چکیده
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 کامل 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 مذکور در سیستم تثبیت شده را زمان تابش با سهم 60 درصد نشان می دهد. همچنین نتایج آنالیز سینتیک واکنش، مطابقت سینتیک حذف را با مدل لانگمویر- هنیشلوود نشان می دهد. مدل حاصل از نتایج آنالیز سینتیک فرآیند، به خوبی قادر به تعیین ثابت سرعت ظاهری حذف CAP در فرآیند مذکور می باشد.
کلمات کلیدی: فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)، تخریب فتوکاتالیتیکی، فتوکاتالیز ناهمگن، نانو ذرات TiO2، تثبیت فتوکاتالیزورها، کلرامفنیکول

1-1- مقدمه
تمام آبهای طبیعی دارای آلودگی هایی هستند که از فرآیند فرسایش، شستشو و هوازدگی خاک ها ناشی می شوند. یکی دیگر از مهمترین عوامل آلودگی های آب های سطحی، تخلیه پسابهای صنعتی و فاضلاب ها به محیط زیست می باشد که اگر بدون تصفیه به محیط زیست وارد شوند، می توانند به طرق مختلف اکوسیستم آبی را بطور نامطلوبی تحت تأثیر قرار دهند. لذا برای حفاظت منابع آبی و زیرزمینی و نیز برای دسترسی به آب آشامیدنی مطلوب لازم است این آلاینده ها را از منابع شان حذف کنیم. بسیاری از فرآیندها بمنظور تخریب یا تجزیه این عوامل آلاینده سالهاست بکار برده می شوند که از آنجمله می توان به فرآیندهای انعقاد، اکسیداسیون شیمیایی، جذب روی کربن فعال شده، اکسیداسیون کاتالیستی و … اشاره کرد[1،2]. لیکن اکثر این روشها غیرتخریبی بوده و فقط فاز آلاینده را تغییر داده و یک آلودگی ثانویه ایجاد می کنند[4،3]. از میان تکنیک های تصفیه، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفت (AOPs) بعنوان یک تکنیک نوین و خوش آتیه مورد توجه ویژه واقع شده است، چراکه این فرآیندها قادرند تقریبا اکثر ترکیبات آلی را بطور کامل معدنی نمایند. روش هتروژن فتوکاتالیز یکی از فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته، ترکیبی از یک فتوکاتالیزور و اشعه فرابنفش یا اشعه نور طبیعی خورشید می باشد که در آن عمدتا دو نوع فاز جامد و مایع وجود دارد. بسته به محیط واکنش می توان از بسترهای ثابت از فتوکاتالیزورها یا از محلول های سوسپانسیونی در فتوراکتورها استفاده کرد که براساس تحقیقات آزمایشگاهی، راکتورهای نوع دوغابی کارآمدتر از راکتورهای با کاتالیزورهای تثبیت شده می باشند، در صورتی که در مقیاس صنعتی، راکتورهای با کاتالیزورهای تثبیت شده و با جریان پیوسته کاربردی تر هستند. با وجود استفاده بسیار زیاد از ترکیبات دارویی در دهههای گذشته، تنها در چند سال اخیر است که حضور این ترکیبات بعنوان آلاینده در محیط زیست مورد توجه بسیار واقع شده است. یکدسته مهم از ترکیبات دارویی آنتی بیوتیک ها هستند که بعلت ماهیت پایداری که دارند در محیط های آبی خود را نشان می دهند. تلاش های بسیار زیادی برای حذف این ترکیبات در محیط های آبی صورت گرفته است که در این بین فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته بعنوان یک روش مؤثر مورد توجه بیشتری قرار گرفته است[5].
در کار پژوهشی حاضر بمنظور کاربردی نمودن فرایند فتوکاتالیز ناهمگن در حذف آنتی بیوتیک ها از محیط های آبی، کارائی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم تثبیت شده به روش اتصال حرارتی بر روی صفحات شیشهای Sand-Blast شده در حذف کلرامفنیکول بعنوان یک ترکیب آنتی بیوتیک بررسی شده است.
