بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق روشی آسان و سریع برای حذف مس از محیطهای آبی توسعه داده شد. برای این منظور نانولوله های کربنی چند دیواره سنتز شده با روش ترسیب بخارشیمیایی و به کمک کاتالیست آهن - خاک دیاتومه مورد استفاده قرار گرفت. به منظور ایجاد گروههای عاملی اسیدی و هیدروکسی در ساختار نانولوله ها و همچنین حذف کربن آمورف از ساختار نانولوله ها از اسید نیتریک غلیظ به عنوان اکسنده استفاده شد. شناسایی ساختار نانوکامپوزیت با تکنیک طیف سنجی مادون قرمز - FTIR - و آنالیز حرارتی وزن سنجی - TGA - انجام گرفت. زمان تعادل برای حذف مس در مدت 10 دقیقه بدست آمد و در شرایط بهینه pH= 8 - ، زمان 10دقیقه و مقدار جاذب برابر با 20میلی گرم - ماکسیمم ظرفیت جذب معادل 91 میلی گرم به ازای یک گرم جاذب بدست آمد. بازیابی جاذب به کمک محلول 3 مولار هیدروکلریک اسید انجام گرفت و جاذب قابلیت 5 بار استفاده مجدد برای حذف مس را با کارایی بیش از %90 از خود نشان داد.
واژه های کلیدی: نانولوله های کربنی، فلزات سنگین، مس، خاک دیاتومه،جاذب مغناطیسی
مقدمه
قرار گرفتن طولانی مدت در معرض فلزات سنگین، به ویژه مس، باعث مشکلات تنفسی، آسیب کبد و کلیه و حتی مرگ می شود. از این رو حذف آن از محیطهای آبی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.[1] فرآیند جذب سطحی به دلیل سادگی، مصرف کم حلال آلی، انعطاف پذیری در انتخاب جاذب، و قابلیت استفاده مجدد از جاذب، از کارآیی بیشتری نسبت به سایر تکنیک ها برخوردار است. از بین جاذبهای گوناگون مورد استفاده در حذف فلزات سنگین استفاده از نانولوله های کربنی و کامپوزیتهای مغناطیسی آن به دلیل خواص ویژه شیمیایی و فیزیکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.[2] تهیه نانولوله های کربنی مغناطیسی به روشهای متعددی می تواند انجام گیرد اما استفاده از روش در محل برای سنتز این ترکیب باعث صرفه جویی در زمان و مصرف انرژی خواهد شد.
بعبارت دیگر روش متداول سنتز نانولوله های کربنی شامل روش ترسیب بخار شیمیایی - CVD - 1 است که عبارت از تجزیه هیدروکربنها بر روی یک بستر کاتالیسیتی در حضور کاتالیستهای آهن، کبالت و نیکل می باشد.[3] بر اساس موارد بیان شده در این تحقیق نانولوله های کربنی چند دیواره به کمک کاتالیست آهن دوپه شده در ساختار خاک دیاتومه و به روش CVD سنتز گردید. انتخاب خاک دیاتومه به دلیل دارا بودن مساحت سطح بالا، ساختار حفره مانند و ارزان بودن صورت پذیرفت.[4] بعبارت دیگر خاک دیاتومه به عنوان یک سوبسترا مانع تجمع کاتالیست و باعث توزیع یکنواخت کاتالیست آهن شده و در نهایت کارایی روش سنتز را افزایش خواهد داد. نانوکامپوزیت مغناطیسی سنتز شده برای حذف مس مورد استفاده قرار گرفت. عوامل موثر بر راندمان حذف شامل pH ، زمان و نوع شوینده برای بازیابی سامانه بهینه سازی شدند و ایزوترمهای جذبی لنگمویر و فروندلیچ نیز مورد بررسی قرار گرفتند.
بخش تجربی مواد و دستگاههای مورد نیاز
نیترات آهن 9 آبه برای تهیه کاتالیست استفاده گردید. محلول استاندارد مس با غلظت 1000 میلی گرم بر لیتر از انحلال مقدار مناسب از نمک نیترات مس 5 آبه - شرکت مرک - ، در مقدار کمی از اسد نیتریک غلیظ و سپس با به حجم رساندن در بالون ژوژه 25 میلی لیتری تهیه گردید. طیف بینی زیر قرمز با استفاده از روش بازتابش کلی و با دستگاه Equinox 55 ساخت بروکر در محدوده cm-1 4000 - 400 ثبت گردید. ثبت آنالیز حرارتی با دستگاه TA-Q-50 انجام گرفت. برای اندازه گیری مس از اسپکتروفوتومتر جذب اتمی واریان - 400 مجهز به لامپ دوتریوم برای تصحیح زمینه و لامپ کاتدی تو خالی استفاده گردید. از یک دستگاه pH متر دیجیتال ساخت شرکت مترواهم - سوئیس مدل 692 جهت اندازه گیری pH استفاده گردید.
سنتز نانوکامپوزیت مغناطیسی
به منظور آماده سازی خاک دیاتومه دوپه شده با آهن، 2,16 گرم از نیترات آهن درون 100 میلی لیتر اتانول حل شد و سپس 1,0 گرم خاک دیاتومه به آن اضافه گردید. بعد از هم زدن به مدت 2 ساعت در دمای اتاق، ترکیب حاصل در دمای 200 درجه به مدت 2 ساعت خشک گردید و سپس در دمای 600 درجه به مدت 6 ساعت کلسینه شد. به منظور سنتز نانولوله های کربنی، 0,4 گرم از کاتالیست درون یک قایق سرامیکی قرار داده شد و به کوره گرافیتی افقی منتقل گردید. گاز آرگون به مدت 10 دقیقه از آن عبور داده شد سپس جریان گاز متان برقرار شده و به مدت 30دقیقه در دمای 950 درجه سانتیگراد واکنش انجام شد. بعد از سرد شدن محصولات تا دمای اتاق، یک گرم از آن به 50 میلی لیتر نیتریک اسید %65 اضافه شد و بمدت 12 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد هم زده شد و در پایان با کاغذ صافی جمع آوری و شسته شد و در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک گردید.
بحث و نتیجه گیری
مغناطیس اشباع - Ms - 2 برای کامپوزیت برابر emu/g 15.3 می باشد. خاصیت مغناطیسی ناشی از احیای آهن توسط هیدروژن در فرآیند CVD می باشد.[5] نتایج نشان می دهد نانوکامپوزیت از خاصیت مغناطیسی مناسبی برخوردار است و می تواند به عنوان جاذب مغناطیسی بکار گرفته شود. طیف آنالیز حرارتی در شکل - 1 الف نشان داده شده است. طیف یک مرحله کاهش وزن در دمای 600 درجه سانتیگراد نشان می دهد که مربوط به نانولوله ها می باشد طیف زیر قرمز نانوکامپوزیت قبل و بعد از فعالسازی با اسید در شکل - 1 ب نشان داده شده است. در طیف نانوکامپوزیت قبل از فعالسازی با اسید پیک های مشاهدهشده در ناحیه 569، 800 - 400، 1060 و مربوط بهارتعاش Fe - O ، Si - O وAl - O می باشد.[6] بعد از اکسیداسیون با اسید پیکهای جدیدی در ناحیه 3500 - 2500، 2919 و 1685 ظاهر شده است که مربوط به گروه C- OH ، CH و C=O می باشند.[7]
اثر pH
به منظور انتخاب pH بهینه، 50 میلی لیتر از محلولهای مس با غلظت پنج میلی گرم بر لیتر و حاوی 20 میلی گرم از جاذب در pH های مختلف - 9 - 1 - مورد آزمایش قرار گرفت. بعد از هم زدن به مدت پنج دقیقه جاذب به کمک آهنربا جدا گردید و غلظت مس در محلول جدا شده اندازه گیری شد و درصد حذف از معادله زیر محاسبه گردید.در این معادله C0 بیانگر غلظت اولیه و Ce - میلی گرم برلیتر - بیانگر غلظت یونهای باقیمانده در محلول است.نتایج مربوط به اثر pH بر جذب مس بر روی جاذب در شکل -1 ج نشان داده شده است. براساس نتایج با افزایش pH مقدار جذب افزایش می یابد و در pH =8 بیشترین راندمان بدست می آید.
بعبارت دیگر با کاهش pH محلول گروههای هیدروکسیل و کربوکسیلیک اسید در سطح جاذب پروتونه شده و قابلیت کمتری برای جذب مس دارند. در pH کمتر از هفت جذب مس بیشتر همراه با یونهای دو ظرفیتی است و در pH بالاتر از هفت جدب گونه های هیدروکسی چند هسته ایصورت میگیرد. عامل دیگر در کاهش جذب مس در محیط اسیدی انحراف یان - تلر برای کمپلکس هشت وجهی مس با مولکولهای آب می باشد. در pH های پایین، کمپلکس - Cu - H2O - 6 - 2+ به دلیل کشیدگی پیوند در راستای محور Z ، و نزدیکی جفت الکترون پیوندی به اتم مرکزی، اتم مس در این راستا غنی از الکترون خواهد بود وتنها از دو محور x وy برهمکنش موثری با سطح جاذب خواهد داشت بنابراین کمتر روی سطح باز داری می شود 9]،.[8
اثر زمان بر جذب مس
زمان هم زدن فاکتور مهمی در روش ناپیوسته است. زمان باید به حد کافی طولانی باشد تا استخراج کامل صورت گیرد، از طرف دیگر زمان استخراج باید در حد معقول باشد تا روش مورد نظر کاربرد عملی داشته باشد. برای بررسی اثر زمان بر کارایی استخراج مس، زمان برهم کنش بین 2 تا 15 دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بیش از %95 جذب بعد از 5 دقیقه صورت می گیرد و بعد از آن راندمان به آرامی افزایش می یابد بنابراین زمان10 دقیقه انتخاب گردید.
انتخاب محلول شوینده
همان طور که از منحنی اثر pH بر استخراج می توان دید، جذب مس روی جاذب در pH های کمتر از 3 ناچیز است بنابر این انتظار می رود که واجذبی مس جذب شده، توسط محلول اسیدی امکانپذیر باشد. بنابراین محلولهای مختلفی از هیدروکلریک اسید با غلظتهای مختلف مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج حاصل نشان می دهد که با استفاده از 5 میلی لیتر از محلول 3 مولار هیدروکلریک اسید واجذبی بهتری صورت می گیرد. بعلاوه استفاده مجدد از جاذب نیز بررسی شد و نتایج بیانگر آن است که جاذب قابلیت 5 بار استفاده مجدد برای حذف مس با کارایی بیش از %90 را دارا می باشد.
ایزوترم جذبی
همدماهای جذبی برای طراحی سیستم جذبی و توصیف برهمکنش جاذب و محلول مهم می باشند. معادله لنگمویر به صورت زیر بیان می شود.در این معادله Ce بیانگر غلظت تعادلی جذب شونده در فاز مایع و Qe - میلی گرم بر گرم - غلظت جذب شونده در فاز جامد می باشد، b و Qm ضرایب لنگمویر هستند که به ترتیب بیانگر
