بررسی حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی از محلولهای آبی با استفاده ازنانوذرات SiO2

شرکت آب و فاضلاب

فلزات سنگین از مهم ترین آلاینده های موجود در طبیعت با سمیت و سرطان زایی بسیار بالایی می باشند یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین فلزات سنگین کروم می باشد (1-3). که در سپاب صنایع مختلفی ازجمله آبکاری،معدن کاری،دباغی ها وصنایع کود سازی وجود دارد (4-5). کروم موجود در طبیعت به دو حالت سه ظرفیتی و شش ظرفیتی یافت می شود(6). کروم سه ظرفیتی در مقایسه باکروم شش ظرفیتی تقریبا 1000 برابر سمی، سرطانزا و جهش‌زا است و تجمع کروم در بافت‌ها باعث ایجاد اختلال درکار کبد،کلیه و ریه می‌شود(7-9). سازمان بهداشت جهانی ((WHO و سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) به منظور کاهش مشکلات ناشی از کروم، حداکثر غلظت مجاز این آلاینده را 05/0 و 1/0 میلی گرم بر لیتر تعیین نموده اند (10-11).   فناوری های متعددی در خصوص حذف کروم ازمنابع آبی و پساب صنایع شناخته شده است که می توان به جذب سطحی؛ احیاء، ترسیب شیمیایی،    اسمز معکوس، الکترودیالیز، تبادل یونی و پالایش زیستی اشاره کرد (12-14). این گونه فرآیندها به دلیل هزینه نسبتا بالا، عدم حذف کامل کروم و هم چنین دفع مواد زائد ناشی از آنها دارای محدودیتهایی می‌باشد(15). درحال حاضر تحقیقات زیادی جهت استفاده از روش‌های نوین، ارزان و جایگزین در حذف کروم صورت گرفته است (16-17). از مهم‌ترین فرایندهای برای حذف آلاینده‌ها فتوکاتالیستی می‌باشد. واژه فتوکاتالیست دراصل به معنی شتاب بخشیدن به یک واکنش فوتونی توسط فوتوکاتالیست است. فتوکاتالیست فرآیندی است که برپایه ی جذب انرژی نورتوسط ماده جامد ونیمه رسانا می باشد دراین فرآیند نانو ذرات در نقش کاتالیست فوتونهای پرانرژی طیف (UR) را جذب و متعاقب آن را در رادیکال هیدروکسیل که اکسید کننده‌ای قوی است شکل می‌گیرد (18). حذف فوتوکاتالیست فرآیندی است که با استفاده از نانوذرات صورت می گیرد. نانو تکنولوژی فرآیندی است که در جلوگیری ازآلودگی، شناسایی، اندازه گیری و تصفیه آلاینده ها نقش کلیدی ایفا می‌کند یکی از فناوریهای نانو استفاده از ذرات در مقیاس نانو برای تصفیه و حذف آلاینده هاست(19).در سالهای اخیر فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) برای برآورده کردن تصفیه موثر فاضلاب توسعه پیدا کرده است (15, 16). فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته عوامل اکسیداسیون قوی (رادیکالهای هیدروکسیل) تولید می‌کنند که آلاینده‌های موجود در فاضلاب را بطور کامل تخریب می‌کنند (14). در تجزیه فوتوکاتالیستی، مواد آلوده کننده تحت تاثیر تابش پرتو فرابنفش(UV) و در حضور ذرات اکسید فلزی نظیرZnO و TiO₂ تجزیه می‌گردند (15 و 16). مکانیسم روش تجزیه فتوکاتالیستی براساس تولید رادیکال‌های فعال و واکنشی مانند OH⁰ و تجزیه آلاینده از طریق این رادیکال ها است(14). موادی با اندازه کمتر از 100 نانومتر که حداقل یکی از ابعاد آنها این مقدار باشد در گروه نانو ذرات طیقه بندی می شود. اندازه کوچک نانو ذرات به آنها اجازه می‌دهد که از لحاظ فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خصوصیات ویژه و منحصر به فردی را از خود نشان میدهد(20). نانو ذرات کروی سلیس کاربردهای وسیع در صنایع شیمیایی،کاتالیست ها، عایق های الکتریکی،حرارتی و...دارد.(21) مطالعات نشان داده که ذرات SiO₂ می تواند به عنوان جاذب برای جذب آلودگی‌های طبیعی طبیعی و یونهای فلزی مطرح باشند، به طوریکه استفاده از فیلترهای پوشیده با نانو ذرات سیلیکون در حذف آلاینده های آلی موفقیت آمیز بود (22-23). از آنجائیکه مطاله مشابهی در زمینه حذف کروم با استفاده از فرآیند فوتوکاتالیستی با نانو ذره سیلیس انجام نشده است، بنابراین هدف از این مطالعه حذف فتوکاتالیستی کروم با استفاده از نانو ذراتSiO₂  می باشد.

