بررسی کارایی فرآیند فتوکاتالیستی با استفاده از نانوذرات دی اکسید روی در حذف تری کلروفنول 2،4،6 به روش سطح پاسخ

بیشتر ترکیبات آروماتیک از پساب صنایع مختلف وارد محیط زیست می­شوند. سالهاست که عوارض این ترکیبات برای همه ی جانداران به اثبات رسیده است ولی با افزایش روزافزون صنعت و به خصوص صنایع شیمیایی، ورود ترکیبات مضر به محیط زیست غیر قابل اجتناب شده است(1،2،3).

2و4و6 تری کلروفنل یکی از سمی­ترین و در عین حال مقاوم­ترین کلروفنل ها در برابر تجزیه بیولوژیکی است. 2و4و6 تری کلروفنل کاربردهای صنعتی مختلفی در آفت کشها، گندزداها، حفظ چوب، چرم و فیبر و غیره دارد. همچنین بصورت محصول جانبی فرایند سفید سازی در صنعت چوب و کاغذ و کلرزنی آب دارای فنل نیز تولید میشود(4).برخی سموم مثل لیندان و هگزاکلروبنزن می توانند توسط بعضی از گیاهان و میکرو ارگانیسمها به تری کلروفنل متابولیزه شوند(5).

 این ترکیب از فاضلابهای صنایعی مثل چوب و کاغذ، سموم کشاورزی، الوار، داروسازی، نظامی و .. وارد محیط شده و با نشت به آبهای زیرزمینی و یا با شسته شدن خاکهای آلوده باعث آلودگی منابع آب می­شوند.(6)اثرات سمی و مخرب این ترکیب بر کبد، کلیه، دستگاه عصبی مرکزی و دستگاه تولید مثل از سالها پیش مشاهده شده است (7). روش های مختلفی برای حذف فنول و ترکیبات فنولی پیشنهاد شده است که شامل جذب بر روی مواد جاذب، اکسیداسیون شیمیایی، ترسیب، تقطیر، جذب در حلال، تعویض یون، فرایند های غشایی، اسمز معکوس و فرایند جذب الکتروشیمیایی می­باشد. روش­های فوق دارای مشکلات و معایبی از قبیل هزینه بالا ، راندمان کم، زمان طولانی فرایند، تولید آلودگی های ثانویه و غیره می باشند(8). لذا  برای غلبه بر مشکلات فوق، تحقیقات برای روشهای مناسب تر در حال انجام بوده که از جمله می­توان به فرایند تجزیه اکسیداسیون پیشرفته فتوکاتالیستی اشاره نمود(9). استفاده از این فرایندهای اکسیداسیون برای تصفیه انواع پسابها رو به افزایش بوده و از اهمیت زیادی در زمینه تصفیه پساب های گوناگون برخوردار است(10،11،1).در بین مواد نیمه­رسانا که برای فرایندهای فتوکاتالیستی و سونوکاتالیستی استفاده می­شوند، نانو ذره اکسید روی از اهمیت خاصی برخوردار است. از مزیت­های دی­اکسیدروی می­توان به قابلیت جذب طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیسی نسبت به اکسیدتیتانیم، بالا بودن خاصیت فتوکاتالیستی آن در برابر تابش پرتو UVA ، در دسترس بودن، ارزان بودن، غیرفراربودن، عدم سمیت و واکنش پذیری بالای اشاره کرد(11).طی تابش اشعه UV به نانوذرات نیمه هادی، فوتونهایی که انرژی مساوی یا بیشتر از انرژی شکاف نانو ذره دارند، جذب نانوذره شده و سبب برانگیخته شدن الکترون و جابجایی الگترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش می­شوند و در نتیجه به طور همزمان یک محل خالی از الکترون ( (h+ به نام حفره درنوار ظرفیت ایجاد می شود. تعدادی از الکترون های برانگیخته شده و حفره های تولید شده می توانند به سطح نانو ذرات برسند و سبب کاهش یا اکسایش گونه­های آلی و غیر آلی جذب شده روی سطح نانو ذرات شوند. اکسیژن به عنوان گیرنده الکترون عمل کرده و الکترون راجذب می کند و رادیکال فوق العاده اکسید کننده­  هیدروکسیل تولید می­شود، رادیکال هیدروکسید تولید شده یک اکسید کننده قوی بوده و می تواند باعث تجزیه و تخریب مواد آلی شود(13،12).در این مطالعه از روش سطح پاسخ (Response Surface Methodology) جهت طراحی آزمایشات و شرایط بهینه استفاده خواهد شد .امروزه در تحقیقات مرسوم کلاسیک برای آزمایش هایی با فاکتورهای زیاد، با ثابت نگه داشتن همه پارامتر ها یک پارامتر تغییر می کند و با تکرار این کار برای سایر پارامتر ها، نمودار رفتار هر پارامتر و شرایط بهینه مشخص می شود . این مسئله منجر به این می شود که اثر تداخلی سایر فاکتورهای موجود در فرآیند مورد توجه قرار نگیرد(14). علاوه بر این ، روش های کلاسیک بسیار زمان بر بوده و برای به دست آوردن سطوح بهینه، نیاز به تعداد قابل توجهی آزمایش می باشد. این محدودیت های روش های کلاسیک را می توان از طریق بهینه سازی کلیه فاکتورهای موثر، از طریق آزمایش با تکنیک های آماری نظیر رویه پاسخ (Response Surface Methodology)که از پرکاربردترین روش های طراحی آزمایش می باشند، حذف نمود. روش های طراحی آزمایش، بر خلاف روش های متداول کلاسیک، حجم بسیار زیادی از اطلاعات را در اختیار محقق قرار می دهند(15،16،17،18). روش طراحی آزمایش رویه پاسخ برای مشخص کردن ارتباط یک متغیر هدف (متغیر پاسخ) با چند متغیر کمی آزمایشگاهی به کار برده می شود.مزایای روش رویه پاسخ به روش های کلاسیک این است که تعداد آزمایش ها و در نتیجه زمان و هزینه آزمایش ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و همچنین اطلاعات کافی جهت مطالعات آماری، اعتبار نتایج و بررسی اثر پارامترها و تداخل های آنها را فراهم می آورد(19،20).

