با افزایش توسعه شهر نشینی و صنعت، مشکلات محیط زیستی نیز افزایش یافته است. افزایش پساب های صنعتی مخصوصا پساب های رنگی از مهمترین عوامل آلودگی محیط زیست بوده که ناشی از پیشرفت های جوامع و صنایع می باشد. عوامل رنگی غیر معدنی موجود در پساب های رنگی بدلیل سمیت بالا و جهش زا بودن خطرات زیادی برای سلامتی انسان ها و گیاهان دارد.
با توجه به وضعیت موجود، تصفیه کامل پساب های رنگی به شدت حیاتی بوده و نیاز است تا بازدهی روش های تصفیه را تا حداکثر ممکن افزایش داد. در این مقاله به بررسی جدیدترین مطالعه صورت گرفته روی تصفیه پساب های رنگی و نوآوری آنها در افزایش بازدهی تصفیه می پردازیم.
روش فوتوکاتالیست
تا به حال روش های گوناگونی برای تصفیه آلودگی های غیرمعدنی موجود در پساب های صنعتی مطرح شده و مورد استفاده قرار گرفته اند که عبارتند از: روش های فیزیکی، روش های بیولوژیکی و روش های شیمیایی. اما موضوعی که در رابطه با روش های سنتی مطرح می باشد این است که این روش ها بازدهی پایین و مصرف انرژی بالا داشته و قابلیت تصفیه کامل پساب های صنعتی را ندارند از این رو لازم است تا روش های جدید با بازدهی بالا توسعه داده شوند.
در سال 1972 محققی به نام فوجیشیما (Fujishima) آزمایش جدیدی انجام که طی آن آب را بصورت فوتوکاتالیسیتی تجزیه نمود تا به هیدروژن دست یابد و برای این کار از اکسید تیتانیوم (TiO2) به عنوان کاتالیست استفاده کرد. پس از تحقیق فوجیشیما روش فوتوکاتالیست توسعه پیدا کرد و تحت عنوان روشی با بازدهی بالا، فرآیند کوتاه مدت و عاری از ایجاد آلودگی های ثانویه برای تصفیه پساب های صنعتی مطرح و استفاده گردید. اکسید تیتانیوم به علت فعالیت کاتالیستی بالا، قیمت پایین، پایداری شیمیایی بالا و عدم سمیت رایج ترین و بهترین ماده کاتالیست موجود برای استفاده در این روش شناخته می شود.
در روش فوتوکاتالیست اکسید تیتانیوم (ماده فوتوکاتالیست) تحت تابش امواج فرابنفش قرار گرفته که این امر منجر به تهییج شدن الکترون های نوار ظرفیت و انتقال آنها به نوار هدایت در اکسید تیتانیوم می گردد. در نتیجه این فرآیند، الکترون های تهییج شده از سطح ماده فوتوکاتالیست آزاد می گردند. در ادامه، الکترون های آزاد شده با مولکول های آب اندرکنش داشته و منجر به تشکیل ترکیبات واکنش پذیر بر پایه دو عنصر اکسیژن و هیدروژن (رادیکال های آزاد) می گردد. این ترکیبات واکنش پذیر متعاقبا به مولکول های آلاینده های آلی حمله کرده و باعث به تجزیه این مولکول ها به ترکیبات غیر سمی می شوند.
بدین ترتیب آلاینده های غیر معدنی موجود در پساب های صنعتی به کمک اکسید تیتانیوم و طی فرآیند فوتوکاتالیست حذف گردیده و پساب تصفیه می گردد. در سال های اخیر، تلاش های زیادی جهت تقویت بازدهی این روش صورت گرفته است که طی آن روش فوتوکاتالیست با فرآیند های اکسیداسیون نظیر فنتون اکسیداسیون ، اوزون اکسیداسیون و پلاسما اکسیداسیون ترکیب شده و بازدهی فرآیند فوتوکاتالیستی در حذف آلودگی ها افزایش یافته است. اما به تازگی گروهی از محققین چینی با استفاده از یک تکنیک نوآورانه روش فوتوکاتالیست رو بهبود داده و بازدهی آن را تا 97% افزایش دادند که در ادامه توضیح داده می شود.
استفاده از نانو حباب در کنار نانو ذرات اکسید تیتانیوم
در تحقیقی که جدیدا صورت گرفته، راکتوری فوتوکاتالیستی طراحی و توسعه داده شده است که در آن از نانو لوله های اکسید تیتانیوم به همراه نانو حباب ها برای تصفیه پساب های رنگی استفاده می گردد. این راکتور از جنس استیل و بصورت استوانه بوده و در طراحی آن از توری با جنس تیاتنیوم (Ti) استفاده شده که نانو لوله های اکسید تیتانیوم به روش آنٌدایز کردن (Anodization) روی توری تیاتنیومی بصورت یک پوشش یکنواخت سنتز شدند.
استفاده از توری این امکان را فراهم می آورد که سطح بیشتری برای تماس نانو لوله ها با پساب رنگی در دسترس بوده و بازدهی تصفیه کاتالیستی تقویت گردد. همچنین، نانو لوله ها سطح ویژه بالایی دارند که این امر سطح تماس آنها را با پساب رنگی افزایش داده و فعالیت کاتالیستی آنها را بهبود می دهد. درون راکتور منبع تامین کننده امواج فرابنفش (لامپ UV) تعبیه شده است تا به کمک آن فرآیند فوتوکاتالیستی صورت پذیرد. در خارج از راکتور دستگاه تولید کننده نانو حباب قرار دارد که پساب رنگی قبل از اینکه وارد راکتور شود از درون حباب ساز عبور کرده و حباب های نانو متری در پساب ایجاد می گردد. زمانی که پساب رنگی وارد راکتور می شود فرآیند فوتوکاتالیست آغاز شده و پس از حذف آلایندگی ها آب تصفیه شده به خارج از راکتور منتقل می گردد. شماتیک راکتور ساخته شده در تصویر نشان داده شده است.
همانطور که قبلا هم توضیح داده شد، در روش فوتوکاتالیست آزاد شدن رادیکال های آزاد و اندرکنش آنها با آلاینده ها می باشد که منجر به حذف مواد الاینده و تصفیه پساب می گردد. بنابراین در صورتی که بتوان میزان آزاد سازی رادیکال های آزاد و مقدار آنها را افزایش داد می توان بازدهی فرایند فوتوکاتالیست را تقویت نمود.
نانو حباب ها ماندگاری بالا، سطح ویژه بالا و قابلیت بالا در آزاد سازی رادیکال های آزاد دارند. از این رو، در این تحقیق از نانو حباب ها بعنوان منابع رادیکال های آزاد استفاده شده است که حضور آنها غلظت این ترکیبات واکنش پذیر را افزایش داده و بازدهی فرآیند تصفیه را به شدت تقویت می کند. به عبارت دیگر در این راکتور دو منبع تامین کننده رادیکال آزاد وجود دارد:
1. نانو ذرات اکسید تیتانیوم که در اثر تابش امواج فرابنفش تهییج شده و رادیکال های آزاد ایجاد می کنند و
2. نانو حباب ها که به واسطه سطح ویژه بالا تامین کننده رادیکال های آزاد هستند. نتایج آزمایشات محققان در این مطالعه نشان داد که وجود دو منبع فراهم کننده رادیکال های آزاد بازدهی روش فوتوکاتالیست در تصفیه پساب رنگی را تا 97% تقویت نموده است.
تاثیر پارامتر های مختلف در فرآیند فوتوکاتالیست
در روش فوتوکاتالیست صرفا حضور نانو حباب ها بر بهبود فرآیند تاثیر گذار نیستند بلکه پارامتر های دیگری در روش فوتوکاتالیست وجود دارد که کنترل کردن آنها برای دستیابی به بازدهی بهینه از اهمیت زیادی برخوردار است. در این تحقیق نیز تاثیر این پارامتر ها بررسی شده اند که در ادامه به معرفی و شرح آنها می پردازیم.
- مدت زمان حضور پساب در راکتور: به منظور بررسی این پارامتر، پساب رنگی طی مدت زمان های مختلف 300، 320 و 485 ثانیه در راکتور نگهداری شد و میزان بازدهی فرآیند فوتوکاتالیست محاسبه گردید. نتایج این آزمایشات نشان دادند که بالاترین بازدهی حذف آلایندگی ها زمانی حاصل شدکه پساب رنگی به مدت 320 ثانیه در راکتور حضور داشت و با افزایش بیشتر زمان حضور پساب در راکتور بازدهی کاهش یافت. با توجه به این نتایج مشخص می شود که مدت زمان حضور پساب در راکتور مقداری بهینه داشته و در زمان های بیشتر یا کنتر از آن نیزان بازدهی فرآیند کاهش می یابد.
- مقدار pH پساب: مقدار پساب رنگی نقش مهمی در بازدهی تصفیه فوتوکاتالیستی آن دارد. در این تحقیق از ماده رنگی رودامین بی (Rhodamine B) بعنوان آلاینده رنگی آلی استفاده شد و pH پساب حاوی این ماده در مقادیر مختلف 94/1، 17/3، 37/5، 45/7، 87/9 و 07/11 تنظیم گردید. نتایج آزمایشات صورت گرفته روی این پساب ها نشان دادند که بالاترین بازدهی در حذف آلاینده زمانی حاصل شده است که pH پساب برابر با 94/1 بوده و با افزایش pH بازدهی فرآیند تصفیه کاهش یافته است.
- غلظت نانو حباب ها در پساب: جهت بررسی تاثیر غلظت نانو حباب ها نرخ جریان گاز حباب ساز از 20 تا 60 میلی لیتر بر دقیقه متغیر در نظر گرفته شد. نتایج بدست آمده نشان دادند که وقتی نرخ جریان گاز از 20 تا 50 میلی لیتر بر دقیقه افزایش داده شد بازدهی فرآیند فوتوکاتالیست از 76% تا 93% افزایش یافت. اما افزایش بیشتر نرخ جریان گاز تا 60 میلی لیتر بر دقیقه با کاهش بازدهی حذف آلاینده همراه بود. علت این امر این است که با افزایش بیش از حد نرخ جریان گاز ماندگاری حباب های بزرگتر در پساب کاهش یافته و قبل از اینکه رادیکال آزاد فراهم کنند از سیستم حذف می شوند و در نتیجه بازدهی فرایند فوتوکاتالیستی کاهش می یابد.
در نهایت باید گفت که نوآوری بکار گرفته شده در این تحقیق به شدت جالب توجه بوده و نقش نانو حباب ها در بهبود بازدهی روش فوتوکاتالیست از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. این تحقیق نشان می دهد که روش فوتوکاتالیست با کمک نانو تکنولوژی به یک روش مطمین با بازدهی بالا تبدیل شده که می تواند پساب های صنعتی را به بهترین شکل ممکن تصفیه نماید.
منبع:
