بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش سنتز و دوپه شدن صفحات گرافن اکسید درحضور نانوذرات آهن به صفحات مغناطیسی مورد بررسی و پژوهش واقع شد. همچنین استفاده از این سطوح نانو ذره اي سنتزي براي اولین بار بعنوان سطوح مناسب و پایدار در جهت حذف آلاینده هاي آلی از محیط آبی گزارش می شود. سطوح مغناطیسی مورد نظر طبق روش هاي بهینه شده اي سنتز و توسط روش هاي معمول مانندFT-IR، XPSو BET شناسایی شد. سپس از این سطوح بعنوان پایه یا پشتیبان در جهت کلرزدایی دو آلاینده ي مهم در محیط زیست به نام 2،1،1 تري کلرو اتن TCE و تترا کلرو اتن PCE که عوارض سمی خطرناکی برانسان وحیات وحش دارد استفاده شد. نتایج نشان می دهد که دوآلاینده تحت تاثیر سطوح سنتزي حذف شده و توسط دستگاه GC-Mass وGC روند واکنش براي شناسایی محصولات مورد نظر دنبال شده است .دراین پژوهش براي انجام کلرزدایی TCE و PCE مکانیسم مناسبی پیشنهاد شده است. بطوریکه طبق نتایج حاصل از GC/MASS در طول واکنش TCE و PCEعمدتا به وینیل و استون که تقریبا بی خطر براي محیط زیست هستند تبدیل می شوند.
کلمات کلیدي: گرافن اکسید،محیط زیست ،حذف آلاینده،ها،نانوذرات آهن.
.1 مقدمه
سطوح لایه ای از اتم ھای کربن در اکسید گرافن - - GO حاصل از اکسایش گرافیت در سطوح مختلف از علوم و تکنولوژي بکار می رود.[1] ساختارشبکه اي دوبعدي لانه زنبوري مانند این سطوح و مساحت سطح مکانیکی قابل توجه، ساختار هیدروفیلی بالاي آنها منجر به استفاده فراوان از آن در تحقیقات اخیر شده است اکسید گرافن ساختاري شناخته شده که داراي گروه هاي اکسیژن در قاعده یا در لبه هاي آن به صورت گروه هاي کربوکسیل، اپوکسید هیدروکسیل... و مخلوطی از هیبریداسیون SP2 وSP3 از اتم کربن است.[2] وجود گروه هاي عاملی حاوي اکسیژن داراي زوج الکترون تنها بوده ومی توانند در جذب یونهاي فلزي استفاده شده و بدلیل مساحت سطح بسیار زیاد اکسید گرافن باعث افزایش ظرفیت جذب یونهاي فلزي از محیط آبی نسبت به سطوح زئولیت شوند همچنین مساحت سطح ویژه اکسید گرافن آنرا بعنوان یک پشتیبان عالی براي بارگذاري ذرات مغناطیسی تبدیل کرده است. ایجاد خواص مغناطیسی به اکسیدگرافن می تواند ظرفیت جذب آن را بالا برده و جداسازي آلاینده ها را آسانتر سازد 4]و.[3
یکی از مهمترین آلاینده هاي محیط زیست ترکیبات آلی کلر دار هستند که اثر مخربی در زندگی و حیات وحش دارد. در حال حاضر با توجه به گسترش روز افزون صنایع پتروشیمی به ویژه بر پایه مواد نفتی نیاز به روشهاي حذف این مواد از محیط زیست بسیار مورد توجه می باشد. از آنجا که آلاینده هاي آلی کلردار در آب بطور محدود قابل حل هستند این مواد تهدید جدي براي زندگی انسان و محیط زیست محسوب می شوند. کربن تترا کلراید یا پرك - - PCE با فرمول شیمیایی C2Cl4به عنوان حلال در بسیاري از فرایندهاي خدماتی و صنعتی از جمله خشک شوییها و صنایع خودروسازي به عنوان چربیزدا استفاده میشود 6]و.[5 بعلاوه آلاینده هاي دیگري چون تري کلرواتیلن - - TCE ، تترا کلرواتیلن - PCE - ، کلروفرم ، تتراکلرید کربن ،1و1و2و 2 تتراکلرواتان و.......جزو آلاینده هاي سمی محسوب می شوند. همانطور که گفته شد این ترکیبات درآب کمی محلول هستند و در اکثر فرآیندهاي تولیدي وکاربردي استفاده می شوند.
بطور کلی قرار گرفتن در معرض این ترکیبات عوارض سمی خطرناکی در انسان وحیات وحش دارد که مهمترین اثرات بیولوژي PCE و TCE روي انسان تاثیر روي سیستم عصبی مرکزي و اثر بر کلیه ها و ریه ها می باشد. همچنین این آلاینده ها میتوانند ریسک ابتلا به سرطانهاي ریه، کلیه، مثانه، مري، پانکراس و سرطان دهانه رحم را افزایش دهند .[7] درکارهاي تحقیقاتی که در دو دهه اخیر انجام شده گرانول هاي فلزات صفر ظرفیتی مورد مطالعه بوده است. یکی از این فلزات آهن است که بطور وسیعی بررسی شده است. از آنجا که آهن صفر ظرفیتی بعنوان یک احیا کننده غیر سمی قوي ، ارزان قیمت و قابل دسترس در اصلاح آلودگی بسیاري ازآلاینده ها نظیر هیدروکربن هاي کلردار مانند تري کلرواتن - TCE - و تتراکلرواتن - PCE - وتتراکلرید کربن - [8] - CT مورد استفاده بوده است. فلزات با ظرفیت صفر می توانند در شرایط معین بعنوان دهنده ي الکترون براي احیاي گونه هاي مختلف عمل کنند [9] .براي افزایش فعالیت و واکنش پذیري آهن صفرظرفیتی و همچنین کاهش زمان واکنش در سطح نانو تحقیقات بسیاري صورت گرفته است.
در انجام واکنش هاي انتقال الکترون از نانو ذرات صفر ظرفیتی آهن براي کلرزدایی واکنش هاي مورد نظر استفاده گسترده اي شده است. با توجه به اینکه با کاهش سایزذرات در مقیاس نانو، چگالی بالاتري از سایت هاي واکنشی در سطح ذرات در دسترس بوده و در نتیجه راندمان واکنش بالا میرود.[10] همچنین واکنش نانو ذرات نسبت به میکرو ذرات سریعتر و کاملتر بوده و همچنین از نظر عملکردي قابلیت بهتري نشان می دهد. در نتیجه نانوذرات آهن به دلیل سطح موثر بالاي خود ظرفیت بسیار بالاتري نسبت به مواد جاذب مرسوم و آهن گرانول داشته و می توانند به طور موثري آلودگی ترکیبات کلردار شامل متانها، اتانها، بنزن هاي کلردار و بی فنیل هاي کلردار را رفع کنند.[11]
نانوذرات آهن صفر ظرفیتی براي تجزیه هیدروکربن هاي کلرینه مانند تري کلرومتان، تري کلرواتیلن، پرکلرواتیلن وتتراکلریدکربن استفاده شده اند12]،.[13این ترکیبات از مهم ترین آلاینده هاي آب هاي زیرزمینی و خاك بوده و بسیار پرکاربرد هستند .به همین دلیل مطالعات گسترده اي توسط محققان مختلف برروي حذف آنها به وسیله نانو ذرات آهن صفرصورت گرفته است.[14] براي دکلریناسیون هیدروکربن هاي کلرینه با آهن صفر ظرفیتی دو مکانیسم زیر پیشنهاد شده است. -کاهش مستقیم در سطح فلز:در این مکانیسم ذرات آهن بعنوان الکترون دهنده عمل کرده - معادله - 1 و هیدروکربن هاي کلرینه طبق معادله - - 2-1 ، الکترون را پذیرفته وکلر زدایی کاهشی درآن رخ می دهد.
کلرزدایی هیدروکربن هاي کلرینه در نهایت منجر به کاهش این ترکیبات به ترکیبات غیر سمی نظیر اتیلن، اتان و استیلن می گردد. براي مثال تتراکلرو اتن طبق واکنش معادله - - 4، با استفاده از آهن صفر ظرفیتی به طور کامل می تواند به اتان کاهش یابد. C2Cl4+5Fe°+6H+ → C2 H6 + 5Fe2+ + 4Cl
معادله - - 4
-2 کاهش به وسیله هیدروژن:Hydrogenolysis
در این مکانیسم آهن صفر ظرفیتی می تواند با آب واکنش داده وگاز هیدروژن آزاد کند . معادله - - 5 در مرحله بعد گازهیدروژن می تواند با الکیل هالیدها واکنش داده وسبب کلرزدایی از این ترکیبات گردد، طبق معادله - 6 - در هر دو مکانیسم بالا انتقال دو الکترون و حذف کاهشی پیشنهاد شده است.
-2 تئوري وپیشینه تحقیق
برای نانو ذرات آھن میتوان یک مدل پوسته-ھسته در نظر گرفت شکل - . - 1 هسته عمدتا از آهن صفر ظرفیتی تشکیل شده است درحالیکه آهن دو ظرفیتی و سه ظرفیتی ناشی از اکسایش آهن فلزي، ممکن است سطحی از پوسته نانو ذرات آهن صفر را پوشش دهد. اکسایش آهن در حضور اکسیژن منجر به تشکیل لایه ي بی اثر عمدتاً از جنس - - FeOOH در سطح آهن صفر می شود.[15] واکنش TCE با نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی در حضور آب محصولات جدیدي با سمیت کمتري مانند اتیلن، استیلن ،اتانول می دهد. کاهش تري کلرواتیلن به اتان طبق واکنش ذیل است معادله - : - 7
C2HCl3 + 4Fe◦+5H+ →C2H6 + 4Fe2 - + 3Cl- این واکنش به روشنی مشخص می کند که نانو ذرات آهن در معرض اکسایش محیطی می باشند.
در این راستا تهیه نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی با پایداري بالا در مقابل اکسایش محیطی امري الزامی به نظر آمد. در این پژوهش تلاش ما براي قرار دادن نانو ذرات آهن روي سطح گرافن اکسید متمرکز شد و طبق نتایج آز مایشگاهی واکنش کلرزدایی بطور موفقیت آمیزي صورت گرفت. از آنجایی که اکسید گرافن بدلیل سطح موثر بسیار زیاد و توانایی بهبود آن توسط انواع گروههاي عاملی قدرت جذب بالایی در جهت حذف آلایندههاي فلزي از خود نشان داده است. در این پروژه تحقیقاتی ما براي افزایش فعالیت و واکنشپذیري نانو