آلاینده های محیط زیست
با افزایش دانش بشری و گسترش تکنولوژی، معضلی به نام آلودگی محیط زیست مطرح می شود که نه تنها در کشور ما، بلکه برای اکثر کشورهای پیشرفته دنیا از جمله مسائلی است که روز به روز ابعاد پیچیده تری به خود می گیرد. این آلودگی ها منابع آب را نیز تحت تأثیر قرار می دهند. بنابراین حفاظت از محیط زیست در هر کشوری مورد توجه جدی دولتمردان می باشد[6]. ترکیبات دارویی و محصولات بهداشتی از جمله آلاینده های آب هستند و بدلیل انتشار نامحدود و مداوم به داخل محیط آبی، تهدیدی جدی برای اکوسیستم و عموم بشمار می روند. در میان ترکیبات دارویی، آنتی بیوتیک ها بدلیل استفاده گسترده در ایالات متحده امریکا، اروپا و آسیا و … توجه بیشتری را به خود معطوف ساخته اند[7].
آنتی بیوتیک ها و مشکلات زیست محیطی
اگرچه ترکیبات دارویی قرون بسیاری است که مورد مصرف قرار گرفته اند، تنها طی چند سال اخیر رهاسازی آنها به داخل محیط آبی بعنوان یکی از اضطراری ترین مسائل شیمی محیط زیست شناخته شده است[8]. ترکیبات دارویی بویژه آنتی بیوتیک ها در آب های سطحی، آب های زیرزمینی، فاضلاب ها، رسوبات، خاک و حتی در آب های آشامیدنی شناسایی شده اند. این ترکیبات از طریق منابع مختلفی نظیر صنایع داروسازی، پساب بیمارستان ها و فضولات دامی و انسانی به محیط های آبی می رسند[7].
وجود ترکیبات دارویی در محیط های آبی ممکن است موجب تحمیل سمیت تقریبا بر تمام سلسله مراتب بیولوژیکی مانند سلول ها، ارگانیسم ها، جمعیت، اکوسیستم و یا اکوسفر شود. علاوه بر تأثیرات سمی، گروه خاصی از مواد دارویی نظیر آنتی بیوتیک ها ممکن است منجر به تغییر طولانی مدت و غیرقابل بازگشت در ژنوم (مجموعه کامل ژن ها) میکروارگانیسم ها، فرآیندهای غیرطبیعی فیزیولوژیکی در تکثیر و گسترش مقاومت آنتی بیوتیکی میکروارگانیسم ها حتی در غلظت های پایین شوند. نتایج نشان می دهد که حضور ترکیبات دارویی باقیمانده در محیط زیست و بخصوص در سیستم های آبی یک مشکل جدی محیطی بوجود می آورد از آنجاکه این ترکیبات: 1) فوق العاده مقاوم به پروسه های تخریب بیولوژیکی هستند و معمولا بطور کامل از سیستم های تصفیه رایج در امان می مانند، 2) احتمالا سمیت جدی و نیز تأثیرات دیگر بر انسان ها و دیگر ارگانیسم های زنده بوجود آورند و 3) در غلظت های کم موجودند، بنابراین نیاز به تجهیزات آنالیزی پیشرفته برای شناسایی دقیق دارند. سرنوشت احتمالی مواد دارویی، زمانیکه وارد محیط آبی می شوند عمدتا سه مورد است:
ترکیب مورد نظر نهایتا بصورت کربن دی اکسید و آب، معدنی می شود.
ترکیب مورد نظر بدلیل چربی دوست بودن به آسانی تخریب نمی شود و بصورت جزئی از لجن رسوبی باقی می ماند.
ترکیب مورد نظر به مولکول های آبدوست زیادی متابولیزه شده و از میان سیستم تصفیه آب و پساب عبور کرده و به آبهای سطحی و رودخانه ها منتهی می شود. این ترکیبات بالاترین مقاومت در محیط زیست را نشان می دهند[9].
