A review of widely used industrial dyes and their removal methods from water and wastewater
Subject Areas : Water and wastewater technology
Fariba Ostovar
1
,
Marzieh Hasanzadeh
2
*
1 - Faculty member of Environmental Research Institute of ACECR
2 - university of guilan
Keywords: Color, Textile industry, Environmental effects, Health effects, Treatment processes,
Abstract :
In recent years, the expansion of industries has led to increase industrial wastewater production and environmental pollution. Dyes materials are one of the most important pollutants in industrial wastewater. Today, dyes are widely used in various industries such as textile, paper, leather, printing, and cosmetics. Drainage of colored wastewater does not only affect the aesthetic aspect of the receiving water but also reduces the process of photosynthesis. Also, the colors and their intermediate products are toxic, carcinogenic and mutagenic for aquatic life. Most of these dyes cause skin allergies, dermatitis, and itching, and accelerate the incidence of cancer and mutation in humans. Therefore, industrial wastewaters containing dye need to be treated prior to discharge into the receiving environment. The purpose of this study was to provide a summary of the most important industrial dyes, the health and environmental effects of dyes as pollutants, and to describe the methods for their removal from water and wastewater. In this study, different dye removal methods such as biological, physical and surface adsorption methods were described and the best process for treatment of colored wastewater was introduced considering the economical cost.
آقایی، ح.، آقایی، م. (1379). شیمی فیزیک، جلد 2 مبانی سینتیک شیمیایی، انتشارات آقابیگ، صفحه 307.
آبراهارت، ای. ان. (1369). رنگینه¬ها و واسطه¬های آنها، ترجمۀ محسن حاجی شریفی، مرکز نشر دانشگاهی.
توکلی، م.، استوار، ف. (1397). بررسی توانایی تخریب و حذف رنگزاهای مختلف با استفاده از نانوذرات کلوئیدی نقره، پژوهش و فناوری محیط زیست، 3(4)، 14-9.
جعفر قلی¬نژاد، ع.، دقیقی اصل، م.، ترکان، ل. (1394). بررسی جذب سطحی رنگ بررسی جذب سطحی رنگ اورانژ G به¬وسیله نانو کامپوزیت Ag/CMK-3، نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی (JARS)، 9(2)، 47-54.
حسن‌زاده، م.، استوار، ف. (1396). برررسی توانایی حذف رنگینه کاتیونی متیلن بلو در نمونههای آبی با استفاده از پلیمرهای سنتزی، پژوهش و فناوری محیط زیست، 2(3)، 21-17.
حسن زاده، م.، استوار، ف. (1395). استفاده از نانو¬کامپوزیت CeO2/SiO2 برای خالص سازی و حذف رنگینه آلی متیلن¬بلو از نمونه-های آبی، ﮐﻨﻔﺮاﻧﺲ ﺑﯿﻦ اﻟﻤﻠﻠﯽ ﻋﻤﺮان، ﻣﻌﻤﺎری ﻣﺪﯾﺮﯾﺖ شهری و ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ در هزاره ﺳﻮم، رشت.
مولر ،ترجمه سعید فردوسی. (1372). مدیریت پسماندهای شیمیایی، انتشارات شهرداری تهران.
محمودی، ن.، انصاری، ر.، استوار، ف. (1395). کاربرد نانوکامپوزیت منگنز دی اکسید برای حذف رنگینه ماالشیت سبز در سیستم ستونی بستر ثابت، نشريه مهندسي شيمي ايران، 15(87). 85-74.
منصف خوش حساب، ز.، گنبدی، ک. (1393). حذف رنگینه راکتیو قرمز 74 از پساب نساجی با استفاده از جاذب روی اکسید، نشریه شیمی کاربردی، شماره 30.
Asadollahi, A., Ansari, R., Sohrabnezhad, S., & Ostovar, F. (2018). Investigation of adsorptive properties of Ag2CO3-polyaniline composite for environmental pollution control. GLOBAL NEST JOURNAL, 20(3), 598-609.
Ahmad, A., Mohd-Setapar, S. H., Chuong, C. S., Khatoon, A., Wani, W. A., Kumar, R., & Rafatullah, M. (2015). Recent advances in new generation dye removal technologies: novel search for approaches to reprocess wastewater. RSC Advances, 5(39), 30801-30818.
Bu, J., Yuan, L., Zhang, N., Liu, D., Meng, Y., & Peng, X. (2020). High-efficiency adsorption of methylene blue dye from wastewater by a thiosemicarbazide functionalized graphene oxide composite. Diamond and Related Materials, 101, 107604.
Ansari, R., Seyghali, B., Mohammad-Khah, A., & Zanjanchi, M. A. (2012). Application of nano surfactant modified biosorbent as an efficient adsorbent for dye removal. Separation Science and Technology, 47(12), 1802-1812.
Cui, M. H., Sangeetha, T., Gao, L., & Wang, A. J. (2019). Efficient azo dye wastewater treatment in a hybrid anaerobic reactor with a built-in integrated bioelectrochemical system and an aerobic biofilm reactor: Evaluation of the combined forms and reflux ratio. Bioresource technology, 292, 122001.
Crini, G. (2006). Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: a review. Bioresource technology, 97(9), 1061-1085.
Daoud, M., Benturki, O., Girods, P., Donnot, A., & Fontana, S. (2019). Adsorption ability of activated carbons from Phoenix dactylifera rachis and Ziziphus jujube stones for the removal of commercial dye and the treatment of dyestuff wastewater. Microchemical journal, 148, 493-502.
Doğan, M., Abak, H., & Alkan, M. (2009). Adsorption of methylene blue onto hazelnut shell: kinetics, mechanism and activation parameters. Journal of hazardous materials, 164(1), 172-181.
Dos Santos, A. B., Cervantes, F. J., & van Lier, J. B. (2007). Review paper on current technologies for decolourisation of textile wastewaters: perspectives for anaerobic biotechnology. Bioresource technology, 98(12), 2369-2385.
