بررسی مکانیسم احیای نیترات به وسیله نانوذرات آهن صفر در حضور یون بی کربنات

نیترات یکی از گستردهترین آلایندههای معدنی در ایران و جهان میباشد، که به دلیل فعالیتهای کشاورزی، دامپروری و صنعتی وارد آبهای سطحی و زیرزمینی میشود. غلظت بالای نیترات موجب خطر برای سلامتی انسان، دام و محیط زیست میشود. بنابراین، یافتن روشهای جدید و یا بهبود عملکرد روشهای موجود، نظیر احیا الکتروشیمیایی توسط نانوذرات، برای کاهش غلظت نیترات در منابع آب اهمیت زیادی دارد. بدین منظور، در این تحقیق، نانوذرات آهن صفر به روش شیمیایی ساخته و در نسبتهای مختلف روی کوارتز تثبیت شد (1:1 تا 1:50). داده های آزمایشی نشان داد که نیترات با سرعت زیاد توسط نانوذرات آهن احیا میشود. مقایسه نسبتهای مختلف نانوذرات به شن نشان داد که با کاهش نسبت، عملکرد آنها در احیا نیترات افزایش مییابد. این افزایش عملکرد را میتوان به کاهش هم آوری نانوذرات، به دلیل تثبیت روی سطح خارجی ذرات کوارتز و در نتیجه افزایش سطح تماس آنها با محلول، نسبت داد. بررسی اثر یون بیکربنات نشان داد که این آنیون احتمالاً به طور مستقیم با یون نیترات برای دریافت الکترون از نانوذرات آهن رقابت نمیکند، بلکه با تشکیل رسوب روی سطح نانوذرات، انتقال الکترونی را کاهش میدهد. تماس با اتمسفر به دلیل انحلال اکسیژن هوا، و افزایش ph به دلیل کاهش دسترسی به یون پروتون، موجب کاهش احیا نیترات گردید. بررسی مکانیسم احیای نیترات نشان داد که در حدود 60 درصد از آن به آمونیوم و 40 درصد آن به گاز نیتروژن تبدیل میشود. بخشی از آمونیوم تولید شده، در phهای متوسط و قلیایی، به آمونیاک تبدیل میشود که نظیر گاز نیتروژن به سهولت از آب خارج میشود. محاسبات نشان داد که در طی فرآیند الکتروشیمیایی احیا نیترات، بخشی از آهن صفر مستقیماً به آهن (iii)، و یا ابتدا به آهن (ii) و سپس به آهن (iii) اکسید میشود. آهن (iii) به سرعت هیدرولیز میشود و رسوب میکند. واکنش هیدرولیز موجب آزادسازی پروتون و در نتیجه جلوگیری از افزایش بیشترph تعادلی میگردد، که فرآیندی در جهت افزایش احیا نیترات است. اما رسوب هیدروکسیدهای آهن (ii) و به ویژه آهن (iii) موجب کاهش فعالیت الکتروشیمیایی نانوذرات میشود. به طور کلی، نتایج این تحقیق نشان داد که تثبیت نانوذرات آهن روی ذرات بزرگتر نظیر ذرات شن، موجب کاهش هماوری و در نتیجه افزایش فعالیت الکتروشیمایی آنها، بدلیل افزایش سطح ویژه، میشود. در طی واکنش الکتروشیمیایی نیترات با نانوذرات آهن، نیترات به آمونیوم و گاز نیتروژن تبدیل میشود.