بخشی از مقاله
چکیده:
گرافن اکسید و کامپوزیتهای آن توجه گستردهای را به عنوان یک جاذب جدید برای حذف انواع آلایندههای مختلف فلزات سنگین به خود جلب کردهاند. در این پژوهش، ابتدا نانوکامپوزیت پلیآنیلین/گرافن اکسید به روش پلیمریزاسیون درجای آنیلین در حضور نانو ورقههای گرافن اکسید تهیه شد. در ادامه کارایی آن در حذف کروم - VI - از محیط آبی، مورد ارزیابی قرار گرفت. آزمونهای طیف بین فروسرخ تبدیل فوریه - FTIR - جهت بررسی ساختار شیمیایی پلیآنیلین - PANI - ، گرافن اکسید - - GO و نانوکامپوزیت پلیآنیلین/گرافن اکسید - - PANI/GO و آنالیز وزن سنجی حرارتی - TGA - جهت بررسی خواص حرارتی نانوکامپوزیت استفاده گردید. هدایت الکتریکی برای 0/380 S/m GO و برای PANI و نانوکامپوزیت PANI/GO به ترتیب مقادیر 3/005 S/m و S/m 6/113 بدست آمد. مطالعات اثر زمان تماس نشان داد که سنتیک جذب در PANI/GO بسیار سریعتر از PANI خالص میباشد. به طوریکه نانوکامپوزیت PANI/GO قادر به حذف کروم - VI - تا 97/63 درصد میباشد. مطالعات سنتیکی نشان داد که فرآیند حذف توسط نانوکامپوزیت PANI/GO، از مدل سنتیکی شبه مرتبه دوم پیروی میکند.
واژه های کلیدی: نانوکامپوزیت، پلیآنیلین، گرافن اکسید، کروم - VI - ، جذب سطحی
-1 مقدمه
به دلیل رشد سریع صنعت، فلزات سنگین بیش از اندازه وارد محیط زیست شدهاند که این امر تبدیل به یک نگرانی جهانی شده است.[1] فلزات سنگین از جمله آلایندههای زیست محیطی هستند که مواجهه انسان با آنها از طریق آب و مواد غذایی، می-تواند مسمومیتهای مزمن و خطرناکی ایجاد کند. کروم - VI - ، یکی از اکسیدانهای سخت و جزء گروه مواد سرطان زاست3]و. [2 کروم از طریق نشت یا روشهای دفع نادرست در محیط رها شده و به دو حالت اکسید شدهی کروم - III - و کروم - VI - یافت میشود. سازمان جهانی بهداشت سرطانزا بودن کروم - VI - را در انسان تایید کرده است. حداکثر مجاز توصیه شده برای این یون در آب آشامیدنی توسط موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، 0/01 میلی گرم در لیتر تعیین شده است.
منابع صنعتی تولید کننده کروم - VI - عمدتا شامل کارخانجات آلیاژی و ساخت فولاد، شستشوی فلزات، آبکاری، دباغی، چرم و سنتز رنگدانه و رنگرزی میباشد. کروم - VI - معمولا در فاضلاب به فرم آنیونهای کرومات - CrO42- - و دیکرومات - Cr2O72- - وجود داشته و به راحتی با استفاده از روشهای معمولی رسوب نمیکند5]و.[4روش جذب سطحی به دلیل کارایی و کاربرد آسان، مقرون به صرفه بودن، قابلیت احیای جاذب و راندمان بالا، در سالهای اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته و در مقایسه با سایر روشها، روش مؤثرتری برای حذف کروم - VI - میباشد7]و.[6پلیآنیلین به علت هزینهی کم، سنتز آسان، توانایی سنتز در مقیاسهای بزرگ، پایداری محیطی بالا و شیمی اکسایش کاهش جالب توجه، یکی از گستردهترین پلیمرهای رسانای مورد مطالعه میباشد.
پلیآنیلین به سه حالت اکسیداسیون پرنیگرآنیلین1 - فرم کاملا اکسید شده - ، امرالدین2 - فرم نیمه اکسید شده - و لکوامرالدین3 - فرم کاملا کاهش یافته - وجود دارد، که تنها فرم امرالدین، هادی الکتریسیته و مهمترین حالت پلیآنیلین میباشد. پلیآنیلین توانایی کاهش کروم - VI - به کروم - III - را دارد، لذا ظرفیت حذف بالایی را برای کروم از خود نشان میدهد. به علاوه به علت داشتن گروههای آمینوایمید، مکانهای فعال را برای جذب کروم - III - فراهم میکند.[8] به منظور بهبود خواص جذبی پلیآنیلین از نانو مواد کربنی نظیر نانولولههای کربنی و گرافن، در بافت پلیمرها استفاده شده است.[9-12]این نانوموادهای کربنی خود به تنهایی نیز به علت مساحت سطح بالا و وجود گروههای عاملی، جاذبهای قوی برای فلزات سنگین محسوب میشوند.
گرافن آلوتروپ دوبعدی کربن است و به علت خصوصیات منحصر به فرد نانوساختارهای دوبعدی خود از جمله: مساحت سطح ویژه بزرگ، رسانندگی بالا و پایداری عالی به طور گستردهای به عنوان یک پرکننده عالی در بافتهای پلیمری مورد بررسی قرارگرفتهاند. هزینه تولید گرافن در مقایسه با سایر نانوموادهای کربنی کم است، بنابراین در جامعه علمی در بررسی جنبههای مختلف از جمله اصلاح سطح گرافن پیشرفت زیادی داشتهاند. در بین جاذبها، نانو صفحههای گرافن اکسید که یک گرافن اصلاح شده میباشد، به علت حضور چندین گروه عاملی در سطح خود برای جذب سطحی بسیار مفید و مؤثر عمل میکند.[7]اولاد4 و نبوی5، بازده و سنتیک حذف Cr - VI - را توسط فرم-های مختلف پلیآنیلین از جمله فیلم و پودر آن، در حالتهای اکسیداسیون مختلف مورد مطالعه قرار دادند و بیان کردند که فرم پودر پلیآنیلین مؤثرتر است.[13]
ژانگ6 و همکارانش، پلی-آنیلین دوپهشده با سولفوریکاسید را سنتز و حداکثر میزان جذب کروم - VI - را 95/79 mg/g ارائه دادند.[14] فرل 7 و همکارانش، به بررسی فیلم پلیآنیلین به منظور احیای کروم - VI - پرداختند. نتایج نشان داد که فیلم پلیآنیلین عملکرد مطلوبی در احیای کروم دارد و ضخامت فیلم تأثیری بر راندمان آن ندارد.[15] محققان با بررسی حذف سرب و آرسنیک با استفاده از نانوهیبریدهای گرافن اکسید و اکسید آهن منگنز، مشاهده کردند که گرافن اکسید کارایی بالایی در حذف فلزات سنگین از محلولهای آبی دارد.[16] سی8 و همکاران، گرافن سولفونه شدهای را سنتز کردند که در مقایسه با گرافن وگرافناکسید، مکانهای جذب بیشتری را برای جذب انواع مختلف فلزات سنگین نشان داده است.[17]در این تحقیق، ابتدا نانوکامپوزیت پلیآنیلین/گرافن اکسید با پلیمریزاسیون آنیلین در حضور نانوورقههای گرافن اکسید تهیه شد. سپس مشخصه یابی آن توسط روشهای FTIR و TGA انجام شد، و در نهایت آزمایش حذف کروم - VI - توسط آن مورد مطالعه قرار گرفت.
-2 بخش تجربی
2-1مواد اولیه
پودر گرافیت - شرکت مرک - ، اسید سولفوریک غلیظ تجاری 95-97% - شرکت مرک - ، اسید کلرید 37% - شرکت مرک - ، پتاسیم پرمنگنات، سدیم نیترات - شرکت مرک - ، آب دیونیزه، آب مقطر، آب اکسیژنه، آنیلین 99% - شرکت آلدریچ-تقطیر شده - ، آمونیوم پراکسو دی سولفات - شرکت مرک - ، متانول - شرکت مرک - ، آمونیاک %25 - شرکت مرک -
2-2 دستگاهها
دستگاه اسپکتروفوتومتر مدل Unico-4802، سانتریفیوژ مدل RST32، اولتراسونیک مدل DT31H با توان 30/240 W، pH متر مدل Knick-766، ترازوی دیجیتالی مدل CPA3235، همزن مکانیکی مدل KQPS.22، همزن مغناطیسی مدل RET B، دستگاه اندازه گیری هدایت الکتریکی روش چهار نقطهای، FTIR مدلVector22، آون مدل D91107، TGA مدل STA 504
2-3 سنتز گرافن اکسید - GO -
گرافن اکسید با استفاده از روش اصلاح شده هامر به صورت زیر تهیه گردید: 3gr پودر گرافیت به 69ml اسید سولفوریک غلیظ قرارگرفته در حمام یخ اضافه شد، سپس 1/5gr سدیم نیترات به محلول اضافه و به مدت 30 دقیقه در حمام یخ همزده شد. بعد از گذشت 30 دقیقه 9gr پتاسیم پرمنگنات همراه با همزدن به آرامی به محلول اضافه شد. در این مرحله رنگ محلول از سیاه به زرد-سبز لجنی تغییر پیدا کرد. محلول در دمای اتاق به مدت 7 ساعت همزده شد. در این مرحله رنگ محلول به سیاه تغییر رنگ داد. در ادامه 9gr پتاسیم پرمنگنات اضافه طی یک ساعت به آرامی به محلول قرار گرفته در دمای اتاق اضافه و مخلوط غلیظ و چسبناکی ایجاد گردید.
محلول به مدت 12 ساعت در دمای اتاق همزده شد و رنگ آن به قهوهای روشن تغییر پیدا کرد. 400ml آب دیونیزه سرد شده به آرامی طی 1ساعت همراه با همزدن به محلول اضافه گردید. محلول از قهوهای روشن به قرمز-قهوهای تغییر رنگ داد. بعد از گذشت نیم ساعت 6 ml آب اکسیژنه برای کاهش یونهای MnO4- باقی مانده اضافه و 24 ساعت همزده شد. محلول زرد رنگ بدست آمده، سانتریفیوژ گردید. سپس رسوب حاصل با آب دیونیزه برای رسیدن به pH خنثی شسته شد. در آخر رسوب بدست آمده به مدت 24 ساعت در آون تحت دمای 40 درجه قرار گرفت تا کاملا خشک و به صورت پودری درآمد - شکل.[18] - 1
2-4 سنتز پلیآنیلین - PANI -
20ml آنیلین تقطیر شده با 13/13ml هیدروکلرید اسید 1/7M مخلوط و به وسیله آب مقطر به حجم 250ml رسانده شد. برای ساخت محلول آغازگر نیز، 45/6g آمونیوم پروکسو دی سولفات با 13/13ml هیدروکلرید اسید 1/7M مخلوط و به وسیله آب مقطر به حجم 250ml رسانده و در دمای زیر صفر نگه داشته شد. محلول آنیلین، درون ظرف مورد نظر ریخته شد و در حمام یخ و نمک قرار گرفت تا دمای آن به زیر صفر درجه سانتیگراد رسید. در این لحظه محلول آغازگر تهیه شده به آرامی و قطرهای همراه با همزدن به مدت 3 ساعت به محلول اضافه گردید و رنگ مخلوط به سبز تیره تغییر پیدا کرد.
پس از اتمام آغازگر، محلول به مدت نیم ساعت در دمای اتاق همزده شد و سپس توسط خلاء صاف و رسوب حاصل چندین بار با آب دیونیزه تا روشنتر شدن محلول زیر صافی شستشو داده شد. رسوب جمع آوری و به مدت 24 ساعت تحت دمای 40 درجه سانتی گراد خشک گردید.[19] برای آندوپه کردن پلیآنیلین حاصل، 10gr از رسوبات خشک شده، به 250ml آمونیاک 1/7M اضافه گردید و برای بدست آوردن محصولی خنثی به مدت 2 ساعت توسط همزن مکانیکی همزده شد. سپس محلول تحت شرایط خلاء صاف و رسوبات چندین بار با آب مقطر تا روشنتر شدن محلول زیر صافی شسنشو
