بخشی از مقاله
چکیده
در دهه اخیر، به علت گسترش آلودگیهاي زیست محیطی به ویژه آلودگی آبها، تلاشهاي بسیاري در جهت یافتن ماده مناسب به منظور حذف آلایندهها انجام گرفته است. از اینرو، با توجه به قابلیت فوتوکاتالیستی مناسب دي اکسید تیتانیوم - TiO2 - ، انواع مختلفی از این نانوساختارها تولید میشود. از آن میان، نانوالیاف به علت نسبت سطح به حجم بالا بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله با استفاده از روش الکتروریسی، نانوالیافی از دي اکسید تیتانیوم و آهن ساخته شد که به کمک پراش اشعه ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و طیف سنجی نوري فرابنفش- مرئی - UV-Vis - مشخصهیابی شده است. این بررسیها تشکیل نانوالیاف و همچنین توانایی آن در حذف آلاینده متیل اورانژ - - MO در حضور نور مرئی را نشان میدهد.
مقدمه
نانوالیاف تولید شده به روش الکتروریسی در این پژوهش، دي اکسید تیتانیوم میباشد که به علت قیمت پایین، عدم سمیت، پایداري بالا و قابلیت فوتوکاتالیستی مناسب، در بسیاري از حوزه-هاي نامبرده به ویژه در حوزه زیست محیطی مورد توجه قرارگرفته است. در واقع، به علت آلودگیهاي فراوان محیط زیست به ویژه آلودگی آبها که منجر به شیوع بیماريهاي خطرناك در انسانها، حیوانات و حتی مرگ میشود، تولید ساختارهایی در جهت حذف آلایندهها از محیط زیست بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
پژوهشهاي انجام شده در این زمینه، حاکی از آن است که نانو الیاف دي اکسید تیتانیوم تولید شده، تنها در ناحیه نور ماوراي بنفش داراي خاصیت فوتوکاتالیستی بالا براي حذف آلایندهها از محیط میباشد. با توجه به اینکه نور فرابنفش تنها بخش کوچکی از طیف نور خورشید را به خود اختصاص داده، لذا به منظور استفاده هر چه بیشتر از طیف نور خورشید، به دنبال پیدا کردن مواد مناسب جهت ترکیب با دي اکسید تیتانیوم هستیم تا بتوانیم به تولید نانوالیاف فعال در ناحیه نور مرئی دست یابیم.[2] در راستاي تحقق این هدف، ما در این پژوهش از ترکیب آهن با دي اکسید تیتانیوم، نانوالیافی به روش الکتروریسی ساختیم که توانایی حذف آلاینده در حضورداراستنورمرئی را .
روش پژوهش
اساس این پژوهش بر پایه تولید نانوالیاف به کمک الکتروریسی میباشد. به طور معمول یک دستگاه الکتروریسی شامل پمپ تزریق محلول پلیمري، دستگاهوتولید ولتاژ بالا، نازل صفحه جمع کننده میباشد. در این دستگاه، با اعمال ولتاژ بالا به محلول پلیمري از طریق اتصال سوزن سرنگ به قطب مثبت، بارهاي الکتریکی به درون سیال نفوذ میکنند، وقتی که بارهاي درون سیال به یک مقدار بحرانی برسند، یک جت سیال از ریز قطره در نوك نازل تشکیل میشود که در نهایت به شکل یک مخروط درآمده و فوران میکند.
اینکمترجت به سمت پتانسیل یعنی صفحه جمع کننده که به قطب منفی متصلحرکت است، میکند، به طوري که در نهایت نانوالیاف تشکیلاین شده روي صفحه قرار میگیرد. این نانوالیاف پس از جداسازي از جمع کننده، در دماي بالا در کوره حرارت داده میشود. براي ساخت محلول پلیمري، مقدار کمی آهن سه کلراید - FeCl3 - - براي نمونه، - 2.5 mg را در 10 ml اتانول حل نموده، سپس 0. 45 g پلی وینیل پیرولیدن - PVP - را که جداگانه دراسید3 ml استیک و 1.5 ml تیتانیوم ایزوپروپوکساید - TIP - حل شده، به آن اضافه کرده و محلول نهایی را به مدت یک ساعت در دماي اتاق، تحت چرخش قرار میدهیم. در نهایت، این محلول را به درون سرنگ دستگاه تزریق انتقال داده و الکتروریسی را شروع میکنیم.
با در نظر گرفتن این موضوع که پارامترهایی نظیر، مقدار ولتاژ اعمالی به محلول پلیمري، فاصله سوزن سرنگ تا صفحه جمع کننده و آهنگ خروج محلول از سرنگ بر شکلگیري نانوالیاف تشکیل شده به این روش تاثیرگذار است، درتمام مدت فرایند الکتروریسی، محلول پلیمري تحت ولتاژ 9 kV که در فاصله 5 cm اعمال شده، با آهنگ 0.5 ml/h از سرنگ خارج میشود. در انتها، نانوالیاف تشکیل شده بر روي فویل صفحه جمعکننده، جمعآوري شده و به مدت دو ساعت در کوره با دمايمنظور500 °C به حذف PVP تحت حرارت قرار میگیرد. در این تحقیق براي مقایسه، علاوه بر نانوالیاف دي اکسید تیتانیوم-آهن، نانوالیاف دي اکسید تیتانیوم خالص نیز به روش مشابه تهیه شده است.
نتایج
در بررسی ساختار و خواص نانوالیاف ساخته شده به روش الکتروریسی، ابتدا به مطالعه ساختار کریستالی نمونه به کمک طیف XRD میپردازیم. مطابق شکل، طیف XRD نانوالیاف دي اکسید تیتانیوم خالص حاوي هر دو فاز کریستالی دي اکسید تیتانیوم یعنی آناتاز و روتایل میباشد، درحالیکه نانوالیاف حاوي دي اکسید تیتانیوم و آهن تنها فاز آناتاز را داراست و نشانی از وجود آهن در آن نیست. در واقع همان طور که در شکل مشخص است، در نمونه داراي آهن نسبت به نمونه خالص، شاهد تغییر فاز از روتایل به آناتاز هستیم.
بنابراین تاثیر افزودن آهن به عنوان ناخالصی به دي اکسید تیتانیوم، به صورت این تغییر فاز نمود پیدا کرده است که در تطابق با نظر پارك و همکارانش میباشد که در پژوهش خود چنین تغییري را مشاهده نمودند.[3] آنها با در نظرگرفتن این موضوع که نقایص سطح محل تجمع فازهاي روتایل میباشد و میتوان ناخالصیها را در زمره نقایص سطح محسوب اینکرد، تغییر فاز را توجیه کردند. زیرا مطابق این نظر با افزودن ناخالصی مکانهایی که پیش از این در اختیار فازوسیلهروتایل بود، به ناخالصی اشغال شده است.
در انتها، براي مطالعه توانایی نانوالیاف ساخته شده در کاربردهاي زیست محیطی، فعالیت فوتوکاتالیستی این مواد در حضور نور مرئی براي حذف آلایندهها از آب مورد بررسی قرار گرفته است. براي این منظور نمونههاي ساخته شده که شامل نانوالیاف دي اکسید تیتانیوم خالص و نانوالیاف دي اکسید تیتانیوم-د،آهن بو در مقدار مناسبی از آب مقطر حل شده و سپس با محلول متیل اورانژ داراي غلظت 10-4 مولار که به عنوان آلاینده استاندارد در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته، مخلوط میگردد.
این محلول، ابتدا به مدت نیم ساعت در تاریکی تحت چرخش قرار گرفته و سپس آن را به مدت دو ساعت در معرض نور مرئی قرار میدهیم. در جهت مشابه سازي هرچه بیشتر با موقعیت در معرضور ن خورشید قرار گرفتن، از لامپ LED با توان 10 وات به عنوان منبع نور مرئی استفاده میکنیم. در طول مدت تابش نور مرئی، پس از هر بازه زمانی 30 دقیقهاي، مقدار 2 ml از محلول را برداشته و از آن طیف جذبی UV-Vis میگیریم. دربررسیاینپژوهش، با تغییرات در مقادیر قله جذب متیل اورانژ براي نمونههاي مختلف در طی مدت تابش به بررسی تاثیر افزودن ناخالصی در بالا بردن توان نانوالیاف در حذف آلاینده از محیط میپردازیم.
