بخشی از مقاله
چکیده
با گسترش روز افزون جمعیت جهان و پیشرفت جوامع بشری و هم چنین صنایع ، علاوه بر تولید محصولات بیشتر و باکیفیت بالاتر، تولید پ ساب ها و فا ضلاب های صنعتی را به شدت افزایش داده ا ست. این پ ساب ها در مواردی حاوی مواد سمی و خطرناک شمیایی و رنگ های جهش زا می با شند که روند ت صفیه فا ضلاب را پیچیده می کنند. ازاین رو، بهره گیری از روش های نوین در حذف مواد شیمیایی همچون رنگ از فا ضلاب های ن ساجی و کارخانه های تولید رنگ از اهمیت ویژه ای در این کار پژوه شی هیدروژل نانو مغناطی سی بر پایه ی مخلوط دوتایی دو بیو پلیمر سازگار با محیط زی ست به نام های کیتو سان و کاپا-کاراگینان تهیه شده است.
برای القای خاصیت مغناطیسی پلیمررا در آب مقطر حل می کنیم و آهن - - و آهن - - را به ن سبت 2 به 1 در محلول پلیمر ریخته و با ا ستفاده از آمونیاک نانو ذرات مغناطی سی ت شکیل خواهند شد. برای شنا سایی نانو مغناطیس های تهیه شده از تکنیک های ,FT-IR SEM , XRDو VSM ا ستفاده خواهد شد. در این کار سعی بر حذف آلاینده کاتیونی از جمله رنگ کاتیونی متیلن بلو با ا ستفاده از هیدروژل های نانو مغناطیس بوده ا ست. هم چنین برای بررسی روند جذب الاینده کاتیونی ابتدا سینتیک تورم هیدروژل نانو مغناطیس ها به دست امده را به عنوان تابعی از مقدار نانو ذرات و نسبت دو پلیمر بررسی شده و هم چنین در ادامه برا ی بررسی روند جذب سنتیک، ایزوترم در روند جذب رنگ متیلن بلو مورد بررسی واقع شده است.
کلمات کلیدی:نانو جاذب، هیدروژل مغناطیسی، جذب رنگ، کیتوسان
مقدمه
امروزه آب یکی از مهم ترین منابع حیاتی برای بشر محسوب می شود که از دیدگاه اقتصادی، اجتماعی، سیاسی و محیط زیستی بسیار حائز اهمیت ا ست.مع ضل آلودگی آب تبدیل به یک م شکل زی ست محیطی جدی شده ا ست و در سال های اخیر نگرانی جامعه ی جهانی را به خود معطوف کرده است. به طور اختصاصی از زمانی که آلاینده ها مختلف که نتیجه افزایش سریع صنعتی شدن و شهرن شینی ه ستند به محیط های آبی وارد شدند این نگرانی ها دوچندان گردید .[1] این آلودگی ها شامل فلزات سنگین، رنگ ها، ف سفات ها و نیترات ها، مواد شیمیایی و سمی خطرآفرین، آلودگی های رادیواکتیو و مح صولات درمانی و غیره می با شد .[2]
مقدار ب سیار کم این آلاینده ها نیز می تواند به آلودگی های زیادی منجر شود و در نتیجه مو ضوع ت صفیه پ ساب ها و فا ضلاب ها از اهمیت بالایی برخورد ا ست .[3] رنگ ها دارای ساختار پیچیده مولکولی،غالبا سمی، سرطان زا، جهش زا و غیرقابل تجزیه و پایدار می با شند که در محیط زی ست اثرات مخرب ب سیاری را به جای می گذارند.[4] به منظور از میان بردن این آلودگی ها از پ ساب ها و فا ضلاب ها روش های بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور از میان بردن این آلودگی ها از پساب ها و فاضلاب ها روش های مختلفی مورد برسی قرار گرفته است که از جمله آن میتوان به فیتراسیون، ته نشینی، تبادل یونی، کربن فعال،فرآیند های غشایی، تکنیک های الکترو شیمیایی و جذب سطحی ا شاره کرد.
روش جذب سطحی به دلیل عملکرد آ سان، م صرف انرژی کم، نگهداری ساده، ظرفیت جذب زیاد و کارایی بالا برای تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار گرفته است.[5] در این شیوه از جداساز ی، جاذب های مختلفی نظیرجاذب های بیولوژیکی - مانند جلبک ها، قارچ ها،مخمر ها و باکتری ها - ، کربن فعال، سیلیکا ژل ها، زئولیت ها، جاذب های طبیعی، جاذب های زیستی و غیره توسط محققان مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است. در این میان،کربن فعال بدون شک یکی ازمهم ترین و م شهور ترین جاذب ها در جذب آلاینده های مختلف در سرا سر دنیا می با شد اما کربن فعال دارای قیمت ن سبتا بالا می باشد . هم چنین عدم بازیافت و استفاده مجدد از این جاذب به عنوان مهم ترین معایب این جاذب عنوان گردیده است. [6]
اخیرا تولید کامپوزیت های زی ست سازگار و زی ست تخریب پذیر به دلیل عدم سمیت ، زی ست تخریب پذیری مورد توجه ب سیاری از محققان قرار گرفته است. استفاده از جاذب های بیوپلیمری و پلی ساکاریدی طبیعی به دلیل خاصیت زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری آن ها و هم چنین هزینه نسبتا پایین آن ها توجه بسیاری را به خود معطوف کرده است. ازجمله این پلیمرها و پلی ساکارید ها میتوان به سدیم آلژینات، نشاسته، دکستران، کاراگینان، کیتوسان و مشتقات آن و غیره اشاره کرد. هر کدام از این پلی ساکارید ها بر اساس نوع شبکه و گروه های عاملی سطحی خود میتوانند به عنوان پایه اصلی این یک جاذب آلاینده به کار روند .[7]
پس از جذب، مساله جداسازی جاذب از محیط آبی آلوده و پساب ها مطرح می شود. با توجه به روشهای سابق که شامل فیلتراسیون و رسوب دهی بوده است جداسازی جاذب که کاری دشوار محسوب می شود زیرا که ماده جذب شده باعث بسته شدن فیلتر ها و یا از بین رفتن آن ها می شود. علاوه بر این ممکن ا ست جاذب در بین لجن ها ی موجود در پ ساب ها گرفتار شود که این امر نیز منجر به ایجاد آلودگی مجدد می شود. برای غلبه بر این م شکل جدا سازی جاذب، عدم ایجاد آلودگی مجدد در محیط زی ست ، بازیابی مجدد جاذب و ساده سازی عمل جداسازی، تحقیق های اخیر بر روی فناوری جداسازی مغناطی سی متمرکز شده است.
محققان برای جداسازی، خاصیت مغناطیسی را به عنوان روشی برای جداساز ی جاذب حاوی ماده ی جذب شده و اعمال این روش برای رفع مشکلات محیط زیستی به کار بردند . اصلی ترین مزیت این تکنولوژی این است که می تواند مقدار بسیار زیاد پساب را در زمان اندک، با کم ترین انرژی و بدون ایجاد آلاینده ثانیویه پاک سازی کند. امروزه نانو ذرات مغناطیسی و به طور اختصاصی نانو ذرات مگنتیت - Fe3O4 - هم از لحاظ علمی و هم از لحاظ تکنولوژیکی از اهمیت بسیار بالایی برخورد دار است.از دلایل کاربرد وسیع نانو ذرات می توان به سطح ویژه بالا،تغییر خاصیت مواد در ابعاد نانو متری، ایجاد خواصی متفاوت و دستکاری اتمی و مولکولی ساختار ها اشاره کرد.
نانو ذرات مگنتیت دارای خا صیت سوپرپارا مغناطیس ه ستند. بدین معنا که با اعمال میدان مغناطی سی بر روی ذرات با توجه به وجود حالت سوپرپارا مغناطیس در این ذرات سرعت جذب آن ها به سمت میدان مغناطیسی به شدت افزایش می یابد. از دیگر خصوصیات مگنتیت میتوان به عدم سمیت آن ها اشاره کرد که با توجه به مطالعات صورت گرفته این ذرات هیچ گونه اثر سمی کوتاه مدت یا بلند مدت در شرایط درون تنی روی موجودات زنده ندارند.[8]در این کار پژوه شی جاذب ساخته شده جز د سته مواد نانو کامپوزیتی قرار می گیرد. در مواد کامپوزینی نیز حداقل به دو ق سمت فاز زمینه و فاز تقویت کننده نیازمندیم. در واقع فاز زمینه نیز میتواند خود از چند ماده تشکیل شده باشد یا عبارتی چند جزئی باشد. در پژوهش اخیر فاز زمینه جاذب ها بیوپلمیر های طبیعی خواهند بود.
با توجه به وجود چند نوع متفاوت از بیوپلیمر های استفاده شده در این کار برای رسیدن به حالت بهینه جاذب، میزان پلمیر استفاده خود یکی از جنبه های مجهول و مبهم خواهد بود که باید با تحقیق و ازمایش به میزان بهینه ان دست یافت. هم چنین زمانی که برای افزایش خواص مکانیکی این جاذب ها از تلفیق دو بیوپلیمر بهره خواهیم برد ن سبت بین این دو پلیمر نیز جز موارد تحقیقی به شمار می آید. از طرف دیگر با توجه به اینکه در این پژوهش از نانو ذرات مغناطیسی برای جداسازی جاذب از مابقی پساب بهره برده می شود، میزان نانو ذرات مغناطیسی تولید شده به روش هم رسوبی نیز یه پارامتر مهم می باشد زیرا که وجود نانو ذرات بیشتر از حد نیاز میتواند بر عملکرد جاذب تاثیر منفی گذاشته و باعث کاهش راندمان جذب شود.
مواد و روش تحقیق
کیتوسان با جرم مولکولی بالا از شرکت سیگما الدریچ با درجه ی داستیلاسیون %85 خریداری گردید. کاپا-کاراگینان نیز خلوص %96 از شرکت کاندینسون دانمارک خریداری شد. کلرید های آهننیز از شرکت مِرک تهیه شدند.
تهیه هیدروژل های مغناطیسی به روش هم رسوبی به کمک یون های آهن سه بار مثبت و اهن دوبار مثبت در حضور بیو پلیمر کاپا-کاراگینان به صورت درجا صورت گرفت. بدین صورت که ایتدا بیوپلیمر کاپا-کاراگینان در دمای 60 درجه سانتی گراد به اب مقطر اضافه گردید و اجازه داده شد تا به مدت یک ساعت بر روی همزن مغناطیسی بهم خورده شود تا کاملا در اب مقطر حل گردد. سپس نمک های آهن در مقدار کمی اب مقطر حل گردیده و به محلول پلیمری تحت گاز نیتروژن، اضافه میگردد و سپس برای القای خا صیت مغناطی سی و ت شکیل نانو ذرات از محلول آمونیاک ا ستفاده گردید.
محلول تیره ی ت شکیل شده را اجازه میدهیم تا به مدت یک ساعت بر روی همزن مغناطیسی بهم زده شود. جدول مقادیر و نمونه های تهیه شده در زیر آورده شده است.سپس کیتوسان را در ظرفی جداگانه و در محلول آب مقطر و سیتریک اسید حل میکنیم و اچازه میدهیم تا کاملا کیتوسان در این محلول حل شود. در ادامه محلول کیتو سان را به کاپا-کاراگینان مغناطیسی شده اضافه می کنیم و اجازه میدهیم با دور بالا بر روی هم زن مغناطیسی با هم دیگر مخلوط شوند. سپس نمونه ها را سه مرتیه با اب مقطر و یک مرتبه با اتانول سشتشو و ابگیری گردید. نمونه ها برای استفاده های بعدی در هوای محیط خشک گردیدند.
نتایج و بحث
به منظور بررسی گروه های عاملی و پیوند های موجود در بین مواد اولیه و هم چنین نانو کامپوزیت تشکیل شده از طیف FT-IRا ستفاده شده ا ست.برای این برر سی از دو بیو پلیمر ا ستفاده شده در این کار پژوه شی یعنی کاپا-کاراگینان و کیتو سان به صورت جداگانه طیف گرفته شد و هم چنین از دو نمونه از بیونانوکامپوزیت یعنی نمونه های بدون مغناطیس - - Chito0.4Car و نمونه با خاصیت مغناطیسی زیاد - HmChito0.4Car - طیف گرفته شده است.همان گونه که در شکل شماره2 مشهود است، در بیوپلیمر کیتوسان پیک های1650 cm-1 مربوط به گروه های آمین نوع اول و پیک 1597cm-1 مربوط به آمین گروه های دوم و پیک موجود در1080 cm-1 مربوط به پیوند های گیلوکزاید1 می باشد.هم چنین در خصوص بیوپلیمر کاپا-کاراگینان، پیک های1260 cm-1 گروه های سولفات، و پیک موجود در 926 cm-1 نشان دهندهی 6،3 -آنهیدروگالاکتوز 2 و پیک موجود در848 cm-1 نشان دهندهی گروه گلاکتوز--4 سولفات3 است .[9] طیف FT-IR مربوط به دو بیو نانو کامپوزیت Chito0.4Car و HmChito0.4Car نیز در این