Elizalde-González, M. P., & Hernández-Montoya, V. (2009). Removal of acid orange 7 by guava seed carbon: A four parameter optimization study. Journal of hazardous materials, 168(1), 515-522.
Ghoreishi, S. M., & Haghighi, R. (2003). Chemical catalytic reaction and biological oxidation for treatment of non-biodegradable textile effluent. Chemical engineering journal, 95(1-3), 163-169.
Ghaedi, M., Nasab, A. G., Khodadoust, S., Sahraei, R., & Daneshfar, A. (2015). Characterization of zinc oxide nanorods loaded on activated carbon as cheap and efficient adsorbent for removal of methylene blue. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 21, 986-993.
García-Montaño, J., Torrades, F., A. Pérez-Estrada, L., Oller, I., Malato, S., Maldonado, M. I., & Peral, J. (2008). Degradation pathways of the commercial reactive azo dye Procion Red H-E7B under solar-assisted photo-Fenton reaction. Environmental science & technology, 42(17), 6663-6670.
Gupta, V. K. (2009). Application of low-cost adsorbents for dye removal–a review. Journal of environmental management, 90(8), 2313-2342.
Han, R., Wang, Y., Yu, W., Zou, W., Shi, J., & Liu, H. (2007). Biosorption of methylene blue from aqueous solution by rice husk in a fixed-bed column. Journal of hazardous materials, 141(3), 713-718..
Hameed, B.H, Krishni, R. R., & Sata, S. A. (2009). A novel agricultural waste adsorbent for the removal of cationic dye from aqueous solutions. Journal of hazardous materials, 162(1), 305-311.
Hunger, K. (Ed.). (2007). Industrial dyes: chemistry, properties, applications. John Wiley & Sons.
Han, R., Ding, D., Xu, Y., Zou, W., Wang, Y., Li, Y., & Zou, L. (2008). Use of rice husk for the adsorption of congo red from aqueous solution in column mode. Bioresource technology, 99(8), 2938-2946.
Khan, A. J., Song, J., Ahmed, K., Rahim, A., Volpe, P. L. O., & Rehman, F. (2020). Mesoporous silica MCM-41, SBA-15 and derived bridged polysilsesquioxane SBA-PMDA for the selective removal of textile reactive dyes from wastewater. Journal of Molecular Liquids, 298, 111957.
Khosravi, A., Karimi, M., Ebrahimi, H., & Fallah, N. (2020). Sequencing batch reactor/nanofiltration hybrid method for water recovery from textile wastewater contained phthalocyanine dye and anionic surfactant. Journal of Environmental Chemical Engineering, 103701.
Khajeh, M., Amin, M. M., Taheri, E., Fatehizadeh, A., & McKay, G. (2020). Influence of co-existing cations and anions on removal of direct red 89 dye from synthetic wastewater by hydrodynamic cavitation process: an empirical modeling. Ultrasonics Sonochemistry, 105133.
Liang, C. Z., Sun, S. P., Li, F. Y., Ong, Y. K., & Chung, T. S. (2014). Treatment of highly concentrated wastewater containing multiple synthetic dyes by a combined process of coagulation/flocculation and nanofiltration. Journal of Membrane Science, 469, 306-315.
Liang, Z., Wang, J., Zhang, Y., Han, C., Ma, S., Chen, J., ... & An, T. (2020). Removal of volatile organic compounds (VOCs) emitted from a textile dyeing wastewater treatment plant and the attenuation of respiratory health risks using a pilot-scale biofilter. Journal of Cleaner Production, 120019.
Mondal, S. (2008). Methods of dye removal from dye house effluent—an overview. Environmental Engineering Science, 25(3), 383-396.
Nguyen, T. A., Fu, C. C., & Juang, R. S. (2016). Biosorption and biodegradation of a sulfur dye in high-strength dyeing wastewater by Acidithiobacillus thiooxidans. Journal of environmental management, 182, 265-271.
Nordin, A. H., Ahmad, K., Xin, L. K., Syieluing, W., & Ngadi, N. (2020). Efficient adsorptive removal of methylene blue from synthetic dye wastewater by green alginate modified with pandan. Materials Today: Proceedings.
Rai, H. S., Singh, S., Cheema, P. P. S., Bansal, T. K., & Banerjee, U. C. (2007). Decolorization of triphenylmethane dye-bath effluent in an integrated two-stage anaerobic reactor. Journal of environmental management, 83(3), 290-297. Gomez, V., Larrechi, M. S., & Callao, M. P. (2007). Kinetic and adsorption study of acid dye removal using activated carbon. Chemosphere, 69(7), 1151-1158.
Robinson, T., McMullan, G., Marchant, R., & Nigam, P. (2001). Remediation of dyes in textile effluent: a critical review on current treatment technologies with a proposed alternative. Bioresource technology, 77(3), 247-255.
Rezaei, H., Razavi, A., & Shahbazi, A. (2017). Removal of Congo red from aqueous solutions using nano-chitosan. Environmental Resources Research, 5(1), 25-34.
Shokouhi, S. B., Dehghanzadeh, R., Aslani, H., & Shahmahdi, N. (2020). Activated carbon catalyzed ozonation (ACCO) of Reactive Blue 194 azo dye in aqueous saline solution: Experimental parameters, kinetic and analysis of activated carbon properties. Journal of Water Process Engineering, 35, 101188.
Soylu, M., Gökkuş, Ö., & Özyonar, F. (2020). Foam Separation for Effective Removal of Disperse and Reactive Dyes from Aqueous Solutions. Separation and Purification Technology, 116985.
Samarghandi, M. R., Tari, K., Shabanloo, A., Salari, M., & Nasab, H. Z. (2020). Synergistic degradation of acid blue 113 dye in a thermally activated persulfate (TAP)/ZnO-GAC oxidation system: Degradation pathway and application for real textile wastewater. Separation and Purification Technology, 116931.