در زمینه تصفیه کروم از آب و فاضلاب 

صنایع مختلف

درصد حذف کروم شش ظرفیتی با استفاده از فرایند فتوکاتالیستی در حضور نانوذرات اکسید سیلیس از محلولهای آبی چقدر می باشد؟

درصد حذف کروم شش ظرفیت با استفاده از فرایند فتوکاتالیستی در حضور نانوذرات اکسید سیلیس بر حسب دوزهای نانو ذرات در محیط های آبی چقدر می باشد؟

درصد حذف کروم شش ظرفیتی با استفاده از فرایند های فتوکاتالیستی در حضور نانوذرات اکسید سیلیس بر حسب زمان های تماس در محیط های آبی چقدر می‌باشد؟

درصد حذف کروم شش ظرفیتی با استفاده از فرایند های فتوکاتالیستی در حضور نانوذرات اکسید سیلیس بر حسب غلظت ها آلاینده در محیط های آبی چقدر می باشد؟

درصد حذف کروم شش ظرفیتی با استفاده از فرایندهای فتوکاتالیستی در حضور نانوذرات اکسید سیلیس برحسب شدت های  تابشی لامپ UV در محیط های آبی چقدر می باشد؟

بررسی حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی  از محلولهای آبی با استفاده از نانوذرات اکسید سیلیس

1.تعیین حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی با استفاده ازنانو ذره اکسید سیلیس در pHهای مختلف

2.تعیین حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی با استفاده از نانو ذره اکسید سیلیس در زمان تماس‌های مختلف

3.تعیین حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی بااستفاده از نانوذره اکسید سیلیس درغلظت‌های متفاوت کروم

4.تعیین حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی بااستفاده از نانوذره اکسید سیلیس در مقدارهای متفاوت نانوذره

5.تعیین حذف فتوکاتالیستی کروم شش ظرفیتی بااستفاده از نانوذره اکسید سیلیس در  تابش های مختلف

استفاده در صنایعی که فاضلاب آنها حاوی فلز سنگین کروم می باشد

وزارت نیرو- آب و فاضلاب

فتوکاتالیست (Photocatalyst)  به کاتالیزورهایی گفته می شود که در حضور نور فعال می شوند.

فتوکاتالیست ها معمولا اکسید های جامد نیمه رسانا هستند که با جذب فتون ها یک الکترون – حفره در آنها ایجاد می شود این الکترون – حفره می تواند با مولکول های موجود در سطح ذرات واکنش دهند

بنیادی -کاربردی

معیارهای ورود نمونه های آزمایشگاهی

روش نمونه برداری بصورت غیر احتمالی در دسترس می باشد که بعد از انجام فرایند، نمونه ها برداشته شده و پس از آماده سازی غلظت کروم با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه‌گیری خواهد شد.

پس از انجام فرایند در هر مرحله، نمونه‌های حاصل مورد آزمایش قرار خواهد گرفت و مقدار کروم باقیمانده با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتری بدست خواهد آمد. در نهایت نمودار های مربوطه بر حسب درصد حذف رسم خواهد شد

تهیه محلول استوک کروم شش ظرفیتی: به منظور تهیه غلظت های مختلف کروم ازمحلول استوک1000میلی گرم برلیتر دی کرومات پتاسیم استفاده خواهد شد به این ترتیب که ابتدا مقدار 8/2 گرم ازدی کرومات پتاسیم را وزن، و در یک بالن یک لیتری توسط آب مقطر دو بار تقطیر و به حجم 1 لیتر رسانده خواهد شد و سپس غلظت‌های مختلف از روی محلول استوک تهیه، و رقیق سازی خواهند شد.

ساختار و طراحی راکتور: راکتور از دو قسمت تشکیل شده است قسمت درونی راکتور حاوی محلولی به حجم 1 لیتر بود و قسمت بیرونی راکتور به حجم 2 لیترآب برای نگهداری محلول در دمای 25درجه سلسیوس پوشانده می‌شود در طول آزمایشات به طور مداوم هم زده خواهد شد. همچنین ازلامپ UV برای منبع پرتودهی فرابنفش استفاده خواهد شد.

مهم ترین متغیرهای مورد بررسی در این آزمایش:

pH اولیه محلول با دامنه 3 الی 9، دوز جاذب1/0 تا 1 ، زمان واکنش 10 الی 120 دقیقه و غلظت اولیه کروم 10 تا 200 میلی‌ گرم در لیتر  و توان لامپ 8 و 15 و 30 وات خواهد بود.  

شرح آزمایش:

برای بدست آوردن  pHبهینه ابتدا 7 ظرف را انتخاب کرده و در هر کدام مقدار100 میلی گرم برلیتر نمونه با غلظت ثابت کروم ریخته خواهد شد و سپس 2/0 گرم برلیتر نانودزه را به تمام ظرف‌ها اضافه کرده و زمان را برای تمام ظرف‌ها در رون راکتور 60 دقیقه انتخاب خواهیم کرد. بعد از سپری شدن زمان 60 دقیقه نمونه را از درون راکتور برداشته با صافی واتمن جداسازی را انجام خواهیم داد و مقدارکروم شش ظرفیتی باقی مانده را با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر سنجیش خواهیم کرد.

بعد از بهینه سازی pH نوبت به بهینه‌سازی دوز نانوذره خواهد رسید که تمام مراحل را مانند مرحله قبل تکرار خواهیم کرد. با این تفاوت که میزان دوز نانودره را متغیر در نظرگرفته و pH بهینه را که از مرحله قبل به دست می‌آید. برای تمامی ظرف‌ها ثابت نگه میداریم و مقدار بهینه نانوذره تعیین می‌شود. بعد از بدست آوردن pH بهینه و دوز نانوذره بهینه، تمامی این مراحل را برای بدست آوردن زمان تماس، توان لامپ تابشی و غلظت بهینه کروم تکرار خواهیم کرد.  

با استفاده از نرم افزار EXCEL یا SPSS نمودارهای مربوطه بر حسب درصد حذف کروم شش ظرفیتی رسم خواهد شد.

ملاحظات اخلاقی ندارد

محدویت اجرایی ندارد

حذف فتوکاتالیستی،کروم شش ظرفیتی، نانوذره  SiO₂

1. Bennicelli R, Stepniewska Z, Banach A, Szajnocha K, Ostrowski J. The ability of Azolla caroliniana to remove heavy metals (Hg(II), Cr(III), Cr(VI)) from municipal waste water. Chemosphere. 2004;55(1):141-6.
2. Malakootian M, Moussavi S, Toolabi A. A Study of kinetics And Biosorption Isotherms of Heavy Metals By Algae Ulothrix Zonata from Industrial Wastewater. Scientific Journal of Ilam University of Medical Sciences. 2009;19(4):27-37.
3. Kumar PA, Ray M, Chakraborty S. Hexavalent chromium removal from wastewater using aniline formaldehyde condensate coated silica gel. Journal of Hazardous Materials. 2007;143(1–2):24-32.
4. Mohan D, Singh KP, Singh VK. Trivalent chromium removal from wastewater using low cost activated carbon derived from agricultural waste material and activated carbon fabric cloth. Journal of Hazardous Materials. 2006;135(1–3):280-95.
5. Zhang H, Tang Y, Cai D, Liu X, Wang X, Huang Q, et al. Hexavalent chromium removal from aqueous solution by algal bloom residue derived activated carbon: Equilibrium and kinetic studies. Journal of Hazardous Materials. 2010;181(1–3):801-8.
6. Ghaneian M, Jamshidi B. Survey of chromium (VI) Removal by Russian knapweed plant Flower Powder frome aqueous solution.  Fourteenth National Conference on Environmental Health; 2011; Yazd. 2011.
7. Khodabakhshi A, Amin MM, Sedehi M. Removal of Cr (VI) from simulated electroplating wastewater by magnetite nanoparticles. J Sharekord Univ Med Sci. 2011;13(4):94-101.
8. Siboni MS, Samadi MT, Azizian S, Maleki A, Zarrabi5 M. Removal of Chromium by Using of Adsorption onto Strong Base Anion Resin: Study of Equilibrium and Kinetic. Water & wastewater. 2011(3):10-9.
9. Liu Y-X, Yuan D-X, Yan J-M, Li Q-L, Ouyang T. Electrochemical removal of chromium from aqueous solutions using electrodes of stainless steel nets coated with single wall carbon nanotubes. Journal of Hazardous Materials. 2011;186(1):473-80.
10. Balarak D, mahdavi Y, Gharibi F, Sadeghi SH. Removal of Chromium (VI) by Canola Biomass from aqueous solution: Isotherm and Kinetic studies.J Advance Environmental Health Research. 2014;2(4).27-35.
11. Balarak D, Zazouli MA. Removal of hexavalent chromium from aqueous environments using adsorbents (Lemna and Azolla): An Equilibrium and Kinetics Study. Hormozgan Medical Journal. 2015; 19(2); 138-145.
12. Balarak D, Yari AR, Kord Mostafapour F, Mahdavi Y, Joghataei A. Agricultural Waste as Adsorbent for Removal of Chromium (VI) from Aqueous Solution. Arch Hyg Sci 2016;5(4):310-318.
13. Bansal M, Garg U, Singh D, Garg VK. Removal of Cr(VI) from Aqueous Solutions using Pre-consumer Processing Agricultural Waste: A Case Study of Rice  Husk. J Hazard Mater 2009;162(1);312-20.
14. Dakiky M, Khamis M, Manassra A. Selective  adsorption of chromium (VI) in industrial wastewater  using low-cost abundantly available adsorbents. Adv Environ Resour. 2002;6(4);533-40.
15. Tahir SS, Naseem R. Removal of Cr(III) from tannery wastewater by adsorption onto bentonite clay. Sep Purif Technol 2007;53(3);312–21.
16. Bhattacharya AK, Naiya TK, Mandal SN, Das SK. Adsorption, Kinetics and Equilibrium Studies on the Removal of Cr(VI) from Aqueous Solutions Using Different Low-Cost Adsorbents. Chem Eng J 2008;137(3);529-41.
17. Gupta VK, Shrivastava AK, Jain N. Biosorption of chromium (VI) from aqueous solutions by green algae spirogyra species. Water Res 2001;35(17):4079-85
18. Malakootian M, Hashemi Cholicheh M. Efficacy of Photocatalytic Processes Using Silica and Zirconia Nanoparticles in the Bivalent Nickel Removal of Aqueous Solutions and Determining the Optimum Removal Conditions. J Mazandaran Univ Med Sci. 2012; 22 (93) :96-87.
19. Samarghandi M, Farrokhi M, Shirzad-Siboni M. Photocatalytic Removal of Hexavalent Chromium from Aquatic Solution by Using of Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticle in Aerobic and Anaerobic Condition: Kinetic Study. 3. 2014; 22 (S1):1-10.
20.  Balarak  D, Mahdavi  Y, Joghatayi A. Adsorption of fluoride using sio₂  nanoparticles as adsorbent. International Journal of Engineering Technologies and Management Research. 2015;2(2);1-9.
21. Green DL, and Lin JS, Size, VolumeFraction and Nucleation of Stober Silica Nanoparticles. Journal of Colloidal andInterface Science.2003; 266; 346-358.
22. Kim KD, Kim HT. New Processfor the Preparation of Mono dispersed Spherical Silica Particles. Journal American Ceramic Society. 2002; 85(5); 1107-13.
23. Fatemeh Mansoori F, Malakootian M, Kalankesh LR, Kinetics and Isothermic Behavior of SiO₂ Nanoparticles in Removal of Humic Acid from Aqueous Solutions: a case study on the Alavian Dam in Maragheh City, Iran. J Health Dev. 2014; 3 (1) :71-0.
24. Asadi A, Dehghani MH, MR MR, Rahmani A, Golestanifar H. Removal of chromium (VI) using UV/ZnO, UV/TiO2 and UV/H2O2 processes from aqueous solutions. Journal of north khorasan university of medical sciences. 2012; 3 (410),7-13.
25. Samarghandi MR.,Yang JK, Lee SM, Giahi O & Shirzad-Siboni M. Effect of different type of organic compounds on the photocatalytic reduction of Cr(VI) in presence of ZnO nanoparticles. Desalination and Water Treatment. 2014;52;7-12.
26. Farrokhi M, Shirzad Siboni M. Removal of hexavalent chromium from aqueous solution using adsorbtion anto modified alder sawdust. J of guilan university of medical sci. 2014; 23(89); 57-65.
27.   Asadi A, Dehghani  MH, Ristkari N, Naseri S, Mahvi AH. Comparison of the potential of zinc oxide and hydrogen peroxide nanoparticles to remove chromium 6 from contaminated water. Birjand University of Medical Sciences.2011; 52(3);25-31.
28.  Yuan X, Zhou C, Jing Q, Tang Q, Mu Y, and Du AK^. Facile synthesis of g-C₃N₄ nanosheets ZnO nano camposites with enhanced photocatalytic activity in reduction of aqueous chromiumunder visible light. Nanomaterials. 2016; 6(9): 173-179.
29.   Xing G, Zhao L, Sun T, Su Y and Wang X. Hydrothermal derived nitrogen doped SrTiO3 for efficient visible hight driven photocatalytic reduction of chromium. Springer Plus. 2016; 5:1132-1138.

وجود ندارد