بخشی از مقاله
چکیده: نانوذرات سوپرپارامغناطیس اکسید آهن با توزیع اندازه باریک به روش ترسیب توسط محلول آمونیاکی از محلول حاوی یونهای آهن سنتز و سپس با پوشش سیلانی حاوی گروههای عاملی آمین اصلاح گردید. جداسازی مغناطیسی یونهای سرب از محلولهای آبی توسط یک میدان مغناطیسی بیرونی انجام گرفت و نتایج نشان داد که بیشترین مقدار جذب - جذب تعادلی - در مدت 20دقیقه حاصل میشود. همچنین حداکثر ظرفیت جذب برای نانوذرات برابر 26/27 mg/g به دست آمد. نتایج جذب در pHهای مختلف نشان داد که مقدار جذب در pHهایتقریباً خنثی خیلی بیشتر از pHهای اسیدی میباشد که دلیل این امر به خاطر پروتونه شدن گروههای آمینی در محیطهای اسیدی میباشد.همچنین مشخص گردید که فرآیند جذب در این مطالعه از مدل فروندلیچ تبعیت میکند.
مقدمه
در سالهای اخیر، آلودگیهای ناشی از فلزات سنگین به یک نگرانی همهگیر در جهان تبدیل شده است. اهمیت این موضوع در مناطقی که آب مصرفی را بیشتر از طریق آبهای زیر زمینی تأمین میکنند چندین برابر میباشد. فلزات سنگین به دلیل سمّیت بالا و خاصیت زیستناسازگاری، در بدن انسان و سایر موجودات زنده تجمع یافته و باعث ایجاد انواع بیماریها می-شوند. سرب یکی از فلزات سنگین است کهبسیار سمّی بوده و مشکوک به ایجاد بیماریهای مغزی و عقب افتادگی ذهنی بوده و میتواند باعث کاهش تولید هموگلوبین در بدن شود.
از اینرو استانداردهای معینی تدوین شده که مطابق آنها مقادیر مجاز سرب در محیطهای مختلف تعریف شده است. طبق استاندارد سازمان محیط زیست آمریکا، حداکثر مقدار مجاز سرب در آبهای آشامیدنی باید کمتر از 0/015 میلیگرم در لیتر باشد. بنا به دلایل ذکر شده، در سالهای اخیر محققان همواره تلاش کردهاند که روشهای حذف سرب از منابع آبی را بهینه-سازی و توسعه دهند. تکنیکهای متعددی مانند روشهای ته-نشینی، جداسازی غشایی، اکسیداسیون، روشهای الکتروشیمیاییو خنستین سمینار شیمی کارربدی اریان - 1IACS - جذبی جهت حذف سرب به کار برده شدهاند.
با این حال، روشهای موجود دارای معایب مختلفی مانند هزینه بالای احداث و اجرا، مصرف انرژی بالا و حساسیت زیاد به شرایط محیطی میباشند که استفاده از آنها را محدود میکند. با در نظر گرفتن این محدودیتها، به نظر میرسد روشهای جذبی از نظر اقتصادی و عملکرد از جمله روشهای بهینه برای حذف یونهای سرب از آب باشد. نانوذرات به علت داشتن سطح فعال بیشتر و همچنین نسبت بالای سطح به حجم، ظرفیت و سرعت جذب بالاتری نسبت به جاذبهای متداول دارند. از این رو نانومواد با گروههای کمپلکسه کننده به طور گسترده جهت حذف فلزات سنگین بکار گرفته شدهاند.
نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن علاوه بر دارا بودن مزایای اشاره شده، دارای خاصیت مغناطیسی میباشند که این خاصیت مغناطیسی امکان جداسازی نانوذرات را بعد از فرآیند جذب با یک میدان مغناطیسی خارجی بسیار راحت کرده و سرعت عمل و بازده جداسازی را افزایش میدهد. در این کار پژوهشی، ابتدا نانوکلاسترهای سوپرپارامغناطیس Fe2O3 حاوی گروههای آمین سنتز و جهت حذف یونهای سمّی سرب از آب استفاده شده است. تأثیر پارامترهای مختلف مانند زمان جذب و شرایط محیطی بر روی میزان جذب یونها توسط نانوذرات مورد بررسی قرار گرفته است.
بخش تجربی
نانوکلاسترهای سوپرپارامغناطیس اکسید آهن از خود تجمع یافتگی - خودسامانی - نانوذرات سوپرپارامغناطیس مگمایت حاصل شدند که در ادامه، لایهای از پوشش سیلیکا با گروههای عاملی آمین بر روی نانوکلاسترها اعمال گردید. نانوذرات مگمایت - γ-Fe2O3 - با روش ترسیب از محلول آبی تهیه شدند.به طور خلاصه، محلولی از یونهای Fe2+ و Fe3+ با محلول آمونیاک غلیظ - %25 - طی دو مرحله رسوب داده شد.
ابتدا pH محلول تا 3 افزایش یافته و به مدت 30 دقیقه در یک مقدار ثابت نگه داشته شد تا یونهای آهن به صورت هیدروکسید رسوب داده شود. سپس pH محلول تا 11/6 افزایش یافت تا هیدروکسید آهن - II - اکسید شده و نانوذرات مگمایت حاصل شوند. بعد از نگه داشتن به مدت 30 دقیقه، نانوذرات سنتز شده با محلول رقیقی از آمونیاک با10/5 pH شستشو داده شدند. در مرحله بعد، جهت واردسازی گروههای عاملی آمین بر سطح نانوذرات، سطح نانوذرات با لایهای از -3آمینو پروپیل تری اتوکسی سیلان پوشش داده شد.
جهت بررسی جذب یونهای سرب توسط نانوذرات اصلاح شده، عمل جذب بر روی نانوذرات مغناطیسی در مقدار مشخصی از محلول آبی یونهای سرب ودر دمای 25 ˚C انجام شد. غلظتهای اولیه یون سرب - C0 - بین مقادیر 5 تا 250 میلی گرم بر لیتر میباشد که پس از اضافه کردن نانوذرات مغناطیسی - با غلظت 0/4 میلی گرم بر لیتر - با سرعت200 rpm هم زده میشود.بعد از گذشت 24 ساعت، با استفاده از یک آهنربای قوی، نانوذرات مغناطیسی از محلول جدا شده و غلظت سرب باقی مانده در محلول از طریق دستگاه جذب اتمی تعیین شد. برای مشخص کردن تأثیر pH بر روی ظرفیت جذب، مقدار یکسانی از جاذب و محلول یونهای سرب در سه ظرف جداگانه که فقط مقادیر pHآنها متفاوت بود، اضافه گردید. همچنین به منظور ارزیابی تأثیر زمان تماس بر میزان جذب یونهای سرب، درصد جذب در محدوده زمانی 10 تا 100 دقیقه مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحث
نانوکلاسترهای سوپرپارامغناطیس سنتز شده دارای توزیع اندازه باریک با اندازه متوسط حدود 120nm می باشند. شکل 1 تصویر TEM مربوط به نانوذرات بعد از اصلاح با پوشش سیلانی حاوی گروه آمینی را نشان می دهد. همانطور که از این تصاویر مشخص است نانوذرات دارای توزیع اندازه باریک بوده و پوشش سیلانی نیز به صورت هالهای روشن در اطراف نانوذرات مشاهده میشود که پوششدهی موفقیتآمیز نانوذرات را اثبات میکند.
شکل .1 تصویرTEM نانوذرات سوپرپارامغناطیس اصلاح شده با عامل سیلانی حاوی گروههای آمین مغناطیسسنجی نمونه لرزشی - VSM - - شکل - 2 نانوذرات اصلاح شده نشان داد که نانوذرات سنتز شده فاقد حلقه پسماند بوده و دارای رفتار سوپرپارامغناطیس میباشند. مقدار مغناطیس-پذیری اشباع برابر 37/2emu/g می باشد که مقدار بالایی بوده و امکان جداسازی نانوذرات را از محلول بعد از فرآیند جذب با یک آهنربای خارجی به راحتی امکانپذیر میسازد.
