بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه حذف فلزات سنگین از آب به عنوان یکی فرآیندهاي مهم در حفظ سلامت انسانها و بهداشت محیط زیست به شمار می رود. کروم شش ظرفیتی بسیار سمی و خطرناك است و باعث بروز سرطان ریه، آسیب رساندن به کلیه و کبد و بسیاري از بیماري هاي دیگر می شود. در این پژوهش از روش جذب، به علت بازده بالا، سادگی و هزینه ي مناسب استفاده شده است. در این تحقیق پلیمرهاي قالب یونی به منظور استخراج یون هاي کروم - 6 - از محلول هاي آبی سنتز خواهد شد.
سطح این پلیمرهاي سنتز شده با یون هاي کروم - 6 - قالب بندي شده که باعث افزایش انتخاب پذیري آن نسبت به یون کروم - 6 - می شود. پلیمرهاي سنتز شده بر روي پایه ي نانولوله هاي کربنی چند جداره مغناطیسی قرار می گیرند. به دلیل سهولت و کاهش هزینههاي جداسازي جاذب، از پایه مغناطیسی استفاده میشود. مشخصات جاذب سنتز شده توسط تست هاي FTIR، SEM و TGA مشخص خواهد شد.
این مطالعه نشان می دهد pH بهینه براي حذف کروم شش ظرفیتی 3 و زمان تماس بهینه 30 دقیقه میباشد. تاثیر دما بر روي جذب بررسی شده و حداکثر ظرفیت جذب 50,7 میلیگرم بر گرم جاذب میباشد. همچنین بررسی ترمودینامیک جذب نشان میدهد که فرآیند جذب خود به خود و گرماده میباشد. مقایسه ظرفیت جذب بین پلیمر قالب یونی و پلیمر شاهد نشان میدهد که تکنیک قالب زنی یونی باعث افزایش انتخاب پذیري جاذب میشود.
-1 مقدمه
پسابهاي صنعتی شامل موادي سمی براي محیط زیست و سلامت انسانها هستند و جداسازي آلودگیهاي موجود در آن بسیار مسئلهی مهمی است .[2 ,1] یون کروم - 6 - یکی از سمیترین آیالندههاي محیط زیست است که از طریق پسابهاي صنایعی مانند دباغی، نگه داري سیمان و آبکاري الکتریکی وارد محیط زیست میشود
کروم گستره ي وسیعی از اعداد اکسایش از 2- تا 6+ را دارا است که در بین آنها کروم سه و شش ظرفیتی پایدارتر میباشند
حلالیت کروم شش ظرفیتی در آب نسبت به کروم سه ظرفیتی حدود 500 برابر بیشتر و 100 برابر سمیتر است. کروم شش ظرفیتی سرطانزا و جهشزا میباشد و میتواند باعث آسیب به کبد، حالت تهوع و احتقان ریوي شود .[7 ,6] تا به امروز روشهاي گوناکونی مانند اسموس معکوس، کاهش و رسوب گیري، اولترا فیلتر، تعویض یونی و غشا براي جداسازي کروم استفاده شده است .
هر کدام از این روشها اشکالات مخصوص به خود را دارند، به عنوان مثال روش رسوبگیري منجر به تولید لجن میشود و روشهاي غشا و تعویض یونی هزینهي بالایی دارند. اما از طرف دیگر روش جذب از مزایایی مانند بازده بالا، هزینهي مناسب و سادگی عملیات بهره میبرد. بنابراین جذب یکی از متداول ترین روشها براي جداسازي فلزات سنگین از آب محسوب میشود .
تاکنون از جاذبهاي گوناگونی مانند نانو آلومینا، نانوذرات مغناطیسی، کربن فعال و چیتوسان به منظور جذب کروم استفاده شده است .[19-15] با اینکه این جاذبها عملکرد قابل قبولی از خود نشان میدهند، اما از انتخابپذیري پایین نسبت به یک یون خاص رنج می برند. این اشکال منجر به افزایش هزینههاي عملیاتی به منظور دفع و جداسازي بیشتر میگردد
تکنیک قالبگذاري پلیمري - MIT - فرآیندي است براي سنتز موادي که داراي مکانهاي تشخیص ویژه براي یونها یا مولکولها میباشند. هدف اصلی در این فرآیند تشکیل پلیمر قالب مولکولی - MIP - یا پلیمر قالب یونی - IIP - میباشد که نسبت به مولکول یا یون هدف انتخاب پذیري بالایی دارند
پلیمرهاي قالب یونی که با روشهاي متداول سنتز میشوند داراي انتخاب پذیري بالا میباشند اما از محدودیتهایی مانند توزیع ناهمگن مکانهاي تشخیص، انتقال جرم کند، تراکم بالاي پیوند دهندهي عرضی و دسترسی ضعیف یونهاي هدف به مکانهاي مورد نظر رنج میبرند. به منظور رفع این معایب، تکنیک قالب زنی سطحی استفاده میشود
در سالهاي اخیر، مواد مختلفی از جمله چیتوسان، سیلیکاژل، سیلیسیم دي اکسید، نانوذرات مغناطیسی و نانولولههاي کربنی چند جداره به عنوان پایه براي قالب زنی سطحی استفاده شده است .[29-25] استفاده از نانولولههاي کربنی چند جدارهي مغناطیسی داراي مزایایی مانند استحکام مکانیکی بالا، پایداري در ظرایط اسیدي، سطح ویژهي بالا، خواص شیمیایی منحصر به فرد و فرآیند جداسازي آسان بهره میبرد. قرار دادن نانوذرات مغناطیسی در درون پلیمر باعث میشود جاذب به آسانی توسط میدان مغناطیسی خارجی جدا شود، بنابراین نیاز به فیلتر کردن یا سانتریفیوژ نخواهد بود
تا کنون مطالعات مختلفی بر روي پلیمر قالب یونی کروم - 6 - صورت گرفته است [32 ,20 ,6]، اما هرگز مطالعهاي مبنی بر استفاده از پلیمر قالب یونی بر پایهي نانولولههاي چند جداره مغناطیسی به منظور جذب کروم - 6 - از محلولهاي آبی گزارش نشده است. در این پژوهش، پلیمر قالب یونی کروم - 6 - بر پایهي نانولولههاي کربنی چند جداره مغناطیسی سنتز شده است که در آن از -4وینیل پریدین - 4-vinyl pyridine - به عنوان مونومر عاملی، اتیلن گلایکول دي متاآکریلات - EGDMA - به عنوان پیوند دهنده عرضی و هیدروکسی متاآکریلات - 2-HEMA - به عنوان کومونومر استفاده شده است. تاثیر pH، غلظت اولیهي محلول کروم - 6 - ، زمان جذب و دما بر روي جذب بررسی شده است. علاوه بر این، سینتیک جذب و عملکرد پلیمر قالب زنی نشده نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.
-2 بخش تجربی
1-2 مواد
نانو لولههاي کربنی چند جداره - MWCNTs - ، نیتریک اسید - HNO3 - ، سولفوریک اسید - H2SO4 - ، -4وینیل پریدین - 4-vinyl pyridine - ، اتیلن گلایکول دي متاآکریلات - EGDMA - ، هیدروکسی متاآکریلات - 2-HEMA - ،2و-2 آزوبیس-2متیلپروپیونیتریل - AIBN - ، نمک کروم - K2Cr2O7 - ، کلرید آهن 6 - III - آبه - FeCl3.6H2O - ، آهن - II - سولفات 7 آبه - FeSO4.7H2O - ، سدیم هیدروکسید - NaOH - ، آمونیاك و تترا اتیل اورتوسیلیکات - TEOS - که همگی از شرکت مرك آلمان خریداري شدهاند.
2-2 تهیه جاذب
1-2-2 عاملدار کردن نانولولههاي کربنی چند جداره
قبل از استفاده لازم است نانولولههاي کربنی چند جداره توسط گروههاي عاملی مانند کربوکسیل عاملدار شوند. این فرآیند مطابق با متد ذکر شده در مطالعات پیشین و با اندکی اصلاح صورت گرفته است .[33] بدین منظور ابتدا مخلوطی از 0,5 گرم نانولولههاي کربنی چند جداره و 50 میلی لیتر محلول نیتریک اسید و سولفوریک اسید - نسبت 1 به - 3 به مدت 15 دقیقه در دستگاه اولتراسونیک قرار میگیرد. سپس مخلوط در حمامی با دماي 80 درجه سانتی گراد قرار گرفته و به مدت 12 ساعت توسط همزن مغناطیسی هم زده میشود . در نهایت نانولولههاي کربنی عاملدار شده توسط کاغذ صافی از محلول جدا گردیده و با آب شستوشو داده شده و به مدت یک شبانه روز درون آون در دماي 65 درجه سانتیگراد خشک میگردد.
