مقالات

–149

962025438150
230695520256500

وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه علوم و فنون مازندران

پایان نامه
مقطع کارشناسی ارشد
رشته: مهندسي شیمی گرايش کنترل و طراحی فرآیند
عنوان :ساخت کامپوزیت پلی پیرول بر روی پلی ونیل الکل و کاربرد آن در حذف رنگ متیلن بلو از محلول هاي آبي
استاد راهنما : جناب آقای دکتر مازیار شریف زاده
استاد مشاور : دکتر حسین اسفندیان
دانشجو : زهرا قرداشی
260096059817000زمستان92
تشکر و قدردانی
برخود لازم می دانم از زحمات استاد راهنما،جناب آقای دکتر مازیار شریف زاده و همچنین استاد مشاور جناب آقای دکتر اسفندیان تشکر و قدردانی بنمایم که اگر راهنمایی ها و نصیحت های ایشان نبود ، این پایان نامه به انجام نمی رسید از دیگر اساتید گروهمهندسی شیمی دانشگاه علوم وفنون نیز سپاسگذاری می کنم.
زهرا قرداشی
زمستان 92
چکیده:
پروژه حاضر به بررسی جذب رنگ متیلن بلو از محلول رنگی 20ppm ازمتیلن بلو به کمک کامپوزیت پلی پیرول بر پایه پلی ونيل الكل میپردازد. این آزمایشات در سیستم ناپیوسته انجام شده است. شناسایی ساختار جاذبهای سنتز شده توسط SEM (Scanning Electron Microscope) & FTIR (Fourier transform infrared) انجام گرفته است. اثر پارامترهای تجربی pH، زمان تماس ، مقدار گرم جاذب و غلظت اولیه بر جذب سطحی در تصفیه محلول رنگی مطالعه شده است.
با توجه به آزمایشات انجام شده، pH بهینه جذب رنگ متیلن بلو به کمک جاذب پلی پیرول بر پلی ونيل الكل در دمای 20 درجه سانتیگراد، 2 بوده است. با افزایش زمان تماس میزان جذب افزایش مییابدو بعد از گذشت 14 دقیقه به حالت تعادل میرسد. گرم جاذب بهینه 0.4 گرم گزارش شده است.
در ادامه، سینتیک جذب رنگ با استفاده از مدل هاي موریس وبر، شبه درجه اول و شبه درجه دوم بررسی شد. مدل جذب شبه درجۀ دوم براي بررسی سینتیک جذب رنگ متیلن بلو بهتر از سایر مدل ها بود. به علاوه، ایزوترم جذب رنگ متیلن بلو با استفاده از مدل های لانگمویر و فروندلیچ و دوبینین ـ رادشکویچ بررسی شده است. اگرچه هر دو مدل لانگمویر و فروندلیچ براي بررسی جذب این دو رنگ می توانند قابل قبول باشند ولی جذب ایزوترم لانگمویر نتایج بهتر و دقیق تري را ارائه داده است.
کليد واژه: جذب، جذب سطحی، کامپوزیت پلی پیرول بر پلی ونيل الكل، متیلن بلو، پساب رنگی، پلی ونيل الكل، پلی پیرول
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل1:کلیات1
1-1)مقدمه2
1-2)طبقه بندی رنگها:4
1-2-1) رنگ های اسیدی:7
1-2-2) رنگها راکتیو (فعال):7
1-2-3)رنگهای کمپلکس فلزی:8
1-2-4)رنگ های مستقیم:8
1-2-5)رنگهای بازی:9
1-2-6)رنگهای دندانه ای:9
1-2-7)رنگهای پخش شونده:9
1-2-8)رنگ های خمره ای10
1-2-9)رنگ های آزو10
1 -2-10)رنگهای گوگردی11
1-3) مشکلات ناشی از وجود رنگ در پساب11
1-4) روشهاي حذف رنگ از پساب13
1-4-1)روشهاي شیمیایی13
1-4-1-1)نمک های H2O2-Fe(II)13
1-4-1-2) ازوندهی(Ozonation)13
1-4-1-3) فتوشیمیایی13
1-4-1-4) هیپوکلریدسدیم (NaOCL)13
1-4-1-5)تخریب الکتروشیمیایی(Electrochemical destruction)14
1-4-2)روشهاي فیزیکی(Physical treatments)14
1-4-2 – 1)جذب14
1-4-2-1- )کربن فعال(Activated carbon)14
1-4-2-1-2)ذغال نارس(Peat)14
1-4-2-1-3)چیبس چوب (Wood chips)15
1-4-2-1-4)مخلوط خاکستربادي وزغال Fly ash and coal (mixture)15
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1-4-2-1-5)فیلترکردن(Membrane filtration)15
1-4-2-1-6)سایرمواد(other materials)15
1-4-2-1-7)تبادل یونی( (Ion exchang15
1-4-3)تیماربیولوژیکی(Biological treatments)16
1-5)جذب16
1-5- 1)جذب سطحي17
1-5- 2)كاربرد فرايندجذب سطحي19
1-5-3-1)نوع وخصوصيات جسم جاذب20
1-5- 3-2) نوع وخصوصيات ماده جذب شونده20
1-5- 3-3) ميزان اختلاط و بهم زدن فاز سيال21
1-5- 3-4) pH محيط عمل21
1-6) ايزوترمهاي جذب سطحي21
1-6-1 )جذب ایزوترم. لانگمویر22
1-6-2)جذب ایزوترم فروندلیچ23
1-7 )مدل های سینتیکی23
1-7-1 ) مدلهايي که در آنها نفوذ کنترل کننده عمليات جذب است23
1-7-2)مدلهايي که در آن جذب شيميايی در سايت‌های جاذب کنترل‌کننده عمليات جذب است24
فصل2:مطالعات کتابخانه اي26
فصل 2 – مقدمه27
2-1)تاریخچه27
2-2 )مروري برمطالعات گذشته در حذف رنگ متیلن بلو27
فصل3:مواد و روش های آزمایش32
فصل 3-مقدمه33
3-1)مواد و وسایل مورد استفاده33
3-2)تعیین مشخصات رنگ متیلن بلو34
3-3)روش انجام تحقیق34
3-4)ساخت کامپوزیت PPY/PVA35
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-5)ساخت جاذب پلی پیرول36
فصل4:نتایج وبحث37
فصل 4-مقدمه38
4-1) بررسی ساختار جاذب ها به وسیلهیSEM & FTIR38
4-2) بررسی اثر pH بر روی راندمان حذف41
4-3) بررسی اثر میزان جاذب بر روی راندمان حذف42
4-4) بررسی اثر زمان انجام واکنش بر روی راندمان حذف43
4-5)بررسی اثر غلظت اولیه محلول رنگی متیلن بلو بر راندمان جذب43
4-6) بررسی سینتیک جذب44
4-6-1) معادله خطی شده موریس- وبر45
4-6-2) معادله خطی شده شبه درجه یک46
4-6-3) معادله خطی شده شبه درجه دوم46
4-7) بررسی ایزوترمهای جذب47
4-7-1)معادله خطی شده لانگمویر47
4-7-2)معادله خطی شده فرندلیچ48
4-7-3)معادله خطی شده دوبینین ـ رادشکویچ49
4-8) مقایسه میزان جذب رنگ متیلن بلو بین جاذبهایPPy/PVA& PPy&PVA50
فصل 5:جمع بندی و پیشنهادات52
5-1) پیش درآمد53
5-2) جمع بندی53
5-3) پیشنهادات54
منابع و مآخذ55
فهرست علایم و نشانه ها
عنوان علامت اختصاري
پلیپیرولPPy
پلیپیرول کت شده بر روی پلی ونیل الکلPPy/PEG
غلظت تعادلیCe(ppm)
غلظت در زمانCtt(ppm)
غلظت اولیهCi (ppm)
ضریب همبستگیr2
ثابت لانگمویرKL (l/mg)
ثابت فرندلیچKF (mg/g)
ثابت دوبینین ـ رادشکویچkad (mol2/kj2)
ثابت معادله موریس-وبرKid (mg.g-1.min-0.5)
ثابت معادله شبه درجه یکk1 (1/min)
ثابت معادله شبه درجه دوk2 (g.mg-1.min-1)
حجم محلولV (lit)
زمانt (min)
ثابت معادله فرندلیچ (شدت جذب)n
ثابت تعادل ترمودینامیکیKc
ظرفیت جذب در زمانqt t(mg/g)
ظرفیت جذب در تعادلqe (mg/g)
ظرفیت اشباع ایزوترم تئوریqs (mg/g)
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (1-1):طبقه بندی رنگ ها از نظر کاربرد5
جدول (3-1):تجهیزهای مورد استفاده33
جدول (3-2):مواد شیمیایی مورد استفاده33
جدول (3-3):ویژگی رنگ متیلن بلو34
جدول( 4-1) مقایسه بین جاذبهای مختلف برای رنگ متیلن بلو از پساب رنگی51
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (1-1):مهمترین گروه های عامل رنگ7
شکل (3-1):ساختار شیمیایی رنگ متیلن بلو34
شکل (4-1)تصویر FTIR از پیرول خالص39
شکل (4-2)تصویر FTIR ازپلی ونیل الکل خالص39
شکل (4-3)تصویر FTIR از کامپوزیتPPY/PVA40
شکل (4-4) تصویر SEM برای جاذب پلی پیرول با بزرگنمایی های مختلف40
شکل( 4-5) تصویر SEM برای کامپوزیت پلی پیرول بر روی پلی ونیل الکل با بزرگنمایی‌های مختلف41
شکل (4-6):منحنی تغییرات درصد میزان حذف رنگ نسبت به PH های مختلف42
شکل (4-7) منحنی تغییرات درصد میزان حذف رنگ نسبت به تغییرات جرم جاذب42
شکل (4-8):منحنی تغییرات درصد میزان حذف رنگ نسبت به زمان های مختلف43
شکل (4-9)منحنی تغییرات درصد میزان حذف رنگ بر حسب غلظت اولیه رنگ متیلن بلو44
شکل( 4-10) معادله خطی شده موریس – وبر برای حذف رنگ متیلن بلو45
شکل (4-11)معادله خطی شده شبه درجه یک برای حذف رنگ متیلن بلو46
شکل(4-12) معادله خطی شده شبه درجه دوم برای حذف رنگ متیلن بلو47
شکل( 4-13)معادله خطی شده لانگمویر برای حذف رنگ متیلن بلو48
شکل(4-14) معادله خطی شده فرندلیچ برای حذف رنگ متیلن بلو49
شکل( 4-15)معادله خطی شده دوبینین –رادشکویچ برای حذف رنگ متیلن بلو50
115570040322500
فصل اول
کلیات
26371553912235001-1-مقدمه:
با پیشرفت صنایع در دهه هاي اخیر وگسترش تولیدات صنعتی توجه به کنترل آلودگی اهمیت بسیاري در میان دولتها و محققان و افراد مختلف جامعه پیدا کرده است. رهاسازي پساب و پخش آلاینده‌هایی نظیر رنگها در چرخۀ آب مسئلۀ بسیار مهمی است که توجه به آن در بیست سال اخیرگسترش یافته است . رنگها بخش مهمی در بسیاري از صنایع میباشند که وارد سیستم آب شده و به سختی میتوان آنها را از آب جدا کرد. بسیاري از صنایع مانند صنایع کاغذ، پلاستیک، صنایع غذایی و نساجی از انواع رنگها استفاده میکنند که در این میان نقش صنایع نساجی در استفاده از رنگهاي صنعتی بسیار چشمگیراست.
حدود1000نوع رنگ صنعتی وجود دارد که در صورت عدم حذف آنها از پسابها مشکلات زیست محیطی زیادي ایجاد می‌شود. وجود رنگها حتی در مقادیر بسیار کم نیز نامطلوب بوده و سبب کاهش شفافیت آب و واکنشهاي شیمیایی در آبها می‌گردد. رنگها به صورت هیدرولیز شده و محلول در پساب وجود دارند و با فیلترهاي صنعتی قابل جداسازي نمی باشند. برخی از رنگها به دلیل ساختار آروماتیکی پیچیده، در برابر انواع روشهای رنگبري پایدار بوده و حتی اگر به اجزاي کوچکتر شکسته شوند، خطرات جدي از نظر سلامتی ایجاد می کنند، چرا که مواد غیرفعالی را تشکیل میدهند که به صورت رسوب باقی می‌مانند که در این حالت نیز ممکن است داراي مشکلات زیستی باشند[1].
مشکلات مذکور دولتها و سازمانهاي زیست محیطی را بر آن داشت که تدابیري در جهت کاهش آلودگی‌ها به کار ببرند. در سال 1974 سازمانی با عنوانETAD در بریتانیا تشکیل گردید که قوانینی را براي صنایع از لحاظ پاكسازي پساب وضع می‌نمود و شاخص‌هاي زیستی و سمیتی پساب‌ها را بررسی کرده و صنایع را به کاهش میزان رنگ در پساب‌ها وادار می‌ساخت. این سازمان بالغ بر 4000 نوع رنگ را مورد آزمایش قرارداد و آلوده کننده‌ترین رنگ‌ها را رنگهاي بازي(Basic Dyes) معرفی نمود.
سازمانهاي محیط زیست کشورهاي مختلف به طور انحصاري بر روي رنگهاي خارج شده از پساب کارخانجات صنعتی و نساجی تحقیق نمودند تا اینکه در سال 1997 سازمان محیط زیست بریتانیا اعلام داشت که پسابهاي وارده به چرخۀ آبی از لحاظ مواد شیمیایی باید در حد صفر باشند و هیچ نوع رنگی نباید به آب هاي محیطی وارد شود.
یکی از بزرگترین صنایع مصرف کننده آب ، صنایع نساجی و رنگرزی می باشند. میزان مصرف آب در این صنایع بین 25-250متر مکعب به ازای هر تن محصول است[3و2]. رنگ ها موادی با ساختار پیچیده بوده که در نتیجه مراحل مختلف نظیر رنگرزی و تکمیل در صنعت نساجی به محیط زیست وارد می شوند[4].
این مواد از نقطه نظر ساختار شیمیایی، به انواع آزو، هتروسیکلیک، فتالو سیانین و آنتراکوئینون طبقه‌بندی می‌شوند. هم چنین رنگ‌ها بر اساس کاربردشان به انواع خمره ای ، فعال، مستقیم، اسیدی، دیسپرس و کاتیونی تقسیم می گردند[5]. به دلیل عملکرد نامطلوب واحد رنگرزی و ماهیت رنگ ها ،حدود 50% از رنگ های راکتیو،20-8% از رنگ های دیسپرس و 1% از رنگ های پیگمنت به طور مستقیم به جریان فاضلاب وارد می شوند[6و7]. هدر رفتن رنگ در مراحل رنگرزی ناشی از تثبیت کم رنگ بر روی الیاف و حضور رنگ هیدرولیز شده غیر راکتیو در حمام رنگ است. هیدرولیز رنگ زمانی اتفاق می افتد که مولکول رنگ به جای واکنش با گروه های هیدروکسیل سلولز با آب واکنش می دهد [8]. رنگ های هیدرولیز شده در فاضلاب حمام رنگ و در فرآیند رنگرزی قابل استفاده مجدد نمی باشند[7]. رنگ های راکتیو آزو بزرگترین دسته از رنگ های مصنوعی محلول در آب بوده که دارای بیشترین تنوع از نظر نوع و ساختار رنگ می باشند.این رنگ ها معمولا به تجزیه بیولوژیکی هوازی مقاوم بوده و با فرآیند های تصفیه بیولوژیکی متداول قابل حذف نمی باشند .
دلیل احتمالی غیر قابل تجزیه بودن این رنگ ها در سیستم های متداول، فقدان آنزیم های ضروری برای تجزیه این رنگ ها در محیط است [9]. صنایع نساجی به علت تنوع رنگ مصرفی و روش های تولید، پساب هایی با کمیت و کیفیت شیمیایی متفاوت تولید می کنند. در این صنایع مقادیر مختلفی از فاضلاب های بسیار رنگی تولید شده که معمولا سمی، مقاوم به تجزیه بیولوژیک و پایدار در محیط زیست می باشد. لذا روش های بیولوژیکی متداول برای حذف اغلب رنگ های مصنوعی، به دلیل ساختار حلقوی پیچیده و ماهیت مقاوم رنگ موثر نیستند [12-4]. ماهیت غیر قابل تجزیه بیولوژیک رنگ ها است[6]. تخلیه فاضلاب های رنگی حاصل از صنایع نساجی به آب های پذیرنده، منجر به کاهش نفوذ نور خورشید و وضعیت دید، بروز پدیده اتروفیکاسیون1 و تداخل در اکولوژی آب های پذیرنده شده،که ضمن اثر بر شدت فتوسنتز گیاهان آبزی و جلبک ها در محیط های آبی، باعث آسیب به محیط زیست می شود[ 13و 8 و7 و 2].
مطالعات نشان داده است که رنگ ها دارای خاصیت سرطان زایی و جهش زایی بوده و برای محیط زیست زیان آور می باشند [15و14و3]. مطالعات اپیدمیولوژیکی نشان داده که استفاده از رنگ های با پایه ی بنزیدین باعث ایجاد سرطان مثانه در انسان می شود[16]. حذف رنگ از فاضلاب اغلب مهمتر از مواد آلی بی رنگ است زیرا حضور مقادیر کمی از رنگ (کمتر از (1PPM، از نظر ظاهری قابل رویت می باشد [17]. رنگ ها بدون تصفیه مناسب و کافی، پایدار هستند و می توانند برای دوره زمان طولانی در محیط باقی بمانند. به عنوان مثال، نیمه عمر رنگ آبی راکتیو 19 هیدرولیز شده در PH برابر 7 و دمای 25درجه سانتی گراد حدود 46سال است. ساختار آروماتیک پیچیده رنگ ها نسبت به نور، عوامل بیولوژیکی، ازن و سایر شرایط تجزیه کننده محیط، مقاوم است. هم چنین حضور فلزات سنگین مثل کرم، کبالت، نیکل و مس (ناشی از رنگ های کمپلکس فلزی) در فاضلاب نیز یک مشکل زیست محیطی است [18]. فاضلاب حاصل از صنایع نساجی به عنوان یک تهدید زیست محیطی در سراسر جهان است [19]. بنابراین قبل از تخلیه به محیط زیست باید به نحو مطلوبی تصفیه شود[20].
1-2-طبقه بندی رنگ ها:
تمام مولکول ها می توانند پرتوهای الکترومغناطیس را جذب کنند ولی هر ماده طول موج خاصی از این پرتو ها را جذب می کند. مولکول های رنگ، دارای دو گروه عامل رنگی و عامل کمکی می‌باشند. گروه های عامل رنگ، گروهی از اتم ها بوده که معمولا گیرنده الکترون، دارای باند دوگانه و عامل ایجاد رنگ هستند. گروه های عامل رنگ -C=C- ، C=N– ،C=O- ،-NO2،-NO بیشتر مطرح می باشند. عامل کمکی رنگ، دهنده الکترون بوده و می تواند از طریق تغییر انرژی کلی سیستم الکترون و بهبود حلالیت و چسبندگی رنگ به الیاف، میزان رنگ گروه عامل رنگ را تشدید نماید. گروه های اصلی عامل کمکی رنگ شامل , –NH2,-NR2–NHR, -COOH,-SO3H,-OH,-OCH3 می باشند. بر اساس ساختار شیمیایی و یا گروه عامل رنگ 30-20 گروه رنگ متفاوت قابل شناسایی است. از بین این گروه ها ،رنگ های آزو (مونو آزو،دی آزو،تری آزو،پلی آزو)، آنتروکوئینون، فتالوسیانین و تری آریل متان( شکل 1-1 ) از نظر کمی مهم ترین گروه های عامل رنگ می باشند[22].
اغلب رنگ های تجاری از نظر رنگ، ساختار و روش کاربرد در شاخص رنگ (C.I) طبقه بندی می‌شوند .بر این اساس هر رنگ با یک نام عمومی که دربرگیرنده خصوصیات رنگ و کاربرد آن است، معرفی می‌شود. جدول (1-1) طبقه بندی رنگ ها بر اساس کاربردشان را نشان می دهد [23و21].
رنگ ها را می توان بر اساس وضعیت یونیزاسیون نیز طبقه بندی کرد. بر این اساس رنگ ها به 3 گروه تقسیم می شوند:
– رنگ های آنیونی:مستقیم،اسیدی،راکتیو
– رنگ های کاتیونی:بازی
– رنگ های غیر یونی:دیسپرس
جدول (1-1):طبقه بندی رنگ ها از نظر کاربرد[21و23]
نوع رنگ مشخصات قابلیت کاربرد
اسیدی به دلیل حضور گروه های اسید سولفونیک به شدت در آب محلول هستند. در محلول دارای بار الکتریکی منفی بوده و با گروه های کاتیونی (+NH2) موجود در الیاف پیوند تشکیل می دهند. ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آزو، آنتروکوئینون و تری آریل متان است. نایلون، پشم، پلی آمید، ابریشم، آکریل اصلاح شده ، کاغذ و چرم
راکتیو با گروه های OH-NH-, یا SH- پیوند های کوالانسی تشکیل می دهند. ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آزو ،کمپلکس فلزی و آنتروکوئینون و فتالوسیانین است. پنبه، پشم، ابریشم و نایلون
کمپلکس فلزی یک یون فلزی(معمولا کرم، مس، کبالت یا نیکل) و یک یا دو مولکول رنگ (اسیدی یا راکتیو) تشکیل کمپلکس قوی می دهند.
ابریشم، پشم وپلی آمید
مستقیم مولکول های بزرگ به وسیله نیروی واندروالس به الیاف متصل می شوند.ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آزوسولفوناته است. الیاف سلولوزی ، پنبه، کاغذ، چرم و نایلون
بازیک ترکیبات کاتیونی که به گروه های اسیدی الیاف متصل می شوند. ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آزو، دی آریل متان، تری آریل متان و آنتروکوئینون است. الیاف مصنوعی ،کاغذ
دندانه ای به افزودن یک ماده شیمیایی (نظیر اسید تانیک، آلوم، نمک های آلومینیوم، کرم، مس، آهن،پتاسیم و قلع) برای ترکیب شدن با رنگ و الیاف نیاز است.ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آزو، اکسازین و تری آریل متان است. پشم، چرم، ابریشم،کاغذ و الیاف سلولز اصلاح شده
دیسپرس
رنگ های با حلالیت کم که از طریق متورم شدن الیاف به داخل آن نفوذ می کنند. ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آزو، نیترو، آنتروکوئینون و آزو با کمپلکس فلزی است. پلیاستر، پلی آمید، استات، آکریلیک و پلاستیک ها
خمره ای نا محلول در آب بوده اما ممکن است در نتیجه فرآیند احیاء قلیایی، محلول شود. ساختار این رنگ ها غالبا به صورت آنتروکوئینون است. الیاف سلولز، پنبه و پشم
آزو محصولات نامحلول یک واکنش بین جزء متصل کننده و یک آمین آروماتیک دی آزوکه در الیاف ایجاد می شود. پنبه، استات سلولز و پلی استر
گوگردی ترکیبات پلیمری حلقوی که دارای گوگرد در ساختار حلقوی است. الیاف سلولز و پنبه
شکل (1-1):مهمترین گروه های عامل رنگ
1-2-1-رنگ های اسیدی:
منشا نام رنگ های اسیدی از آن جاست که در گذشته در شرایط اسیدی بر روی الیاف پروتئینی مانند پشم اعمال می شدند.ترکیب شیمیایی رنگ های اسیدی،نمک های سدیم،اسید های سولفونیک و کربوکسیلیک هستند .این رنگ ها درآب حل شده و مشتمل برترکیبات مختلف زیر هستند:
٭ترکیبات تری فنیل متان،مانند آبی زایلن.
٭رنگ های نیترو مانند زرد مفتول.
٭ترکیبات اسیدی حاوی گروه آزو مانند آزو گرانین.
1-2-2- رنگ های راکتیو (فعال):
رنگ های راکتیو، رنگ هایی محلول در آب و آنیونی بوده که در روش های ساده رنگرزی مورد استفاده قرار می گیرند. این رنگ ها عمدتا برای الیاف سلولزی (پنبه) استفاده شده و در مواردی برای ابریشم، پشم، نایلون و چرم نیز کاربرد دارند. رنگ های راکتیو تا حد زیادی جایگزین رنگ های مستقیم، آزو و خمره ای شده اند و بزرگترین نوع رنگ مصرفی در ایالات متحده می باشند[24]. این گروه از رنگ ها به دلیل تنوع زیاد رنگ، سهولت در کاربرد، پایداری مطلوب در طی شست و شو و مصرف انرژی کم، کاربرد گسترده ای در صنعت نساجی پیدا کرده اند [25]. در طی فرآیند رنگرزی، رنگ های راکتیو با گروه های OHالیاف سلولزی و گروه های NH2 الیاف پلی آمید و پشم تشکیل [پیوند کوالانسی داده و بخشی از الیاف می شوند. این رنگ ها می توانند با گروه های OH مولکول‌های آب واکنش دهند که منجر به هیدرولیز رنگ می گردد. رنگ هیدرولیز شده قادر به ایجاد پیوند با الیاف نمی باشد به علاوه مقادیر قابل توجهی از رنگ به صورت تثبیت نشده در پایان فرآیند رنگرزی باقی می ماند که به جریان فاضلاب تخلیه می شود [24و26]. در شرایط متداول 50-20 درصد از رنگ های راکتیو مصرفی در فرآیند نساجی هدر رفته و به دلیل تغییر ساختار شیمیایی در طی مرحله رنگرزی نمی توانند مورد استفاده مجدد قرار گیرند[25]. تخلیه کنترل نشده این رنگ ها به محیط زیست، اثرات سوء شدید و غیر قابل جبرانی را در بر دارد. رنگ های راکتیو در مقابل نور و عوامل شیمیایی مقاوم بوده و در محیط های طبیعی بسیار پایدار می باشند. لذا مدیریت فاضلاب های حاوی رنگ های راکتیو از دیدگاه زیست محیطی حائز اهمیت است. رنگ های راکتیو، سولفوناته و بسیار محلول در آب بوده، جذب آنها بر روی توده های بیولوژیکی ضعیف است و تحت شرایط هوازی در سیستم های تصفیه متداول تجزیه نمی شوند [25و27].
رنگ های راکتیو چهار بخش مهم در ساختار مولکولیشان دارند که عبارتند از کروموژن، گروه محلول کننده در آب، گروه پل ساز و گروه راکتیو-لیف. کروموژن قسمتی ازمولکول است که باعث رنگی شدن آن می شود و ویژگی های دیگری از رنگ مانند ثبات نوری آن را تعیین می کند. کروموژن ها نوعا متعلق به دسته های شیمیایی آزو، کربونیل و فتالوسیانین ها می باشند[28].
1-2-3-رنگ های کمپلکس فلزی:
در رنگ های کمپلکس فلزی ،کمپلکس قبل از فرآیند رنگرزی تشکیل می شود. اغلب رنگ های کمپلکس فلزی از رنگ های آزو تهیه می شوند که در آن اتم نیتروژن گروه آزو با یون فلز مرکزی، کمپلکس می دهد و در واقع دو مولکول رنگ آزویی با یک اتم یون کروم کوئوردینه می شوند. رنگ های کمپلکس فلزی ماهیت آنیونی دارند. این کمپلکس ها ممکن است گروه های سولفونات نداشته باشند. در واقع حضور گروه های سولفونات سبب می شود که آنیون های رنگ با شدت بسیار زیاد جذب الیاف شوند تا حدی که در فرآیند رنگرزی شکل یکنواختی به وجود می آورد.
1-2-4-رنگ های مستقیم:
مدت های زیادی است که رنگ های مستقیم برای رنگرزی الیاف سلولزی استفاده می شوند. ریشه تاریخی نام آن ها به دلیل این است که این رنگ ها، اولین گروهی بودند که مستقیما و بدون نیاز به عملیات تثبیت کننده مانند دندانه دار کردن، بر روی الیاف اعمال می شدند. این رنگ ها، به دلیل داشتن گروه های اسید سولفونیک یا نمک های سدیم آن ها، به رنگ های اسیدی شباهت داشته و به طور کلی از ترکیبات سولفونه شده آزو می باشند. ترکیبات مونو آزو، دی آزو و تری آزو از مهم ترین رنگ های تشکیل دهنده این طبقه از رنگ ها هستند.
1-2-5-رنگ های بازی:
ساختار شیمیایی رنگ های بازی از ترکیبات آلی یا هیدرو کلرید ها تشکیل شده است و بخش ایجاد کننده در مولکول که کروموفور نامیده می شود، کاتیونی است، لذا این گونه رنگ ها کاتیونی نامیده می شوند و فرمول عمومی آن ها HO-R-NH2 می باشد. رنگ های مختلفی که به این گروه تعلق دارند عبارتند از:
٭ترکیبات تری فنیل متان نظیر مالاکیت سبز و متیل سبز.
٭ترکیبات تیازین مانند آبی متیلن.
٭ترکیبات حاوی گروه اکسازین مانند آبی ملدولا.
٭آذین ها مانند قرمز خنثی
٭ترکیبات بازی حاوی گروه های آزو مانند قهوه ای بیسمارک.
رنگ های بازی حلالیت بالایی را در الکل دارند و به ندرت در آب حل می شوند. در برخی از موارد، انحلال منجر به تجزیه مولکول رنگ می شود.
1-2-6-رنگ های دندانه ای:
این رنگ ها برای تثبیت شدن بر روی الیاف نیاز به مواد تثبیت کننده دارند که اصطلاحا «دندانه» نامیده می شوند. هیدروکسید های کروم، قلع، آلومینیوم و آهن از مواد تثبیت کننده پر مصرف هستند. در این سیستم رنگرزی، مولکول های در نقش لیگاند، یک یا چند الکترون غیر پیوندی خود را به فلزی که دارای اوربیتال های خالی است، می دهند. به این صورت پیوند داتیو بین آن ها تشکیل می‌شود.
1-2-7-رنگ های پخش شونده:
رنگ های دیسپرس حلالیت بسیار کمی در آب دارند و برای رنگرزی الیاف سنتزی(مصنوعی) نسبتا آب گریز به شکل ذرات ریز پخش شده در آب استفاده می شوند. رنگ های دیسپرس از مولکول‌های مسطح و نسبتا کوچکی ساخته می شوند که بتوانند از بین زنجیره های پلیمری عبور کنند و وارد توده های الیاف شوند. این رنگ ها به صورت ذرات ریز پخش شده در دماهای حدود 130درجه سانتی گراد و تحت فشار بر پلی استر اعمال می شوند.
1-2-8-رنگ های خمره ای:
این رنگ ها در آب نا محلولند و پس از واکنش با هیدروسولفیت سدیم به صورت محلول در می‌آید. یکی از رنگ های طبیعی خمره ای ایندیگو است که در مقیاس صنعتی از قطران ذغال سنگ تهیه می‌شود و به دو دسته تقسیم می شود:
٭رنگ های ایندیگویی حاوی کروموفور مثل مشتقات ایندیگویتی.
٭رنگ های آنتراکینونی مشتق شده از آنتراکینون مانند زرد ایندانترن.
1-2-9-رنگ های آزو:
این مجموعه از رنگ ها به طور عمده برای رنگ آمیزی الیاف سلولزی به کار می روند. این رنگ ها از مهمترین دسته رنگ ها بوده، در برگیرنده تعداد بسیار زیادی از رنگ ها می باشد و به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. بارزترین ویژگی این رنگ ها داشتن یک یا چند گروه آزو است که توسط گروه رنگزای آزو، می توان طیف وسیعی از رنگ ها مثل زرد، قرمز، نارنجی، آبی، سبز، بنفش و سیاه را سنتز نمود. این رنگ ها را بر حسب تعداد گروه های آزو به صورت رنگ های مونو آزو، دی آزو و پلی آزو طبقه بندی می کنند.
الف.رنگ های مونو آزو:
این رنگ ها از پر استفاده ترین رنگ های گروه های آزو بوده و شامل دو دسته هستند:
٭رنگ های فاقد گروه کربوکسیلیک و سولفونیک.
٭رنگ های دارای گروه اسیدی.
ب.رنگ های دی آزو:
در ساختمان این رنگ ها، ماده کوپلاسیون از دو طرف توسط دو گروه دی آزونیوم جفت می‌شوند. تعداد این رنگ ها محدود بوده و اغلب غیر قابل حل در آب می باشند که از لحاظ کاربردی جزء رنگ های اسیدی دندانه ای و مستقیم محسوب می شوند [29].
1-2-10-رنگ های گوگردی:
رنگ های گوگردی از ترکیبات آلی پیچیده ای تشکیل شده اند که در ساختار آن ها گوگرد وجود دارد و در آب حل نشده ولی در محلول سدیم سولفید حل می شوند.
1-3- مشکلات ناشی از وجود رنگ در پساب:
آب یکی از فراوان ترین مواد موجود در کره ی زمین است ولی انسان نیاز به آب مناسب برای شرب و فعالیت هایی مانند کشاورزی، دامپروری و صنعتی دارد و منابع آب مناسب به دلیل افزایش مصرف و وجود فاضلاب های انسانی و پساب های صنعتی به مرور محدود تر شده و لزوم بهره گیری از آب‌های بازیافتی اهمیت ویژه می یاید. صنعت نساجی یکی از صنایعی است که مصرف آب آن بیش از 100 بیلیون گالن در سال بوده و در نتیجه حجم پساب زیادی تولید می شود. قسمت اعظم این پساب ناشی از فرآیند های رنگرزی می باشد. صنعت نساجی بزرگترین مصرف کننده رنگ‌ها بوده و رنگ های آزوئیکی(آزو) 45 درصد از کل مصرف رنگ های نساجی را شامل می‌شود. حدود 70-60 درصد از کل رنگ های تجاری، رنگ های آزو با پیوند N=Nمی باشند. اکثر رنگ های مورد استفاده دارای ساختار پلیمری بوده که از نظر بیولوژیکی، تخریب پذیری بسیار کمی را دارا می‌باشد. حدود105×7 تن رنگ های مصنوعی به صورت سالیانه در سرتاسر دنیا تولید می‌شود. که 10-5 درصد به همراه پساب رهاسازی می شوند. در حین فرآیند رنگرزی، مقدار زیادی از مواد شیمیایی و رنگ به حمام رنگ افزوده می شود که عامل اصلی آلودگی پساب های نساجی هستند.
با توجه به قدرت رنگ و نوع فرآیند رنگرزی، غلظت رنگ ها در حمام های رنگ از (mg/l) 10 تا 10000متغیر می باشد. با افزایش مصرف الیاف نخی (50 درصد از کل مصرف الیاف جهان )، رنگ‌های راکتیو بزرگترین گروه از رنگ های سلولزی در حال رشد می باشند. این رنگ ها نیازمند 10برابر آب بیشتر می باشند. به همین دلیل حجم زیادی از پساب تولید می شود[30].
حذف رنگ های راکتیو از پساب های نساجی یک چالش بسیار مهم در صنعت تخلیه پساب است. حضور رنگ های مرئی در پساب به مقدار بسیار کم حتی در حد (mg/l) 1به دلیل ظاهر نامطلوب، غیر قابل قبول می باشد. همچنین رنگ فعالیت فتوسینتیکی و حلالیت گاز در اکوسیستم دریا را تحت تاثیر قرار می دهد. رنگ ها برای محیط آبزی سمی بوده و محصولات ناشی از تخریب رنگ که به صورت آمین های آروماتیکی هستند، سرطان زا می باشند و آسیب های جبران ناپذیری به مغز، سیستم عصبی مرکزی، سیستم تولید مثل، کبد و کلیه وارد می کند.
سالیانه 80000 تن رنگ های راکتیو، تولید و مصرف می شود که می توان با استفاده از آن ،تخمینی از کل میزان آلودگی ناشی از مصرف آنها را بدست آورد. در فرآیند رنگرزی، آب به شکل بخار برای انتقال رنگ ها به الیاف به کار برده می شود، در رنگرزی هر کیلوگرم از نخ با رنگ های راکتیو به 150-70 لیتر آب و0.8 -0.6کیلوگرم سدیم کلرید نیاز است. پساب ناشی از فرآیند رنگرزی حاوی مقدار فراوانی رنگ، نمک و مواد آلی می باشد [31]. قوانین مربوط به کیفیت آب که تحت نظارت موسسه‌ی ملی حذف آلودگی از پساب می باشد، تاکید فراوانی بر کنترل مواد سمی موجود در پساب خروجی از صنایع دارد. پساب‌های نساجی به ویژه پساب‌های ناشی از واحد های رنگرزی، از مسائل مهم در آلودگی محیط زیست می‌باشند. این پساب‌ها حاوی مقادیر زیادی از رنگ،COD ،BOD،TOC ، بو، اسیدیته و قلیائیت، مواد جامد معلق و دیگر مواد محلول و غیر محلول می‌باشند. آنچه به افزایش نگرانی ها دامن می‌زند حضور مقادیر بالایی از فلزات سمی مانند کروم، مس، کبالت، سرب و روی در این گونه پساب‌ها می‌باشد که در ساختار مولکولی رنگ به دلیل خواص تثبیت رنگ و سینتیک رنگرزی وجود دارند. به صورت خاص، پساب ناشی از رنگ های راکتیو حاوی موارد زیر می باشد:
٭رنگ های راکتیو هیدرولیز شده مشتمل بر 30-20 درصد از کل رنگ های مورد استفاده بوده که قابلیت بازیافت را نداشته و منشا رنگ پساب می باشد.
٭مواد آلی رنگی غیر قابل بازگشت که BODوCOD پساب ها را افزایش می دهد.
٭الیاف نساجی
٭((gr/l100- 60الکترولیت، بیشتر سدیم کلرید و سدیم کربنات، که میزان املاح محلول در آب و پساب را افزایش می‌دهد. این پساب ها دارای PH در محدوده 11-10 می باشند. به دلیل ماهیت سمی اکثر رنگ ها برای بسیاری از گیاهان و میکروارگانیزم ها، پساب رنگی نباید بدون تصفیه کافی تخلیه شود. حتی پساب های غیرسمی نیز مانع از نفوذ نور شده و در نتیجه باعث کاهش بازده فوتوسینتیکی در گیاهان آبزی شده و باعث افزایش COD می شوند[32]. رنگ ،نامطلوب‌ترین مشخصه پساب‌های نساجی است و اثر بسیار زیان باری بر محیط دارد. به دلیل جذب نور توسط رنگ، رشد گیاهان موجود در آب متوقف شده و از بین می روند و اکوسیستم آب را به صورت بسیار جدی تحت تاثیر قرار می دهد. در ادامه، مروری بر روش های حذف رنگ از پساب خواهیم داشت.
1-4- روشهاي حذف رنگ ازپساب
به طورکلی3 روش براي حذف رنگها از پساب وجود دارد که در زیر به کلیات و برخی از انواع آنها اشاره می شود[1].
1-4-1)روشهاي شیمیایی((Chemical methods
در این روشها با استفاده از مواد شیمیایی، عمدتا اکسیدکننده، تغییري در ساختار رنگها به خصوص بخش آروماتیکی رنگ ایجاد کرده و یا عاملی را جایگزین یکی ازعوامل اصلی ساختار می‌نمایند. از انواع این روشها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.
1-4-1-1)نمک های H2O2-Fe(II)یا Fentons reagent
این روش براي حذف رنگهاي محلول و نامحلول به کار می‌رود. این روش براي انواع رنگهاي مقاوم در برابر تخریب زیستی موثرمی باشد، ولی از معایب این روش تولید لجن و در مواردي نیز تولید رسوباتی است که خود مستلزم انتقال به مکانی دیگر و یا راه حلی براي از بین بردن آن می باشد. این مشکلات کیفیت این روش را کاسته و از ارزش آن در حذف موثر رنگ ها می کاهد.
1-4-1-2)ازون دهی (Ozonation)
استفاده از ازون یکی از اولین روش هاي مورد استفاده براي حذف رنگ هاست. این روش اولین بار در سال 1970 انجام گردید.
ازون یک مادة اکسید کنند و فعالی است. از مزایاي این روش می توان به استفاده از حجم و مقدار بسیار کم ازون براي تیمار پساب و حذف نسبتاً موثر رنگ ها اشاره کرد ولی این روش داراي معایبی مانند کم بودن نیمه عمر ازون در حدود 20 دقیقه است.
1-4-1-3) فتو شیمیایی
در این روش ملکول هاي رنگ توسط نورUV بهCO2 وH2O تبدیل می شود که البته این فرایند در حضورH2O2 اتفاق می افتد.
این تغییر به خاطر تولید رادیکال هاي هیدروکسیل با غلظت زیاد در اثر تابش طیف UV انجام می‌گردد.
میزان حذف رنگ در این روش به شدت تابش نورUV ، PHو ساختار نوع رنگ بستگی دارد. در این روش هیچ گونه لجن یا رسوبی به جا نمی ماند و بوي نامطبوع پساب نیز از بین می رود.
1-4-1-4)هیپوکلرید سدیم (NaOCl)
در این روش یون کلر به گروه هاي آمینی رنگ حمله کرده و از این طریق آنها را حذف می کند. این روش براي تمامی رنگ ها کارا نمی باشد. از مزایاي این روش می توان به عملکرد سریع و تخریب گروه هاي آزو اشاره نمود و از معایب آن این است که ترکیبات آروماتیکی هالوژن دار به پساب و سپس به محیط زیست وارد می شود که مشکل تازه اي را ایجاد می نماید. ضمن آنکه استفاده از کلر نیز مضرات خود را به دنبال دارد.
1-4-1-5) تخریب الکتروشیمیایی (Electrochemical destruction)
این روش تقریباً جدید می باشد که از سال 1990 گسترش یافته است . این روش داراي امتیازات زیادي براي حذف موثر رنگ ها می باشد. از جمله اینکه در این روش از هیچ گونه مادة شیمیایی استفاده نمی گردد و در پایان نیز هیچ گونه رسوبی بر جا نمی گذارد. تخریب متابولیکی رنگ ها موجب تشکیل مواد خطرناك ضد محیط زیست نمی شود ولی در عوض هزینه استفاده از این روش آنرا غیر قابل کاربرد در مقیاس صنعتی می نماید.
1-4-2)روش هاي فیزیکی(Physical treatments)
1-4-2- 1 )جذب
روش جذب از تکنیک هاي بسیار کارا و موثر می باشد که در دهه هاي اخیر به دلیل کارایی زیاد آن در حذف آلودگی پایداردر صنایع مورد توجه قرار گرفته است . روش جذب داراي تنوع زیاد می‌باشد و از لحاظ اقتصادي قابل توجیه می باشد. در این روش تغییر رنگ یا رنگبري نتیجۀ دو مکانیزم می باشد. جذب و تبادل یونی که تحت تأثیر عوامل فیزیکی و شیمیایی مختلفی نظیر تاثیر متقابل رنگ و جاذب، سطح ویژة جاذب، اندازة ذرات جاذب، دما، اسیدیته(pH) و مدت زمان تیمار می باشد . جذب را می توان با انواع مواد انجام داد که در زیر به چند مورد آن اشاره شده است.
1-4-2- 1 -1)کربن فعال(Activated carbon)
این روش متداول ترین روش استفاده شده در جذب و بسیار موثر و کارا در جذب انواع رنگ هاي کاتیونی، مستقیم، اسیدي، واکنشی و انواع رنگدانه هاي مورد استفاده در صنایع مختلف است. کارایی این روش به نوع کربن استفاده شده، خصوصیات پساب و نوع رنگ بستگی دارد. مقدار کربن استفاده شده نیز در کارایی حذف رنگ ها موثر می باشد. استفاده از روش کربن فعال از لحاظ اقتصادي قابل توجیه نمی باشد و بسیار گران است.
