بخشی از مقاله
چکیده:
در این کار در ابتدا، نیمه رسانای نانوساختار تیتانیم دی اکسید به روش سل-ژل و با استفاده از پیش مادههای ارزان قیمت تهیه گردید. سپس برای افزایش کارایی فوتوکاتالیست، نانوساختارهای توخالی تیتانیم دی اکسید با کمک قالب کربن سنتز شدند. نانوذره کربن با استفاده از یک روش ساده تخریب حرارتی تهیه شد و سپس پوسته تیتانیم دی اکسید بر روی کره های کربنی نشانده شد و با کلسینه کردن نانوکامپوزیت، نانوساختارهای توخالی TiO2 سنتز شد. اندازه و مورفولوژی نانوساختار توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی، فاز کریستالی توسط آنالیز پراش پرتوی ایکس و خلوص نانوذرات به کمک جذب مادون قرمز بررسی گردیدند. خواص فوتوکاتالیستی نانوکامپوزیت توسط تخریب اسیدهای رنگی تحت تابش ماورابنفش-مرئی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج این کار یک نانوساختار جدید و موثر در تخریب رنگهای سمی در زمانهای 60 دقیقه را معرفی می کند.
مقدمه:
تخریب فتو کاتالیستی آلاینده های آلی بوسیله مواد نیمه رسانا مانند TiO2 ، SnO2 ،ZrO2 ، ZnO و غیره برای حفاظت از محیط زیست به طور مداوم استفاده شده است 1]و2و.[3 TiO2 به خاطر غیر سمی بودن، پایداری، فعالیت بالا وغیره برای حذف آلایندهها ترجیح داده می شود. عمده ترین الاینده های محیط زیست، فاضلابهای رنگی حاوی مواد شیمیایی صنایع نساجی میباشند که به طرق مختلف اکوسیستم آبی را تحت تاثیر قرار می دهند بنابراین برای دستیابی به آب آشامیدنی باید این آلایندهها را از منابع شان حذف نماییم این رنگها باعث سرطان زایی و زمینه ساز جهش در نسل های بعدی می گردند 4] و.[5 در ضمن بقیه صنایع شامل صنایع تولید موادآرایشی، داروسازی، کاغذ سازی، چرم سازی و همچنین کارخانه های تولید رنگ نیز فاضلاب رنگی تولید می کنند.
رنگزاها اولین آلاینده هایی هستند که درآب مشخص میشوند رنگها به دلیل سمی بود نشان به عنوان یک گروه از آلاینده های چالش برانگیزد بوده، و چون مرئی هستند هم به زیبایی محیط آسیب می-رسانند و هم برای آبزیان، سمی مهلک ومضر می باشند به عنوان مثال به طور تقریب نیمی از محصولات رنگهای نساحی ترکیبات آزوی می باشند که ساختار مولکولی آنها دارای گروه کرو موفور -N=N- می باشد حضور همین حلقه های آروماتیک درساختار رنگهای آزو باعث سمیت این رنگها شده و آنها را از لحاظ زیستی غیر قابل تجزیه میکند.
تقریبا %15 از کل رنگ تولید شده هنگام رنگرزی در خود صنایع نساجی به صورت فاضلاب منتشر می شود. حضور این رنگها باعث کاهش نفوذ نور درآب می شود واز این راه زندگی آبزیان با تهدیدی جدی مواجه می شود. 6] و7 و[8 عدم تخریب و جذب در گیاهان می تواند زمینه ساز جهشهای ژنتیکی در نسل های بعدی بشود. حذف رنگ از فاضلاب های صنعتی به طرق مختلف فیزیکی وشیمیایی صورت گرفته است. این روشها شامل: استفاده از انعقاد شیمیایی - - Chemical Coagulation عوامل اکسید کننده، اسمز معکوس - - Osmosis، فرایندهای الکتروشیمیایی فرایندهای فوتوکاتالیستی، روشهای بیولوژیکی و تکنیکهای جذب سطحی - - Adsorption، تبادل یونی میباشد.
در ضمن جذب مواد مختلف شامل کربن فعال، زغال، تعیین مقدارCOD ، تراشههای چوب و سیلیکا ژل، برای حذف رنگ و فاضلابها به کار می رود و از موفقیت نسبی بر خوردار میباشند از طرفی روشهای ذکر شده، آلودگی را از فازآبی به شبکه جامد منتقل میکنند و معمولا فرایندها تخریبی نمیباشند. لذا یک تکنیک، فراگیر نیستند فرایندهای بیولوژیکی به خاطر سهولت در بهرهبرداری و زیست سازگاری، پرکاربردترین روش در تصفیه فاضلابهای قابل تجزیه بیولوژیکی میباشند. ولی این فرایندها به خاطر مقاوم بودن نسبت به تجزیه، زیاد کاربرد ندارند. حذف این آلایندهها با استفاده از مواد فوتوکاتالیست نشان میدهد که تخریب فتو کاتالیستی یک روش اصطلاحا سبز و بدون هیچ آلایندگی ثانویه میباشد.
امروزه موادی که به عنوان فوتوکاتالیست به کار میروند عبارتند از: - TiO2 - ، ZnO - - Fe2O3 - - ، - WO2 - و کربن فعال میباشد. TiO2 از نظر بیولوژیکی و شیمیایی غیر فعال است و در برابر خوردگی شیمیایی و فوتوشیمیایی پایدار می باشد در آب کم محلول- نامحلول می باشد. TiO2 یک مادهی سفید رنگ و سازگار با محیط زیست، غیرسمی و دارای خاصیت فوتوکاتالیستی میباشد. این ماده معمولا فوتونهایی با طول موج تقریبا کمتر از 380 نانومتر را جذب والکترون و حفره تولید می کند که میتواند رادیکال های آزاد را از طریق واکنش H2O وO2 جذب شده بر روی سطح تیتانیم تولید نماید.
باعث تقویت خواص فوتوکاتالیستی میشود به دلیل کاهش اندازهی ذرات، افزایش سطح ویژه، جفت نمودن TiO2 با سایر نیمه هادی-ها، اصلاح TiO2 با فلزات و غیر فلزات، حساس نمودن . رادیکال-های آزاد توانایی اکسایش بالایی با مولکولهای رنگ را دارند لذا باعث تخریب و حذف آن از فاضلابها میشوند. TiO2 به دلیل کاربرد ایمن و بی خطر نسبت به سایر فوتوکاتالیستها، کاربرد زیست محیطی بسیار گسترده ای دارد .
مطالعات نشان داده که استفاده خالص ازذرات به دلیل جذب و مساحت سطحی کم منجر به محدودیت بزرگی در بهره برداری از فوتو کاتالیستها برای حذف مواد آلی می شود. لذایک استراتژی برای افزایش نرخ بهره برداری نوری از TiO2، استفاده ازمواد نانومتخلخل می باشد 9] و.[10 جاذب ها به عنوان بسترموجب می شود غلظت بالایی از موادآلی دراطراف - TiO2 - قرار بگیرند و حذف به راحتی انجام پذیرد و برای افزایش بهرهK2 توسط جاذبهایی مثل رس و کربن فعال صورت گرفته است.
فوتوکاتالیست پوشش داده شده با TiO2، باعث افزایش کیفیت وکاهش باندگپ میشود - حدود 2/74 برآورد شده است - و فعالیت فتوکاتالیستی را افزایش میدهد. این نانوساختارها به خاطر داشتن فضاهای خالی خصوصیات منحصر به فردی دارند از جمله: چگالی پایین، سطح فعال زیاد، ضریب انبساط حرارتی کم، ضریب شکست کم، نسبت بالای سطح به حجم، هزینه کم و روش ساخت متنوع که ناشی از ساختار ویژه ی این مواد است.
روش تجربی:
نانوکامپوزیت های کربنی با روش سل-ژل، با استفاده از کربن سوخته در 300 درجه سانتیگراد در مدت 2h در داخل کورهی الکتریکی تهیه شده و با نشاندن TiO2 - ترکیب اسید نیتریک و متانول و TTIP و حرارت در 500 درجه سانتیگراد در کوره ی الکتریکی به مدت - 2h برروی آن، محلول کلوییدی - سل - تهیه شده و تبدیل آن به ژل در دمای اتاق - با چرخش محلول داخل بشر روی دستگاه همزن - و حرارت دهی در کوره الکتریکی با دمای 500 درجه سانتیگراد به مدت 2h نانو کرههای توخالی تحت عنوان نانوکامپوزیت ایجاد میشود.
آزمایشات جذب:
مقدار راندمان از رابطه زیر بدست می آید که دراین رابطه غلظت ثانویه t - و مقدار غلظت اولیه &0 - - محلول رنگ می باشد.
13نتایج:
شناسایی ترکیبات فازی نانو کامپوزیت سنتز شده از پراش پرتوایکس در زوایای 10 تا :90استفاده شده است. فازها و اندازههای بلورین مربوط به نانوذرات کربن و TiO2 توسط پراش پرتو ایکس بررسی گردید و تصاویر به ترتیب درشکل 1و2 آورده شده است. پیکهای قوی در زوایای با مقادیر25 ،38 ،48 ،55 ،63 مربوط به فاز بلورین آناتاز هستند و پیکهای پراش دیگر در زوایای با مقادیر 28، 36، 42، 44، 55، 57 را میتوان به فاز روتایل نسبت داد. از رابطه شرر می توان اندازه بلورک نانو ساختارها را محاسبه نمود. در این نانوساختار TiO2 سایز ذرات کاهش یافته و برای بهبود فعالیت فتوکاتالیستی کاملا مطلوب میباشد.
-1الگوی پراش پرتوایکس نانوساختارکربنی
-2الگوی پراش پرتو ایکس نانوساختار تیتانیم دی اکسید
آنالیز طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه
تکنیک جذب مادون قرمز شکل - - 3 برای شناسایی نوع پیوندهای موجود در TiO2 به کار میرود. تکنیک FT-IR با متمرکز کردن پرتو مادون قرمز روی دیسک نازکی از KBr که شامل مقدار اندکی از نمونه است انجام میدهد. پیکها به طول موج خاص تعلق دارند و نشان دهندهی پیوندهای کششی تیتانیم-اکسیژن، کربن-هیدروژن و اکسیژن-هیدروژن موجود در نمونه نانوکامپوزیت کربنی است.
