مقاله مطالعه روش های تهیه و بررسی سوپر جاذب بر پایه گرافن جهت حذف آلاینده های آلی و نفتی

بخشی از مقاله

مطالعه روش هاي تهیه و بررسی سوپر جاذب بر پایه گرافن جهت حذف آلاینده هاي آلی و نفتی

چکیده

با توجه به پیشرفت هاي فراوان علم در چند دهه اخیر، به منظور جداسازي و حذف آلاینده هاي گوناگون، روش ها و مواد شیمیایی جدیدي معرفی و مطالعه شده اند. روش هاي معمول براي حذف این آلاینده ها عبارتند از: ته نشینی شیمیایی، فرآیند غشایی، فرآیند تبادل یونی، فرآیند هاي بیولوژیکی، جذب سطحی و واکنشهاي شیمیایی. در عین حال هر یک از روش هاي مذکور محدودیت هایی در کاربرد دارند. از میان روش هاي موجود، استفاده از مواد جاذب از جمله مناسب ترین و اقتصادي ترین روش هاي حذف آلودگی هاي نفتی محسوب می شود که می تواند منجر به کاهش آلودگی هاي ناشی از سوزاندن و دفع مواد زائد نیز گردد. از جمله این مواد جاذب می توان به گرافن اشاره نمود. از این سو در این مطالعه به بررسی تهیه سوپر جاذب بر پایه گرافن و روش شناسی فرآیند حذف آلاینده هاي آلی و نفتی توسط این جاذب قوي و پایدار در شرایط عملیات پرداخته شده است. روش هاي تهیه و تولید این جاذب ارزشمند به دو دسته کلی پایین به بالا و بالا به پایین تقسیم بندي می شود. اسفنج گرافن که از احیاي گرافن اکسید به دست می آید؛ داراي سطح بسیار بالا جهت جذب طیف وسیعی از فراورده هاي نفتی، چربی ها، آلکان ها، تولوئن و دیگر حلال هاي آلی بوده و بدون تغییر شکل و ماهیت در عملیات مورد استفاده قرار می گیرد. طبق مطالعات صورت پذیرفته، آلاینده هاي کلروفرم و هپتان به ترتیب داراي بیشترین و کمترین میزان جذب توسط اسفنج گرافن بوده اند. بر اساس نتایج این مطالعه می توان جاذب هاي با پایه گرافن را به عنوان گزینه اي مناسب جهت حذف طیف وسیعی از آلاینده هاي زیست محیطی به ویژه آلاینده هاي آلی و نفتی استفاده کرد.

واژه هاي کلیدي: اسفنج گرافن، آلاینده، فرآیند جذب، حذف آلاینده، نانو فنآوري

مقدمه

با افزایش حجم و تنوع آلاینده هاي زیست محیطی، حفظ و حراست از محیط زیست و منابع طبیعی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. ترکیبات هیدروکربنی موجود در نفت خام از جمله آلاینده هایی هستند که در حجم هاي نسبتا زیاد و از راه هاي متعدد وارد محیط زیست می شوند. این آلاینده ها عمدتا شامل آلکان ها، پارافین ها، سیکلو الکان ها و آروماتیک ها هستند. آزاد سازي این مواد در محیط زیست یا سوزاندن آنها بدون فرآوري، مشکلات بسیاري براي اکوسیستم ایجاد می کنند. در سال هاي اخیر تحقیقات گسترده اي براي یافتن روش هاي موثر جهت حذف آلودگی هاي نفتی انجام شده است. به منظور پیش گیري و کاهش آثار زیست محیطی شدید ناشی از آلودگی هاي نفتی، استفاده از جاذب هاي با ظرفیت جذب بسیار بالا توصیه می شود. با توجه به محدودیت میزان جذب جاذب هاي طبیعی و پلیمري، توجه محققان در چند سال گذشته به استفاده از جاذب هاي با پایه کربنی که داراي دانسیته پایین و ظرفیت بالا می باشند، معطوف شده است. در این راستا استفاده از تکنولوژي هاي نوینی چون فناوري نانو که به تولید جاذب هاي قوي و با ظرفیت بالا منجر شده است به عنوان روش جدید پیشنهاد می گردد 2]،.[1 کربن به عنوان یک عنصر بنیادین در طبیعت و علم شیمی آلی مطرح می باشد و اتم هاي کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاري شرکت داشته اند. کربن به صورت عنصري در چند فرم مختلف می تواند وجود داشته باشد. ساده ترین فرم کربن گرافیت است که متشکل از لایه هاي کربن با ساختار شش وجهی به هم چسبیده می باشد 3]،4،.[5 اصطلاح گرافن اولین بار در سال 1962 میلادي توسط: Hanns-Peter Boehm معرفی شد. وي قصد داشت از این اصطلاح جهت توصیف فویل کردن تک لایه استفاده کند. بسیاري از دانشمندان تصور می نمودند که صفحه کربن در این ضخامت اندك و برابر با قطر یک اتم کربن، نمی تواند پایدار باشد و سال هاي بسیاري پس از آن تحقیقات متوقف ماند، تا جایی که در سال 2004 دو دانشمند به نام کنستانتین و آندره جیم نخستین بار به طرز موفقیت آمیزي صفحات گرافن را با استفاده از نوار چسب جدا کردند. در واقع یک لایه ورق کربن گرافن نامیده می شود. گرافن داراي سطح ویژه بالا، ساختار منحصر به فرد و ویژگی هاي بسیار مناسب در حذف ترکیبات مختلف می باشد .[6] شکل 1 نشان دهنده ساختار گرافن می باشد.

شکل -1 (الف) تصویر گرافن واقعی (ب) تصویر گرافن ایده آل. .[ 6 ]

خصوصیات گرافن

دسترسی آسان، سهولت سنتز، انحلال راحت و تنوع خواص، گرافن را به یک بستر تحقیقاتی جذاب تبدیل کرده است. گرافن ماده اي شفاف و یک رساناي انعطاف پذیر است که از لحاظ مکانیکی بسیار محکم می باشد. در جدول 1 برخی از خصوصیات گرافن اورده شده است.

جدول -1خصوصیات گرافن 13]،.[2

چگالی مقاومت شکست گرافن مقاومت بر واحد سطح رسانایی گرمایی
0/77 mg/m3 42 N/m2 31 Ω 5000 W/mk

از سوي دیگر، استفاده از گرافن مانع از ایجاد آلودگی هاي زیست محیطی می شود و این مسئله بدان جهت است که در بیشتر حالات، مواد حاوي گرافن می توانند در طی محلول سازي ته نشین و شناسایی شوند. 12]،7،2،.[1

روش هاي تولید گرافن

چندین روش براي تولید گرافن وجود دارد که این روش ها به دو دسته کلی به صورت زیر تقسیم بندي می شوند:

.1 روش پایین به بالا

این روش در واقع بر اساس چیدمان چندین سامانه در کنار یکدیگر براي تشکیل سامانه هاي بزرگتر می باشد. در این روش کلی گرافن توسط فرآیند هاي نام برده در ذیل سنتز می شود:
 رسوب بخار شیمیایی
 رشد همبافتی بر روي کاربید سلیکون

 تخلیه قوس الکتریکی 10]،9،8،7،.[4

روش رسوب بخار شیمیایی :(CVD)

روش CVD1 یک روش شناخته شده جهت تولید فیلم هاي نازك و نانو ذرات می باشد. حدود 40 سال است که با استفاده از روش رسوب بخار شیمیایی، فیلم هاي نازك گرافیت تهیه می شوند. اخیرا محققان با بهبود این روش موفق به تولید تک لایه و چند لایه هاي گرافن شده اند. در تلاش هاي ابتدایی یک لایه 300 نانومتري از نیکل برروي یک بستر سیلیکونی تهیه شده و سپس با افزایش حرارت تا دماي 1000 ℃ و ورود گاز حاوي آرگون، هیدروژن و متان فرآیند ادامه پیدا می کند. به دلیل دماي بالا، قسمتی از کربن موجود در منبع کربنی در فلز واسطه حل شده و دما تا دماي محیط کربن در فلز کاهش می یابد. سپس کربن بصورت لایه هاي گرافن برروي سطح رسوب می کند. محصول نهایی تولید شده در این روش از کیفیت بالایی برخوردار بوده و براي تولید قطعات الکترونیکی مناسب می باشد. 14 ]،. [15

1 -Chemical vapor deposition

روش هم بافتی بر روي کاربید سیلیکون:

در روش استفاده از کاربید سیلیسیوم، این ماده تا دما هاي بالا 1100 درجه سلسیوس حرارت داده می شود تا به گرافن احیاء شود. در این فرایند ابعاد گرافن رشد کرده به اندازه بستر کاربید سیلیسیوم بستگی دارد. در این فرایند استفاده از بستر فلزي ساختار اتمی فلز مورد استفاده به عنوان بذر براي رشد گرافن مورد استفاده قرار می گیرد. در روش دیگري، گرافن با استفاده از مذاب هاي کربن – فلز سنتز می شود. در این فرایند اتم هاي کربن در داخل مذاب فلز واسطه در یک دماي مشخص حل می شود و سپس اجازه داده می شود تا محلول کربنی در دماهاي پایین تر به عنوان تک لایه گرافنی رسوب کند.. [16 ]

تخلیه قوس الکتریکی:

در روش قوس الکتریکی از دو الکترود گرافیت استفاده می شود و آنها را در فاصله کمی از یک دیگر قرار می دهند. براي اجراي فرآیند قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه ابتدا تخلیه شده و سپس این محیط در فشاري پایین از هلیوم و یا آرگون که گاز هاي بی اثر هستند پر شود. یکی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی پایداري قوس الکتریکی اعمال شده و نیز مقدار شدت جریان ولتاژ است که می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد. با اینکه میزان محصول در روش قوس الکتریکی به دلیل محدودیت هاي وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش توسط بسیاري از پژوهشگران اجرا می شود. زیرا مقدار محصول یک کار تحقیقاتی روي نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه آنچه مهم است خلوص محصول و کامل بودن ساختار آن است که روش قوس الکتریکی تا حدود زیادي این مشکل را برطرف می کند.. [9 ]

.2 روش بالا به پایین

در این روش ورقه هاي گرافن یا گرافن اصلاح سطحی شده به وسیله جداسازي ورقه اي گرافیت یا مشتقات آن مانند گرافیت اکسید و گرافیت فلوراید تولید می شوند. در روش بالا به پایین به طور معمول ماده اولیه، گرافیت بلورین است و لایه هاي گرافن از این ماده تهیه می شود. در شکل 2 روش هاي بالا به پایین خلاصه شده است.11 ]،.[7

شکل -2 روش هاي بالا به پایین براي تولید گرافن و گرافن اصلاح شده مستقیما از گرافیت یا اکسید گرافیت .[7]

در جدول 2 فرایند بالا به پایین براي تولید نانو ذرات گرافن با کاهش شیمیایی و حراراتی با مشخصات ابعادي محصول آورده شده است.