1-4-2- 1 -2)ذغال نارس( (Peat
ساختار سلولی ذغال نارس آن را به عنوان جاذب نسبتاً مناسبی قرار می دهد. ذغال قابلیت جذب فلزات و ترکیبات آلی پیچیده از پساب هاي حاوي این مواد و رنگ ها داراست. اگر چه ذغال به طور گسترده تر در کشورهایی مانند ایرلند و انگلستان مورد استفاده قرارمی گیرد، ولی قابلیت استفاده در جاهاي دیگر را نیز دارد. ذغال نیازي به مادة فعال کننده ندارد و این برخلاف کربن فعال می باشد که یک امتیاز محسوب می گردد. ضمن آنکه از کربن فعال نیز بسیار ارزان تر است. سطح ویژة ذغال در مقایسه با کربن فعال کم است و این مشکل را می توان با سوزاندن و یا بخاردهی زغال افزایش داد.
1-4-2- 1 -3 ) چیبس چوب (Wood chips)
این مواد در شکل هاي مختلف توانایی و کارایی خوبی را براي جذب رنگ هاي اسیدي نشان داده‌اند. البته این جاذب به اندازة سایر جاذب هاي ذکر شده به دلیل سختی چوب کارایی ندارد و زمان تیمار بیشتري نسبت به دیگر جاذب ها نیاز دارد.
1-4-2- 1 -4) مخلوط خاکستر بادي و زغال Fly ash and coal (mixture)
غلظت زیاد خاکستر بادي و مقدار مقدار زیاد آن به دلیل افزایش سطح ویژه میزان جذب را افزایش می دهد . این ترکیب را می توان تا حدودي جانشین کربن فعال نمود .
1-4-2- 1 -5) فیلتر کردن (Membrane filtration)
این روش توانایی پاک سازي و تمیز کردن بسیاري از ناخالصی هاي پساب را دارد . با استفاده از این روش می توان انواع رنگ هارا جداسازي نمود ولی موادي که در پشت فیلتر ها جمع می شوند تشکیل لجن غلیظی را می دهند که محل تجمع باکتري هاي مختلف می گردد . این روش براي بازیافت آب درون پساب داراي غلظت کم رنگ مناسب می باشد.
1-4-2- 1 -6) سایر مواد(other materials)
به جز موارد گفته شده در بالا از مواد لیگنوسلولزي نظیر پوست جو، ذرت، کاه برنج، کاه گندم، پوست بعضی درختان و دیگر ضایعات کشاورزي نیز براي جذب رنگ ها استفاده می شود. این مواد در مواردي کارایی مناسبی را نشان داده اند که در بخش هاي بعدي بیشتر به آن پرداخته خواهد شد. این مواد ارزان و از منابع تجدیدي شدنی می باشند و در مورد اکثر رنگ ها نیز قابل استفاده می ‌اشند.
1-4-2- 1 -7) تبادل یونی (Ion exchange)
تبادل یونی روش متداولی براي تیمار پساب هاي حاوي رنگ نمی باشد . زیرا این روش در مورد تمامی رنگ ها نمی توان استفاده نمود. در این روش نیازي به هیچ نوع جاذبی نمی باشد و پساب‌هاي حاوي رنگ هاي کاتیونی و آنیونی را با استفاده از این روش می توان تیمار نمود. حلال مورد استفاده در این روش نیز را می توان پس از استفاده بازیافت نمود ولی از مشکلات این روش این است که حلال هاي آلی گران می باشند و این روش براي تمامی رنگ ها کارایی مطلوبی ندارد.
1-4-3 )تیمار بیولوژیکی(Biological treatments)
در این روش از روش هایی مانند استفاده از قارچ هاي مختلف، محیط هاي کشت حاوي میکروب‌هاي مختلف و سیستم هاي تصفیۀ هوازي و بی هوازي استفاده می شود . قارچ ها و میکروارگانیسم هاي مورد استفاده در این روش ها توانایی تجزیۀ رنگ ها را دارند. قارچ هاي پوسیدگی سفید جزء این دسته می باشند. قارچ هاي پوسیدگی سفید قادر به تجزیۀ لیگنین می باشند که از انواع آنها می توان به فانروفیت ها اشاره نمود. این قارچ ها قادر به تغییر دي اکسین، بی فنیل پلی کلرین و دیگر مواد رنگی می باشند. قارچ هاي سفید با استفاده از آنزیم هایی مانند لیگنین پروکسیداز، منگنز پروکسیداز می توانند رنگ ها تغییر ساختار داده و پساب را رنگ بري نمایند. مهمترین گروهی از رنگ ها که قارچ ها قادر به تغییر آنها هستند ، رنگ هاي آزو می باشند.
1-5)جذب
روش جذب قادر به حذف آلايندههايي است كه با بعضي ديگر از روش ها قابل حذف نميباشند، اين ويژگي باعث شده تا اين فرآيند در سال هاي اخير مورد توجه قرار گيرد. حذف براساس جذب شامل چسبيدن آلاينده هاي محلول و معلق به يك ماده جامد آلي يا معدني است. چسبيدن آلاينده به جاذب به تركيب و ساختار آلاينده و ماهيت جاذب وابسته است. اين فرآيند تحت تاثير نيروهاي الكتروستاتيك، واندروالس و پديده هايي نظير تبادل يون و تشكيل كمپلكس مواد ميباشد. حذف آلاينده از جريان فاضلاب تحت تاثير فاكتورهاي متعددي نظير ميزان سطح جذب، pH، اندازه ذره، زمان تماس، درجه حرارت، حضور نمكها، سورفاكتانتها و فلزات قرار ميگيرد. جذب يك فرآيند غيرانتخابي است لذا ساير تركيبات موجود در فاضلاب ميتوانند به وسيله جاذب، جذب شده كه در نتيجه ظرفيت جذب كاهش مييابد ]33[. دراين فرآيند آلاينده از فازي به فاز ديگر منتقل ميشود كه در نتيجه جهت دفع جاذب اشباع شده و يا احياي آن به روشهاي ديگرنياز است.
جاذب ها مي توانند آلي و يا معدني باشند، جاذبهاي معدني از نظر مقاومت مكانيكي و پايداري شيميايي، سطح ويژه بالا و پايداري در مقابل تجزيه ميكروبي به جاذبهاي آلي برتري دارند. تركيباتي نظير كربن فعال، زئوليت هاي طبيعي، سرباره معدن، بنتونيت، كيتوزان، چوب ذرت، پوست برنج، سبوس جو و لجن فعال خشك شده به عنوان جاذب استفاده شده اند [34و35].
كربن فعال رايجترين جاذب است كه در حذف آلايندههاي مختلف كاربرد دارد ]33[. جذب سطحي با كربن فعال يكي از روشهاي مورد استفاده در حذف است. در اين روش آلاينده تخريب نشده بلكه از فاز مايع به فاز جامد منتقل ميشود. نيترات بسيار محلول در آب بوده كه اين امر جذب آن را به وسيله مواد جاذب دشوار نموده است. در فرآيند جذب عواملي نظير نوع، ميزان حلاليت و ساختار مولكولي بر كارايي حذف اثرگذار است.
1-5-1 )جذب سطحي جذب سطحي يك فرايند فيزيكي- شيميايي است كه به طور كلي در فاز جامد – مايع اتفاق ميافتد و در اكثر مواقع وقتي به كار برده ميشود كه نياز باشد نوع خاصي از مواد كه بطور موثر نميتوان با تكنولوژيهاي ديگر آنها را از جريان فاضلاب حذف كرد بكار برده ميشود. اگر چه جذب سطحي در فاز هاي مايع- مايع و همچنين گاز- مايع به طور كامل جواب ميدهد اما بيشتر براي تصفيه فاضلاب و در فاز جامد – مايع كاربرد دارد.Absorption وAdsorption كه تعلق به يك دسته فرايندهاي فيزيكي و شيميايي دارند و جذب ناميده مي شوند دو پديده متفاوت هستند تفاوت اصلي اين دو در فاز تعادلي فرم نهايي آنهاست كه اگر همگن باشند Absorption ناميده مي شوند و در غير اين صورت Adsorption ناميده ميشوند [36].
به عبارتي ديگر جذب سطحي يا Adsorption عبارتست از جمع آوري مواد روي سطح ماده جاذب ولي جذب نفوذ مواد جمع شده به درون جاذب است و از آن جا كه اين دو پديده غالباًً هم زمان رخ مي دهد از واژه جذب يا Sorption براي اين پديده استفاده مي گردد. جذب سطحي و جذب هر دو در فرايند جذب با جاذب و ساير مواد رخ مي دهد. ولي واحد عملياتي معمولا جذب سطحي ناميده مي شود[37].
جذب سطحي فرايندي است كه بر اثر آن مولكولهاي يك ماده مايع يا گاز به يك جسم جامد متصل ميشود. در واقع اين فرايند تجمع مواد در سطح مشترك بين دو فاز است. درتصفية آب و فاضلاب اين سطح مشترك بين مولكولهاي يك ماده مايع و يك جامد به طور مصنوعي ايجاد ميشود. به تعبيري ديگر، جذب مولكولها به وسيلة سطوح داخلي يا خارجي يك جسم جامد را ميتوان جذب سطحي ناميد.
در فرايند جذب، مادة حذف شده از فاز مايع را مادة جذب شده و مادة فراهم كنندة سطح جذب را مادة جاذبمينامند. نيروهاي تأثيرگذار در فرايند جذب عمدتاً شامل نيروهاي واندروالس و نيروهاي كووالانس هستند. جذب انجام شده بر اثر نيروهاي واندروالس را جذب فيزيكي، و جذب ناشي از نيروهاي كووالانسي (كه با ايجاد پيوند بين مادة جاذب ومادة جذب شونده همراه است) را جذب شيميايي نيز مينامند فرايند جذب با آزادسازي گرما همراه است، گرماي حاصل از جذب فيزيكي 5 تا 10 كيلوكالري، براي جذب شيميايي 10 تا 100 كيلوكالري به ازاء هر مول ماده جذب شده است. به طور كلي سطوح همة مواد داراي قدرت جذب هستند اما يك جاذب قوي بايد داراي مساحت زيادي در واحد جرم باشد.
علت انجام جذب، نيروهاي جاذبهاي است كه بين اتمها يا مولكولهاي سازندة سطوح وجود دارد در طي فرايند جذب مولكولهاي مادة جذب شونده به تدريج به وسيلة جاذب، جذب ميشوند. در اين مكانيسم اكثر مادة جذب شونده به وسيلة سطوح داخلي تخلخلها جذب ميشود و فقط مقدار كمي از آلايندهها به وسيلة سطوح خارجي جاذب جذب ميشوند. در اين فرايند انتقال مادة جذب شونده از محلول به جاذب تا زماني ادامه مييابد كه غلظت مادة جذب شوندة باقيمانده درمحلول با غلظت مادة جذب شوندهاي كه برروي سطح جاذب، جذب شده به تعادل برسد. بعد از برقراري تعادل، انتقال جرم و در واقع، فرايند جذب متوقف خواهد شد[38].
مدت زمان تعادل تابع نوع ماده جاذب، ماده جذب شونده، غلظت و… مي باشد، اما بطور كلي در يك مدت زمان 2 تا 6 ساعته اتفاق مي افتد[37].
به طور كلي فرايند جذب داراي سه مرحلة متمايز است:
1-مولكول جذب شونده بايد از فاز مايع به سطح ذرة جاذب انتقال يابد. براي اين منظور بايد لاية نازكي از حلال (آب) تشكيل شود و مولكول مادة جذب شونده در آن انتشار يابد. اين مرحله را انتشار لايهاي ميگويند.
2- مولكولهاي مادة جذب شونده بايد به جايگاهي در داخل منافذ انتقال يابد، اين مرحله را انتشار داخل تخلخلها گويند كه عبارت است از پخش مادة جذب شونده در داخل خلل و فرجها در صورتي كه جاذب خلل وفرجدار باشد.
3-مادة جذب شونده بايد به سطح مادة جاذب بچسبد و از اين طريق عمل جذب انجام شود. در طي اين مرحله بين مادة جذب شونده و جاذب پيوندهايي تشكيل مي شود.
به طور كلي سرعت عمل جذب به وسيلة انتشار لايهها و انتشار در تخلخل ها قابل كنترل بوده و به ميزان اختلاط در محيط وابسته است. اگر ميزان اختلاط محدود باشد، انتشار لايهاي محدود كنندة سرعت جذب است. اما اگر اختلاط كافي باشد، سرعت انتشار لايهاي افزايش مييابد تا حدي كه انتشار در تخلخلها محدود كنندة سرعت جذب شود[38].
1-5-2)كاربرد فرايند جذب سطحي
از آنجا كه نتيجه فرايند جذب سطحي جدا شدن يك جز يا اجزائي از فاز سيال و تجمع آن بر روي سطح يك جسم جاذب است، بنابراين از اين روش ميتوان براي جداسازي اجزا يك مخلوط از يكديگر و يا جداسازي برخي ناخالصيها از سيال مورد نظر استفاده نمود. البته شرايط جسم جاذب و شرايط انجام فرايند به نحو مناسب و مطلوب بايد انتخاب و تنظيم گردد. در زمينه مطالعات محيطي مهمترين كاربرد اين فرايند در تصفیه فاضلابهاي شهري و صنعتي است. زيرا بخش عمدهاي از اينگونه فاضلابها را مواد آلوده كننده تشكيل ميدهند كه به راحتي با استفاده از فرايند جذب سطحي قابل جداسازي ميباشند[39].
پديده جذب سطحي را مي توان به سه دسته كلي تقسيم كرد:
الف) جذب سطحي فيزيكي
در نتيجه نيروهاي جاذبه بين مولكولهاي جذب شونده و مولكولهاي جسم جاذب انجام ميپذيرد كه به آن نيروهاي واندروالس گفته ميشود. چنين تصور مي شود كه ذرات جذب سطحي فيزيكي شده ميتوانند آزادانه در سطح جامد جابه جا شوند. محققان اين نوع جذب را چند لايه مي دانند؛ يعني لاية جديد مولكولهاي جذب شده، بر روي لايههاي جذب شدة قبلي، جذب ميگردند. تجربه نشان ميدهد كه اين نوع جذب در دماهاي پايين بهتر انجام ميشود، زيرا حرارت باعث افزايش انرژي جنبشي و حركت براوني ميشود.
ب) جذب سطحي شيميايي
هر گاه جز جذب شونده با جسم جاذب يك واكنش انجام دهد، جذب سطحي از نوع شيميايي خواهد بود به عبارت ديگر اين دو با هم باندهاي شيميايي تشكيل ميدهند و در نتيجه در مقايسه با جذب فيزيكي با انرژي بيشتري به هم متصل ميگردند. زيرا واكنشهاي شيميايي معمولاً در دماهاي بالاتر بهتر صورت ميگيرد. در اين نوع جذب بدليل ويژگي پيوندهاي شيميايي، جزء جذب شونده بيش از يك لاية مولكولي نمي تواند بر سطح جاذب، جذب گردد. يعني فرآيند جذب تك لايه مي‌باشد. به طور كلي جذب سطحي فيزيكي، انرژي جذب نسبتاً كمي دارد و در دماهاي پايين، اين نوع جذب بيشتر صورت مي گيرد (غالب است). زيرا حرارت بالا سبب افزايش انرژي جنبشي و حركت براوني مولكولها ميگردد. در جذب شيميايي انرژي جذب بدليل تشكيل پيوندهاي قويتر، بالاتر است. به همين علت اين نوع جذب در دماهاي بالاتر بهتر انجام مي شود زيرا اغلب واكنشهاي شيميايي، در دماهاي بالاتر بهتر پيشرفت ميكنند.
ج) جذب سطحي تبادلي
اين نوع جذب سطحي، ناشي از نيروهاي جاذبة الكترواستاتيك ميان يونهاي حاضر در فاز مايع و اجزای باردار موجود در سطح جاذب ميباشد. فرآيند جذب به اين ترتيب است كه اجزاء باردار موجود در سطح جامد، توسط يونهاي موجود در محلول جايگزين ميگردد. از اين رو اين فرآيند را در زمرة فرآيندهاي تبادل يوني نيز مي توان ذكر كرد. در اين نوع جذب، يونهايي كه بار يكسان دارند؛ اندازة آنها تعيين كنندة شدت جذبشان خواهد بود زيرا هرچه يون كوچكتر باشد، تراكم بار الكتريكي روي آن بيشتر خواهد بود[38].
1-5- 3 )عوامل مؤثر بر فرآيند جذب
1-5-3-1)نوع و خصوصيات جسم جاذب مهمترين خاصيت جسم جاذب سطح كلي يا به عبارتي سطح مخصوص آن است. معمولاً اجسام جاذب داراي خلل و فرج زيادي در سطح هستند در هر حال هر چه ذرات جسم جاذب كوچكتر باشد، سريعتر در تماس با فاز سيال قرار مي گيرند و سرعت انجام فرايند بيشتر خواهد بود. به طور كلي هر چه جاذب داراي سطح مخصوص بيشتري باشد ظرفيت جذب بيشتري دارد[40].
1-5-3-2) نوع و خصوصيات ماده جذب شونده از جمله خصوصيات مادة جذب شونده كه بر ميزان جذب مؤثر است، اندازه و جرم مولكولي، غلظت و نوع تركيب مواد از نظر آلي و معدني را مي توان نام برد. اندازة مولكول هرچه بزرگتر باشد از يك طرف حركت آن به سمت جاذب كندتر و امكان جاي گيري آن در سطح جاذب و حفرات آن كمتر مي گردد[40].
اگر مواد جذب شونده از يك گروه شيميايي خاص باشند، معمولاً مولكولهاي كوچكتر داراي سرعت و ميزان جذب بيشتري نسبت به مولكولهاي بزرگتر هستند. چرا كه در مرحلة نفوذ حفره‌اي لازم است كه قطر ذره از قطر خلل و فرج سطح جاذب كمتر باشد. حضور مواد ديگر در فاز مايع نيز بر فرآيند جذب تأثير گذار است. جذب مخلوطي از چند ماده توسط جاذبي خاص ميتواند ميزان جذب يك جزء خاص را افزايش و يا با آن رقابت كند و يا اينكه هيچ اثري بر ميزان جذب آن جزء نداشته باشد. مطالعات قبلي براي فلزات مختلف نتايج متفاوتي داشته و قاعده كلي وجود نداشته است.
1-5-3-3)ميزان اختلاط و بهم زدن فاز سيال سرعت فرآيند جذب سطحي با توجه به ميزان به هم زدن فاز محلول به يكي از دو مرحلة نفوذ لايه‌اي و يا نفوذ حفرهاي بستگي دارد. چنانچه محلول به اندازة كافي به هم زده نشود، ضخامت فيلم سطحي به دور ذرات جسم جاذب زياد شده و جزء جذب شونده نميتواند به راحتي خود را به سطح جاذب برساند و ميزان جذب كاهش مييابد. مرحلة مؤثر در كنترل واكنش جذب در اين حالت مرحلة نفوذ لايهاي خواهد بود. اما در صورتيكه سرعت همزدن فاز سيال بسيار سريع باشد، نفوذ حفرهاي يعني نفوذ در خلل و فرج ذرات جسم جاذب محدود خواهد شد كه در اين حالت، كنترل كنندة سرعت واكنش مرحلة نفوذ حفرهاي خواهد بود. غالباً در سيستمهاي ناپيوسته مرحلة سوم يعني نفوذ حفرهاي و در سيستمهاي پيوسته مرحلة دوم يعني نفوذ لايهاي نقش كنترلكنندة فرآيند جذب را بر عهده دارند.
1-5-3-4)pH محيط عمل pH يكي ازمهمترين فاكتورها در پديدة جذب سطحي است. با توجه به آنكه يونهاي H+ خود قابليت جذب قابل توجهي دارند، pH محيط درسرعت انجام فرآيند و ميزان جذب، بسيارمؤثراست. به عنوان مثال در برخي آزمايشات جذب، يونهاي H+به سطح مادة جذب شونده متصل شده و سطح آن را مثبت مينمايند (يونيزاسیون). با توجه به اينكه سطح بيشتر جاذبها (همانند كربن فعال و ميكروارگانيسمها) داراي بار منفي است، پديدة يونيزاسيون، سرعت جذب را افزايش مي دهد. در برخي موارد نيز يونهاي H+در رقابت با يونهاي ديگر نظير يون كادميم سريعتر جذب شده و ميزان جذب اين آلاينده را از محيط آبي كاهش ميدهند. به هرحال براي هر سيستم خاص pHبهینه بايد با انجام آزمايشات مربوط تعيين گردد. البته در برخي موارد نيز، تغيير pHاثري بر ميزان جذب يك جزء شيميايي خاص ندارد. اين امر در مورد جذب تركيبات آلي فرار توسط خاكهاي كشاورزي مشاهده شده است[40].
1-6 ) ايزوترمهاي جذب سطحي
برای یک سیستم جاذب- جذب شونده، تعادل جذب تابعی از فشار و دماي سیستم است:
f(p,T) : X/M
که در آن X/M مقدار مادة جذب شده بر واحد جرم مادة جاذب در شرایط تعادل فشارP ودمای T است.اگر جذب در شرایطی انجام شود که دماي سیستم تغییر نکند، آن را جذب ایزوترم و اگر در شرایط انجام شود که فشار سیستم ثابت باشد، جذب را جذب ایزو بار می نامند. در عمل مطالعات جذب معمولا به صورت ایزوترم انجام می شود، زیرا مطالعۀ جذب در دماي ثابت آسان تر است. به علاوه با استفاده از مدل هاي جذب ایزوترم، اطلاعات مفیدي را می توان راجع به سطح مادة جاذب، حجم منافذ آن و توزیع ابعاد منافذ مادة جاذب به دست آورد. بررسی پدیده هاي دو ايزوترم متداول (لانگمير و فروندليچ ) كه در توصيف فرآيندهاي جذب كاربرد بيشتري دارند. جذب می تواند با استفاده از مدل هاي جذب ایزوترم، سینتیک جذب و یا ترمودینامیک جذب بررسی شوند[41].
ايزوترم جذب سطحي براي سيستمهاي مختلف مي تواند اشكال گوناگوني داشته باشد. با اين وجود دو ايزوترم متداول (لانگمير و فروندليچ ) كه در توصيف فرآيندهاي جذب كاربرد بيشتري دارند.
1-6-1 )جذب ایزوترم لانگمویر
این مدل اولین مدل جذب ایزوترم است و بر مبناي فرضیاتی استوار است که مهمترین آنها عبارتند از [41]:
1- مواد جذب شونده (اتم، ملکول یا یون ) بر روي نقاط مشخصی در سطح مادة جاذب متصل می‌شود و یک جذب یک لایه ای (Monolayer)روي می دهد. به علاوه، هیچ گونه بر همکنشی بین ملکول هاي جذب شونده روي نمی دهد.
2- هر نقطۀ جذب در سطح فقط و فقط یک واحد از مادة جذب شونده را جذب می کند، بنابراین به صورت تئوریک هر سایت پس از جذب یک واحد، به حد اشباع می رسد و به همین دلیل جذب اضافی روي نمی دهد،
3 – انرژي جذب سطحی ثابت بوده و مستقل از میزان پوشش سطحی است. این بدین معنی است که سطح جاذب کاملا صاف و همگن است و پس از جذب اثر متقابل بین مادة جذب شونده و سطح جاذب ناچیز است.
این معادله حدود حداکثر جذب سطحی را مشخص می کند. معادلۀ لانگمویر براي جذب رنگ از یک محلول به صورت زیراست:
qe=qmklce/(1+klce) (1-1)
که در آنqe مقدار رنگ جذب شده بر واحد جرم جاذب در شرایط تعادل (mg/g)،qm حداکثر رنگ جذب شده برای ایجاد یک لایه ی جذب شده یا مونولایر (mg/g)،Ce غلظت تعادلی رنگ در محلول (mg/l) و kl مقدار ثابت وابسته به انرژی جذب (l/mg)است.شکل خطی این معادله به صورت زیر است:
Ce/qe=(1/klqm)+Ce/qm (1-2)
1-6-2 )جذب ایزوترم فروندلیچ
در مدل فروندلیچ فرض بر این است که سطح مادة جاذب همگن نیست و مقدار جذب ماده از محلول تابع غلظت تعادل مادة جذب شونده در محلول است. این معادله بر این فرض است که با افزایش پوشش سطحی، انرژي جذب سطحی به صورت لگاریتمی کاهش می یابد که ناشی از ناهمگنی سطح است. این معادله جذب حداکثري را پیش بینی نمی کند. معادلۀ جذب فرندلیج و شکل لگاریتمی آن به صورت زیر است[42]:
q e=KFCe1/n (1-3)
و شکل خطی آن:
Logqe=LoqkF+(1/n)Loqce (1-4)
qe مقدار رنگ جذب شده بر واحد جرم جاذب در شرایط تعادل(mg/g)،Ce غلظت تعادل رنگ در محلول (mg/l) است. با رسم منحنی لگاریتم qe به صورت تابعی از لگاریتم Ce می توان مقادیر n و kF را محاسبه کرد.KF(mg/g) و n ثابت های فروندلیچ هستند که بیانگر فرایند جداسازي رنگ از محلول و نشست آن بر روي مادة جاذب هستند و این دو پارامتر به ترتیب بیانگر، ظرفیت جذب و شدت جذب هستند. n بیانگر توزیع ذرات مواد جذب شوندة متصل شده به سطح مادة جاذب است.1/n با مقادیر بین صفر تا یک بیانگر ناهمگنی سطح است. هر چه 1/n به صفر نزدیک تر شود،ناهمگنی سطح افزایش می یابد.اگر مقدار 1/n کمتر از یک شود ،بیانگر جذب ایزوترم معمولی واگر مقدار آن بیشتر از 1 شود ، بیانگر جذب اشتراکی cooperative abortion)) خواهد بود.

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *