بخشی از مقاله
چکیده: در این مطالعه اصلاح الکترود گرافیت با استفاده از ترسیب الکتروشیمیایی نانوکامپوزیت پلی پیرول/ نانولوله های کربنی به منظور افزایش راندمان حذف رنگ Basic blue 41 مورد بررسی قرار گرفت. حذف رنگ با استفاده از روش الکترو -فنتون که اساس آن احیای اکسیژن محلول به آب اکسیژنه - H2O2 - و تولید رادیکال های فعال هیدروکسید می باشد، صورت گرفت. شناسایی نانوکامپوزیت تهیه شده بوسیله اسپکتروسکوپی مادون قرمز - تبدیل فوریه - - FTIR و بررسی موفولوژی سطح الکترود اصلاح شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - صورت گرفت. بر اساس نتایج حاصل، بهواسطه استفاده از الکترود اصلاح شده با نانوکامپوزیت در فرایند الکترو-فنتون برای حذف رنگ، پس از گذشت 10 دقیقه راندمان حذف 82 %حاصل گردید در حالیکه برای گرافیت اصلاح نشده راندمان حذف فقط %45 بود.
مقدمه
کمبود منابع آب در حال حاضر مشکلی جدی برای جهان محسوب میشود. بنابراین، بازیافت فاضلاب در سراسر جهان یک چالش بزرگ برای حفاظت از آینده بشریت محسوب می شود. صنایع نساجی و مواد غذایی معمولا بطور وسیعی از رنگ های آلی استفاده میکنند که یکی از مهمترین منابع آلودگی آب محسوب میشوند. بسیاری از این رنگها سمی هستند و زندگی بسیاری از موجودات را به خطر انداخته و در مورد انسان باعث انواع بیماری های سرطانی میگردند.{1} روش های مختلف مانند تخریب میکروبی، جذب، فیلتراسیون غشایی، اکسیداسیون، کاهش و انعقادسازی الکتروشیمیایی و سایر روش های اکسیداسیون پیشرفته الکتروشیمیایی برای حذف آلاینده ها از فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرند.
الکترو-فنتون یکی از روشهای اکسیداسیون پیشرفته می باشد که در آن رادیکالهای فعال هیدورکسیل که اکسیدکنندگی بالایی دارند از طریق واکنش فنتون بین مولکولهای H2O2 و یونهای Fe2+ در محیط تولید میشوند. در این روش مولکولهای H2O2 از طریق احیای دو الکترونی اکسیژن محلول، بهصورت درجا تولید می شوند.{2} با توجه به اینکه واکنش احیای اکسیژن در کاتد انجام میگیرد تلاشهای زیادی برای بهبود خواص کاتد صورت گرفته است.
الکترودهای مختلفی همچون جیوه، گرافیت، کربن پارچه ای، کربن شیشه ای و ... بعنوان کاتد مورد استفاده قرار گرفته اند از این بین، الکترودهای از جنس کربن بهدلیل بازده بالا در احیای دو الکترونی اکسیژن در محیط قلیایی مورد توجه ویژه ای قرار گرفته اند اما عملکرد این الکترودها در محیط اسیدی - باتوجه به اینکه واکنش فنتون در محیط اسیدی صورت میگیرد - بخوبی محیط های قلیایی نیست. از این رو مطالعات زیادی برای بهبود عملکرد آنها صورت گرفته است، بعنوان مثال میتوان به اصلاح شیمیایی کربن، اصلاح کربن شیشه ای با کامپوزیت پلیپیرول/آنتراکینون و کربن پوشش داده شده با هیبرید TiO2–Au اشاره کرد .{12} در این تحقیق اصلاح الکترود گرافیت با استفاده از نانوکامپوزیت پلی پیرول/ نانولوله های کربنی صورت گرفت.
از بین پلیمرهای رسانا، پلی پیرول بهدلیل پایداری محیطی بالا، سهولت پلیمریزاسیون، پایداری خوب در محیط های آبی و رسانایی بالا در دمای محیط انتخاب گردید. به منظور افزایش خواص الکتریکی پلی پیرول، نانوکامپوزیت آن با نانولوله های کربنی که سینیتیک انتقال الکترون فوق العاده ای دارند تهیه گردید. بررسی رفتار الکتروکاتالیستی نانوکامپوزیت پلیپیرول/ نانولوله های کربنی سنتز شده به روش الکتروشیمیایی، در احیای اکسیژن به H2O2 و استفاده در واکنش الکترو-فنتون تا کنون در منابع ذکر نشده است.
بخش تجربی
رنگ مورد استفاده در این مطالعه basic blue 41 - BB-41 - می باشد که از شرکت الوان ثابت ایران تهیه گردید. نانولولههای چند دیواره عامل دار شده با گروه عاملی COOH از شرکت نوترینو خریداری شد. سایر مواد مورد استفاده در گرید تجزیه ای بوده و ساخت شرکت مرک آلمان می باشند. همه محلول ها با آب بدون یون تهیه گردیدند. الکتروپلیمریزاسیون و سایر مطالعات الکتروشیمیایی با استفاده از دستگاه پتانسیواستات / گالوانواستات SAMA500 و در یک سیستم سه الکترود معمولی انجام شد؛ الکترود کالومل اشباع - SCE - به عنوان الکترود مرجع مورد استفاده قرار گرفت. الکترود کار و کمکی ورق گرافیت - 10CM2 - و ورق پلاتین - - 6CM2 بود.
