بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه رشد روزافزون فعالیتهای صنعتی، باعث ورود مقادیر زیادی از آلاینده ها به منابع آب شده است. از جمله آلایندهها میتوان به مواد رنگزا که در پساب صنایع نساجی فراوان یافت می شود، اشاره نمود. با توجه به سمی بودن این آلایندهها، حذف آنها از منابع آب ضروری است. در این تحقیق، حذف رنگزای پر مصرف راکتیو قرمز 195 و رنگزای راکتیو آبی 19 از محیط-های آبی با استفاده از نانوجاذب گرافن اکسید مورد بررسی قرار گرفته است و تاثیر عوامل مختلف نظیر pH محلول، زمان تماس جاذب با محلول رنگزا و جرم جاذب بر راندمان جذب بهینه شده است. همچنین مدل سینتیکی و ایزوترمهای فرایند جذب مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان می دهد که سینتیک واکنش جذب هر دو رنگزا از مدل شبه مرتبهی دوم تبعیت می کند و فرایند جذب راکتیو قرمز 195 از مدل فروندلیچ تبعیت می کند درحالیکه فرایند جذب راکتیو آبی 19 تطابق خوبی با ایزوترم لانگمیر دارد.
واژه های کلیدی: حذف، نانوجاذب، گرافن اکسید، راکتیو قرمز 195، راکتیو آبی
مقدمه
رنگهای آلی که بهطور گسترده در صنایع نساجی، آرایشی و بهداشتی، کاغذ و رنگ آمیزیهای صنعتی استفاده میشوند یکی از جدیترین منابع آلودگی محیط زیست و آب آشامیدنی هستند. حذف رنگهای آلی از فاضلابها امروزه به یک مسئله خیلی مهم تبدیل شده است. حضور مقادیر بسیار کمی رنگ در آب، بر کیفیت زیبا شناختی، شفافیت آب و غلظت اکسیژن محلول تاثیر میگذارد و تهدیدی برای زیست آبزیان محسوب میشود. روشهای فیزیکی، زیستی و شیمیایی مختلف برای حذف رنگها مورد استفاده قرار گرفته است. اما در غلظتهای بالای رنگزا، این روشها قادر به حذف کامل رنگزا از پساب نیستند.
در میان روشهای مختلف حذف آلایندههای رنگی از محیطهای آبی، جذب سطحی به دلیل آسانی و فراوانی جاذبهای مختلف و بهویژه جاذبهای مبتنی بر کربن نظیر کربن اکتیو، گرافن اکسید و نانولولههای کربنی مورد توجه زیادی قرار گرفته است.خواص شیمیایی گرافن اکسید آن را به عنوان یک جاذب بسیار عالی معرفی کرده است. خصوصیات استثنایی گرافن شامل چگالی بالای جریان، حمل و نقل بالستیک، بیاثر بودن شیمیایی، هدایت حرارتی بالا، عبور نوری و آب گریزی فوقالعاده در مقیاس نانو است. به تازگی تحقیقات متعددی برای کشف کاربردهای زیست محیطی گرافن اکسید انجام شده است و ظرفیت جذب فوق العاده، در برابر ترکیبات مختلف سمی در محلولهای آبی به دست آمده است 1]و.[2
رنگ راکتیو قرمز 195، در صنایع نساجی به عنوان یک رنگزای آنیونی، راکتیو و آزو مورد استفاده قرار میگیرد و به دلیل وجود حلقههای بنزن در این رنگ، این ماده سمی وسرطانزا محسوب میشود و میتواند باعث جهش ژنتیکی در موجودات زنده شود. رنگ راکتیو آبی 19 جزء رنگ های راکتیو آنیونی و از رنگهای مهم نساجی محسوب میشود که علیرغم اثرات سرطانزایی این رنگزا، از آن در رنگرزی سلولز، پشم، ابریشم، نایلون، پنبه استفاده میشود.در این تحقیق حذف رنگزای راکتیو قرمز 195 و راکتیو آبی 19 از محلولهای آبی با استفاده از نانوجاذب گرافن اکسید مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور تاثیر عوامل مختلف بر راندمان جذب رنگزای راکتیو قرمز 195 و راکتیو آبی 19 بررسی و شرایط بهینهی حذف رنگزا به وسیله نانو جاذب گرافن اکسید تعیین شد. همچنین، سینتیک فرایند جذب و ایزوترمهای جذب مورد مطالعه قرارگرفت.
بخش تجربی سنتز نانوجاذب گرافن اکسید
برای سنتز گرافن اکسید از روش اصلاح شده هامر استفاده شد .[3] در این روش، یک گرم پودر گرافیت و نیم گرم سدیم نیترات توزین و داخل بالن ته گرد ریخته شد. سپس 23 میلی لیتر اسید سولفوریک به آن اضافه و داخل حمام یخ به مدت یک ساعت بر روی همزن مغناطیسی قرار داده شد. بعد از یک ساعت، 3 گرم پرمنگنات پتاسیم به آرامی به محتویات بالن اضافه شده، بالن از حمام یخ خارج و به مدت 2 ساعت در دمای محیط هم زده شد. سپس 46 میلیلیتر آب مقطر با قطره چکان به آرامی به آن اضافه و به مدت 30 دقیقه داخل حمام روغن 98 درجه سانتیگراد رفلاکس شد. در انتها به آن 100 میلیلیتر آب مقطر و 10 میلیلیتر آب اکسیژنه اضافه شد. پس از رسیدن به دمای محیط، GO از محلول تحت خلأ جدا و با کلریدریک اسید 5 درصد دو مرتبه و چند بار با آب مقطر شستشو داده شد. در نهایت GO خنثی و خالص به کمک سانتریفوژ جدا و جمع-آوری شد. GO حاصل به مدت 72 ساعت در داخل آون 50 درجه سانتیگراد قرار داده شد تا خشک شود.
نتایج و بحث تعیین مشخصات نانوجاذب گرافن اکسید
به منظور تعیین مشخصات نانوجاذب گرافن اکسید طیف FTIR آن گرفته شد - شکل -1 الف - . محدوده 3400 cm-1 را در GO به ارتعاشات کششی O-H نسبت میدهند. پیک موجود در 1700 cm-1 به گروه C=O - کربونیل - کربوکسیلیک اسید مربوط میشود در حالی که پیکهای1045 cm -1 و 1230 cm -1 را میتوان به ارتعاشات کششی C-O و گروههای اپوکسی نسبت داد. پیک در محدوده 1600 cm-1 مربوط به C=C در شبکه است.به منظور تعیین ساختار و اندازه ذرات، طیف XRD نمونه تهیه و بر اساس رابطه دبای-شرر، با اندازه گیری عرض پیکها در نیمه ارتفاع - B - ، اندازه ذرات به کمک طیف XRD تعیین شد.
شکل -1 ب الگوی XRD گرافن اکسید تهیه شده به روش هامر را نشان میدهد.در این شکل یک سری پیکهای مشخصه گرافن اکسید در 11/6=2 وجود دارد که بیانگر این است که محصول نهایی در ساختار مکعبی خوبی تشکیل شده است. با توجه به فرمول شرر و دادههای XRD، متوسط قطر ذرات 15 نانو متر به دست آمد.تصویر SEM نانو جاذب گرافن اکسید در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که در شکل دیده میشود گرافن اکسید دارای ساختار لایه لایه چیندار است. بهطور کلی چنین مورفولوژی در گرافن اکسید متورق مشاهده میشود.
حذف رنگزای راکتیو قرمز 195 و راکتیو آبی 19 تاثیرpH محلول بر حذف رنگزا
یکی از مهمترین عوامل موثر بر فرآیند جذب گونهها در فرآیندهای جذبی pH است. تاثیر pH را میتوان ناشی از تغییر بار سطحی جاذب، میزان یونیزاسیون مواد موجود در محلول و همچنین تفکیک گروههای عاملی موجود در مکان-های فعال جذبی جاذب دانست. همانطورکه در شکل -3 الف و -3 ب مشاهده میشود میزان جذب تقریبا مستقل از pH است. با توجه به اینکه نقطه ایزوالکتریک GO حدود 3 می باشد در pH های بالاتر از 3 سطح GO منفی بوده و تغییرات pH بر بار سطحی جاذب تاثیر ندارد. با درنظر گرفتن آنیونی بودن رنگها به نظر می رسد که برهمکنشهای π-π و واندروالس بین سطح جاذب و جذب شونده عامل غالب در فرایند جذب بوده و این برهمکنشها مستقل از pH می باشند.
اثر مقدار جاذب
بر اساس نتایج به دست آمده، در شکل 4 درصد جذب با افزایش مقدار جاذب برای رنگزای راکتیو قرمز 195 افزایش یافته است. سرعت افزایش بازده حذف رنگ از محلول به سرعت زیاد میشود تا اینکه در 0/15 گرم میزان درصد جذب تغییری نمیکند. بنابراین 0/15 گرم به عنوان مقدار بهینهی جاذب انتخاب و در آزمایشهای بعدی مورد استفاده قرار گرفت. در مورد رنگزای راکتیو آبی 19 نیز همانگونه که در شکل - 4 ب مشخص شده است، با افزایش مقدار جاذب از 0/005 تا 0/1 گرم درصد حذف افزایش یافته و پس از آن بدون تغییر مانده است. بنابراین در سایر آزمایشها از 0/1 گرم جاذب به عنوان مقدار بهینه جاذب استفاده گردید.
تاثیر زمان تماس محلول با جاذب بر حذف رنگزا
تاثیر زمان جذب بر میزان جذب رنگزای راکتیو قرمز 195و راکتیو آبی 19، بررسی شد - شکل . - 5 براساس نتایج بدست آمده، زمان تعادل برای راکتیو قرمز 195 و راکتیو آبی 19 به ترتیب 20 و 25 ذقیقه می باشد. روند تغییرات جذب بر حسب زمان را میتوان به اشباع شدن تدریجی محلهای جذبی جاذب بهوسیله مولکولهای رنگ نسبت دارد. با توجه به اینکه بازده حذف رنگ در زمانهای تعادل و زمانهای کوتاهتر اختلاف قابل ملاحظه ای ندارد، به منظور تسریع در فرایند جذب توسط نانوجاذب گرافن اکسید زمانهای 15 و 10 دقیقه به ترتیب به عنوان زمانهای بهینه برای جذب راکتیو قرمز 195 و راکتیو آبی 19 انتخاب شدند.
مطالعهی سینتیک فرایند جذب
مطالعات سینتیکی اطلاعات مورد نیاز را دربارهی مکانیزم جذب فراهم می کند. مدلهای سینیتیکی شبه مرتبه اول
