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

word قابل ویرایش
8 صفحه
5700 تومان

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

چکیده

با توجه به پیشرفت های فراوان علم در چند دهه اخیر، به منظور جداسازی و حذف آلاینده های گوناگون، روش ها و مواد شیمیایی جدیدی معرفی و مطالعه شده اند. روش های معمول برای حذف این آلاینده ها عبارتند از: ته نشینی شیمیایی، فرآیند غشایی، فرآیند تبادل یونی، فرآیند های بیولوژیکی، جذب سطحی و واکنشهای شیمیایی. در عین حال هر یک از روش های مذکور محدودیت هایی در کاربرد دارند. از میان روش های موجود، استفاده از مواد جاذب از جمله مناسب ترین و اقتصادی ترین روش های حذف آلودگی های نفتی محسوب می شود که می تواند منجر به کاهش آلودگی های 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 های آلی و نفتی توسط این جاذب قوی و پایدار در شرایط عملیات پرداخته شده است. روش های تهیه و تولید این جاذب ارزشمند به دو دسته کلی پایین به بالا و بالا به پایین تقسیم بندی می شود. اسفنج گرافن که از احیای گرافن اکسید به دست می آید؛ دارای سطح بسیار بالا جهت جذب طیف وسیعی از فراورده های نفتی، چربی ها، آلکان ها، تولوئن و دیگر حلال های آلی بوده و بدون تغییر شکل و ماهیت در عملیات مورد استفاده قرار می گیرد. طبق مطالعات صورت پذیرفته، آلاینده های کلروفرم و هپتان به ترتیب دارای بیشترین و کمترین میزان جذب توسط اسفنج گرافن بوده اند. بر اساس نتایج این مطالعه می توان جاذب های با پایه گرافن را به عنوان گزینه ای مناسب جهت حذف طیف وسیعی از آلاینده های زیست محیطی به ویژه آلاینده های آلی و نفتی استفاده کرد.

واژه های کلیدی: اسفنج گرافن، آلاینده، فرآیند جذب، حذف آلاینده، نانو فنآوری

مقدمه

با افزایش حجم و تنوع آلاینده های 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 های نسبتا زیاد و از راه های متعدد وارد محیط زیست می شوند. این آلاینده ها عمدتا شامل آلکان ها، پارافین ها، سیکلو الکان ها و آروماتیک ها هستند. آزاد سازی این مواد در محیط زیست یا سوزاندن آنها بدون فرآوری، مشکلات بسیاری برای اکوسیستم ایجاد می کنند. در سال های اخیر تحقیقات گسترده ای برای یافتن روش های موثر جهت حذف آلودگی های نفتی انجام شده است. به منظور پیش گیری و کاهش آثار زیست محیطی شدید ناشی از آلودگی های نفتی، استفاده از جاذب های با ظرفیت جذب بسیار بالا توصیه می شود. با توجه به محدودیت میزان جذب جاذب های طبیعی و پلیمری، توجه محققان در چند سال گذشته به استفاده از جاذب های با پایه کربنی که دارای دانسیته پایین و ظرفیت بالا می باشند، معطوف شده است. در این راستا استفاده از تکنولوژی های نوینی چون فناوری نانو که به تولید جاذب های قوی و با ظرفیت بالا منجر شده است به عنوان روش جدید پیشنهاد می گردد ۲]،.[۱ کربن به عنوان یک عنصر بنیادین در طبیعت و علم شیمی آلی مطرح می باشد و اتم های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت داشته اند. کربن به صورت عنصری در چند فرم مختلف می تواند وجود داشته باشد. ساده ترین فرم کربن گرافیت است که متشکل از لایه های کربن با ساختار شش وجهی به هم چسبیده می باشد ۳]،۴،.[۵ اصطلاح گرافن اولین بار در سال ۱۹۶۲ میلادی توسط: Hanns-Peter Boehm معرفی شد. وی قصد داشت از این اصطلاح جهت توصیف فویل کردن تک لایه استفاده کند. بسیاری از دانشمندان تصور می نمودند که صفحه کربن در این ضخامت اندک و برابر با قطر یک اتم کربن، نمی تواند پایدار باشد و سال های بسیاری پس از آن تحقیقات متوقف ماند، تا جایی که در سال ۲۰۰۴ دو دانشمند به نام کنستانتین و آندره جیم نخستین بار به طرز موفقیت آمیزی صفحات گرافن را با استفاده از نوار چسب جدا کردند. در واقع یک لایه ورق کربن گرافن نامیده می شود. گرافن دارای سطح ویژه بالا، ساختار منحصر به فرد و ویژگی های بسیار مناسب در حذف ترکیبات مختلف می باشد .[۶] شکل ۱ نشان دهنده ساختار گرافن می باشد.

شکل -۱ (الف) تصویر گرافن واقعی (ب) تصویر گرافن ایده آل. .[ ۶ ]

خصوصیات گرافن

دسترسی آسان، سهولت سنتز، انحلال راحت و تنوع خواص، گرافن را به یک بستر تحقیقاتی جذاب تبدیل کرده است. گرافن ماده ای شفاف و یک رسانای انعطاف پذیر است که از لحاظ مکانیکی بسیار محکم می باشد. در جدول ۱ برخی از خصوصیات گرافن اورده شده است.

جدول -۱خصوصیات گرافن ۱۳]،.[۲

چگالی مقاومت شکست گرافن مقاومت بر واحد سطح رسانایی گرمایی
۰/۷۷ mg/m3 42 N/m2 31 Ω ۵۰۰۰ W/mk

از سوی دیگر، استفاده از گرافن مانع از ایجاد آلودگی های زیست محیطی می شود و این مسئله بدان جهت است که در بیشتر حالات، مواد حاوی گرافن می توانند در طی محلول سازی ته نشین و شناسایی شوند. ۱۲]،۷،۲،.[۱

روش های تولید گرافن

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

.۱ روش پایین به بالا

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

 تخلیه قوس الکتریکی ۱۰]،۹،۸،۷،.[۴

روش رسوب بخار شیمیایی :(CVD)

روش CVD1 یک روش شناخته شده جهت تولید فیلم های نازک و نانو ذرات می باشد. حدود ۴۰ سال است که با استفاده از روش رسوب بخار شیمیایی، فیلم های نازک گرافیت تهیه می شوند. اخیرا محققان با بهبود این روش موفق به تولید تک لایه و چند لایه های گرافن شده اند. در تلاش های ابتدایی یک لایه ۳۰۰ نانومتری از نیکل برروی یک بستر سیلیکونی تهیه شده و سپس با افزایش حرارت تا دمای ۱۰۰۰ ℃ و ورود گاز حاوی آرگون، هیدروژن و متان فرآیند ادامه پیدا می کند. به دلیل دمای بالا، قسمتی از کربن موجود در منبع کربنی در فلز واسطه حل شده و دما تا دمای محیط کربن در فلز کاهش می یابد. سپس کربن بصورت لایه های گرافن برروی سطح رسوب می کند. محصول نهایی تولید شده در این روش از کیفیت بالایی برخوردار بوده و برای تولید قطعات الکترونیکی مناسب می باشد. ۱۴ ]،. [۱۵

۱ -Chemical vapor deposition

روش هم بافتی بر روی کاربید سیلیکون:

در روش استفاده از کاربید سیلیسیوم، این ماده تا دما های بالا ۱۱۰۰ 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 فلزی ساختار اتمی فلز مورد استفاده به عنوان بذر برای رشد گرافن مورد استفاده قرار می گیرد. در روش دیگری، گرافن با استفاده از مذاب های کربن – فلز سنتز می شود. در این فرایند اتم های کربن در داخل مذاب فلز واسطه در یک دمای مشخص حل می شود و سپس اجازه داده می شود تا محلول کربنی در دماهای پایین تر به عنوان تک لایه گرافنی رسوب کند.. [۱۶ ]

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. برای اجرای فرآیند قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه ابتدا تخلیه شده و سپس این محیط در فشاری پایین از هلیوم و یا آرگون که گاز های بی اثر هستند پر شود. یکی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی پایداری 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 های وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شود. زیرا مقدار محصول یک کار تحقیقاتی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه آنچه مهم است خلوص محصول و کامل بودن ساختار آن است که روش قوس الکتریکی تا حدود زیادی این مشکل را برطرف می کند.. [۹ ]

.۲ روش بالا به پایین

در این روش ورقه های گرافن یا گرافن اصلاح سطحی شده به وسیله جداسازی ورقه ای 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 های گرافن از این ماده تهیه می شود. در شکل ۲ روش های بالا به پایین خلاصه شده است.۱۱ ]،.[۷

شکل -۲ روش های بالا به پایین برای تولید گرافن و گرافن اصلاح شده مستقیما از گرافیت یا اکسید گرافیت .[۷]

در جدول ۲ فرایند بالا به پایین برای تولید نانو ذرات گرافن با کاهش شیمیایی و حراراتی با مشخصات ابعادی محصول آورده شده است.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 5700 تومان در 8 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد