پايان نامه روشهای حذف فنل و بیس فنل از پسابهای صنعتی

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد

چکیده    1

(فصل اول)    2

1- فنل (Phenol)    3

1-1- خصوصيات فنل    6

1-1-1- قدرت اسيدي فنل    6

1-1-2- حلاليت فنل در آب    7

1-1-3- رنگ فنل    7

1-1-4- پايداري فنل    7

1-1-5- خصوصيات فيزيولوژيکي    8

1-2- بیس فنول A    9

1-2-1- روشهای تولید بیس فنل در پتروشیمی    11

1-2-1-1- روش اول    12

1-2-1-2- روش دوم    13

(فصل دوم)    16

2- روشهای حذف فنل وبیس فنل و مشتقات آن    17

2-1- جذب سطحی بر روی کربن فعال    18

2-1-1- کاربرد خاکستر درخت خرما به عنوان منبع کربن    19

2-2- جذب سطحی با زئولیت اصلاح شده    20

2-3- روش اکسیداسیون    22

2-4- گل قرمز    24

2-5- تفاوت اساسی تئوریهای جذب    27

2-6- آزمون زیستی با استفاده از دافنیامگنا    28

2-7- تجزیه زیستی فنل توسط باکتری    28

2-8حذف آنزیمی    30

2-9- نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی    32

2-10- پراکسیداز برای از بین بردن فنول    34

2-11- از بین بردن فنول با فناوری عصاره گیری    34

2-12- روش جدید حذف فنل و بیس فنل از پساب صنعتی    35

(فصل سوم)    44

3- نتیجه‌گیری    45

منابع    46

چکیده

براي دست‌يابي به توسعه پايدار، توجه به مديريت محيط زيست اجتناب‌ناپذير است. از اين رو تهيه و تدوين و اجراي برنامه‌هاي موثر در عين حال اقتصادي در راه رسيدن به اهداف بهداشت عمومي و حفاظت از محيط زيست امري لازم و ضروري است. يکي از مسائل مهمي که سلامت محيط‌هاي اکولوژيکي آبي را تهديد کرده و سلامت انسان را به خطر مي‌اندازد، ترکيبات مقاوم و سمي هستند که توسط فاضلاب‌هاي صنعتي وارد محيط زيست مي‌گردند. در بين ترکيبات شيميايي موجود در پسآب‌هاي صنعتي، فنل و مشتقات آن يکي از ترکيبات فراگير است که علاوه بر طرق مصنوعي از طريق طبيعي (تجزيه آلگ‌ها يا گياهان آلي) نيز وارد منابع آب شده، همچنين به دليل ساختمان فيزيکي‌اش در اکثر ترکيبات شيميايي و حتي در فاضلاب-هاي شهري نيز وجود دارد و به دليل پايداري نسبي در محيط، قابليت انحلال در آب، سميت بالا و مشکلات بهداشتي، حذف آن از خروجي پسآب صنايع اهميت بسياري در حفظ محيط زيست دارد. از آنجا که فنل یک ترکیب سمی است، حضور آن در محیط می‌تواند تاثیرات مضر زیادي بر سلامتی و محیط داشته باشد. وزارت جنگل‌ها و محیط زیست (MOEF)، دولت‌هاي هند و آمریکا و آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا (USEPA) فنل را به عنوان یک آلاینده خطرناك در فهرست آلاینده‌هاي خود قرار داده‌اند. به عنوان مثال فنل به دلیل حلالیت بالایی که در آب دارد اکوسیستم آبی را تغییر می‌دهد و سبب مرگ و میر ماهی‌ها و موجودات آبزي می‌شود. همچنین حضور این ماده در آب‌هاي طبیعی سبب شکل‌گیري ترکیبات ثانوي در طول فرآیندهاي اکسیداسیون و گندزدایی می‌شود.  از جمله مهم‌ترین منابع آلوده کننده محیط‌هاي آبی ترکیبات نفتی مانند فنل می‌باشد. فنل و مشتقات آن ترکیبات سمی و آروماتیک هستند که در فاضلاب‌هاي تولیدي از صنایع مختلف از قبیل پالایشگاه‌هاي نفت، صنایع رزین، پلاستیک، چرم، نساجی، کارخانه‌هاي شیمیایی و پتروشیمیایی، کوره‌هاي کک، کارخانه‌هاي ذوب فلزات، کارخانه‌هاي کاغذسازي و صنایع داروسازي وجود دارند. ترکيبات فنلي و فنل‌ها از پسآب کارخانه‌هاي زغال سنگ، صنايع توليد رزين، رنگ، سموم دفع آفات، داروسازي و آرايشي، پالايشگاه نفت، صنايع پتروشيمي، معادن زغال سنگ، صنايع فولاد و آلومينيوم، کودسازي، خودروسازي، صنايع توليد مواد شيميايي آلي و غيره و از طريق دفع غير بهداشتي فاضلاب صنايع ياد شده باعث آلودگي محيط زيست و به خصوص منابع آب مي‌شود. همچنين فنل در در مواد ضدعفوني کننده و پاک کننده‌ها، سيگار، خروجي دود اگزوز وسائل نقليه و برخي آفت کش‌ها نيز يافت مي‌شود.  براي جلوگیري از تأثیرات مضر فنل بر روي اکوسیستم و سلامتی باید فاضلاب فنل با تکنیک‌هاي محیطی و موثر قبل از تخلیه به محیط تصفیه شود. اکثر ترکیبات فنلی به سختی توسط روش‌هاي متداول تصفیه حذف شده و بعضاً غیرقابل تجزیه هستند. لذا از چند دهه قبل تحقیقات زیادي براي توسعه روش‌هاي نوین تصفیه براي رفع مشکلات زیست محیطی ناشی از این گونه ترکیبات شیمیایی در شرف انجام است و هدف عمدة آن شناسایی روش‌هاي کارآمد و ارزان می‌باشد. فرآیندهاي بیولوژیکی به دلیل توانایی موثر در حذف آلودگی‌ها با یک تاثیر ملایم بر محیط و هزینه مناسب روش موثري براي حذف شناخته شده‌اند.

(فصل اول)

فنل و بیس فنل و

خصوصیات آنها

1- فنل (Phenol)

در شیمی آلی فنل‌ها گونه‌اي از ترکیبات آلی هستند که از باند شدن مستقیم گروه هیدروکسی (OH) به ترکیبات آروماتیک حاصل می‌شوند. اگر چه فنل‌ها از نظر ساختمان شیمیایی شبیه الکل‌ها هستند ولی ویژگی‌هاي خاصی دارند که آنها را از گروه الکل‌ها جدا می‌کند (از آنجا که گروه هیدروکسی به یک اتم کربن اشباع باند نشده است). فنل‌ها ممکن است در یک مولکول دو گروه هیدروکسی باند شده یا بیشتر به حلقه آروماتیکی داشته باشد که ساده‌ترین آنها سه بنزن است که که داراي دو گروه هیدروکسی باند شده هستند. فعالیت گروه هیدروکسی در فنل‌ها حد وسط الکل‌هاي آلیفاتیک و اسیدهاي کربوکسیلیک است (Pka آنها بین 10تا 12 می‌باشد).

فنل، اکثراً بنام اسيد کاربوليک ناميده مي‌شود، چون خاصيت اسيدي ضعيفي دارد. فنل به شکل کريستال‌هاي سوزني شکل بهم پيچيده يا جدا از هم، يا توده کريستالي بي‌رنگ يا کمي صورتي و با بوي مخصوص وجود دارد. آب به نسبت 10 درصد در فنل حل مي‌شود. فنل پايدارترين جسم از دسته فنل‌هاست. در اثر هوا کمي اکسيده مي‌شود بوسيله حرارت مي‌تواند استرليزه شود.

فنل اولین بار توسط شیمیدان آلمانی رنگ در سال 1834 از زغال سنگ قیري استخراج شد. فنل به شکل کریستال‌هاي سوزنی شکل، بی‌رنگ، بهم پیچیده یا جدا از هم، با بوي تند و مخصوص است که در نتیجه اکسایش در هوا صورتی رنگ می‌گردد. فنل پایدارترین جسم از دسته فنل‌هاست. در اثر هوا کمی اکسیده می‌شود و به وسیله حرارت می‌تواند استرلیزه شود. این ماده در محدوده‌اي از دما و فشار به صورت یک جامد کریستالی است. فنل مایع به لاستیک و روکش و تعدادي از انواع فرم‌هاي پلاستیکی حمله می‌کند. فنل مایع گرم به آلومینیوم، منیزیم، سرب و روي حمله می‌کند. همچنین فنل یک ترکیب احتراقی است و بویی شبیه قیر و طعم شیرین و تند دارد. نقطه ذوب آن پایین (42 درجه سانتی‌گراد) است.

