بخشی از مقاله
خلاصه
هدف از این مطالعه ارزیابی عملکرد نانوجاذبها که با استفاده از روش نوآورانه الکتروریسی تهیه شده اند در حذف فلرات سنگین از محلولهای آبی میباشد. جاذبهای ساخته شده از نانو الیاف دارای خواص سطحی منحصر به فرد، سطح تماس بالا، خاصیت آبدوستی حیرتانگیز و منافذ قابل تنظیم می باشند. در حال حاضر از روشهای گوناگونی برای حذف فلزات سنگین از منابع آب استفاده میگردد که در میان این روشها جذب سطحی از اقبال گستردهای در بین محققان برخوردار است.
نانوذرات گرافن اکسید به خاطر داشتن سطح ویژه بالا و ظرفیت جذب زیاد به شدت مورد توجه میباشند. در این پژوهش که با هدف بررسی کارایی نانوکامپوزیت پلی آکریلونیتریل /گرافن اکسید؛ در حذف فلزات سنگین سرب و کادمیم از محلولهای آبی انجام گرفت. به منظور عملکرد بهتر، خواص نانوالیاف مورد استفاده در تهیه جاذب توسط نانوصفحات گرافن اکسید، بهبود یافته است. با توجه به ارزیابی های انجام شده، نانوجاذب تهیه شده از نانوالیاف پلی آکریلونیتریل و گرافن اکسید، عملکرد به مراتب بهتری در مقایسهای با نمونههای دیگر دارد. به علاوه عامل دار شدن جاذب توسط نانوذرات باعث افزایش میزان جذب و بالا رفتن ظرفیت جاذب نانوفایبری می شود.
.1 مقدمه
بر اساس تعاریف موجود در مراجع، فلزات سنگین به دستهای از عناصر با جرم اتمی بیشتر از 40 گرم در مول گفته میشود .[1] ولی طبق تعریفی علمیتر، فلزات سنگین به گروهی از عناصر گفته میشود که دارای جرم مخصوص بیش از 5 گرم در سانتی متر مکعب و جرم اتمی در حدود 63/5 تا 200/6 گرم در مول دارند3]،.[2 این دسته از فلزات به شکل وسیعی در منابع آب آشامیدنی و پسآبهای صنعتی یافت میشوند و به طرز خطرناکی تمایل به تجمع در بافتهای موجودات زنده دارند.
امروزه در جوامع علمی عوارض و آسیبهای بیولوژیکی در اثر حضور این فلزات در بافتهای موجودات زنده با قاطعیت به اثبات رسیده است؛ که از مهمترین آنها میتوان به انواع سرطانها اشاره کرد. شایان به ذکر است که هر چه فلز خاصیت الکترونگاتیوی بیشتری داشته باشد، میل شدیدی به ترکیب شدن با گروهای آمین، تیول و همچنین خاصیت کلیت شوندگی - Chelation - بالایی دارد.[4] آلودگی محیط زیست به وسیله فلزات سنگین، به دلیل فعالیتهای غیر اصولی برخی واحدهای صنعتی و معدنی و نیز تخلیه پسآبهای حاصل از آن واحدها به محیط زیست است. در ادامه در جدول1 حداکثر مقدار مجاز فلزات سنگین - Maximum Contaminant Level - در آب که توسط آژانس بین المللی محافظت از محیط زیست آمریکا United States Environmental Protection Agency - EPA - ارائه شدهاست به اختصار ذکر میگردد.
فلزات سنگین به طور عمده به صورت ذرات یا محلول وارد اتمسفر، محیط آبی و زیستگاههای خاکی میشوند. فرم محلول در آب این گونه از فلزات به دلیل انتقال سریعتر در بدن موجودات زنده بسیار خطرناکتر است. انباشت فلزات سنگین در خاکهای مرغوب کشاورزی تقریبا آنها را بدون استفاده میکند و اگر توسط گیاهان جذب شود و به دنبال آن انباشت در زنجیره غذایی، اثرات مخربی بر تمام سطوح زنجیرههای غذایی و در نهایت انسان میگذارد.
اغلب فلزات سنگین موجود در طبیعت در واکنشهای زیستی سلولهای موجودات زنده تداخل کرده و حتی مانع برخی واکنشهای زیست شیمیایی سلولها میشوند. لازم به توضیح است که وجود این فلزات در پسآبهای شهری در سیستم تصفیه آب باعث بروز اشکال میشود.[6] تهدیدات بالقوه حضور فلزات سنگین در محیط زیست شرح داده شد. تلاشها در جهت دفع این تهدیدات منجر به گستردگی و تنوع بسیار زیاد روشهای جداسازی این دسته از فلزات از محلولهای آبی شده است که در میان این روشها جذب سطحی از اقبال گستردهای در بین محققان برخوردار است.
این ادعا از حجم گسترده تحقیقات انجام شده در زمینه حذف این نوع آلایندهها به خوبی مشهود است. در محافل علمی همواره جذب سطحی به عنوان روشی موثر و اقتصادی در حذف فلرات سنگین به خصوص در غلظتهای پایین شناخته شده است. جذب سطحی نوعی فرآیند جداسازی است که طی آن ذرات مورد نظر از فاز سیال در تماس با یک جامد، در سطح آن جذب میشوند. این فرآیند میتواند اهداف مختلفی را دنبال کند و از رنگزدایی مایعات گرفته تا بوگیری از گازها را در بر میگیرد.
الیاف موادی هستند که دارای نسبت طول به قطر بالایی بوده و دارای کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف هستند. با پیشرفت فناوری و ظهور فناوری نانو، تولید الیاف در مقیاس نانومتری - نانوالیاف - مورد توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران در حوزه های مختلف قرار گرفته است. این الیاف سطح تماس بسیار زیادی فراهم می کنند که موجب بهبود خواص آنها نسبت به الیاف معمول می شود. یکی از بهترین روش ها برای تولید نانوالیاف الکتروریسی می باشد، الکتروریسی روشی با نیروی محرکه الکترواستاتیکی برای تولید نانوالیاف است. نانوالیاف از محلول مایع یا مذاب پلیمری که از لوله مویین به منطقه با میدان الکتریکی بالا تغذیه می شود، تشکیل میشوند.
زمانی که نیروهای الکترواستاتیکی بر تنش سطحی مایع غلبه می کنند، مخروط تیلور - Taylor cone - تشکیل میشود و یک جت - Jet - باریک به سرعت به سمت جمع کننده - Collector - متصل به زمین و یا با بار مخالف شتاب می گیرد.[7] این ایده را اولین بار زلنی - Zeleny - مطرح ، سپس در سال 1634 فرماهالز آن را ثبت و در سال رنکر - Reneker - آن را بازسازی کرد. در روش الکتروریسی هم از مذاب و هم از محلول پلیمری میتوان استفاده کرد.
الکتروریسی را ریسندگی الکترواستاتیکی و یا برقریسی نیز نامیده اند. این روش برای تولید نانوذرات از طریق فرآیند الکترواسپری نیز کاربرد دارد. یکی از مهمترین کاربردهای نانوالیاف تهیه شده با روش الکتروریسی، استفاده گسترده در تهیه انواع مختلف جاذبها می باشد. مزیت لایههای نانوالیاف این است که جذب سطحی و فیلتراسیون را همزمان با هم میتوان انجام داد. لایههای الکتروریسی شده راه حل جذابی جهت جذب یونهای فلزات سنگین از آب پیش رو میگذارد.
کارایی جذب یونهای فلزات سنگین به وسیله نانوالیاف پلیمری حاصل از الکتروریسی پلی آکریلونیتریل ترکیب شده با گرافن و مشتقات آن، 100 تا 150 میلی گرم در گرم تعیین شد. در حالی که این مقدار برای کاغذ صافی 0 تا 23 میلی گرم در گرم تعیین شده است؛ علت این اختلاف به سطح تماس بالای نانوالیاف مربوط میشود. علاوه برای در تحقیقات صورت گرفته مشخص شده است که اشباع کردن نانوالیاف الکتروریسی شده با نانوذرات گرافن کارایی حذف سرب - - II و کادمیم - - II را به میزان زیادی در آب افزایش میدهد.[8]
نانوذرات گرافن اکساید، نسبت به سایر نانوذرات ، به دلیل دارا بودن جذب سطحی و پتانسیل بالا ، در فرآیند حذف فلزات سنگین راندمان بالاتری دارند. گرافن مادهای کریستالی است که به تازگی در سالهای اخیر دانشمندان آن راشناسایی کردهاند. ساختار سه بعدی گرافن سبب افزایش قرارگیری و جذب گروههای عاملی میشود. گرافن توانایی بالایی در جذب آلاینده های آب و خاک دارند. از میان این آلاینده ها سرب و کادمیم که به طور عمده در پسآب کارخانهها وجود دارند و همچنین اثرات سوء این فلزات در جوامع انسانی و محیط زیست، از جمله مهمترین آلایندههای محیط زیست محسوب میشوند. در محیطهای آبی عواملی از قبیل pH و زمان تماس، ارتباط مستقیمی با عملکرد گرافن دارد. در مطالعه حاضر، کارآیی نانوذرات گرافن اکسید در جذب فلزات سنگین سرب و کادمیم از آب مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه اثرات pH، میزان غلظت نانوذرات در ماتریس پلیمری و همچنین زمان در میزان جذب بررسی شد.
.2 معرفی
در این پژوهش به منظور تولید نانو الیاف جهت ساخت نانوجاذب از دستگاه الکتروریسی استفاده شده است. در یک فرآیند الکتروریسی معمولی، از یک ولتاژ بالا برای ایجاد جت از محلول و یا مذاب پلیمری استفاده شده که این جتها در حین پرتاب خشک و یا جامد میشوند. همانطور که درشکل 1 نشان داده شده است سه جز اصلی برای فرآیند الکتروریسی شامل: منبع تغذیه ولتاژ بالا، یک ریسنده - معمولا به شکل سوزن - و یک جمع کننده میباشند.
در بیشتر موارد برای تامین محلول پلیمری مورد نیاز ریسنده، از یک سرنگ حاوی محلول پلیمری استفاده شده و نرخ تزریق محلول به ریسنده از طریق سیستم پمپ- سرنگ کنترل میشود . با اعمال ولتاژ، قطرههای محلول پلیمری به صورت استاتیک باردار شده و این بارها به صورت یکنواخت در سراسر قطره پخش میشوند. در این کار، پلی آکریلونیتریل 13 درصد وزنی به عنوان ماده اصلی سازنده نانوجاذب انتخاب شده است. جهت تهیه محلول پلیمری 13 درصد وزنی پلی آکریلونیتریل، 1/4 گرم پلی اکریل نیتریل در 11 میلی لیتر دی متیل فرم آمید حل شده و اجازه داده شد به مدت 24 ساعت به منظور دستیابی به محلول همگن روی همزن قرار گیرد. برای دستیابی به جاذبهای پلیمری با عملکرد بالاتر، نانوذرات گرافن اکسید با درصد وزنیهای 0، 0/5، 1، 2 ، 3، 4، 5 نسبت به پلیمر در ساخت نانوجاذب مورد استفاده قرار گرفته است. همه نانوجاذبها به منظور بررسی تاثیر pH محیط بر میزان جذب فلزات سرب وکادمیم در محدوده pH، 2 تا 7 مورد ارزیابی قرار گرفته اند.