Shi, B., Li, G., Wang, D., Feng, C., & Tang, H. (2007). Removal of direct dyes by coagulation: The performance of preformed polymeric aluminum species. Journal of hazardous materials, 143(1-2), 567-574.
Tian, S., Xu, S., Liu, J., He, C., Xiong, Y., & Feng, P. (2019). Highly efficient removal of both cationic and anionic dyes from wastewater with a water-stable and eco-friendly Fe-MOF via host-guest encapsulation. Journal of Cleaner Production, 239, 117767.
Wang, L. K., Hung, Y. T., Lo, H. H., & Yapijakis, C. (Eds.). (2004). Handbook of industrial and hazardous wastes treatment. CRC Press.
Yin, X., Zhang, Z., Ma, H., Venkateswaran, S., & Hsiao, B. S. (2020). Ultra-fine electrospun nanofibrous membranes for multicomponent wastewater treatment: Filtration and adsorption. Separation and Purification Technology, 116794.
Zou, D., Chen, X., Qiu, M., Drioli, E., & Fan, Y. (2019). Flux-enhanced α-alumina tight ultrafiltration membranes for effective treatment of dye/salt wastewater at high temperatures. Separation and Purification Technology, 215, 143-154.
پژوهش و فناوری محیط زیست،
مروری بر رنگینههای صنعتی پرکاربرد و روشهای حذف آنها از آب و فاضلاب
فریبا استوار1
مرضیه حسن زاده 2
در سالهای اخیر، گسترش صنایع به افزایش تولید فاضلابهای صنعتی و نیز آلودگی محیطزیست منجر شده است. مواد رنگزا از مهمترین آلایندههای موجود در فاضلابهای صنعتی به‌شمار میآیند. رنگ یکی از مشخصه‌های دائمی آبهای سطحی است که به دلیل افزایش مصرف کلر دارای اهمیت بالایی است. امروزه رنگها به طور گستردهای در صنایع مختلفی از قبیل نساجی، کاغذ، چرم، صنایع چاپ و لوازم آرایشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تخلیه فاضلاب‌هاي رنگی ﻧﻪﺗﻨﻬﺎ ﺟﻨﺒﻪ زﯾﺒﺎﺷﻨﺎﺧﺘﯽ آبﻫﺎي ﭘﺬﯾﺮﻧﺪه را ﺗﺤﺖ ﺗﺄﺛﯿﺮﻗﺮار ﻣﯽدﻫﺪ، ﺑﻠﮑﻪ ﻣﻨﺠـﺮ ﺑـﻪ ﮐـﺎﻫﺶ ﻓﺮآﯾﻨﺪ ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ ﻧﯿﺰ ﻣـﯽگردد. وجود رنگها و فرآورده‌هاي واسطه‌اي آنها براي زندگی آبزیان سمی، سرطان‌زا و جهش‌زا میباشد. علاوه بر این اغلب این رنگ ها باعث آلرژي، درماتیت و خارش پوست میشوند، همچنین بروز سرطان و جهش‌زایی را در انسان‌ها تسریع میکنند. بنابراین پساب‌هاي صنعتی حاوي رنگ نیازمند این هستند که قبل از تخلیه به محیط با یک روش مناسب تصفیه شوند. هدف از این پژوهش، ارائه خلاصه‌ای از مهمترین رنگینههای صنعتی، تاثیرات بهداشتی و محیطی رنگها به عنوان آلاینده و همچنین؛ بیان روشهای حذف آنها از آب و فاضلاب میباشد.
واژگان كليدي: رنگ، صنایع نساجی، اثرات زیست‌محیطی، اثرات بهداشتی، تکنیکهای تصفیه.
[1] 1- کارشناسی ارشد، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
2- دانشجوی دکتری، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه، آذربایجان غربی، ایران
1- مقدمه
در سالهای اخیر، گسترش صنایع مختلف، باعث تولید فاضلابهای صنعتی و نیز آلودگی محیطزیست شده است. در بسیاری از صنایع مهم از جمله صنعت نساجی، خمیر و کاغذ، پلاستیک، چرمسازی و رنگرزی به منظور تولید محصولات رنگی، از مواد شیمیایی رنگزا استفاده میشود و از آنجایی که در این صنایع مقادیر زیادی آب بهکار گرفته میشود، در نتیجه مقادیر قابل توجهی پساب رنگی حاصل از آنها وارد محیطزیست میگردد ]1 و 2[. ازﻣﯿـﺎن ﺻـﻨﺎﯾﻊ ﻣﺨﺘﻠـﻒ، ﺻـﻨﻌﺖ ﻧﺴـﺎﺟﯽ درﺳــﺎلﻫــﺎي اﺧﯿــﺮ ﮔﺴــﺘﺮش روزاﻓﺰوﻧــﯽ داﺷــﺘﻪ اﺳــﺖ. ﺗﺤﻘﯿﻘﺎت ﻧﺸﺎن ﻣﯽدﻫﺪ ﮐﻪ ﺳﺎﻻﻧﻪ ﺣـﺪود 40 میلیون تن ﻣﻨﺴﻮﺟﺎت در ﺟﻬﺎن ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﯽﺷﻮد ﮐﻪ ﭘﺴﺎب ﺗﻮﻟﯿـﺪي اﯾـﻦ صنایع 4 تا 8 میلیون مترمکعب در سال میباشد ]3[. فاضلاب صنایع نســاجی از عمدهترین آلایندههای محیطزیســت محسوب میشــوند که به طور معمول حــاوی رنگینه، دمــای زیاد، جامــدات محلول زیاد، خواست اکسیژن شیمیایی1، خواست اکسیژن زیست شیمیایی2 و در مواقعی دارای خاصیت قلیایی زیادی هستند. تخلیه پساب حاوی مواد رنگی بــه آبهای پذیرنده از قبیــل دریاچهها و رودخانهها موجــب کاهش انتقــال نور، کاهش مقدار اکســیژن محلول و افزایش COD می شــود و از این راه زندگی آبزیــان را مختل میکند. افزون بر این پژوهشــگران دریافتهانــد، برخی از رنگزاهــا میتوانند طی فرایند تجزیه احیایی، آمینهای آروماتیک ســرطانزا تولید کننــد ]4[. بدون تصفیه کافی ایــن ترکیبات قادرند برای مدت زمان بســیار طولانی بــه حالت پایدار در محیط باقی بماننــد ]5[.
از آنجا که مواد رنگزا، معمولا دارای ساختار مولکولی آروماتیکی پیچیدهای هستند، بسیار پایدارند و در مقابل تجزیهپذیری مقاومت بالایی دارند. از اینرو منبع مهم آلودگی آب به شمار میآیند و آثار زیانآوری بر سلامت موجودات زنده برجای میگذارند ]6[. رنگها باعث مشکلات بهداشتی بسیار زیادی، از جمله حساسیت و تحریک پوستی، سرطان، جهش ژنتیکی و غیره میشوند ]7[. بنابراین، باید این ترکیبات پیــش از تخلیه به محیط از پسابهای صنعتی حذف گردند. رنگینهها ساختارهای متنوعی دارند و به روشهای مختلفی طبقهبندی میشوند که دو نوع مهم آنها طبقه بندی بر اساس ساختار شیمیایی و بر اساس کاربردشان است.
گرچه طبقه بندی رنگینهها بر مبنای ساختمان شیمیایی آنها دارای مزایای فراوانی است، اما اساس دستهبندی رنگها غالباً به نوع کاربرد آنها مربوط می شود. زیرا در این حالت، مطالعه و مقایسه رنگینهها سادهتر بوده و طبقه بندی آنها بر مبنای شاخص رنگ (C.I)3 است. در ادامه به معرفی برخی از مهمترین انواع رنگینههای پرکاربرد در صنایع مختلف و نیز خواص آنها میپردازیم
2. رنگینههای پرکاربرد ]10-8[
2-1- رنگینه های آزو4
مواد رنگزای آزو از لحاظ تجارتی مهمترین طبقه از مواد رنگزا هستند که تقریبا بیش از ۵۰% کل مجموع مواد رنگزای تولید شده در جهان را تشکیل میدهند. همچنین بیشترین تعداد از مواد رنگزای مطالعه شده و بیشترین حجم از مقالات مربوط به این طبقه می باشد. این اصطلاح به یکی از روشهای تولید رنگینههای نامحلول آزو در ماده، مانند الیاف اطلاق میگردد، به این ترتیب که، از یک واسطه (جزء جفت شونده) که تمایل زیادی به جذب در الیاف سلولزی دارد استفاده میشود. سپس از واسطه دوم (جزء دیآزو) عبور میکند. درنتیجهی ترکیب این دو واسطه با یکدیگر، رنگینه نامحلول بهوجود میآید. این گروه از رنگینهها در رنگرزی و چاپ الیاف سلولزی به ویژه پنبه کاربرد خیلی ویژهای دارند زیرا رنگهای باثباتی در برابر نور و رطوبت ایجاد میکنند. از مهمترین رنگینه های آزو که کاربرد وسیعی دارن میتوان اسید بلک و کنگورد را نام برد.
2-2- رنگینه های رآکتیو5
مواد رنگزاي رآکتيو به لحاظ ايجاد پيوند کوالانسي با عاملهاي آنيوني الیاف پنبه و وزن مولکولي کم از ثبات شستشويي عالي برخوردار هستند، به همين دليل اين گروه به عروس مواد رنگزاي شيميايي مشهورند. اين مواد رنگزا بر حسب اينکه داراي چه تعداد عامل کلر جهت ايجاد پيوند کوالانسي باشند به سه گروه سه کلره، دو کلره و يک کلره طبقهبندي میشوند. محدوديت عمده مواد رنگزاي رآکتيو اين است که همواره بخش قابل ملاحظهاي از مواد رنگزا در داخل الیاف پنبه باقي ميماند و اين موضوع بالاخص در مورد رنگهاي تيره از شدت بيشتري برخوردار است. این دسته از رنگینهها، به عنوان جوهر در صنایع چاپ منسوجات مخصوصاً پنبه بهطور گستردهای استفاده می شود. رنگزاهاي راکتيو با ساختار آزو که داراي عامل رنگي پيوند دوگانه نيتروژن هستند، از جمله رنگزاهاي پر کاربرد در صنايع نساجي هستند. با توجه به سميت و تجزيهپذيري کمي که اين رنگزاها دارند، در گروه مواد خطرناک براي محيطزيست قرار ميگيرند که بايد قبل از تخليه، تصفيه شوند.
2-3- رنگینه های اسیدی6
این رنگها ﻧمکهای ﺳﺪﯾﻢ، اﺳﯿﺪهای ﺳﻮﻟﻔﻮﻧﯿﮏ و ﮐﺮﺑﻮﮐﺴﯿﻠﯿﮏ هستند و ﺑﺮای اﻟﯿﺎف ﺳﻠﻮﻟﺰی ﻧﺎﻣﻨﺎﺳﺐ اﻧﺪ. اﻣﺎ ﺑﺮای اﻟﯿﺎف ﭘﺮوﺗﺌﯿﻨﯽ و ﭘﻠﯽآﻣﯿﺪی ﻣﻨﺎﺳﺐ میباشند. رنگهای اﺳﯿﺪی ﻓﻘﻂ به کمک ﮔﺮﻣﺎ ﺟﺬب اﻟﯿﺎف ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ و هر ﭼﻪ دﻣﺎ از 390 درجه سانتیگراد ﺑﺎﻻﺗﺮ رود، ﺷﺪت ﺟﺬب رﻧﮓ ﺗﻮﺳﻂ اﻟﯿﺎف ﻧﯿﺰ اﻓﺰاﯾﺶ ﻣﯽﯾﺎﺑﺪ. مصرف عمده رنگینههای اسیدی در رنگرزی پشم است، ولی استفاده از آنها در رنگرزی ابریشم، پلی آمید، آکریلیک، الیاف پروتئینی بازسازی شده و همچنین کاغذ، چرم، به عنوان جوهر در صنعت چاپ، صنایع غذایی و مواد آرایشی نیز بسیار متداول است. رﻧﮓ اﺳﯿﺪي ﻧﺎرﻧﺠﯽ [Acid Orange(AO7)] از ﺟﻤﻠﻪ رﻧﮓﻫﺎي ﻣﻨﻮآزو ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده در ﺻﻨﺎﯾﻊ دﺑﺎﻏﯽ، ﺗﻮﻟﯿــﺪ ﮐﺎﻏــﺬ و ﺻــﻨﻌﺖ ﻧﺴــﺎﺟﯽ اﺳــﺖ. اﯾــﻦ رﻧــﮓ ﺣــﺎوي، ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت ﺳﻤﯽﻫﻤﭽﻮن ﻓﻨﻮﻟﯿﮏ و ﻓﻠﺰات ﺑﻮده و ﻫﻤﭽﻨـﯿﻦ دارای ترکیبات آلی همچون فرمالین میباشد ]11[.
2-4- رنگینههای کاتیونی(بازی)7
اﯾﻦ ﻧﻮع رنگها، از ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت آﻟﯽ ﯾﺎ هیدروﮐﻠریدها ﻣﯽﺑﺎﺷﻨﺪ ﮐﻪ ﮐﺮوﻣﻮرﻓﻮرها در آنها ﺑﺼﻮرت ﮐﺎﺗﯿﻮﻧﯽ اﺳﺖ. از اﯾﻦ ﻧﻈﺮ اﯾﻦ دﺳﺘﻪ رنگها را رنگهای ﮐﺎﺗﯿﻮﻧﯽ ﻧﯿﺰ ﻣﯽﮔﻮﯾﻨﺪ و ﻣﻌﻤﻮﻻ دارای ﻓﺮﻣﻮل ﻋﻤﻮﻣﯽ HO – R – NH2 ﻣﯽﺑﺎﺷﻨﺪ این رنگینهها با حل شدن در آب کاتیونهای رنگی تولید میکنند و برای رنگرزی کاغذ، پلی آکریلو نیتریل، نایلون و پلی استر اصلاح شده بهکار میروند. اما کاربرد اصلی آنها برای ابریشم، پشم، پنبههای حاوی دندانههای تانین و هنگامی که درخشندگی سایه مهمتر از ثبات نوری یا شستشو است، میباشد. برخی از رنگینههای بازی فعالیت بیولوژیکی داشته و در داروسازی به عنوان ضدعفونی کننده بکار میروند. یکی از مهم ترین انواع رنگهای کاتیونی متیلنبلو میباشد.
متیلنبلو در رنگ کردن کاغذ، مو، پنبه و پشم بکار گرفته میشود. متیلن بلو بهدلیل ساختاری که دارد (شکل 1) جزو دسته رنگهای تیازینی قرار میگیرد. این رنگ ترکیبی آلی و محلول در آب بوده و پس از انحلال بسته به غلظتی که دارد، معمولا به رنگ آبی تیره میباشد ]12[.
شکل 1: ساختار شیمیایی متیلنبلو
2-5- رنگینههای گوگردی8
اﯾﻦ دﺳﺘﻪ از رنگها ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت آﻟﯽ ﭘﯿﭽﯿﺪه ای هستند ﮐﻪ در ﺳﺎﺧﺘﺎر آنها ﮔﻮﮔﺮد ﺷﺮﮐﺖ دارد، ﺑﺮاق ﻧﯿﺴﺘﻨﺪ و ﻣﻌﻤﻮﻻ در رﻧﮕﺮزی اﻟﯿﺎف ﺳﻠﻮﻟﺰی ﺑﮑﺎر ﻣﯽروﻧﺪ. در آب نامحلولند، وﻟﯽ درﻣﺤﻠﻮل ﺳﺪﯾﻢ ﺳﻮﻟﻔﯿﺪ ﺣﻞ ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ. در اﯾﻦ ﻋﻤﻞ ﺳﺪﯾﻢ ﺳﻮﻟﻔﯿﺪ در ﻧﻘﺶ اﺣﯿﺎﮐﻨﻨﺪه ﻣﻮﻟﮑﻮل اﺻﻠﯽ را ﺑﻪ ﻣﻮﻟﮑولهایی ﮐﻮﭼﮑﺘﺮ ﻣﺤﻠﻮل در آب ﺗﻔﮑﯿﮏ ﻣﯽﮐﻨﺪ. پس از اینکه رنگ جذب پارچه شد، در مجاورت هوا مجدداً اکسید میکنند تا رنگ اصلی ظاهر شود. رنگینههای گوگردی دسته کوچکی از رنگینهها هستند که قیمت پایین و ثبات شستشوی خوب، آنها را از نظر اقتصادی پراهمیت ساخته است.
2-6- رنگینه های حلال9
این رنگینهها معمولاً غیرقطبی بوده و فاقد گروههای محلول در آب مانند سولفونیک اسید، کربوکسیلیک اسید و نمک آمونیوم چهارتایی میباشند و بسته به نوع کاربرد، در حلالهای مختلفی حل میشوند. از این رنگینهها در لکهها، روغنهای جلادهنده، لاک الکلها، مرکبهای چاپ، کاغذهای کپی، نوارهای ماشین تحریر، پلاستیکها، فراوردههای نفتی و واکس استفاده می شود.