2-2-2 سنتز نانولولههاي کربنی چند جداره مغناطیسی
نانوذرات مغناطیسی به روش همرسوبی، مطابق با توضیحات ذکر شده [34]، بر روي سطح نانولولههاي کربنی قرار می گیرند. به این منظور ابتدا 1,49 گرم کلرید آهن 6 - III - آبه و 0,765 گرم آهن - II - سولفات 7 آبه را در آب حل کرده. سپس 0,5 گرم نانولولههاي کربنی عاملدار شده به محلول اضافه میگردد. مخلوط به مدت 15 دقیقه درون دستگاه اولتراسونیک قرار داده میشود. در ادامه 10 میلی لیتر سدیم هیدروکسید با غلظت 1 مولار را به صورت قطره قطره به محلول اضافه نموده. مخلوط باید به مدت 4 ساعت در دماي 70 درجه سانتی گراد حرارت ببیند. سپس نانولولههاي کربنی مغناطیسی توسط آهنربا از محلول جدا میگردد و با آب و اتانول شستوشو داده شده و در دماي 60 درجه سانتی گراد خشک میگردد.
3-2-2 سیلیسدار کردن نانولولههاي کربنی مغناطیسی
به منظور جلوگیري از اکسید شدن نانو ذرات مغناطیسی، سطح پایه توسط سیلیسیم دي اکسید پوشش داده میشود .[35] ابتدا مخلوطی از 0,6 گرم نانولولههاي کربنی مغناطیسی، 80 میلی لیتر اتانول و 10 میلی لیتر آب آماده می گردد. مخلوط به مدت 15 دقیقه در دماي اتاق هم زده میشود. سپس 5 میلی لیتر محلول آمونیاك 27 - درصد وزنی - و2 میلی لیتر تترا اتیل اورتو سیلیکات به آن اضافه میگردد. مخلوط در دماي محیط به مدت 12 ساعت توسط همزن شیشهاي هم زده میشود. در انتها محصول واکنش توسط آهنربا جدا گردیده و آب و اتانول شستوشو داده شده و در دماي 60 درجه سانتیگراد خشک میشود.
4-2-2 آماده کردن پلیمر قالب یونی کروم - 6 -
پس از آماده سازي پایه، نوبت به تهیهي جاذب میرسد. این بخش به کمک متد ارائه شده در مطالعات پیشین و اعمال اصلاحات لازم انجام گرفته است .[32] ابتدا 0,65 گرم مونومر عاملی -4وینیل پریدین و 0,155 گرم پتاسیم دي کرومات در 25 میلی لیتر آب مقطر و 25 میلی لیتر -2پروپانول با هم مخلوط گردیده و 1 ساعت در دماي اتاق هم زده میشود تا کمپلکس -4وینیل پریدین-کروم - 6 - تشکیل گردد. سپس مخلوط به مدت 5 دقیقه اولتراسونیک میگردد. سپس 0,75 گرم نانولولههاي کربنی مغناطیسی سیلیسدار شده، 50 میلی لیتر آب مقطر و 50 میلی لیتر -2پروپانول به مخلوط اضافه گردیده و مجددا به مدت 5 دقیقه اولتراسونیک میشود. مخلوط به مدت 30 در دماي اتاق هم میخورد. در ادامه 4 گرم هیدروکسی متاآکریلات - 2-HEMA - و 4 گرم پیوند دهنده عرضی اتیلن گلایکول دي متاآکریلات - EGDMA - به مخلوط اضافه گردیده و 30 دقیقه در دماي اتاق هم میخورد. سپس بالنی که مخلوط در آن قرار دارد در درون حمامی با دماي 80 درجه سانتی گراد قرار میگیرد.