نانوکامپوزیت پلی پیرول/نانولولهکربنی با غلظت نانولوله 2/5 درصد وزنی نسبت به پیرول به روش ترسیب با اعمال پتانسیل ثابت 0/8 ولت نسبت به الکترود مرجع کالومل به مدت 300 ثانیه در محلول الکترولیت 0/05 مولار H2SO4 حاوی 0/1 مولار پیرول تهیه گردید. فرایند الکترو-فنتون در یک سل سه الکترودی و در الکترولیت 0/1 مولار Na2SO4 حاوی 15 میلیگرم رنگ BB-41 انجام گرفت. پس از تنظیم pH محلول - pH= 3 - ، مقدار 2 میلی مولار Fe2+ بعنوان کاتالیزور به محیط اضافه شد. نمونهبرداری از محلول هر 150 ثانیه صورت گرفت و طیف UV–vis آن در طول موج 508 نانومتر اندازهگیری شد.
نتایج و بحث
طیف FTIR پلیپیرول، نانولوله های کربنی و نانوکامپوزیت پلیپیرول/نانولوله های کربنی در شکل - 1 - ارائه شده است. برای پلیپیرول، پیک های مشخص در -1 3444CM و1541 CM-1، به ترتیب متعلق به ارتعاشات کششی N-H و C = C حلقه پیرول می باشد. پیک کوچک در 2896 CM-1 مربوط به ارتعاش کششی C-H حلقه پنج عضوی پیرول می باشد، وجود این پیک ها بیانگر این است که محصول سنتز شده، پلی پیرول می باشد.
در طیف FTIR نانولوله های کربنی، پیک موجود در 3434 CM-1 و CM-1 1705 را می توان به ترتیب به ارتعاشات کششی O-H و C=O گروههای کربوکسیل، نسبت داد. علاوه بر این، پیک CM-1 1043 مربوط به ارتعاش کششی C-O میباشد.{4} طیف نانوکامپوزیت، حاوی پیک های جذب مشخص هر دو ترکیب پلیپیرول و نانولوله های کربنی میباشد. بررسی طیف FTIR تشکیل نانوکامپوزیت پلی پیرول/نانولولههای کربنی به روش پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی را اثبات میکند.
شکل -1 طیف FTIR مربوط به :a پلی پیرول :b نانوکامپوزیت پلی پیرول/ نانولوله های کربنی :c نانولوله های کربنی از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - برای نشان دادن مورفولوژی سطح الکترود گرافیت اصلاح شده با پلی پیرول و نانوکامپوزیت پلی پیرول/ نانولوله های کربنی، استفاده گردید. همانطور که در شکل - 2 - مشاهده میشود افزودن نانولوله های کربنی در بستر پلیپیرول باعث افزایش سطح الکترود میگردد. افزایش سطح الکترود می تواند سطح تماس اکسیژن با الکترود و در نتیجه احیای کاتدی اکسیژن را افزایش دهد. اتصال بین پلی-پیرول و نانولوله های کربنی احتمالا به برهمکنش بین پیوند π نانولوله های کربنی و پلی پیرول در فرایند سنتز الکتروشیمیایی مربوط می شود.
به منظور بررسی فعالیت الکتروکاتالیستی کاتدها در واکنش احیای O2، تست ولتامتری روبش خطی - - LSV برای الکترود گرافیت اصلاح نشده و اصلاح شده با پلیپیرول و نانوکامپوزیت، در یک سیستم سه الکترود معمولی انجام شد، شکل . - 3 - برای گرافیت اصلاح نشده پیک احیای اکسیژن در پتانسیل تقریبی-0/3 v ظاهر شد و این پیک برای الکترودهای اصلاح شده جابجایی مثبت را نشان می دهد. LSV مربوط به اصلاح با پلیپیرول نشان می دهد که ترسیب پلی پیرول بر روی الکترود گرافیت باعث افزایش فعالیت کاتالیزوری در واکنش احیا O2 می شود. مکانیسم پیشنهادی برای افزایش جریان کاتدی با اصلاح گرافیت بوسیله پلیپیرول و نانوکامپوزیت به این صورت است که کربن های حلقه پیرول و نانولوله های کربنی بعنوان محل های فعال برای جذب شیمیایی اکسیژن عمل کرده و با تضعیف پیوند O–O، انرژی فعالسازی برای احیا اکسیژن را کاهش میدهند.{5}
شکل -3 منحنی های LSV برای الکترودهای مختلف در محلول 0/5 مولار سدیم سولفات، pH= 5/5 و سرعت روبش پتانسیل .10 mVs-1 باتوجه به نتایج حاصل از تست LSV، توانایی الکترود اصلاح شده با نانوکامپوزیت در احیای اکسیژن بیشتر از گرافیت اصلاح نشده و اصلاح شده با پلی پیرول می باشد، در نتیجه انتظار می رود توانایی این الکترود در حذف رنگ نیز بیشتر باشد. راندمان حذف رنگ به روش الکترو-فنتون با حضور گرافیت اصلاح نشده و اصلاح شده با نانوکامپوزیت در نقش کاتد در شکل - 4 - آورده شده است.
