بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش نانوذرات پیریت توسط آسیاب انرژی بالا با استفاده از آسیای گلوله ای سیارهای تولید شدند. ابتدا طی یک طراحی آزمایش نمونههای مختلف پیریت با تغییر زمان آسیاب کاری، نسبت وزنی گلوله به پودر و اندازه قطر گلولهها در سرعت ثابت 450 دور در دقیقه تولید و سپس آنالیزهای اشعه ایکس - XRD - و طیفسنجی تبدیل فوریه مادون قرمز - FT-IR - برای تعیین مشخصات نمونههای اولیه و آسیاب شده بهکار گرفته شدند. اندازه قطر گلولهها 5 میلیمتر و نسبت وزنی گلوله به پودر 20 به عنوان پارامترهای بهینه فرآیند بدست آمدند و تحت این شرایط اندازه متوسط نانوذرات پیریت تولید شده 90 نانومتر مشاهده شد و همچنین زمان بهینه آسیاکاری برای تولید نانوذرات پیریت 12 ساعت میباشد.
.1 مقدمه
پیریت یکی از فراوانترین کانی سولفیدی در سطح زمین محسوب میشود .[1] پیریت طبیعی کاربردهای فراوانی از خود نشان داده و یکی از مهمترین و شاخصترین کاربرد آن خاصیت کاتالیستی است. پیریت در واکنشهای ناهمگن فنتون - Fenton reaction heterogeneous - نقش بهسزایی دارد زیرا باعث تخریب آلایندههای آلی میشود.[2] همچنین پیریت در فرآیند لیچینگ و بیولیچینگ کانیهای سولفیدی مس با سرعت بخشیدن به انتقال الکترون باعث افزایش قابل توجهی در سرعت واکنش میشود .[3]
به رغم ویژگیهای بدیع مزبور که پیریت طبیعی از خود نشان داده، تاکنون برخی از مشکلات و نواقص همچنان باقی ماندهاست. یکی از این مشکلات به اندازه ذرات و سطح ویژه پیریت طبیعی مربوط میشود. بزرگی اندازه ذرات و اندک بودن سطح ویژه به طور قابل توجهی روی انتقال جرم در سیستم های مختلف کاتالیزوری تاثیر میگذارد و این محدودیتها سبب کاهش کارایی و کاربرد خاصیت کاتالیستی پیریت میشود.
درنتیجه جهت افزایش بازده و کارایی ویژگی کاتالیستی پیریت طبیعی، اندازه ذرات پیریت باید از مقیاس میکرون به نانو کاهش یابند .[4] این پدیده باعث تغییرات اساسی در عملکرد شده و بیشتر بودن سطح خارجی نانوذرات پیریت باعث افزایش مکانهای فعالی میشود که در سطح بیرونی وجود دارند. بنابراین درمقایسه با ذرات پیریت طبیعی که در مقیاس نانو هستند، نانوذرات پیریت بهطور قابل ملاحظهای انتخاب مناسبی برای فرآیندهای کاتالسیتی با توجه به خصوصیات ذکرشده میباشند .[5]
روشهای مختلفی برای تولید نانوذرات پیریت از منابع مختلف وجود دارد که به دو دستهی اصلی بالا-پایین1 و پایین-بالا2 تقسیم میشوند. در روش اول پیریت طبیعی برای تولید نانوذرات بهکار گرفته میشود اما در روش دوم از پیش-ماده برای تولید نانوذرات استفاده میشود که میتوان به دو صورت هیدروترمال یعنی استفاده از آب به عنوان حلال و سولوترمال استفاده از حلالهای آلی مانند اتانول، متانول و ... انجام شود .[6]
در روش بیوسنتز میتوان از باکتریها و قارچها برای تولید نانوذرات استفاده کرد. تولید نانو ذرات از طریق بیو به دو صورت درون سلولی و برون سلولی قابل انجام است. مزیت مهم فرآیند بیوسنتز این است که در دما و فشار محیط نیز نانوذرات تولید میشوند .[7] فاتینا3 و همکاران [2] توانستند با استفاده از آسیای سیارهای نانوذرات پیریت 200 نانومتر تولید کنند. وی[8] 4، جرج[9] 5، هان[10] 6 و دان[11] 7 از روشهای شیمیایی برای تولید استفاده کردند. پیریت تولید شده برای حذف فلزات سنگینی مانند آرسنیک و جیوه مورد استفاده قرار گرفت و بدلیل اینکه نانوذرات پیریت بهعنوان یک جاذب خوب عمل کردند، نتایج مطلوبی حاصل و قابلیت صنعتی شدن نیز دارا هستند.
سو-چینگ [12] 8، کیان[13] 9، سومیترا کار[15 ,14] 10، تارا [16] 11 و اعجازی [4] از حلالهای آلی مانند اتانول و متانول در سنتز نانوذرات پیریت استفاده کردند. نانوذرات تولید شده در محدودهی دانهبندی 50 نانومتر تا 200 نانومتر قرار دارند اما برای استفاده از این روش نیاز به رآکتورهای تحت فشاری است که دما و فشار بالایی را فراهم میکنند. آخوندی [17]، محمدخانی [18] و وو[19] 12 با استفاده از روش هیدروترمال توانستند نانوذرات پیریت تولید کنند.
حلال مورد استفاده شده در این روش آب است که محدودیتهایی مانند بیشتر شدن سایز ذرات را بههمراه دارند و همچنین نانوذرات کیفیت خوبی و ساختار منظمی مانند کوبیک و یا میلهای را از خود نشان ندادند. خباز و همکاران [20] در روشی نو و آسان از امواج التراسونیک استفاده کردند. از اتانول به عنوان حلال استفاده شد و یکی از برترین مزیت این روش، نانوذرات در دمای70درجهسانتیگراد و فشار اتمسفر تولید شدند.
آسیاکنی گلولهای مکانیکی - mechanical ball milling - با استفاده آسیاب سیارهای انرژی بالا به تازگی اهمیت بیشتری نسبت به روشهای معمول برای تولید نانومواد پیدا کردهاست .[22 ,21] خردایش توسط آسیای سیارهای با انرژی بالا ساده و مقرون به صرفه است و همچنین با استفاده از این روش مقادیر زیادی از نانوموادها در دمای محیط و در زمان فرآیند کوتاه تولید میشوند. این یک منظر مورد توجه از دیدگاه اقتصادی است که این روش را برای تولید در مقیاس بزرگ صنعتی مناسب می سازد .[23]
.2 روش و وسایل کار
در این تحقیق از پیریت طبیعی معدن مس سرچشمه استفاده گردید. آسیاب مورد استفاده، آسیاب مکانیکی گلولهای سیارهای با انرژی بالا - Pulverisette 7 premium line - ساخت شرکت Fritsch آلمان است. برای تولید نانوذرات پیریت بهروش فعال سازی مکانیکی - روش - top-down، ابتدا نمونه پیریت طبیعی از معدن مس سرچشمه جمع آوری شد و پس از چند مرحله خردایش مانند سنگ شکن فکی و غلطکی و آسیای گلولهای نمونهای با d80 برابر 20 میکرونمتر بدست آمد - شکل . - 1 ناخالصیها با استفاده از لیچینگ شیمیایی حذف شدند و پیریت خالص حاصل شد.
در مرحلهی نهایی از آسیای سیارهای - Fritsch-PULVERISETTE 7 - استفاده شدهاست. ابتدا آزمایشی توسط گلولههای 8 میلیمتر و نسبت وزنی گلوله به پودر 20 برای بدست آوردن پارامترهای اولیه انجام و سپس طبق یک طراحی آزمایش فاکتوریل کامل - D-Optimal - دیگر آزمایشات اجرا شد. برای بررسی و بهینهسازی شرایط خردایش نمونه پیریت طبیعی با d80 برابر 20 میکرونمتر، تستها با استفاده از طرح فاکتوریل کامل - D-Optimal - با 2 عامل نسبت وزن پودر به وزن گلولهها و دانهبندی گلولهها در 3 سطح طراحی شدند - جدول . - 1
