عنوان صفحه
چکیده
فصل اول: كلیات و بررسی منابع
1-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1
1-2- آلاینده های محیط زیست…………………………………………………………………………………………………… 2
1-3- آنتی بیوتیك ها و مشكلات زیست محیطی………………………………………………………………………. 2
1-4- تكنیك های تصفیه………………………………………………………………………………………………………………. 4
1-5- فرآیندهای اكسیداسیون پیشرفته (AOPs) ………………………………………………………………………. 4
1-5-1- فرآیند هتروژن فتوكاتالیز………………………………………………………………………………………. 5
1-5-2- انواع فتوكاتالیزورها………………………………………………………………………………………………. 13
1-5-3- مكانیسم فرآیندهای هتروژن كاتالیز………………………………………………………………….. 14
1-5-3-1- مكانیسم فرآیند فتوكاتالیستی UV/TiO2………………………………………….. 15
1-6- تثبیت فتوكاتالیزور TiO2 بر روی بستر ثابت…………………………………………………………………… 17
1-6-1- تثبیت كاتالیزور به روش PMTP………………………………………………………………………… 20
1-7- طراحی آزمایش………………………………………………………………………………………………………………….. 22
1-7-1- انواع روش های طراحی آزمایش………………………………………………………………………… 22
1-7-1-1- روش تاگوچی……………………………………………………………………………………….. 23
1-7-1-1-1- ویژگی آرایه های متعامد……………………………………………………… 23
الف
1-8- فرآیند طراحی آزمایش……………………………………………………………………………………………………… 23
1-8-1- برنامه ریزی…………………………………………………………………………………………………………… 24
1-8-2- اجرا……………………………………………………………………………………………………………………….. 24
1-8-2-1- محاسبه اثر اصلی فاكتورها………………………………………………………………….. 24
1-8-3- آنالیز واریانس (ANOVA)………………………………………………………………………………….. 25
1-8-3-1- روش استاندارد…………………………………………………………………………………….. 25
1-8-3-2- روش S/N (نسبت سیگنال به نویز)……………………………………………………. 27
1-8-3-2-1- مشخصه نوع Nominal is better………………………………………… 27
1-8-3-2-2- مشخصه نوع Smaller is better…………………………………………… 28
1-8-3-2-3- مشخصه نوع Bigger is better…………………………………………….. 28
1-9- مطالعات پیشین در زمینه بررسی حذف آنتی بیوتیك ها با استفاده از فرآیندهای اكسیداسیون پیشرفته 28
1-10- اهداف طرح حاضر………………………………………………………………………………………………………….. 33
فصل دوم: روش تحقیق
2-1- وسایل، دستگاه ها و نرم افزارهای مورد نیاز……………………………………………………………………. 34
2-1-1- فتوراكتور………………………………………………………………………………………………………………. 35
2-2- مواد مورد استفاده………………………………………………………………………………………………………………. 36
2-3- مشخصات TiO2-P25…………………………………………………………………………………………………………. 36
2-4- مشخصات كلرامفنیكول……………………………………………………………………………………………………… 36
2-5- روش تهیه محلول مادر CAP……………………………………………………………………………………………. 38
2-6- روش تثبیت نانو ذرات تیتانیوم دی اكسید بر روی بسترهای شیشه ای……………………… 38
ب
2-7- تكنیك های مورد استفاده برای تعیین مشخصات بسترهای تهیه شده از نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده بر روی صفحات شیشه ای……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 40
2-8- روش تعیین میزان بارگیری نانوذرات تیتانیوم دی اكسید بر روی صفحات شیشه ای.. 41
2-9- بررسی فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات تثبیت شده بر روی صفحات شیشه ای………….. 42
2-10- نحوه ارائه نتایج……………………………………………………………………………………………………………….. 42
2-11- روش اندازه گیری غلظت CAP موجود در محلول……………………………………………………….. 43
2-12- روش آماده سازی نمونه ها برای اندازه گیری TOC……………………………………………………. 45
2-13- روش آماده سازی نمونه ها برای اندازه گیری میزان یون های آمونیوم، نیترات، نیتریت و
كلرید………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 45
2-14- اندازه گیری نیترات به روش اسپكتروفتومتری……………………………………………………………. 46
2-15- اندازه گیری نیتریت به روش اسپكتروفتومتری……………………………………………………………. 46
2-16- اندازه گیری كلرید به روش آرژانتومتری………………………………………………………………………. 46
2-17- اندازه گیری آمونیوم به روش رنگ سنجی به كمك شناساگر نسلر…………………………… 47
فصل سوم: نتایج و بحث
3-1- مشخصات بسترهای تهیه شده از نانوذرات TiO2-P25 بر روی صفحات شیشه ای………. 48
3-1-1- تصاویر SEM……………………………………………………………………………………………………….. 48
3-1-2- تصاویر AFM………………………………………………………………………………………………………… 50
3-2- تأثیر پارامترهای عملیاتی در راندمان حذف كلرامفنیكول توسط نانوذرات TiO2-P25 تثبیت
شده بر روی صفحات شیشه ای…………………………………………………………………………………………………… 53
3-2-1- بررسی تأثیر غلظت اولیه كلرامفنیكول………………………………………………………………. 53
پ
3-2-2- بررسی تأثیر شدت نور فرابنفش………………………………………………………………………… 55
3-2-3- بررسی تأثیر pH………………………………………………………………………………………………….. 57
3-3- طراحی آزمایشات فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده بر اساس خواص
آرایه های متعامد…………………………………………………………………………………………………………………………… 60
3-3-1- بهینه سازی میزان حذف……………………………………………………………………………………. 63
3-3-2- تعیین شرایط بهینه برای فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده در
حذف CAP…………………………………………………………………………………………………………………………. 65
3-3-3- تعیین سهم متغیرهای انتخابی در فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت
شده در حذف CAP ………………………………………………………………………………………………………….. 68
3-4- آنالیز سینتیك حذف CAP توسط نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده بر روی صفحات شیشه ای
در فتوراكتور ناپیوسته…………………………………………………………………………………………………………………. 70
3-5- مطالعات معدنی سازی CAP توسط نانوذرات دی اكسید تیتانیوم در فتوراكتور ناپیوسته 77
3-6- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………….. 80
3-7- پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………….. 81
منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 82
چكیده انگلیسی
عنوان صفحه
جدول (1-1): تصفیه تركیبات دارویی به روش اكسیداسیون پیشرفته (AOPs)……………………… 7
جدول (2-1): مشخصات آنتی بیوتیك كلرامفنیكول………………………………………………………………… 37
جدول (2-2): جذب محلول هایی با غلظت های مختلف از كلرامفنیكول در nm 278 lmax= 44
جدول (3-1): اطلاعات مورفولوژیكی حاصل از تصاویر AFM………………………………………………….. 51
جدول (3-2): اطلاعات زبری حاصل از تصاویر AFM………………………………………………………………. 52
جدول (3-3): نتایج تأثیر غلظت اولیه CAP در میزان حذف آن توسط نانوذرات TiO2-P25
تثبیت شده Light intensity= 36.7 W m-2, pH @ 4………………………………………………………………… 54
جدول (3-4): نتایج تأثیر شدت نورهای مختلف فرابنفش در میزان حذف CAP توسط نانوذرات
TiO2-P25 تثبیت شده [CAP]= 20 mg L-1, pH @ 4……………………………………………………………… 56
جدول (3-5): نتایج تأثیر pH در میزان حذف CAP توسط نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده
[CAP]= 20 mg L-1, Light intensity= 36.7 W m-2…………………………………………………………………. 58
جدول (3-6): فاكتورها و سطوح آن ها برای طراحی آزمایشات……………………………………………… 61
جدول (3-7): آرایه متعامد L16 برای طراحی آزمایش……………………………………………………………… 62
جدول (3-8): نتایج آزمایشات بر اساس آرایه L16……………………………………………………………………. 64
جدول (3-9): مقادیر S/N برای آزمایشات مختلف……………………………………………………………………. 65
جدول (3-10): پاسخ آنالیز تاگوچی فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده 66
جدول (3-11): نتایج مربوط به تحلیل واریانس برای تعیین درصد تأثیر فاكتورهای مختلف در
فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده در حذف CAP………………………………… 68
عنوان صفحه
نمودار (2-1): طیف جذبی محلول كلرامفنیكول در ناحیه UV/Vis………………………………………… 43
نمودار (2-2): نمودار كالیبراسیون برای اندازه گیری غلظت كلرامفنیكول در نمونه های مجهول
(nm 278 lmax= )……………………………………………………………………………………………………………………… 44
نمودار (3-1): تأثیر غلظت اولیه CAP در میزان حذف آن توسط نانوذرات TiO2-P25
تثبیت شده……………………………………………………………………………………………………………………………………. 55
نمودار (3-2): تأثیر شدت نورهای مختلف فرابنفش در میزان حذف CAP توسط نانوذرات
TiO2-P25 تثبیت شده………………………………………………………………………………………………………………… 57
نمودار (3-3): تأثیر pH در میزان حذف CAP توسط نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده………… 59
نمودار (3-4): تأثیر هر پارامتر بر مقادیر پاسخ S/N………………………………………………………………….. 67
نمودار (3-5): اهمیت فاكتورهای مؤثر در فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده
در حذف CAP………………………………………………………………………………………………………………………………. 69
نمودار (3-6): مقایسه ای مابین درصد حذف پیش بینی شده به روش تاگوچی و نتایج تجربی در
فعالیت فتوكاتالیزوری نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده در حذف CAP…………………………………. 70
نمودار (3-7): نمودار نیمه لگاریتمی غلظت CAP بر حسب زمان تابش در غلظت های اولیه مختلف
از كلرامفنیكول……………………………………………………………………………………………………………………………… 72
نمودار (3-8): نمودار نیمه لگاریتمی غلظت CAP بر حسب زمان تابش در شدت نورهای فرابنفش
مختلف………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 73
ج
نمودار (3-9): نمودار نیمه لگاریتمی غلظت CAP بر حسب زمان تابش در pHهای اولیه مختلف.. 73
نمودار (3-10): نمودار ثابت سرعت ظاهری حذف بر حسب غلظت اولیه كلرامفنیكول……….. 74
نمودار (3-11): نمودار ثابت سرعت ظاهری حذف بر حسب شدت نور ………………………………… 75
نمودار (3-12): نمودار ثابت سرعت ظاهری حذف بر حسب pH اولیه محلول CAP……………. 75
نمودار (3-13): مقایسه مقادیر kap محاسباتی و تجربی برای حذف CAP توسط نانوذرات
TiO2-P25 تثبیت شده………………………………………………………………………………………………………………… 76
نمودار (3-14): نتایج اندازه گیری TOC در حذف CAP توسط نانوذرات TiO2-P25
تثبیت شده …………………………………………………………………………………………………………………………………… 77
نمودار (3-15): نمودار NH4+ تولیدی بر حسب زمان تابش در فرآیند حذف CAP توسط نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 78
نمودار (3-16): نمودار NO3– تولیدی بر حسب زمان تابش در فرآیند حذف CAP توسط نانوذرات
TiO2-P25 تثبیت شده………………………………………………………………………………………………………………… 78
نمودار (3-17): نمودار NO2– تولیدی بر حسب زمان تابش در فرآیند حذف CAP توسط نانوذرات
TiO2-P25 تثبیت شده………………………………………………………………………………………………………………… 79
نمودار (3-18): نمودار Cl– تولیدی بر حسب زمان تابش در فرآیند حذف CAP توسط نانوذرات
TiO2-P25 تثبیت شده………………………………………………………………………………………………………………… 79
عنوان صفحه
شكل (1-1): شمای مكانیسم فرآیند فتوكاتالیستی UV/TiO2………………………………………………… 16
شكل (2-1): فتوراكتور ناپیوسته…………………………………………………………………………………………………. 35
شكل (2-2): ساختار شیمیایی كلرامفنیكول……………………………………………………………………………… 37
شكل (2-3): شمای مراحل تثبیت نانوذرات TiO2 بر روی بسترهای شیشه ای…………………….. 39
شكل (3-1): تصویر SEM از مقطع عرضی (الف) و سطح (ب) بستر تهیه شده از نانوذرات
TiO2-P25 بر روی صفحات شیشه ای……………………………………………………………………………………… 49
شكل (3-2): تصاویر AFM دو بعدی از نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده بر روی صفحات شیشه ای
در دو وضوح متفاوت……………………………………………………………………………………………………………………. 50
شكل (3-3): تصاویر AFM سه بعدی از نانوذرات TiO2-P25 تثبیت شده بر روی صفحات شیشه ای
در دو وضوح متفاوت……………………………………………………………………………………………………………………. 50
شكل (3-4): پروفایل مورد استفاده برای بدست آوردن اطلاعات مورفولوژیكی………………………. 51
شكل (3-5): پروفایل مورد استفاده برای بدست آوردن اطلاعات زبری سطح بستر……………….. 52
چكیده
در این تحقیق بمنظور کاربردی نمودن فرآیند فتوکاتالیز ناهمگن در حذف آنتی بیوتیک ها از محیط های آبی، کارائی نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید تثبیت شده به روش اتصال حرارتی بر روی صفحات شیشهای Sand-Blast شده در حذف کلرامفنیکول به عنوان یک ترکیب آنتی بیوتیک بررسی شده است. مشخصات صفحات شیشهای پوشش داده شده با نانو ذرات تیتانیوم دیاکسید توسط تصاویر SEM و AFM بررسی شده است. تأثیر پارامترهای مختلفی نظیر غلظت اولیه کلرامفنیکول، شدت تابش نور فرابنفش و pH در فعالیت فتوکاتالیزوری نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید تثبیت شده مورد مطالعه قرار گرفته است. بطوریکه نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید در وضعیت تثبیت شده در شرایط عملیاتی مختلف کارآئی قابل توجهی در حذف کلرامفنیکول از خود نشان میدهند. نتایج نشان میدهد که mg L-1 10 از کلرامفنیکول توسط نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید تثبیت شده تحت تابش نور فرابنفش با شدتW m-2 7/36 در مدت زمان 45 دقیقه تقریباً بطور کامل حذف میشود. نتایج مطالعات معدنی سازی نیز حذف كامل TOC و ایجاد محصولات معدنی سازی نظیر Cl–، NO3– و NH4+ را در حد انتظار در زمان های تابش بالاتر نشان می دهد. نتایج طراحی آزمایش به روش تاگوچی مؤثرترین پارامتر در حذف آلاینده مذكور در سیستم تثبیت شده را زمان تابش با سهم 60 درصد نشان می دهد. همچنین نتایج آنالیز سینتیك واكنش، مطابقت سینتیك حذف را با مدل لانگمویر- هنیشلوود نشان می دهد. مدل حاصل از نتایج آنالیز سینتیك فرآیند، به خوبی قادر به تعیین ثابت سرعت ظاهری حذف CAP در فرآیند مذكور می باشد.
کلمات کلیدی: فرآیند اكسیداسیون پیشرفته (AOPs)، تخریب فتوكاتالیتیكی، فتوکاتالیز ناهمگن، نانو ذرات TiO2، تثبیت فتوکاتالیزورها، کلرامفنیکول
