کمتری دارد و در نور خورشید نیز وجود دارد.انرژی ناحیه UV-B بیشتراز UV-Aاست.
این بخش از نور UV به طور کامل به وسیله لایه اوزن جذب نمی شود و در نور خورشید وجود دارد.این قسمت از تابش اشعه فرابنفش برای رشد استخوان ها مفید است و در اصطلاح به محدوده ویتامین D معروف است. ولی ثابت شده است که در صورت تابش بیش از حد، عامل بروز سرطان پوست می باشد.به علت انرژی زیاد دارای میکروب کشی است.
ناحیه UV-C که طول موج های nm280-100 را به خود اختصاص می دهد،به طور کامل ه وسیله ی لایه اوزن جذب می شود و در نور خورشید مشاهده نمی گردد.تابش آن به پوست باعث بروز سرطان می شود و تابش مستقیم آن به چشم نیز خطرناک است. به علت اینکه لامپ های UV-C توانایی میکروب کشی بالایی دارند ، از این لامپ ها برای میکروب زدایی از آب و هوا استفاده می شود.

لامپ های UV
در اکثر سیستم های تصفیه آب با پرتو های فرابنفش برای تولید اشعه فرابنفش از نوع UV-C از لامپهای کم فشار محتوی بخار جیوه استفاده می شود.در حدود 90% از طیف UV ساطع شده از این لامپ ها در محدوده میکروب کشی یعنی طول موج nm254 است چرا که این طول موج دارای قدرت میکروب کشی است.اشعه UV در لامپ های بخار جیوه به وسیله عبور یک قوس الکتریکی از میان یک گاز بی اثر تولید می شود.لامپها از شیشه کوارتز ویژه ای ساخته می شوند .
تابش های با طول موجnm 290-200 معمولا برای فرآیند های فتوکاتالیزوری بکار می روند ، چون این تابش ها علاوه بر اینکه قادر به تخریب و نابودی میکرواورگانیسم ها هستند،موجب تحریک فتوکاتالیزورها نیز می شوند.
* برای اینکه قدرت خروجی لامپ حداکثر باشد،باید پوشش کوارتز کاملا تمیز نگه داشته شود.
* از آنجایی که بازده لامپ با زمان کاهش می یابد،لامپ های فشار کم،سالانه و لامپ های فشار متوسط ،هر چهار ماه یک بار باید تعویض شوند.
* سرعت تقریبی افت شدت تابش، 25% برای هر 600 ساعت از عملیات می باشد.

روش های متداول استقرار لامپ UV درمحفظه ضدعفونی
1. یک یا چند لامپ بصورت موازی با جریان آب:

2. چند لامپ در اطراف خارجی لوله جریان آب،بصورت موازی با جریان آب:

3. یک یا چند لامپ عمود بر جریان آب:

4. سیستم باز: گذشته از شیوه های استقرار بالا، آب را میتوان بدون فشار نیز ضدعفونی نمود. این شیوه عمدتا برای گندزدایی فاضلاب و سایر موارد با دبی آب بسیار زیاد بکار می رود.

موارد کاربرد UV برای ضدعفونی
 صنایع غذایی
 صنایع نوشابه سازی و آب معدنی و آبمیوه
 آب آشامیدنی
 پرورش ماهی،میگو،دام و طیور
 فاضلاب های شهری و صنعتی
 صنایع آرایشی و بهداشتی،شیمیایی،دارویی
 استخرهای شنا،آب نماها،جکوزی ها
 مدارهای بسته خنک کننده وسیستم های تهویه مطبوع

چرا ضدعفونی به روش UV ؟
امروزه کلرزنی بیش از هر روش دیگری برای ضدعفونی آب مورد استفاده قرار میگیرد. ولی متاسفانه کلرهالوفورم هایی نظیرکلوروفورم ایجاد می کند که تاثیر سـرطان زایــی آنها شناخته شده است. این امر باعث گردید که محققان بطور جدی در صدد جایگزینی و یا محدود کردن بکارگیری این ماده شیمیایی برآیند.
قابل ذکر است که با توجه به استفاده روزافزون از آبهای سطحی، کلر زنی این آبها که نسبت به آبهای زیرزمینی دارای ناخالصی و آلودگی بیشتری میباشد، موجب تولید بیشتر هالوفورم ها میشود.
تنها روش شناخته شده امروزی که هیچ تغییری در خواص شیمیایـی و فیزیکـی آب ایجاد نـکرده و هیچگونه ماده یی به آب اضافـه نمی نماید، ضدعفونـی با پرتو فرابنفش می باشد. این شیوه هیچ نوع ماده سمی در آب بجای نمی گذارد.
در حقیقت دراین شیوه، دقیقا فرایندی که در طبیعت اتفاق می افتد بکار گرفته می شود.تاثیرات ضدعفونی نور خورشید مهمترین عامل پاک نگاه دارنده محیط زیست ما می باشد. ضـدعفــــونی مصنوعی با پرتــو UV مشابه اثر تابش نور آفتاب است با این تفاوت که شدت پرتوافکنی یعنی مقدار تابش در طول موج موثر تقویت شده و در نتیجه راندمان ضدعفونی بالا می رود.

فتوکاتالیزور دی اکسید تیتانیوم ( (TiO2
فلز تیتانیوم رنگدانه ای به رنگ سفید و ثابت است که از نظر فراوانی در پوسته زمین نهمین عنصر محسوب می گردد و 95% از آن به صورت TiO2 به مصرف می رسد که با روش های مختلف ، از سنگ معدن استخراج می شود.این ترکیب شامل ایلمینت،روتیل،آناتاز و لکوکسن می باشد. بیشتر تیتانیوم دی اکسید در صنایع از تیتانیوم معدنی تغلیظ شده ، توسط سولفات یا کلراید به فرم آناتاز و روتیل تولید می شود.نانو ذره های TiO2به سبب اندازه ی بسیار کوچک در حد چند نانومتر،دارای ویژگی های منحصر به فرد نظیر وسیع شدن پهنای شکاف و افزایش مساحت سطح به ازای واحد حجم شده اند که در نهایت خاصیت فتوکاتالیزوی فوق العاده آن ها را رقم می زند و باعث کاربرد گسترده آن ها در این حیطه می گردد.

کاربردهای مربوط به فرآیندهای فتوکاتالیزوری:
1. تجزیه اکسیدهای نیتروژن و تبدیل آن به نیتروژن
2. تجزیه مواد آلی بهCO2 ،H2O
3. به عنوان فتوکاتالیزور در پسابها
4. حذف بوی نامطبوع و تجزیه موجودات ذره بینی زیان آور و بیماری زا،از آب و فاضلابها
5. در ساختار سل های خورشیدی
6. سرامیک های ضد باکتری
7. شیشه های خود تمیز شونده

ساختار فازی نانو فتوکاتالیزور TiO2
در طبیعت به سه حالت کریستالی آناتاز ، روتیل و بروکیت وجود دارد. ساختمان اصلی متشکل از یک اتم تیتانیوم محاصره شده با 6 اتم اکسیژن در یک ساختار واپیچش اکتاهدرالی می باشد.ساختار اکتاهدرال نتیجه کوئوردیناسیون سه برابر اتم های اکسیژن می باشد.واحدهای ساختار اصلی در این سه کریستال TiO2 از واحدهای اکتاهدرال TiO6 تشکیل شده و دارای پیوندها و آرایش مختلف می باشد.

نحوه آرایش هشت وجهی های TiO6
دو فاز آناتاز و روتیل ایزومر هم بوده و بیشتر خواص نانو ذرات TiO2 مربوط به این دو ساختار فازی می باشد و به ترتیب دارای انرژی باند گپ برابر ev3.2 و ev3.1 هستند.که این امر نشان دهنده سرعت تخریب نوری بیشتر آناتاز نسبت به روتیل می باشد.سرعت واکنش و میزان تخریب نوری TiO2 ، وابستگی زیادی به ساختار کریستالی و اندازه ی ذرات بلوری ، ضخامت ، مساحت سطح و ضریب تخلل لایه ها دارد.هرچند که این فاکتورها در روش های مختلف متغیر است.هرم آناتاز به علت داشتن مساحت سطح بیشتر و دانسیته سطحی بالا ، سایت های فعال برای جذب سطحی و کاتالیز ، اندازه ی ذرات کوچکتر ، فعالیت فتوکاتالیزوری بیشتری دارد.

مزایای TiO2
دی اکسید تیتانیوم به دلیل فعالیت زیاد ، خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب ، قیمت پایین، سمی نبودن ، در دسترس بودن به صورت گسترده به عنوان کاتالیست استفاده می شود.
فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم در فرم نانو ذرات به دلیل پایداری این ساختار ، سطح ویژه بالا ، زیست سازگاری ، سمی نبودن ، قیمت پایین و توان اکسید کردن مناسب عمده ترین کاتالیست استفاده شده در این زمینه است.

تصویر میکروسکوپ الکترونی نانو ذرات TiO2

بررسی عملکرد الکترونی UV/TiO2

* در ترازهای انرژی نیمه رساناها،بین بالاترین تراز پر انرژی(باند ظرفیت) و پایین ترین تراز انرژی اشغال نشده (باند رسانش)،یک ناحیه وسعت یافته به نام گپ یا شکاف وجود دارد.
* در حالت عادی الکترون ها در باند ظرفیت قرار دارند و این باعث شده که مواد نیمه رسانا در حالت عادی (بدون تابش) از لحاظ شیمیایی بی اثر باشند ، اگر الکترون ها تحت تابش مدان مغناطیسی و یا قرار گیرند،انرژی گرفته و تحریک شده و از نوار ظرفیت به باند رسانش جهش می کنند.در این حالت تراز ظرفیت که خالی از الکترون می شود،حفره نام دارد.
* انرژی تابشی که باعث جهش الکترون از باند ظرفیت به رسانش می گردد،باید بیشتر از انرژی پهنای گپ باشد.انرژی گپ در نیمه رساناها ، مقداری ثابت است که تنها به ترکیب آن مواد بستگی دارد.
* حالت برانگیخته شدن الکترون و ایجاد حفره ،پایدار نبوده و الکترون با بازتابش انرژی دریافتی خود را به صورت نور یا گرما از دست داده و به نوار ظرفیت نزول می کند و یا به عبارتی باز ترکیبی جفت الکترون-حفره اتفاق می افتد.
* در نهایت منجر به تولید یون های هیدروکسیل می شود و این امر میزان تخریب را افزایش می دهد.
واکنش های مربوط در سطح TiO2

فتوکاتالیزوراکسید روی ZnO
اکسید روی بسته به روش تولید به عنوان سفیداب روی یا اکسید روی نام گذاری می شود. اکسید روی به سه روش تهیه میشود:
I. روش فرانسوی
II. روش آمریکایی
III. روش شیمیایی " تر 1"
در صنعت ، عمدتا به روش شیمیایی تولید می شود.
روش شیمیایی : در تهیه اکسید روی به روش شیمیایی ، از محلول نمک روی تصفیه شده ، هیدروکسید یا کربنات روی رسوب داده می شود که پس از شستشو و صاف کردن ، خشک می گردد.اکسید روی با تکلیس ماده فوق تهیه خواهد شد.انجام عمل تکلیس در دماهای پایین ، ذرات ریز ایجاد می کند که به اکسید روی شفاف مشهور است. با توجه به اینکه محلول های نمک روی بسیار خالص ، قابل تولید هستند از اینرو ، اکسید روی که به صورت شیمیایی ( تر) تولید شده است ، فوق العاده خالص می باشد.
ساختار بلوری اکسید رویZnO

نانو ساختارهای اکسید روی
اکسید روی عضوی از خانواده ورتزیت و یکی از غنی ترین نانو ساختارها می باشد. دو مزیت عمده :
1. نیمه رسانایی با شکاف باندev 3.2 می باشد.
2. پیزوالکتریک است،در نتیجه زیست سازگار و ایمن می باشد.

کاربردهای اکسید روی در ابعاد نانو
1) نانو فتوکاتالیزور در فرآیندهای اکسایش فتوکاتالیزوری
2) رنگدانه در رنگ آمیزی خودروها،چادرها
3) مواد اولیه در صنایع تولید لوازم آرایشی و بهداشتی از جمله کرم های ضد آفتاب
4) استفاده در کاهنده ها،افزاینده ها و حسگرهای نانو مقیاس
5) در پزشکی به راحتی بدون روکش به کار می رود.

فرآیند فتوکاتالیستی UV/ZnO
• در این واکنش ZnO با جذب انرژی تولید یک جفت الکترون- حفره می نماید.
• الکترون و حفره با انتقال به سطح مشترک می تواند باعث انجام واکنش های اکسیداسیون-احیا تحت شرایط محیطی گردد.
• حفره تولید شده با H2O روی سطح سریعا واکنش داده،تولید رادیکال هیدرکسی𝑂𝐻 ̇ می نماید.
• الکترون با اکسیژن گرفته شده تا آنیون رادیکال های سوپر اکسید O2.- را ایجاد کند.
• الکترون تولید شده باعث احیای O2 به آب می شود ، در احیای اکسیژن توسط الکترون های تولید شده ابتدا سوپر اکسید O2.- به عنوان اولین محصول احیایی تولید می شود که به هیدروژن پراکسید و در نهایت به آب تبدیل می شود.
• حفره ی ایجاد شده باعث تخریب می شود.

واکنش های UV/ZnO

مزایای فرآیند UV/ZnO
* اکسید روی غیر سمی است.
* شرایط واکنش نسبتا ملایم است.
* قسمت اکسید روی پس از بازیابی دوباره وارد چرخه می شودi.
* تعداد زیادی ازترکیبات آلی محلول و یا پراکنده در آب،با این روش قابل حذف بوده و به طور کامل تجزیه می شود.

مقایسه TiO2و ZnO
> ZnO به دلیل شکاف انرژی که دارد مناسب تر از TiO2 است.
> بازده کوانتومی ZnO بیشتر از TiO2 می باشد.
> بزرگترین مزیت ZnO این است که قسمت بیشتری از طیف خورشیدی را نسبت به TiO2 جذب می کند.
پارامترهای موثر در تخریب فتوکاتالیزوری
* اثر غلظت اولیه رنگ
* اثر شدت تابش
* اثر مقدار فتوکتالیزور
* اثر دما
* اثر pH
* اثر اکسنده ها
اثر غلظت اولیه رنگ
* معمولا با افزایش غلظت اولیه رنگ ابتدا تا حد معینی سرعت افزایش و سپس افزایش غلظت رنگ موجب کاهش تخریب فتوکاتالیزوری می شود.
 علت افزایش سرعت واکنش فتوکاتالیزوری : مربوط به افزایش احتمال واکنش بین ذرات اکسید کننده و مولکول های رنگینه می باشد که حذف رنگ را تسریع میکند، زیرا سرعت واکنش فتوکاتالیزوری با احتمال تشکیل و نیز واکنش رادیکال های هیدروکسیل با مولکولهای رنگ ارتباط دارد.
 علت کاهش سرعت واکنش فتوکاتالیزوری: زیرا در غلظتهای بالای رنگ،مولکولهای بیشتری از رنگینه روی سطح نیم رسانا جذب سطحی می شود،بنابراین تولید رادیکالهای هیدروکسیل کاهش می یابد.زیرا موضع های اندکی برای جذب یون ها و تولید رادیکال های هیدروکسیل وجود دارد.
اثر تابش
• درصد حذف رنگینه با کاهش ارتفاع بین سطح محلول حاوی رنگ و لامپ UV افزایش می یابد.زیرا تابش UV فوتون های لازم را برای انتقال الکترون از لایه والانس به لایه هدایت فتوکاتالیزور فراهم می کند.
• در نتیجه با افزایش شدت تابش،فوتون های بیشتری به سطح فتوکاتالیزور رسیده،میزان تولید رادیکال های هیدروکسیل بیشتر شده وسرعت حذف رنگ بالا می رود.
• در شدت تابش پایین تشکیل الکترون- حفره غالب است و ترکیب مجدد الکترون-حفره ناچیزمی باشد.
• در شدت تابش بالا،جدایی الکترون- حفره با ترکیب مجدد آن رقابت می کند.
بنابراین افزایش شدت تابش،اثر کمتری در سرعت حذف رنگ دارد.
اثر دما
دما یک پارامتر مهم هنگام مطالعه فرآیندهای فتوکاتالیزوری می باشد. اگرچه سرعت اکسیداسیون معمولا به دما وابسته نیست،اما افزایش دما به واکنش فتوکاتالیزوری کمک می کند تا به طور موثری با ترکیب مجدد الکترون- حفره رقابت کرده و در نتیجه سرعت حذف رنگ افزایش می یابد.
اثر فتوکاتالیزور
با افزایش مقدار فتوکاتالیزور میزان حذف رنگ افزایش و پس از رسیدن به مقدار بهینه خود،افزایش در غلظت کاتالیزور موجب کاهش در حذف رنگ می شود.
• زیرا افزایش در مقدار فتوکاتالیزور تعداد موضع های فعال را روی سطح کاتالیزور بالا برده و به نوبه خود تعداد رادیکال های هیدروکسیل و سوپراکسید را افزایش می دهد،در نتیجه میزان رنگ افزایش می یابد.
• با بالا رفتن میزان فتوکاتالیزور از مقدار بهینه خود،افزایش در کدری سوسپانسیون به وجود آمده در نتیجه نفوذ تابش و حجم فعال شده توسط تابش کوچک میشود.مولکولهای فعال با برخورد با مولکولهای پایه،غیر فعال میشوند.متراکم شدن فتو کاتالیزور نیز قسمتی از سطح فتوکاتالیزور را غیر قابل دسترس برای جذب فوتون یا رنگ کرده و حذف رنگ را کاهش می دهد.
اثر pH
تفسیر اثرات pH بر بازده فرآیند فتوکاتالیزوری کار بسیار دشواری است .
زیرا pH رفتارهای مختلفی به دلیل آمفوتر بودن فتوکاتالیزور نیمه هادی بر روی سرعت واکنش فتوکاتالیزوری دارد.

پیشینه تحقیق
* سال 2003 Baran و همکارانش:
* قرمز رادیو اکتیو 45
* زرد اسیدی 23
* رنگهای کاتیونی مانند: آبی قلیایی 41 ونارنجی قلیایی 66
* سال 2005 Rengaraj:
* 4،4،2-تری کلرو فنل در محلول های سوسپانسیونی آبی
* سال 2006 بهنژادی و مدیرشهلا:
* زرد اسیدی 23
* Muruganandham :
* Reactive Yellow 14
* Reactive Black 5

نتیجه گیری
در میان فرآیندها، فرآیند فتوکاتالیزور ناهمگن، فناوری بسیار موثری برای تجزیه آلاینده هاست.

مرور مقالات

تعیین سینتیک و کارایی فرآیند فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم در حذف رنگ
[RB5] Reactive Black 5 و سیانید از محلول های آبی

عوامل مورد بررسی در این تحقیق شامل :
مواد اولیه نانو ذرات TiO2 ، غلظت اولیه رنگ و سیانید ، pH اولیه ، زمان واکنش می باشد.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی رنگ RB5

مشخصات فیزیکی و شیمیایی دی اکسید تیتانیوم

شماتیک راکتور مورد استفاده

همان طور که در تصویر مشاهده می شود ، راکتور مورد استفاده از دو قسمت تشکیل شده است.قسمت بیرونی راکتور حاوی محلول به حجم lit 2 و قسمت درونی محفظه برای نصب لامپ UV می باشد.قسمت بیرونی با یک راکتور بزرگتر به حجم lit 10 با آب برای نگه داری محلول در دمای 25 درجه سانتیگراد پوشیده شده است.در طول آزمایش محلول به طور دائم هم زده می شود.

اثر مقدار TiO2

کارایی حذف با افزایش مقدار اولیه نانو ذرات TiO2 تا جایی افزایش و سپس کاهش می یابد.
اثر pH

نتایج حاصل از تاثیر pH بر کارایی حذف فتوکاتالیستی رنگ و سیانید را نشان می دهد. با افزایش pH کارایی فرآیند کاهش یافت.

اثرغلظت اولیه رنگ

در نمودار شماره 3 نتایج حاصل از تاثیر غلظت اولیه رنگ و سیانید برکارایی فرآیند حذف فتوکاتالیستی نشان داده شده است. همانطور که از نمودار شماره 3 مشخص است کارایی حذف با افزایش غلظت اولیه رنگ و سیانید کاهش یافت.

اثر زمان تماس

تاثیر زمان واکنش بر روی کارایی فرآیند حذف فتوکاتالیستی با تغییر در زمان تماس واکنش بررسی شد.
طبق نمودار5 کارایی حذف با افزایش زمان واکنش افزایش می یابد.

حذف فتوکاتالیستی اشریشیاکلی با استفاده از نانو ذرات
اکسید روی فعال شده با اشعه UV-C از محیط های آبی

در این تحقیق کارایی حذف در شرایط مختلف pH ،زمان ماند ، غلظت نانو ذرات ZnO و تعداد باکتری بررسی شد.
راکتور مورد استفاده

مشخصات رآکتور و نحوه انجام آزمایشات
راکتور مورد استفاده که در شکل 1 نشان داده شده است به حجم 500 میلی لیتر ، عمق 40 و قطر 10 سانتی متر تهیه گردید.که در داخل غلاف کوارتز به ارتفاع 30 سانتی متر و UV لامپ قطر 5 سانتی متر محافظت می شد. برای اینکه نمونه بهتر مورد تابش قرار گیرد، لامپ در مرکز ظرف در محلول غوطه ور گردید. کل راکتور جهت جلوگیری از تابش نور در داخل فویل
آلومینیومی پیچیده شده بود. رآکتور قبل از استفاده کاملا استریل گردید و حجم آب آلوده ورودی 250 میلی لیتر در نظر گرفته شد. سپس نمونه آب آلوده را که از قبل تعداد سلول ها CFU/ml محاسبه شده بود به رآکتور اضافه گردید. جهت تنظیم pHاز اسید نیتریک و سود یک نرمال استفاده می گردد.

تصویرXRD از نانو ذرات ZnO
تصویر XRD از نانو ذرات Zno در شکل 2نشان داده شده است.

اثر تعداد سلولهای باکتری و فرآیند مورد استفاده

نتایج نشان دادند که کارایی گندزدایی با افزایش تعداد باکتری اشریشیاکلی از 102 به 103 عدد در میلی لیتر کاهش می یابد. شکل 4 نشان می دهد که با افزایش تعداد باکتری اشریشیاکلی از 102 به 103 عدد کارایی حذف کاهش یافته است. در شکل 4 الف در شرایط pH=7 ، ولتاژ 27 ولت ، ، لامپ UV، در زمان ماند 60 دقیقه و تعداد باکتری 103 عدد در میلی در حضور UV/ZnO کارایی حذف 99 % حاصل گردیده است. شکل ( 4) ب حاکی از آن است که با تعداد 102 عدد باکتری در میلی لیتر با حفظ شرایط یکسان کارایی حذف 100 ٪ حاصل گردید.
در شکل ( 4) الف و ب تاثیر فرآیند مورد استفاده (UV/Zno ,uv, Zno) بر کارایی حذف باکتری اشریشیاکلی نشان داده شده است. این شکل نشان می دهد که در شرایط یکسان متغیرهایی مانند pH، زمان ماند برای هر 3 فرآیند مورد استفاده بیشترین کارایی حذف مربوط به فرآیند UV/Zno می باشد .

اثر pH

همانطور که در شکل ( 5) نشان داده شده است ،در شرایط یکسان کارایی فرآیند حذف باکتری اشرشیاکلی با افزایش pH از 7 به 9 در هر دو تعداد 100 و1000 عدد در میلی لیترکاهش یافته است .

اثرغلظت نانوذرات ZnO

شکل 6 و 7نشان می دهد که با افزایش غلظت نانو ذرات مرگ باکتریهای اشر شیاکلی افزایش می یابد.
در شکل 6 مرگ باکتریها از 70٪ به% 100 افزایش یافته است.
در شکل 7 ، مرگ باکتریها از ٪ 98به 100 %ٰ افزایش یافته است.

New trends in removing heavy metals from industrial wastewater

گرایش های جدید در حذف فلزات سنگین از فاضلاب صنعتی

شکل 14 مسیر واکنش فتوکاتالیستی نسبت به ذرات دی اکسید تیتانیوم را نشان می دهد.

حذف با تابش دهی UV و TiO2با نسبت های مولی متفاوت Cu(II)/CN_
a. بدون نور UV b. با نور UV

باراکات مطالعه تخریب فتوکاتالیستی با استفاده از تابش دهی UV با تعلیق TiO2 برای از بین برن کمپلکس سیانید با حذف همزمان مس را بررسی کرد.
نتایج نشان داد که مس آزاد (10_2 M) در مدت 3 ساعت به طور کامل حذف شد.وجود Cu(II) و CN_ راندمان حذف را افزایش داد. درصد حذف با افزایش نسبت مولی Cu:CN_ افزایش یافت. حذف کامل هر دوی مس و سیانید در نسبت مولی 10:1 بود.
مقایسه کاهش فتوکاتالیتیکی Cr(VI) با استفاده از فیلم نازک TiO2

Cr(VI) با موفقیت حذف شد. فتوسیتیوی از فیلم های نازک آماده بازده قابل مقایسه ای با TiO2 پودر به نمایش گذاشت.
اثر زمان در اکسیداسیون آرسنیت به آرسنات

در غلظت mg/l 100 ،در مدت 3 ساعت و در حضور جاذب و تابش دهی نو UV ، آرسنیت کاملا می تواند به آرسنات اکسیده شود.

Application of TiO2 UV-C Photocatalytical Processes for the Removal of Reactive Red 198 Dye from Synthetic Texile Wastewater

کاربرد فرآیند فتوکاتالیستی TiO2/UV-C در حذف رنگ رادیواکتیو 198از فاضلاب سنتتیک نساجی

روش بررسی: این مطالعه به صورت تجربی و در مقیاس آزمایشگاهی در راکتور ناپیوسته انجام شد.فاضلاب سنتتیک از انحلال رنگ رادیواکتیو 198 در آب شهر تهیه و تاثیر غلظت اولیه رنگ ،جرم TiO2 ، pH و زمان تماس در حذف رنگ بررسی شد.غلظت رنگ با استفاده از اسپکتروفتومتر در طول موج 518 نانومتر تعیین گردید.

مشخصات رنگ رادیو اکتیو 198

راکتور مورد استفاده

نمودار طیف جذب

شکل 2 تغییرات طیف جذب رنگ و کاهش پیک جذب در زمان های مختلف را نشان می دهد. با توجه به شکل مقادیر قابل توجهی از حذف رنگ با غلظت mg/L100 در طی زمان 60 دقیقه رخ داده که نشان دهنده تجزیه سریع این نوع رنگ است.

اثر pH

شکل 4 حذف رنگ مورد نظر در pH های 4، 7،10 رانشان می دهد که تغییرات pH محیط بر سرعت حذف رنگ موثر است.به طوریکه سرعت رنگ زدایی یا بیشترین شیب خط در pH حدود 4 حاصل شده است.

اثر مقدار فتوکاتالیزور

شکل 5 تاثیر میزان دی اکسید تیتانیوم در حذف رنگ برای غلظت mg/L 150 را نشان می دهد. بر اساس نتایج با افزایش مقدار دی اکسید تیتانیوم ، میزان حذف رنگ افزایش می یابد.

جدول ثابت سرعت واکنش

با توجه به جدول ، با افزایش غلظت رنگ وکاهش جرم دی اکسید تیتانیوم ، ثابت سرعت واکنش کاهش می یابد.

اثرغلظت رنگ

شکل 7 نشان می دهد که افزایش غلظت رنگ منجر به کاهش ثابت سرعت واکنش می گردد.به طوریکه با افزایش غلظت رنگ از 100 به 200 mg/L طی زمان 60 دقیقه راندمان حذف از 84.9 به 60.5 درصد کاهش می یابد.

Performance analysis of xylene as a petroleum hydrocarbons using solar
radiation UV/TiO2 method in industrial synthetic waste

بررسی کارایی تجزیه هیدروکربور نفتی زایلن با استفاده از تابش خورشیدی به روش UV/TiO2در پساب صنعتی سنتتیک

در این تحقیق غلظت نهایی زایلن یا متغیر وابسته در مقابل پارامترهای راهبری و عملیاتی که متغیر های مستقلی مانند pH ، غلظت اولیه زایلن ، زمان در معرض قرارگیری پرتو UV خورشید و غلظت های مختلف دی اکسید تیتانیوم ،مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

راکتور مورد استفاده : دارای 5 مدول شیشه ای متصل به هم با قطر cm3 ، حجم 1.5 لیتر و مجهز به یک گرداننده جهت حداکثر دریافت اشعه UV خورشید بود.

مکانیسم عمل:

تجزیه نوری مواد آلی توسط فرآیند فتوکتالیستی به وسیله تحریک نوری نیمه رسانا ، آغاز می شود. و سپس توسط تشکیل یک جفت الکترون – حفره در سطح کاتالیست دنبال می شود (معادله 1)
پتانسیل بالای اکسیداتیو حفره ، در کاتالیست اجازه اکسیداسیون مستقیم مواد آلی به مواد واسطه را می دهد (معادله 2)
رادیکال های هیدروکسیل بسیار انفعالی هم چنین می توانند توسط تجزیه آب (معادله 3)
و یا توسط واکنش حفره با OH- تشکیل شود (معاذله 4)
رادیکال هیدروکسیل یک اکسیدان غیر انتخابی بی نهایت قوی است که موجب تجزیه مواد شیمیایی آلی می شود.

همه آزمایشات انجام شده جهت تعیین تجزیه زایلن از پساب سنتتیک تحت شرایط روزهای آفتابی تابستان در بین ساعات 11 صبح تا 14 بعد از ظهر ، که ساعات حداکثر اشعه UV ساطع شده از خورشید به سمت زمین می باشد ، با استفاده از سیستم UV/TiO2خورشیدی انجام شد.

شکل 1 : میزان شدت نور خورشید اندازه گیری شده توسط رادیومتر UV را نشان می دهد که منحنی A و B به ترتیب نشان دهنده روزهایی هستند که بالاترین میزان شدت UVو کمترین شدت UV وجود داشت و منحنی C نشان دهنده مقدار متوسط شدت UV در تمام روزهای آزمایش می باشد.
به طور میانگین در تمام روزهای انجام آزمایش ، شدت نور بین 35 تا w/cm2 41 نوسان داشته است.

جدول 1 : نتایج بدست آمده از تحلیل داده ها با استفاده از نسبت سیگنال به نویز را نشان میدهد که بیشترین تاثیر را غلظت ورودی زایلن بر راندمان حذف دارد.پس از آن به ترتیب pH ، زمان و غلظت TiO2 بر حذف آلاینده مورد بررسی تاثیر گذار بودند.

به منظور تعیین سطوح اپتیمم هر عامل در کارایی فرآیند فتوکاتالیستی خورشیدی، آنالیز داده ها با استفاده از مدل آماری تاگوچی انجام گردید که حاصل آن در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 در مورد غلظت ورودی زایلن نشان می دهد که با افزایش غلظت ورودی ،روندی صعودی در نسبت سیگنال به نویز بدست آمده است. محدوده زمان تا سطح 2 یعنی 180 دقیقه پس از شروع فرآیند فتوکاتالیستی به بهبود فرآیند حذف کمک نموده، اما در سطح 3 به عبارت دیگر پس از گذشت 300دقیقه زمان تماس ، بهبودی در کارایی فرآیند حاصل نگردید، بنابراین نسبت سیگنال به نویز کاهش می یابد.pH نیز در سطح 2 دارای بیشترین میانگین نسبت سیگنال به نویز بود.همچنین غلظت TiO2 در سطح 2 مناسب ترین نسبت سیگنال به نویز را داشت.
با توجه به شکل 2 ، سطوح اپتیمم به منظور بیشترین راندمان حذف آلاینده را می توان در سطوح بالای 2 غلظت ورودی زایلن ، سطح 1 و 2 زمان ، سطح 2 pH و سطح 2 غلظت TiO2 در نظر گرفت.

نتیجه گیری :
فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته ، علاوه بر دست یابی حذف آلاینده های مقاوم در مدت زمان کوتاه ، می توان این ترکیبات خطرناک را به محصولات بی ضرری مانند آب و دی اکسید کربن تجزیه نمود و همچنین از معایب استفاده از فرآیند های اکسیداسیون پیشرفته این است که در حضور UV مصنوعی ، می توان به مصرف انرژی آن اشاره نمود ، در حالیکه در این مطالعه از انرژی بی پایان خورشید استفاده شد و در شرایط بهینه 93.33 درصد زایلن حذف شد.

منابع

1.Daneshvar N, Salari D, Niaei A, Rasoulifard MH, Khataee AR. Immobilization of TiO2 Nanopowder on Glass Beads for the Photocatalytic Decolorization of an Azo Dye C.I. Direct Red 23. J Environ Sci and Health 2005; 40: 1604-1617.
2.McCullagh C , Robertson J , Bahnemann D W. and Robertson P . The application of TiO2 photocatalysis for disinfection of water contaminated with pathogenic microorganisms: a review. Chemistry and Materials Science. 2010; 33: 359-375.
3.Wu CH. Effects of operational parameters on the decolorization of C.I. Reactive Red 198 in UV/TiO2- based systems. Dyes Pigments 2008; 77(1): 31-8.
4.www.google.com
5.www.SID.com
6.www.journal.ir
7.www.chemistmag.com

پایان نامه کارشناسی ارشد-قادری.8
پایان نامه کارشناسی ارشد قصابی.9
علی آبادی ، 1384 پایان نامه .10

—————

————————————————————

—————

————————————————————

40