2-7- رنگینه های دیسپرس10
رنگزاهای دیسپرس ذاتا در آب نامحلولند. پایه شیمیایی این رنگزاها عموما آزوئی یا آنتراکینونی است. اين رنگها كه از نوع شيميايي آزو، آنتراكينوني و نيترو ميباشند، اغلب داراي گروههاي آمينو يا آمينوي استخلاف شده هستند.
ولي گروههاي قابل حل نظير سولفونيك اسيد ندارند و در محيط هاي آبكي همراه با مواد ديسپرس كننده به كار مي روند. موارد استعمال اصلي اين رنگها در رنگرزي یک لیف یا چند لیف هیدروفوب سلولز استات، نايلون، پلي استر، الياف آكريليك، پشم و الياف پليآميدي است .
3- تکنولوژی های حذف رنگینه ها ]13-15[
روشهای متعددی برای حذف آلایندههای رنگی از فاضلابهای خروجی از صنایع مختلف بهکار گرفته شده است. کل این روشها را میتوان در سه دسته بیولوژیکی، شیمیایی، و فیزیکی تقسیم بندی کرد. در ادامه به بررس روشهای حذف رنگینهها پرداخته میشود.
3-1- روش های بیولوژیکی
روشهای بیولوژیکی در مقایسه با روشهای شیمیایی و فیزیکی اقتصادیتر میباشند و روشهای تخریبزیستی مانند رنگزدایی توسط قارچ، تخریب میکروبی، جذب سطحی بهوسیله زیست تودههای11 میکروبی (زنده یا مرده) و سایر سیستمهای زیستی حذف به خاطر اینکه بسیاری از میکروارگانیسمها مانند باکتریها، مخمرها، جلبکها و قارچها، توانایی جمعآوری و تخریب آلایندههای مختلف را دارا میباشند، برای پالایش بسیاری از پسابهای صنعتی بهکار میروند. از معایب این روش میتوان نیاز به فضای وسیع و حساسیت به تغییرات محیطی مانند سمیت و مواد شیمیای و انعطافپذیری بالای آنها اشاره کرد.
3-2- روش های شیمیایی
روشهای شیمیایی شامل انعقاد12 یا لخته سازی13 جفت شده با شناورسازی14 و فیلتراسیون15، رسوب- لخته سازی16 با Fe(II)/Ca(OH)2، شناورسازی الکتریکی، انعقاد الکتروسینتیکی، روشهای اکسایش مرسوم با عوامل اکسنده (اوزون)، پرتودهی و فرآیندهای الکتروشیمیایی میباشند. تجمع غلظتهای بالای لجن، گران بودن و مصرف بیش از اندازۀ مواد شیمیایی از محدودیتهای این روش میباشد.
3-3- روشهای فیزیکی
روشهای فیزیکی مختلفی مانند فرآیندهای فیلتراسیون غشایی17 (نانو فیلتراسیون، اسمز معکوس، الکترودیالیز و غیره)، همچنین تکنیکهای جذب سطحی18 نیز به طور گستردهای برای حذف رنگینهها استفاده میشوند. عمر محدود به قبل از ایجاد رسوب در غشا و مسائل اقتصادی از محدودیتهای این روش میباشد. با توجه به اینکه فرآیند جذب بهطور گستردهای برا حذف رنگینهها استفاده شده است در ادامه بهطور خلاصه به بررسی این روش میپردازیم.
3-1- جذب سطحی
جذب سطحی فرآیند جذب اتم‌ها یا مولکول‌های موجود در یک مایع یا گاز در تماس با یک سطح جامد است. این جذب بوسیله نیروهای چسبندگی و همدوسی روی میدهد. جذب سطحی با نیروهای سست مانند نیروی واندروالسی آغاز و با نیروهای نیرومندی چون یونی و فلزی پایان مییابد. فرایند جذب سطحی میتواند فیزیکی یا شیمیایی باشد. مقایسهای از جذب فیزیکی و شیمیایی در جدول 1 آمده است ]16[.
[1] Chemical Oxygen Demand (COD)
[2] Biological Oxygen Demand (BOD)
[3] Color Index
[4] Azo Dyes
[5] Reactive Dyes
[6] Acidic Dyes
[7] Cationic (Basic) Dyes
[8] Sulfur Dyes
[9] Solvent Dyes
[10] Disperse Dyes
[11] Biomass
[12] Coagulation
[13] Flocculation
[14] Flotation
[15] Filtration
[16] Precipitation–Flocculation
[17] Membrane-Filtration
[18] Adsorption
جدول1: خصوصیات جذب سطحی فیزیکی و شیمیایی
جذب فیزیکی | جذب شیمیایی |
نیرو های واندر والس عامل جذب هستند | پیوند های شیمیایی عامل جذب هستند |
آنتالپی پایین(کمتر از 40 KJ/mol) | آنتالپی بالا(بیشتر از 40 KJ/mol) |
جذب فقط در زیر نقطه جوش جذب شونده اتفاق می افتد | در دماهای بالاتر هم رخ میدهد |
با افزایش فشار جسم جذب شونده مقدار جذب در واحد سطح افزایش مییابد | با افزایش فشار جسم جذب شونده مقدار جذب در واحد سطح کاهش مییابد |
میزان جذب بستگی به خصوصیات جذب شونده دارد | میزان جذب بستگی به خصوصیات جاذب دارد |
چندلایه | حد اکثر بصورت تکلایه |
برگشتپذیر | برگشتناپذیر |
با افزايش دما ميزان جذب كاهش مييابد | با افزايش دما ميزان جذب افزایش مييابد |
4- کاربرد فناوریهای نوین در حذف رنگینهها
تاکنون روشهای متفاوتی مانند صاف کردن، انعقاد و لختهسازی، اسمز معکوس، پالایش زیستی و تقطیر برای حذف این آلایندهها از فاضلاب صنعتی مطرح و توسعه یافتهاند. ازجمله سادهترین و مقرون به صرفهترین این روشها جذب سطحی است که در سالهای اخیر کاربردهای گستردهای از آن در حذف آلودگیهای صنعتی از آب و پسابها گزارش شده است. با این وجود، بسیاری از این جاذبها یا ظرفیت قابل توجهی از آلایندهها را جذب نمیکنند و یا نیاز به زمان تماس طولانی برای جذب دارند، که از چند ساعت تا چند روز متغیر است. در دهههای اخیر با گسترش علم نانو، استفاده از جاذبهای نانو گسترش چشمگیری داشتهاست. ذرات در مقیاس نانو خواص شگرفی از خود نشان میدهند. امروزه پژوهشهای بسیاری در توسعه جذبکنندههای سطحی مؤثر با توانایی جذب بالا در زمان تماس کوتاهتر برای حذف آلایندهها انجام میشود و مواد مزوپور (متخلخل) که اندازه منافذ آنها از 2 تا 50 نانومتر متغیر است، بهعنوان جاذبهای بهینه با کاربردهای گسترده معرفی شدهاند ]17[.
اخیرا نیز پوشش نانو ذرات اکسیدهای فلزی بر روی کربن فعال برای حذف رنگینه ها نیز انجام گرفته اند ]18[. در پژوهشی که توسط انصاری و همکاران صورت گرفت، نانوجاذب دی اکسید منگنز در حذف رنگینه مالاشیت سبز استفاده شد.
نتایج این تحقیق نشان داد این جاذب دارای ظرفیت بیشینه 3/42 میلیگرم برگرم در غلظت اولیه 133میلیگرم بر لیتر بوده که حاکی از ظرفیت جذب بالای جاذب بهکار گرفته شده میباشد ]19[. در تحقیق دیگری که توسط حسن زاده و همکاران صورت گرفت از نانوکامپوزیت CeO2/SiO2 برای حذف رنگینه متیلن بلو استفاده شد. بررسی داده ها برای حذف متیلن بلو نشان داد که فرآیند جذب رنگینه متیلن بلو توسط جاذب CeO2/SiO2 بررسی شد که این جذب از ایزوترم لانگمویر و مدل شبه مرتبه دوم پیروی میکند و ماکزیمم ظرفیت جذب به دست آمده طبق مدل لانگمویر برای این جاذب mg g-1 101 است ]20[. همچنین در مطالعه ای دیگر از نانو جاذب اکسید روی برای حذف رنگینه راکتیو قرمز 74 استفاده شده است ]21[. رضوی و همکاران در تحقیق خود از جاذب نانوکیتوزان برای حذف کنگورد استفاده کردند که توانایی حذف 96/99 درصدی رنگینه را داشته است ]22[. در سالهای اخیر استفاده از جاذبهای غیر متداول جهت جذب سطحی رنگینهها به دلیل مزایای منحصر به فردی که دارند (از جمله قیمت پایین و امکان بازیافت آنها) بسیار مورد توجه قرار گرفته است. از میان تحقیقات گستردهای که صورت گرفتهاست میتوان به استفاده از خاک اره [23]، پوسته برنج [24]، پوسته فندق1 [25]، ضایعات چای2 [26] و ضایعات ساقه آناناس3 [27] برای حذف رنگینهها اشاره کرد.
5- نتیجهگیری
یکی از چالش برانگیزترین مشکلاتی که امروزه صنایع تولیدی با آن روبرو هستند، پسابهای حاوی رنگ میباشد. رنگها از پرمصرفترین مواد شیمیایی در صنایع مختلف هستند كه همواره بخشی از آن وارد طبیعت میشود. رنگهای نساجی به علت وجود سطوح بالای فلزات سنگین، که اکثر آنها بیش از حد توصیه شده است، بسیار سمی هستند. این ترکیبات ممکن است خطرات جدی برای انسان، گیاه و سایر موجودات (خاک و آبزیان) را از طریق تعامل محیطزیست در اکوسیستم ایجاد کنند. گزارش شده است که رنگ های نساجی مصنوعی شامل گروه بزرگی از ترکیبات آلی هستند که میتوانند اثرات مضر روی محیطزیست داشته باشند و همچنین برخی از آنها می توانند منجر به خطراتی برای انسان شوند. بنابراین، حذف این آلایندههای آلی به رو شهایی كه برای محیطزیست مضر نباشد، بسیار مهم است. عوارض رو به رشد و مبارزه در تصفیهی زباله های نساجی منجر به بررسی مداوم روشهای جدیدی میشود که قابل اجرا و اقتصادی هستند. تا کنون روشهای گوناگونی برای حذف رنگینهها استفاده شده است که از میان آنها فرآیند جذب بصورت گستردهتری استفاده شده است. امروزه با پیشرفت نانوتکنولوژی استفاده از جاذبهای مقیاس نانو به دلیل عملکرد ویژه و سطح تماس بالاتر جاذب، توجه بسیاری را بهخود جلب کرده است. همچنین، جاذبهای گران را می توان با جاذب های کم هزینهتری مانند خاک اره، پوسته گندم، پوسته برنج، ضایعات چای و... برای حذف رنگ از فاضلاب جایگزین نمود. تحقیقات بیشتری باید برای تصفیه سایر پسابهای صنعتی برای کشف جاذبهای کم هزینه انجام شود و به طور موثر اثبات شود.
منابع
[1] García-Montaño J, Torrades F, A. Pérez-Estrada L, Oller I, Malato S, Maldonado MI, Peral J. Degradation pathways of the commercial reactive azo dye Procion Red H-E7B under solar-assisted photo-Fenton reaction. Environmental science & technology. 2008 Aug 7;42(17):6663-70.
[2] Mondal S. Methods of dye removal from dye house effluent—an overview. Environmental Engineering Science. 2008 Apr 1;25(3):383-96.