فنل يکي از قديمي‌ترين آنتي سپتيک‌ها است که در سال 1867 در جراحي وارد شد. اثر فنل روي نسوج سمي است و فنل خالص روي پوست اثر خورنده داشته، بسياري نسوج را ضايع مي‌کند. گر چه فنل‌ها از يک نظر مي‌توانند به عنوان الکل‌هاي نوع سوم فرض شوند، آنها با الکل‌ها اين تفاوت را دارند که به طور ضعيف، اسيدي هستند.

فنل، يکي از هيدروکربن‌هاي آروماتيک است که در رشته آلاينده‌هاي سمي قرار دارد و آژانس حفاظت محيط زيست آمريکا آن را در دسته آلاينده‌هاي مقدم قرار داده است. فنل، اسيد کربوليک و يا اسيد فنيک با نام شيميايي هيدروکسي بنزن و فرمول شيميايي C6H5OH قابل احتراق، در دماي بالاي 79 درجه ممکن است مخلوط هوا و بخار اين ماده توليد انفجار نمايد.

با توجه به اهميتي که فنل روي سلامت انسان دارد، استاندارد سختگيرانه‌اي براي آن وضع شده است. به طور مثال سازمان جهاني بهداشت توصيه کرده غلظت فنل در منابع آب ورودي به تصفيه خانه متعارف آب براي استفاده جوامع انساني کمتر از 2 ميکروگرم در ليتر باشد. رهنمود سازمان جهاني بهداشت  (WHO)براي غلظت فنل‌ها، کلروفنل‌ها و 6،4،2 تري کلروفنل در آب آشاميدني کمتر از 1/0 ميکروگرم در ليتر (0.1 ppb) مي‌باشد. طبق استاندارد سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا (US.EPA) ميزان مجاز فنل در منابع آب جوامع انساني و آب مورد استفاده براي پرورش ماهي3/0 و 6/2 ميلي گرم در ليتر است و بر اساس استاندارد کشور ژاپن مقدار مجاز در پسآب‌هاي خروجي از تصفيه خانه‌هاي صنايع 5 ميلي گرم در ليتر است.

فنل از مونوهيدروکسي بنزن که از قطران زغال سنگ در محيط قليايي با راندمان 7/0 درصد استخراج مي‌شود.

شکل 1: نمای کلی از ترکیب فنل

فنل ماده اولیه برای تولید بسیاری از مواد اولیه صنایع مختلف مانند: نونیل‌فنل، بیس‌فنل، رزین‌های‌فنلیک، آلکیل‌فنلیک، آنتی‌اکسیدانت‌های فنلی و غیره است. فنل‌ها و مشتقات آن‌ها از پیش‌ماده‌های مهم در صنایعی همچون صنعت لاستیک و پلاستیک، پلی‌کربنات‌ها، اپوکسی‌ها، نایلون، شوینده‌ها، علف‌کش‌ها و انواع داروها است.

دو سوم تولیدات فنل به پیش‌ماده‌هایی که در صنعت پلاستیک کاربرد دارند، تبدیل می‌شود. از کندانسیون فنل و استون، بیس ‌فنل‌ A به دست می‌آید که پیش‌ماده اصلی برای تولید رزین‌های پلی‌کربنات و اپوکساید است. کندانسیون فنل و آلکیل‌فنل‌ها یا دی‌فنل‌ها با فرمآلدهید، رزین‌های فنلیک را به دست می‌دهد. عواملِ شوینده غیریونی از آلکیلاسیون فنل تولید می‌شوند که آلکیل‌فنل‌ها، مثلاً نونیل فنل را به دست می‌دهد و البته نونیل فنل بعداً اتوکسیله شده و نونیل فنل اتوکسیله از موارد بسیار پرکاربرد در شوینده‌هاست. فنل پیش‌ماده‌ای چندمنظوره برای مجموعه عظیمی از داروها از جمله آسپرین است. فنل همچنین پیش‌ماده‌ای برای تولید علف‌کش‌هاست.

کاربردهای عمده فنل در تولید ترکیبات مهمی می‌باشد که از بین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- بیس‌فنل‌آ

2- رزین فنلیک

3- نونیل‌فنل

4- پیش‌ماده‌های داروها و علف‌کش‌ ها

5- انواع عایق

1-1- خصوصيات فنل

جدول 1: ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی فنل.

1-1-1- قدرت اسيدي فنل

يک خاصيت اسيدي به علت وجود اوربيتال n، مربوط به حلقه بنزن است. قدرت اسيدي فنل‌ها بوسيله جانشين‌هاي جاذب يا دافع الکترون تغيير مي‌کند. از طرف ديگر، وارد شدن گروه‌هاي جاذب الکترون، مانند گروه‌هاي نيترو بسته به تعداد آنها موجب افزايش قدرت اسيدي فنل مي‌شود.

فنل، اکثراً بنام اسید کاربولیک نامیده می‌شود، چون خاصیت اسیدي ضعیفی دارد. گر چه فنل‌ها از یک نظر می‌توانند به عنوان الکل‌هاي نوع سوم فرض شوند، آنها با الکل‌ها این تفاوت را دارند که بطور ضعیف، اسیدي هستند. یک خاصیت اسیدي بعلت وجود اربیتال n، مربوط به حلقه بنزن است. قدرت اسیدي فنل‌ها بوسیله جانشین‌هاي جاذب یا دافع الکترون تغییر می‌کند. از طرف دیگر، وارد شدن گروه‌هاي جاذب الکترون، مانند گروه‌هاي نیترو بسته به تعداد آنها موجب افزایش قدرت اسیدي فنل می‌شود. فنل‌ها همانند کربوکسیلیک اسیدها ترکیباتی اسیدي هستند و به استثناي فنل‌هایی که داراي استخلاف الکترون گیرنده نظیر نیترو هستند، قدرت اسیدي آنها از کربوکسیلیک اسیدها کمتر است. Pka فنل‌ها و به عنوان نمونه خود فنل 10 است، در حالی که Pka کربوکسیلیک اسیدها حدود 5 است. با اینکه غالباً فنل‌ها در محلول بازي ضعیف سدیم بی کربنات حل نمی‌شوند، اما در محلول سدیم هیدروکسید که بازي بسیار قوي می‌باشد، حل می‌شوند.

1-1-2- حلاليت فنل در آب

مطابق قانون عمومي با افزوده شدن تعداد گروه هيدروکسيل در يک ترکيب ميزان حلاليت آن در آب افزايش پيدا مي‌کند، ولي در مورد فنل چند ظرفيتي صادق نيست. آب به نسبت 10 درصد در فنل حل می-شود. در دمای معمولی در آب، کم محلول و در اثر گرم شدن، حلالیت آن افزایش یافته و در 70 درجه سانتی گراد به هر نسبت با آب، قابلیت مخلوط شدن دارد. فنل در اتیل الکل، اتر، بنزن و چندین محلول قطبی به خوبی حل می‌شود.

1-1-3- رنگ فنل

بسياري از فنل‌ها به صورت محلول‌هاي خيلي رقيق در آب يا الکل به وسيله ميکرورفريک ايجاد رنگ-هاي مشخص مي‌نمايند. گاهي براي ايجاد رنگ، محلول غليظ الکلي فنل لازم است. اين رنگ‌ها بر حسب نوع فنل در تعداد گروه‌هاي هيدروکسي و محل قرار گرفتن آنها متفاوت است. براي مثال فنل بنفش، گاياکول آبي يا سبز و غیره.

1-1-4- پايداري فنل

فنل‌ها در مقابل حمله اکسيژن هوا و عوامل اکسيد آن، مانند ميکرورفريک و اسيد کروميک حساس هستند. گروه‌هاي جاذب الکترون مانندCl ، NO2 و غيره پايداري فنل‌ها را افزايش مي‌دهد، در حالي که گروه-هاي الکترون‌دهنده موجب کاهش پايداري آنها در مقابل اکسيد شدن بوسيله هوا و غيره مي‌شود.

1-1-5- خصوصيات فيزيولوژيکي

PH محيط که ترکيبات قبلي در آن آزمايش مي‌شوند يا مورد استعمال قرار مي‌گيرند، مي‌تواند تا حد زيادي قدرت اثر آنها را تغيير دهد. بنابراين PH کمتر مي‌تواند قدرت اثر فنل‌هاي اسيدي‌تر را از طريق جلوگيري از يونيزاسيون آنها افزايش دهد. علت اين مطلب اين است که نوع خنثي، بيشتر محلول در چربي بوده و مي‌تواند سريع‌تر از نوع يونيزه که کمتر محلول در چربي است در غشاي سلول ميکروبي نفوذ کند.

 در مورد فنل‌هايي که کمتر اسيدي هستند، اين موضوع صدق نمي‌کند. فعاليت بيولوژيکي (در بعضي حالات اثرات سمي) فنل‌ها کم و بيش مي‌تواند تحت نفوذ مستقيم تغييرات PH محيط باشد که ميزان دسوسيه شدن فنل را تعيين کند. تقريبا تمام ترکيبات فنلي تا حدي از خود، فعاليت ضد ميکروبي نشان مي‌دهند و اين فعاليت خيلي اختصاصي نيست. در بعضي حالات، ترکيبات فنلي ممکن است به منظور ايجاد بعضي اثرات تکاملي با DNA تداخل حاصل نمايد.

فعاليت ضد ميکربي فنل‌ها ممکن است در نتيجه زيان وارد شدن به ساختمان و تغيير مکانيسم نفوذپذيري ميکرو اورگانيسم، ليزوزوم‌ها و ديوار سلول باشد. گر چه اين نوع فعاليت مخصوص بعضي آنتي بيوتيک‌ها است، اثرات عمومي ضد ميکروبي بسياري فنل‌ها با رقيق نمودن با آب غير قابل برگشت است. به علاوه باکتري‌ها در مقابل غلظت مهار کننده اوليه يک فنل نمي‌توانند ايمني کسب کنند.

بنابراين فنل‌ها از نظر اقتصادي عوامل ضد ميکربي بسيار با ارزشي هستند. فنل داراي فعاليت کرم ‌کشي مشخص است که با وجود گروه‌هاي آلکيل افزايش مي‌يابد. موثرترين ترکيبات ضد کرم در اين دسته بايد حلاليت نسبتاً کمي در آب داشته باشد تا از معده و روده زياد جذب نمي‌شود.

1-2- بیس فنول A

امروزه وجود ترکیبات و مواد مقاوم و سمی در منابع آب و همچنین تولید فاضلاب‌های حاوی ترکیبات سمی و پیچیده، کاربرد فرآیندهای متداول تصفیه آب و فاضلاب را محدود و در برخی موارد ناتوان کرده است. بیشترین غلظت بیس فنل A به پساب اولیه کارخانه پلی کربناته و در حدود 100 میلی گرم در لیتر است. به علت این که تنها مقدار کمی از این ماده در طی تصفیه فاضلاب حذف می‌شود، فاضلاب حاوی بیس فنل A می‌تواند منبع آلودگی در محیط آبزی باشد.

طیف وسیعی از فاضلاب‌های صنعتی در حال حاضر به محیط زیست وارد می‌شوند. فنل و مشتقات فنل در فاضلاب صنایع شیمیایی، پلاستیک، نفت و پتروشیمی وجود دارد. در این میان بیس فنل A یا 2-2 بیس پروپان (4 هیدروکسی فنیل) به عنوان یک آلاینده سمی و زیست محیطی مطرح می‌باشد و ممکن است در دوزهای پایین نیز خطرناک باشد. برخی از عوارضی که در معرض قرارگیری با بیس فنل به صورت کاهش اسپرم، سرطان پستان، سرطان پوستات و کاهش باروری می‌باشد. افزایش استفاده از محصولات ساخته شده از بیس فنل (Bisphenol A یا BPA) احتمال آلودگی محیط زیست توسط BPA را افزایش داده است. به طور کلی غلظت BPA در آب‌های سطحی از 5/0 تا 1/0 گرم در لیتر متفاوت است ولی در برخی رودخانه‌ها به علت ورود فاضلاب‌های صنعتی تا حدود 4/0 گرم در لیتر بالا می‌باشد.

بیس فنول عمدتاً به صورت تکه‌ها یا ورقه‌های سفیدی است که بوی فنلی دارد. در الکل محلول، در آب نامحلول و در کربن تتراکلرید به مقدار کمی حل می‌شود. در صورت تماس با دست یا بلعیدن باعث مسمومیت می‌شود.

منابع

1-اسکندری س.، هودجی م. و طهمورث پور آ. 1389. بررسی روند رشد و تجزیه زیستی فنل به وسیله باکتری جدا شده از پساب صنعتی در شرایط آزمایشگاه. مجله آب و فاضلاب. شماره 2. ص 78-84.

2-ایروانی ا.، دهقانی م.ه.، محوی ا.ح. و راستکاری ن. 1391. حذف بیس فنل A از محلول¬های آبی توسط نانوتیوب¬های کربن تک دیواره: بررسی ایزوترم¬های جذب. مجله سلامت و محیط، فصلنامه¬ی علمی پژوهشی انجمن علمی بهداشت محیط ایران. دوره 6. شماره 2. ص 257-264.

3-دارائی ه. و کمالی ح. سنتز نانوذرات آهن صفر طرفیتی و ارزیابی عملکرد این نانوذرات در حذف فنل و 2-کلروفنل از محلول¬های آبی. این مقاله حاصل طرح تحقیقاتی مصوب دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی البرز با کد 2059057 است.