تکنیک های تصفیه
از میان تکنولوژی های تصفیه، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته در مقایسه با سایر تکنیک هایی چون جذب سطحی بر روی کربن فعال، هوادهی و اسمز معکوس گزینه جالب توجهی به نظر می رسد. البته بسیاری از این تکنیک ها بدون تخریب آلاینده ها، آنها را از فازی به فاز دیگر انتقال می دهند. تصفیه بیولوژیکی محدود به پساب هایی است که حاوی مواد تخریب پذیر زیستی و مواد غیر سمی برای محیط زیست هستند[7‍]. بنابراین جای شگفتی نیست که اخیرا کارهای تحقیقی به سمت کاربرد پروسه های غیربیولوژیکی برای تخریب مواد دارویی در آب ها با تأکید بر فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) سوق یافته اند[9].
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته(AOPs)
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته بعنوان یک روش اکسیداسیون فاز آبی که براساس تشکیل گونه های بسیار فعال مانند رادیکال های هیدروکسیل در مکانیسمی که منجر به تخریب آلاینده هدف می شود، مشخص شده اند. در 30 سال گذشته، تحقیق و پیشرفت در مورد AOPs بویژه به دو دلیل 1) تنوع و 2) زمینه های کاربرد، افزایش یافته است.
براساس ویژگی های جریان پساب و یا هدف از تصفیه، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته می توانند به تنهایی و یا بصورت ترکیبی با سایر پروسه های بیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی بکار گرفته شوند. این امر باعث بهبود بازده تصفیه می شود. بعنوان مثال، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته می تواند بعنوان مرحله پیش-تصفیه، که بدنبال آن پس-تصفیه بیولوژیکی صورت گیرد، بکار گرفته شود. در پسابهای حاوی فراکسیون های تخریب پذیر زیستی، پیش-تصفیه بیولوژیکی و بدنبال آن پس-تصفیه شیمیایی، از این نظر که ابتدا ترکیبات تخریب پذیر زیستی به آسانی حذف شوند، مناسب به نظر می رسد. از میان فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته، تخریب فتوکاتالیتیکی هتروژن و هموژن در طول 20 سال اخیر برای حذف مواد دارویی از محلول های آبی مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است[8].
روش های معمول برای حذف کلرامفنیکول (CAP) – آنتی بیوتیکی که علیه طیف وسیعی از باکتری ها اعم از گرم مثبت و گرم منفی فعالیت ضدباکتریایی دارد- شامل ترسیب شیمیایی، جذب سطحی روی کربن فعال، فرآیند لجن فعال شده و … می باشد، اگرچه این تکنیک ها معایبی نظیر هزینه بالا یا مشکل رهاسازی لجن را دارند. لذا فرآیند فتوکاتالیز ناهمگن که از یک نیم رسانا بعنوان فتوکاتالیزور برای معدنی سازی مواد شیمیایی آلی سمی استفاده می نماید، بهترین روش محسوب
می شود و نیز مشخص شده است که فتوکاتالیزور TiO2 بهترین تأثیر را نسبت به سایر فتوکاتالیزورها دارد[7].
فرآیند هتروژن فتوکاتالیز
یکی از شاخه های فرآیند اکسیداسیون پیشرفته که در سالهای اخیر در زمینه تصفیه آب و هوا مورد مطالعه قرار گرفته است، فرآیند اکسیداسیون فتوکاتالیستی می باشد. این فرآیند که ترکیبی از یک فتوکاتالیزور و اشعه مصنوعی فرابنفش و یا نور طبیعی خورشید می باشد، از نوع واکنش های ناهمگن می باشد. در این واکنش ها عمدتا دو نوع فاز جامد و مایع وجود دارد لذا مانند سایر واکنش های کلاسیک کاتالیستی ناهمگن دارای مراحل زیر می باشد: