بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله نانوفیبرهای اکسید تنگستن با استفاده از روش الکتروریسی ساخته شده و تاثیر پخت در محیط هیدروژن روی مورفولوژی، ساختار کریستالی و ظرفیت جذب مولکولهای رنگدانه رودامین بی بررسی شد. مشخصهیابی نانوفیبرهای ساخته شده توسط آنالیزهای میکروسکوپ الکترون روبشی، پراش پرتو ایکس انجام گرفت. نتایج حاصل ازپراش پرتو ایکس نشان داد که نمونه پخت شده در دمای 500 œC هوا ساختار کریستالی تتراگونال دارد، و پخت در محیط هیدروژن تا دمای 500 œC تاثیر چندانی بر ساختار کریستالی ندارد. اما پخت در دمای 650 œC منجر به تشکیل WO2.83 با ساختار کریستالی مونوکلینیک میشود. قطر نانوفیبرهای ساخته شده حدود 700 nm است و پخت در محیط هیدروزن تاثیر زیادی بر مورفولوژی آنها ندارد. در نهایت ظرفیت جذب نانوفیبرهای ساخته شده برای حذف مولکولهای رنگدانهای رودامین بی از آبهای آلوده مورد بررسی قرار گرفت.
-1 مقدمه
در دهه های گذشته، رنگدانه آلی از جمله آلودگیهای خطرناک برای آب بوده است که به طورکلی در زمینه های مختلف صنعتی مثل صنایع چرمی ، صنایع آرایشی، صنایع پارچه، صنایع کاغذ و غیره وجود دارد. رنگدانه های آلی به شدت در محلول آبی حل شده وکاملا سمی هستند، که می توانند موجب آسیب جدی به محیط زیست و بشر شوند.[1] در چندین دههی گذشته روشهای مختلفی از قبیل اوزوناسیون، تخریب زیستی، اکسیداسیون شیمیایی، جداسازی غشائی، تبادل یون و روش جذب برای حذف رنگدانههای آلی از آب مورد استفاده قرار گرفتهاند. اکثر این روشها گران هستند و برای تصفیه در مقیاسهای بزرگ خیلی موثر نمیباشند.
از بین این روشها، روش جذب بدلیل کم هزینه بودن، سادگی و راندمان بالا به ویژه برای حذف رنگدانههای آلی و یونهای فلزات سنگین در غلظتهای کم بصورت گسترده مورد بررسی قرار گرفت است .[1-2] تلاشهای زیادی در زمینه ساخت جاذبهایی با بهرهوری بالا در حال انجام است. در دهه گذشته استفاده از جاذبهای طبیعی از قبیل مواد کربنی فعال، رس و نانومواد سیلیکونی برای حذف رنگ از آبهای آلوده و فاضلابها توسعه یافته است. با وجود آنکه کربن فعال بعنوان موثرترین ابزار برای حذف رنگدانهها محسوب میشود، اما هزینه بالای تولید و بازتولید مجدد باعث شده است که کمتر از آن بعنوان یک جاذب ایدهال نامبرده شود. بطور کلی جاذبهای طبیعی دارای معایبی از قبیل غیرمقاوم بودن در مقابل اسید، سطح موثر کم و زمان جذب نسبتا طولانی میباشند.
بر این اساس در سالیان اخیر بسیاری دیگر از جایگزینهای کم هزینه مورد بررسی قرار گرفتهاند. انتخاب یک ماده بعنوان جاذب در مقایسه با دیگر مواد معمولا بر اساس پارامتر عملکردی یعنی ظرفیت جذب انجام میشود. با این حال از منظر عملی تعدادی دیگر از عوامل مانند قیمت تمام شده، تراکم ظاهری و امکان بازتولید بایستی در نظر گرفته شود. بنابراین محققان تمایل بیشتری برای ساخت جاذبهای مصنوعی از خود نشان دادهاند. اخیرا اکسیدهای فلزی به عنوان جایگزین ارزان قیمت برای استفاده بعنوان جاذب برای حذف رنگدانههای آلی مورد مطالعه قرار گرفتهاند. تا به امروز خاصیت جذب کنندگی اکسیدهای فلزی از قبیل ZnO، SnO2، Fe2O3، TiO2، ZrO2، Co3O4 و WO3 و دیگر اکسیدهای فلزی گزارش شده است.
اخیرا مواد نانوساختار اکسید تنگستن بدلیل سازگاری با محیط زیست و خاصیت جذب کنندگی بالا برای حذف رنگدانههای آلی و یونهای فلزات سنگین توجه زیادی به خود جلب کرده است. بک ماده ایدهال برای استفاده بعنوان ماده جاذب باید ظرفیت جذب بالا، سرعت جذب سریع و همچنین ساختار مکانیکی قوی داشته باشد. نانوذرات اکسید تنگستن بدلیل قابلیت محدودسازی اندازه آن میتواند سطح موثر بالایی داشته باشد. یکی دیگر از ویژگیهای اکسید تنگستن این است که این ماده پایداری ساختاری بالایی در شرایط محیطی نامطلوب از خود نشان میدهد. بنابراین این ماده این قابلیت را دارد که برای تصفیه آبهای آلوده مورد استفاده قرار گیرد.[3]
یک ماده ایدهال برای استفاده بعنوان جذب کننده باید ظرفیت جذب بالا، سرعت جذب سریع، و همچنین دارای ساختار مکانیکی قوی باشد .[4] در نتیجه با توجه به ویژگیهای ساختاری و مکانیکی اکسید تنگستن در سازگاری با محیط زیست و خاصیت جذب کنندگی بالا برای حذف رنگدانههای آلی و یونهای فلزات سنگین امروزه تلاشهای بسیاری برای آمادهسازی نانوساختارهای جاذب بر پایه اکسید تنگستن انجام شده است. تا به امروز، ساختارهای مختلف اکسید تنگستن از قبیل نانومیلهها، نانوصفحات و نانودیسکها با روشهای مختلفی با موفقیت ساخته شدهاند. بعنوان مثال، توسط ژئون و همکارانش میکروکرههای توخالی اکسید تنگستن با ماکزیمم ظرفیت جذب سطحی متیلن بلو 139 میلی گرم بر گرم ساخته شد.
[5] در یکی دیگر از گزارشها میکروکرههای اکسید تنگستن آبدار - WO3.0.33H2O - با روش تبادل یون توسط لیو و همکارانش ساخته شد. این میکروکرهها بدلیل سطح موثر زیاد و همچنین حضور گروههای عاملی با بار منفی از قبیل W=O و H-O روی سطح عملکرد جذب کننده بسیار خوبی برای حذف رنگدانه متیلن بلو ازمحلول آبی از خود نشان میدهند. ماکزیمم ظرفیت جذب گزارش شده برای جذب مولکولهای متیلن بلو و یونهای Pb+ به ترتیب 247 و 249 میلی گرم بر گرم تعیین شد .[6] در یکی دیگر از گزارشها نانومیلههای اکسید تنگستن با ساختار کریستالی آمورف برای حذف مولکولهای رنگدانه متیلن بلو از محلول آبی بکار گرفته شد.
ماکزیمم ظرفیت جذب نانومیلهها 176 میلی گرم بر گرم بدست آمد .[7] در این کار ظرفیت جذب بالا به تاثیر همزمان سطح موثر بالا و برهمکنشهای الکترواستاتیکی قوی بین مولکولهای متیلن بلو و بار منفی روی سطح اکسید تنگستن نسبت داده شد .[7] همچنین در سال 2014 توسط هوانگ و همکارانش ساخت نانوذرات غیراستوکیومتری اکسید تنگستن - W18O49 - با روش هیدروترمال گزارش شد. ماکزیمم ظرفیت جذب بدست آمده برای حذف مولکولهای رودامین بی و متیلن بلو در یک محلول آبی به ترتیب 82 و 150 میلی گرم بر گرم تعیین شد .[8] همچنین ماکزیمم ظرفیت جذب بدست آمده برای نانوذرات اکسید تنگستن با ساختار کریستالی مونوکلینیک ساخته شده با روش هم رسوبی شیمیایی با ساختار کریستالی مونوکلینیک 58 میلی گرم بر گرم گزارش شده است .[9]
بنابراین با توجه به تحقیقات انجام شده به نظر میرسد روش ساخت، مورفولوژی و ساختار کریستالی از جمله عوامل موثر در تعیین ماکزیمم ظرفیت جذب اکسید تنگستن است. با وجود تحقیقات زیادی که در این زمینه انجام شده است، استفاده از ماده جاذب ساخته شده از نانوفیبرهای اکسید تنگستن برای حذف مولکولهای رنگدانه و یونهای فلزات سنگین از محلولهای آبی تا به امروز گزارش نشده است. نانوفیبرها بدلیل نسبت سطح به حجم بالا برای جذب مولکولهای رنگ و قابلیت جداسازی آسان یکی از بهترین گزینهها برای استفاده در فیلترهای تصفیه آب میباشند.
در این مقاله نانوفیبرهای WO3 به روش الکتروریسی ساخته شد و در محیط هیدروژن در دماهای مختلف پخته شده و تاثیر دمای پخت بر ساختار کریستالی و مورفولوژی نمونه ها و همچنین جذب سطحی نمونه ها بررسی شد. مشخصه یابی نمونه های ساخته شده از آنالیزهای مختلفی از قبیل آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، پراش پرتو ایکس - XRD - ، بررسی جذب سطحی نمونه ها انجام شد.
-2 مراحل تجربی
مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش شامل اسید سیتریک - - C6H8O7، هیدروکلریک اسید - - HCL، تنگستیک اسید H2WO4 - - ، اتانول، آب، پلیمر پلی وینیل پیرولیدن - - PVP است. بیشتر این مواد از شرکت سیگما آلدریچ خریداری شده و از خلوص بالایی برخوردار هستند. به منظور تهیه محلول الکتروریسی محلول شماره 1 با حل کردن 3/75گرم PVP در 3/84 میلی لیتر اتانول بدست آمد ، سپس محلول شماره 2 با حل کردن 0/612 گرم تنگستیک اسید در 2/5 سی سی آب بدست آمد، پس از نیم ساعت همزدن روی همزن مغناطیسی، 0/52 گرم هیدروکلریک اسید به محلول شماره 2 اضافه شد و همزمان محلول شماره 3 را با حل کردن 0/63 سیتریک اسید در 1/75 سی سی آب بدست آمد. بعد از نیم ساعت همزدن محلول شماره 2 به محلول شماره 3 اضافه شده و سپس 5 گرم از آن به محلول شماره 1 اضافه شد، در نهایت محلول نهایی به مدت 15 ساعت روی همزن مغناطیسی تحت همزدن شدید قرار گرفت. به منظور انجام فرآیند الکتروریسی، محلول ساخته شده به یک سرنگ 5 سی سی که به یک ولتاژ 19 کیلو ولت متصل است، انتقال داده می شود.