[3] Wang LK, Hung YT, Lo HH, Yapijakis C, editors. Handbook of industrial and hazardous wastes treatment. CRC Press; 2004 Jun 29.
[4] Shi B, Li G, Wang D, Feng C, Tang H. Removal of direct dyes by coagulation: The performance of preformed polymeric aluminum species. Journal of Hazardous Materials. 2007 May 8;143(1-2):567-74
[5] Dos Santos AB, Cervantes FJ, van Lier JB. Review paper on current technologies for decolorisation of textile wastewaters: perspectives for anaerobic biotechnology. Bioresource technology. 2007 Sep 1;98(12):2369-85..
[6] Rai HS, Singh S, Cheema PP, Bansal TK, Banerjee UC. Decolorization of triphenylmethane dye-bath effluent in an integrated two-stage anaerobic reactor. Journal of environmental management. 2007 May 1;83(3):290-7.
[7] Gomez V, Larrechi MS, Callao MP. Kinetic and adsorption study of acid dye removal using activated carbon. Chemosphere. 2007 Oct 1;69(7):1151-8.
[8] Gupta VK. Application of low-cost adsorbents for dye removal–A review. Journal of environmental management. 2009 Jun 1;90(8):2313-42.
[9] ای. ان. آبراهارت، رنگینهها و واسطههای آنها، ترجمۀ محسن حاجی شریفی، مرکز نشر دانشگاهی، 1369.
[10] Hunger K, editor. Industrial dyes: chemistry, properties, applications. John Wiley & Sons; 2007 Sep 24.
[11] Elizalde-González MP, Hernández-Montoya V. Removal of acid orange 7 by guava seed carbon: a four parameter optimization study. Journal of hazardous materials. 2009 Aug 30;168(1):515-22.
[12] Han R, Ding D, Xu Y, Zou W, Wang Y, Li Y, Zou L. Use of rice husk for the adsorption of congo red from aqueous solution in column mode. Bioresource technology. 2008 May 1;99(8):2938-46.
[13] Crini G. Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: a review. Bioresource technology. 2006 Jun 1; 97(9):1061-85.
[14] Robinson T, McMullan G, Marchant R, Nigam P. Remediation of dyes in textile effluent: a critical review on current treatment technologies with a proposed alternative. Bioresource technology. 2001 May 1;77(3):247-55.
[15] Ghoreishi SM, Haghighi R. Chemical catalytic reaction and biological oxidation for treatment of non-biodegradable textile effluent. Chemical engineering journal. 2003 Sep 15;95(1-3):163-9.
]16[ کتاب مولر ،ترجمه سعید فردوسی ، مدیریت پسماند های شیمیایی، انتشارات شهرداری تهران، 1372.
]17[جعفر قلینژاد. علیرضا، دقیقی اصل. مریم، ترکان. لیلا، بررسی جذب سطحی رنگ بررسی جذب سطحی رنگ اورانژ G بهوسیله نانو کامپوزیت Ag/CMK-3، نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی (JARS)، سال نهم، شماره 2، تابستان 94
[18] Ghaedi M, Nasab AG, Khodadoust S, Sahraei R, Daneshfar A. Characterization of zinc oxide nanorods loaded on activated carbon as cheap and efficient adsorbent for removal of methylene blue. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2015 Jan 25;21:986-93.
]19[ محمودی. نیلوفر، انصاری. رضا، استوار. فریبا، کاربرد نانوکامپوزیت منگنز دی اکسید برای حذف رنگینه ماالشیت سبز در سیستم ستونی بستر ثابت، نشريه مهندسي شيمي ايران ـ سال پانزدهم ـ شماره هشتاد و هفتم، سال 1395.
]20[ حسن زاده. مرضیه، استوار. فریبا، استفاده از نانوکامپوزیت CeO2/SiO2 برای خالص سازی و حذف رنگینه آلی متیلنبلو از نمونههای آبی، ﮐﻨﻔﺮاﻧﺲ ﺑﯿﻦ اﻟﻤﻠﻠﯽ ﻋﻤﺮان، ﻣﻌﻤﺎری ﻣﺪﯾﺮﯾﺖ ﺷﮭﺮی و ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ در هزاره ﺳﻮم، رشت، شهریور 1395.
]21[منصف خوش حساب. زهرا، گنبدی. کتایون، حذف رنگینه راکتیو قرمز 74 از پساب نساجی با استفاده از جاذب روی اکسید، نشریه شیمی کاربردی، شماره 30، بهار 1393.
[22] Rezaei H, Razavi A, Shahbazi A. Removal of Congo red from aqueous solutions using nano-Chitosan. Environmental Resources Research. 2017 Sep 1;5(1):25-34.
[23] Ansari R, Seyghali B, Mohammad-Khah A, Zanjanchi MA. Application of nano surfactant modified biosorbent as an efficient adsorbent for dye removal. Separation Science and Technology. 2012 Jul 15;47(12):1802-12..
[24] Han R, Wang Y, Yu W, Zou W, Shi J, Liu H. Biosorption of methylene blue from aqueous solution by rice husk in a fixed-bed column. Journal of hazardous materials. 2007 Mar 22;141(3):713-8.
[25] Doğan M, Abak H, Alkan M. Adsorption of methylene blue onto hazelnut shell: kinetics, mechanism and activation parameters. Journal of Hazardous Materials. 2009 May 15;164(1):172-81
[26] حسین آقایی، مهران آقایی، شیمی فیزیک، جلد 2 مبانی سینتیک شیمیایی، انتشارات آقابیگ، 1379، صفحه 307.
[27] Hameed 58, Krishni RR, Sata SA. A novel agricultural waste adsorbent for the removal of cationic dye from aqueous solutions. Journal of hazardous materials. 2009 Feb 15;162(1):305-11.
پژوهش و فناوری محیط زیست، 1
[1] Hazelnut shell
[2] Tea waste
[3] Pineapple stem waste