1. درصد حذف تری کلروفنل 2،4،6 بر حسب سطوح عامل  pHدر فرایند فوتوکاتالیستی چقدر می باشد؟
2. درصد حذف  تری کلروفنل 2،4،6 بر حسب سطوح عامل دوز نانو ذرات  دی اکسید روی در فرایند فتوکاتالیستی چقدر می باشد؟
3. درصد حذف تری کلروفنل 2،4،6  بر حسب سطوح عامل زمان تماس در فرایند فتوکاتالیستی چقدر می باشد؟
4. درصد حذف تری کلروفنل 2،4،6 بر حسب سطوح عامل غلظت اولیه در فرایند فوتو کاتالیستی چقدر می باشد؟  

تعیین کارایی فرآیند نانو فوتوکاتالیستی با استفاده از نانو ذرات دی اکسید روی در حذف تری کلروفنل2،4،6 به روش سطح پاسخ

1. تعیین درصد حذف تری کلروفنل2،4،6 بر حسب سطوح عامل  pH در فرایند فوتوکاتالیستی
2. تعیین درصد حذف تری کلروفنل2،4،6 بر حسب سطوح عامل دوز نانو ذرات دی اکسید روی در فرایند فوتوکاتالیستی
3. تعیین درصد حذف تری کلروفنل2،4،6 بر حسب سطوح عامل زمان تماس در فرایند فوتوکاتالیستی
4. تعیین درصد حذف تری کلروفنل2،4،6 بر حسب سطوح عامل غلظت اولیه تری کلروفنل2،4،6 در فرایند فوتوکاتالیستی

وزارت نیرو، شرکت آب و فاضلاب( اگر چه توانایی اکسیدکنندگی فرایند بر روی یک نوع آلاینده مورد آزمایش قرار می گیرد اما همه صنایع  که فاضلاب تولیدی آنها حاوی انواع آلایندها است می توانند از نتایج و دستاوردهای این پژوهش استفاده کنند و از این تکنولوژی برای حذف  انواع آلاینده های مقاوم به تجزیه زیستی  قبل از رهاسازی فاضلاب تولیدی به محیط استفاده نمایند.)

ندارد

تجربی-آزمایشگاهی

محلول های سنتتیک حاوی غلظت های مختلف آلاینده

با توجه به اهداف اختصاصی، اندازه نمونه و تعداد آزمایشات برای  تری کلروفنل 2،4،6 با استفاده از روش   RSM از نوع    Box Behnken  تعیین میگردد. مطابق با این روش با توجه به اینکه اثر 4 عامل (pH، دوز نانو ذرات دی اکسید روی ، زمان تماس ، غلظت تری کلروفنول) همگی در 3 سطح، در فرایند فوتوکاتالیستی مورد بررسی قرار می گیرد. تعداد  Run 50  به صورت جدول زیر  برای تری کلروفنل2-4-6  مورد نیاز است .

ندارد

اندازه گیری ها با استفاده از دستگاههای مربوطه ( دستگاه اسپکتروفتومتر، دستگاه pH مترو ...  ) بر طبق روش استاندارد متد APHA, 2005) ) انجام خواهد شد و سپس در فرم های اطلاعاتی طراحی شده مطابق با روش طراحی آزمایش ها (RSM) ثبت می گردد .

این مطالعه یک ، تحقیق علمی - کاربردی است که به صورت تجربی و در مقیاس آزمایشگاهی انجام می گیرد. در مرحله نخست مواد مورد نیاز با درجه آزمایشگاهی از شرکت­های معتبر خریداری میشود. روند انجام کار مطابق جدول حجم نمونه طراحی شده توسط نرم افزار Design Expert می باشد. طبق ترتیب تصادفی ارائه شده در روش RSM   هر یک از Run ها بر روی هر یک از نمونه های مختلف تری کلروفنل 2،4،6 ( روش تهیه در ادامه  توضیح داده شده)  اعمال می گردد. سپس در انتهای هر Run در فرایند فوتوکاتالیستی، به منظور بررسی عملکرد و تعیین راندمان حذف تری کلروفنل 2،4،6، پس از خروج نانوذرات با استفاده از فیلتر سرنگی، جذب نمونه ها به وسیله دستگاه GC اندازه گیری و گزارش خواهند شد . در ادامه نتایج مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته تا شرایط بهینه حذف تعیین گردد.

 محلول استوک تری کلروفنل 2،4،6، با استفاده از آب دوبار تقطیر تهیه شده و سپس محلول های با غلظت (50 ، 100 ، 150)میلی گرم درلیتر ساخته می‌شود . پساب ساخته شده را درون بشر ریخته سپس  pHرا در محدوده (3، 7، 11) با دستگاه pH  متر تنظیم نموده و غلظت های(2/0، 4/0، 6/0)گرم در لیتر از نانو ذره اکسید روی را اضافه کرده و در مدت زمان های (25،50،75) دقیقه تحت تابش امواج uv (15)وات قرار می دهیم . جهت تنظیم pH از محلول H₂SO₄ و NaOH(0/01 N) استفاده می شود . در حین انجام کار به دلیل اثرات مضر مواد آزمایشگاهی روی سلامت انسان از وسایل حفاظت فردی (دستکش ، ماسک ، روپوش و عینک محافظتی) استفاده می شود . 

RSM : روش سطح پاسخ یا روش رویه پاسخ از جمله روش های بهینه سازی می باشد که با استفاده از مجموعه ای از تکنیک­های ریاضی و آماری مسائل را مدل می­کند و نه تنها باعث می شود اجرای پرهزینه شبیه سازی کاهش یابد بلکه روند طبیعی بهینه سازی فرایند را که اغلب غیر خطی می باشد را پیش بینی می­کند. برای انجام یک تحقیق بر اساس  RSM  به کمک یک نرم افزار آماری از قبیل MINITAB  یا  Design Expert، پنج مرحله شامل طراحی آزمایشها (Experimental Design)، تجزیه و تحلیل داده ها (Experimental Analyses)، غربالگری و حذف فاکتور های غیر معنی دار و تجدید مدل آماری تا رسیدن به مدل قابل قبول (Screening)، بهینه سازی (Optimization)  و یافتن ناحیه و نقطه بهینه ادامه می یابد. در نهایت باید اعتبار سنجی (Validation) یافته ها و نقطه بهینه به کمک نرم افزار آماری صورت گیرد . 

ندارد

ندارد

نانوذرهZnO-تری کلروفنل2-4-6- فرایند فتوکاتالیستی

[1] Zhang, T., You, L.,(2006) Photocatalytic reduction of pchloronitrobenzene

on illuminated nano-titanium dioxide

particles, Dyes and Pigments 68.

[2] Liu, Y., (2009) Aqueos p-chloronitrobenzene decomposition

induced by contact glow discharge electrolysis, J. Hazardous

Materials 166.

[3] Strathmann, T., Villasenor, G., (2008) Application of

surface complexation modeling to the reactivity of iron(II) with

nitroaromatic and oxime carbamate contaminants in aqueous

TiO2 suspensions, J. Colloid and Interface Science 321.

[4]who.International Program on Chemical Safety,Environmental

[5]kiefer MC,Hengraprom S,Knuteson S.Environmental Engineering Chemistry II:organochlorines:Analysis of the Chlorophenol Group.Clemsonuniverity EE and S 1998;345:1=11

[6]Otte MP,Comeau Y,Samson R,Wager C.Enhancement of Penta a chlo rophenol Bioremediation Using Organic and Inorganic Support.Bioremediation J 1999;3(1):35-45

[7]An F, Feng X, Gao B. Adsorption property and mechanism of composite adsorbent PMAA/SiO9 for aniline. Journal of Hazardous Materials. 9101;071(0–4):166-511.

[8]. Dehghani fard E, Jonidi Jafari A, Rezae Kalantari R, Gholami M, Esrafili A. Photocatalytic Removal of Aniline from Synthetic Wastewater using ZnO Nanoparticle under Ultraviolet Irradiation. Iranian Journal of Health and Environment. 9109;5(9):067-71.

[9]. Gómez JL, León G, Hidalgo AM, Gómez M, Murcia MD, Griñán G. Application of reverse osmosis to remove aniline from wastewater. Desalination. 9116;915(0–4):617-64.

[10]. Wu G-Q, Zhang X, Hui H, Yan J, Zhang Q-S, Wan J-L, et al. Adsorptive removal of aniline from aqueous solution by oxygen plasma irradiated bamboo based activated carbon. Chemical Engineering Journal. 9109;015–016:910-01.

 [11]Dvořák L, Lederer T, Jirků V, Masák J, Novák L. Removal of aniline, cyanides 09. and diphenylguanidine from industrial wastewater using a full-scale moving bed biofilm reactor. Process Biochemistry. 9101;16(0):019-6.

[12] http://www.epa.gov/chemfact/anali-sd.txt, Aniline Fact Sheet,.9105

[13] Gürten AA, Uçan S, Özler MA, Ayar A. Removal of aniline from aqueous solution by PVC-CDAE ligand-exchanger. Journal of Hazardous Materials. 9115;091(0–4):10-7.

[14].   Chavalparit, O., Ongwandee, M., Optimization electrocoagulation process for the treatment of biodiesel wastewater using response surface methodology, Journal of Environmental Science, 21 (2009)1491-1496.

[15].   Khuri, A.I., Response Surface Methodology and Related Topics, Singapore, World Scientific,2006.

[15].   Sadri Moghaddam, S., Alavi Moghaddam, M. R., Arami, M., Response surface optimization or acid red 119 dye from simulated wastewater using Al based waterworks sludge and polyaluminum chloride as coagulant, Journal of Environmental Management, 94 (2011)1284-1291.

[17].  Yildiz, Y.S, Optimization of Bomaplex Red CR-L dye removal from aqueous solution by electrocoagulation using aluminum electrodes, Journal of Hazardous Materials, 153 (2008) 194–200

[18].  Logothetis, Nicholas, Wynn, Henry, Quality through design: experimental design, off-line quality control, and Taguchi's contributions, New York: Oxford university press,1994.

[19].  Aleboyeh, A., Daneshvar, N., Kasiri, M. B., Optimization of C.I. Acid Red 14 azo dye removal by electrocoagulation batch process with response surface methodology, J. Chemical Engineering and Processing, 47 (2008) 827-832.

[20]. Sadri Moghaddam, S., Alavi Moghaddam, M. R., Arami, M., Coagulation/flocculation process for dye removal using sludge from water treatment plant: Optimization through response surface methodology, Journal of Hazardous Materials, 175 (2010)651-657.