سنتزومشخصه یابی نانوکامپوزیت های دی اکسیدتیتانیوم- رس برای حذف کروم وگازدی اکسیدگوگرد

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays, the maintenance and improvement of environmental quality is considered as an important challenging issue in all countries of the world. Population growth and consequently the rapid expansion of industry and technology to overcome their needs have been increased environmental pollutions in recent years. Water pollution by heavy metals and air pollution by SO 2 and NO x are the examples of this problem. Therefore, control and removal of environmental pollutants using various methods is necessary. The use of titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles is considered to be very important in all over the world because of unique property and high efficiency at removal of pollutants. The high absorption capacity and cheapness of nanoclays have attracted a lot of attention. Therefore, combined nanoclay with TiO 2 not only increases the photocatalytic efficiency of titanium dioxide but also enhances the removal of pollutants. In this study TiO 2 -clay nanocomposites synthesis via various nanoclays including bentonite, zeolite (Ze), sepiolite and montmorillonite carried out, in order to remove Cr (VI) and SO 2 from polluted water and air, respectively. The results showed TiO 2 -Ze nanocomposites were the most efficient sorbents among the selected aorbents in removal of chromium and SO 2 , which used in other experiments. In addition, for improvement of the sorbent characteristics and reuse capability of nanocomposites, they were modified using the surfactant poly (oxypropylene)- amines (POP). Characterizations of nanocomposites were investigated using XRD, SEM-EDX and BET analyses. Cr (VI) and SO 2 concentrations were measured using atomic absorption spectroscopy (AAnalyst 700) and MRU VARIO plus SE, respectively. The initial concentration of Cr (VI) and SO 2 were 5 and 543 mg L -1 in all experiments, respectively. The influence of initial pH values (1, 2, 3, 4, 5), catalyst dose (2, 4, 6, 8, 10 g L -1 ) and initial concentration of Cr (VI) (5, 10, 15, 20 ,25 mg L -1 ) on photocatalytic reduction of the element were investigated. Furthermore, the influence of initial moisture values (0%, 2%, 5%) catalyst dose and ultra violet (UV) intensity (0, 32, 64 W m 2 ) on photocatalytic reduction of SO 2 were also investigated. The results showed that maximum Cr (VI) removal (conditions: adsorbent 10 g L -1 , Cr(VI) conc. 5 mg L -1 , pH 2) by Ze-TiO 2 -POP, Ze-Ti and Ze were 97%, 88% and 20%, respectively. The experimental data fitted well to the pseudo first-order kinetic model and this showed that the adsorption process was very rapid by the zeolite and synthesized nanocomposites. The results of SO 2 adsorption were fitted well to L–H kinetic model which showed the impregnated nanocomposites surface. The results showed that maximum removal of SO 2 (conditions: adsorbent 1/3 g m -3 , SO 2 conc. 543 mg L -1 , UV intensity 64 W m 2 ) by Ze-TiO 2 -POP, Ze-Ti and Ze were 95%, 91% and 32%, respectively. The results revealed that Ze-Ti nanocomposites had a high potential to remove Cr (VI) and SO 2 from the contaminated environments. Considering the high potential of the Ze-TiO 2 nanocomposites, their application to remove of other heavy metals from the water systems and pollutant gases (e.g. NO x , greenhouse gases and volatile organic compounds) is recommended in future researches. Keywords : Air pollution, TiO 2 , Zeolite, Polyoxypropylene surfactant, Photocatalyst

امروزه حفظ و بهبود کیفیت محیطزیست در همه کشورهای دنیا به امری مهم و چالش‌برانگیز تبدیل‌شده است. در سال های اخیر رشد جمعیت و بهتبع آن گسترش سریع صنایع و فناوری بهمنظور رفع نیاز جمعیت سبب افزایش آلودگی‌های محیط‌زیست شده است. آلودگی آب به فلزات سنگین و آلودگی هوا به گازهای دی‌اکسیدگوگرد و اکسیدهای نیتروژن ازجمله این آلودگی ها است. بنابراین استفاده از روش های مناسب برای کنترل و حذف آلودگی های محیط زیست لازم و ضروری است. استفاده از نانوفتوکاتالیست های دی‌اکسیدتیتانیوم به علت ویژگی‌های برجسته و کارایی زیاد در سراسر جهان اهمیت ویژه ای پیداکرده است. از طرفی ظرفیت بالای جذب و ارزان‌قیمت بودن نانو رس ها توجه ویژه ای را به خود جلب کرده است. بنابراین حضور رس در کنار نانو ذرات دی‌اکسیدتیتانیوم نه‌تنها سبب افزایش کارایی فتوکاتالیستی نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم می شود بلکه ظرفیت جذب آلاینده ها را نیز افزایش دهد. در این پژوهش سنتز نانوکامپوزیت‌های دی‌اکسیدتیتانیوم- رس با چهار نانو رس متفاوت سپیولیت، بنتونیت، زئولیت و مونت موریلونت بهمنظور حذف آلاینده های کروم از آب های آلوده و حذف گاز دی‌اکسیدگوگرد از هوا انجام شد. بررسی های اولیه نانوکامپوزیت‌های سنتز شده نشان داد کارایی نانوکامپوزیت‌های دی‌اکسیدتیتانیوم- زئولیت نسبت به سایر نانوکامپوزیت‌ها کارایی بیشتری در حذف آلاینده ها از محیط داشت و در سایر آزمایش ها از این جاذب استفاده شد. همچنین برای بهبود خصوصیات جذبی نانوکامپوزیت‌ها از سورفکتانت پلی اگزی پروپلین برای اصلاح ساختار نانورس‌ها نیز استفاده شد. بهمنظور بررسی و مشخصه یابی نانوکامپوزیت‌ها از آنالیزهای BET، SEM-EDX، XRD استفاده شد. غلظت کروم در نمونه ها با استفاده از دستگاه جذب اتمی مدل AAnalyst700و غلظت گاز دی‌اکسیدگوگرد با استفاده از دستگاه آنالیز گاز مدل MRUVARIO plus SEاندازه‌گیری شد. آزمایش های حذف کروم در نانوکامپوزیت‌های سنتز شده در غلظت اولیه 5 میلی‌گرم بر لیتر و آزمایش های حذف گاز دی‌اکسیدگوگرد با غلظت 543 میلی‌گرم بر لیتر انجام شد.بهمنظور بررسی میزان جذب کروم به وسیله نانوکامپوزیت‌های سنتز شده، تأثیر تیمارهای مختلف pH (1، 2، 3، 4 و5)، غلظت اولیه محلول کروم (5، 10، 15، 20 و 25 میلی گرم بر لیتر)، مقدارهای مختلف جاذب (2، 4، 6، 8 و 10 گرم بر لیتر) موردبررسی قرارگرفته شد. همچنین بهمنظور بررسی کارایی نانوکامپوزیت‌های سنتز شده در حذف فتوکاتالیستی گاز دی‌اکسیدگوگرد تأثیر تیمارهای مختلف رطوبت (0، 2 و5 درصد)، شدت اشعه فرابنفش (0، 32، 64 وات برمترمربع) و مقدارهای مختلف جاذب (3/0، 4/0، 6/0، 9/0 و 3/1 گرم بر مترمکعب) موردبررسی قرارگرفت. نتایج نشان داد که یشترین کارایی نانوکامپوزیت‌های سنتز شده در حذف کروم ( درشرایطpH:2، غلظت اولیه 5 میلی گرم بر لیتر، مقدار جاذب 10 گرم بر لیتر به مدت زمان 90 دقیقه) از آب های آلوده 97% ، 88 % و 20% به ترتیب برای دی اکسیدتیتانیوم-زئولیت- سورفکتانت،دی‌اکسیدتیتانیوم- زئولیت و زئولیت خام به دستآمد. داده‌های بهدستآمده از سینتیک جذب کروم همبستگی بالایی با مدل شبه مرتبه دوم داشت و این نشان‌دهنده جذب سریع کروم بر روی سطح زئولیت خام و نانوکامپوزیت‌های سنتز شده بود. داده های بهدستآمده از سینتیک گاز دی‌اکسیدگوگرد با استفاده از نانوکامپوزیت‌ها با مدل سینتیکL-Hهمبستگی بالایی داشت و این نشان‌دهنده اشباع شدن سطح نانوکامپوزیت‌ها در اثر جذب گاز دی‌اکسیدگوگرد بود. نتایج نشان داد بیش‌ترین درصد حذف گاز دی‌اکسیدگوگرد( در شرایط غلظت اولیه 543 میلی گرم بر لیتر، رطوبت 2 درصد، مقدار جاذب 3/1 گرم بر متر مکعب، شدت اشعه فرابنفش 64 وات بر متر مربع) در نانوکامپوزیت‌هایدی‌اکسیدتیتانیوم- زئولیت-سورفکتانت، دی اکسیدتیتانیوم-زئولیت و زئولیت به ترتیب 95% ،91% و 32 % بود. نتایج به دست آمده نشان داد نانوکامپوزیت های دی اکسیدتیتانیوم- زئولیت کارایی زیادی را برای حذف کروم و گاز دی اکسیدگوگرد از محیط های آلوده دارند. پیشنهاد می شود تاثیر نانوکامپوزیت های دی اکسیدتیتانیوم- رس برای حذف سایر فلزات سنگین از محیط های آبی و گازهای آلاینده همچون اکسیدهای نیتروژن، گازهای گلخانه ای و ترکیبات آلی فرار بررسی گردد. کلمات کلیدی: آلودگی آب و هوا، دی‌اکسیدتیتانیوم، زئولیت، سورفکتانت پلی اکسی پروپلین، فتوکاتالیست