بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
گرافن اکسید عامل دار شده با گروههاي آلی بعنوان نانوکاتالیست مؤثر و قابل بازیافت براي حذف جیوه از منابع آب آلوده
چکیده — در این تحقیق، ابتدا گرافن اکسید با روشی ساده و کمهزینه از گرافیت سنتز شد. در ادامه گرافن اکسید با توجه به حضور گروههاي متنوع اکسیژن دار بروي سطوح، با گروههاي کاباموتیول بنزآمید از طریق تشکیل پیوندهاي کووالانسی عامل دار شد. سپس نانوکامپوزیت تشکیل شده بعنوان جاذب یونهاي سنگین مانند جیوه از آب تحت شرایط غلظت و pH مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نانو کاتالیست سنتز شده با استفاده از تکنیکهایی چون FT-IR، SEM، TGA و XRD مورد بررسی و آنالیز قرار گرفت. همچنین روند جذب جیوه بروي بستر جاذب سنتز شده با استفاده از اسپکتروسکوپی جذب اتمی (VGA) پیگیري شده است.
واژههاي کلیدي —اکسید گرافن عامل دار شده، قابل بازیافت، نانوکاتالیست، فلزات سنگین
.1 مقدمه
آلودگی آب به دلیل مصرف دائمی یونهاي فلزي و آلاینده هاي آلی به یک مشکل نگران کننده و گسترده در جهان تبدیل شده است. بعنوان مثال فاضلاب کارخانه هاي صنعتی مانند ذوب آهن و یا سنتز مواد شیمیایی حاوي مقادیر بالایی از یونهاي فلزي سمی می باشند 1]،.[2 از لحاظ حفاظت محیط زیست، حذف این یون ها قبل از ورود به آب هاي دیگر، ضروري می باشد .[3] روش هاي قدیمی جهت حذف این یون ها شامل کاهش، فیلترهاي غشایی، تعویض یون و جذب سطحی بودند که مهم ترین
آن ها جذب سطحی بوده است. در سال هاي اخیر به دنبال کشف مواد جاذب و روش هاي جدید، نانو تکنولوژي و نانو مواد نقش مهمی را در این زمینه ایفا کرده اند نانو مواد بر پایه کربن از جمله ترکیبات به کار رفته براي حذف آلودگی ها مانند آلودگی هاي مواد آلی و فلزات شناخته شده اند که با توانایی و حساسیت بالا در محلول هاي آبی مورد استفاده قرار گرفته اند -4] .[12 یکی از مزایاي آن ها این است که داراي مساحت سطح مخصوص بالایی هستند.
پس از کشف اکسید گرافن در سال 2004، محققان بسیاري به مطالعه درباره ساختار و بکارگیري آن در زمینههاي مختلف علاقمند شدند. نانو اکسید گرافن شامل یک لایه از اکسید گرافیت میباشد و معمولا از اکسیداسیون گرافیت و به دنبال آن پراکندگی و لایه لایه شدن در آب یا حلالهاي آلی مناسب به دست میآید 13]و.[14 مدلهاي ساختاري بیشماري در طی سالیان براي آن متصور شده است که همگی حضور گروههاي عاملی داراي اکسیژن را بروي سطح آن تایید مینمایند. گروههاي عاملی اکسیژندار به شکل هیدروکسیل و اپوکسی در سطح بنیادي و با تعدادي کمتر کربوکسیل، کربونیل، فنول، لاکتون و کوئینون در لبههاي صفحات گرافن اکسید شناسایی شدهاند » [17-15]شکل .«1
فعالیت شیمیایی مهم اکسید گرافن، توانایی بالاي آن در شرکت در واکنشهاي شیمیایی است که شامل اضافه کردن گروههاي دیگر به صفحات اکسید گرافن با استفاده از واکنشهایی شیمیایی متعدد است. بعنوان نمونه، اکسید گرافن میتواند داراي گروههاي عاملی متنوع شود و این با استفاده از واکنشهاي شیمیایی متفاوت ممکن است. در واقع سطوح اکسید گرافن
میتواند با استفاده از مولکولهاي کوچک مخصوص و یا پلیمرها در طی فرایند آمیدي شدن یا استري شدن کربوکسیلها یا هیدروکسیلها اصلاح شود. گروههاي اپوکسی نیز می توانند در فرایند عامل دار کردن اکسید گرافن، از طریق یک واکنش گشایش حلقه دراثر حمله نوکلئوفیلی آمین به کربن آلفا اپوکسی درگیر شوند. همچنین این استراتژي به انحلال بیشتر اکسید گرافن در حلالهاي آلی منجر می شود 14]و .[20-18
شکل :1 ساختار اکسید گرافن
2. روش کار
1.2. دلیل انتخاب روش
دسترسی آسان، سهولت سنتز، انحلال راحت و تنوع خواص، گرافن اکسید را به یک بستر تحقیقاتی جذاب تبدیل کرده است. در سالهاي اخیر مطالعه درباره آن، بسیار مورد توجه قرار گرفته است و این به دلیل خواص منحصر به فرد گرافن اکسید می باشد.
بعلاوه استفاده از گرافن اکسید مانع ازایجاد آلودگی هاي زیست محیطی می شود و این مسئله بدان جهت است که در بیشتر حالات، مواد حاوي گرافن اکسید میتوانند در طی محلول سازي ته نشین و شناسایی شوند. مسئله مهم دیگر ملاحظه ي هزینه هاي ساخت در سیستم حقیقی می باشد. بر خلاف نانوتیوبهاي کربنی که احتیاج به فرایند اکسیداسیون اولیه براي ایجاد گروههاي آبدوست به منظور حذف فلزات دارند، فرایند تبدیل گرافیت به گرافن اکسید خود با ایجاد گروههاي عاملی اکسیژن دار همچون کربوکسیلیک اسید، کربونیل، و هیدروکسیل بروي سطح گرافن اکسید اسکلت شیمیایی مناسبی براي جذب ایده آل فلزات از محیط پیرامون فراهم می آورد 14]و.[27-21
.2.2 تشریح روش تحقیق
مواد به کار رفته عبارتند از پودر گرافیت با اندازه کمتر از 50 میکرومتر، نیترات سدیم، پتاسیم پرمنگنات، اسید سولفوریک و اسید کلریدریک غلیظ، آب اکسیژنه %30، پتاسیم تیوسیانات، بنزویل کلراید، )-3تري متوکسی سیلیل )-پروپیل آمین، کلرید جیوه (ІІ) ، استون، اتانول، متانول و آب دیونیزه. لازم به ذکر است تمامی مواد و حلالهاي بکار رفته، تهیه شده از شرکت مرك بوده و همگی در حد خالص میباشند.
در این تحقیق ابتدا اکسید گرافن از گرافیت با استناد به روش هامر و هوفمن تهیه شد. سپس ساختار گرافن اکسید ساخته شده از طریق اسپکتروسکوپی
FT-IR مدل IRPrestige-21 و XRD مدل XRD-6000 که هر دو براي شرکت SHIMADZU بودند، بررسی و شناسایی شد. در مرحله بعد گرافن اکسید سنتز شده به واسطه گروههاي -3تري متوکسی سیلیل پروپیل آمین به گروههاي آلی سنتز شده از تراکم دو جزیی بنزویل کلراید و پتاسیم تیوسیانات، متصل شد. ساختار این ترکیب نیز با استفاده از اسپکتروسکوپی FT-IR، XRD، SEM (میکروسکوپی الکترونی روبشی) »شکل «2 و آنالیز
حرارتی همزمان STA با استفاده از دستگاه LINSEIS مدل
PT1600 بررسی شد. درنهایت کارایی کاتالیستی نانو اکسید گرافن عامل دار شده با گروههاي آلی کارباموتیول بنزآمید، در مجاورت محلولهاي آلوده به یون جیوه در غلظت ها و pH هاي مختلف با استفاده از تکنیک طیف سنجی جذب اتمی به روش VGA مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت.
.
شکل :2 عکسبرداري SEM از نانوکاتالیست سنتز شده
.3 نتایج و تفسیرآن ها
بعد از اندازه گیري میزان جذب جیوه توسط نانوکاتالیست سنتتز شده در pH خنثی و غلظت هاي مختلف 5، 25، 70، 150 و ppm 300 مشاهده
2
گردید ظرفیت جذب این نانو کاتالیست قابل بازیافت، با افزایش غلظت جیوه کاهش می یابد که بطور طبیعی این مسئله به اشغال سایتهاي فعال موجود بروي سطح کاتالیست توسط یونهاي جیوه نسبت داده می شود (نمودار .(2
از سویی دیگر، از آنجا که جذب یون جیوه بروي نانو گرافن اکسید عامل دار شده، یک جذب سطحی است تغییر pH محیط می تواند در میزان جذب تاثیر داشته باشد. پیرو این مسئله تعدادي محلول با غلظت یکسان و در pH هاي 4/53، 5/95، 8/04، 9/10، 10/03 و 11/64 تهیه گردیده و میزان عملکرد جذب محلولی 100 ppm از گرافن اکسید عامل دار شده مورد بررسی قرار گرفت. نتیجهي بررسی غلظت هاي باقیمانده از یون جیوه در محلول پس از دو روز تماس با نانو جاذب مورد ذکر توسط دستگاه جذباتمی به روش (VGA) نشان داد که افزایش pH، موجب افزایش قابلیت جاذب در میزان جذب یون جیوه با شیب ملایم می شود (نمودار .(1 کلیه این بررسیها در "جدول " 1 ارائه شده اند.
جدول :1 تغییرات غلظت محلولهاي جیوه پس از افزایش نانو کامپوزیت اکسید گرافن عامل دار شده پس از 48 ساعت.
*آنالیزهاي گزارش شده با استفاده از دستگاه اسپکتروسکوپی جذب اتمی (VGA) انجام شده است.
نمودار :1 نمودار جذب یون جیوه به روي جاذب در غلظت 100 ppm
نمودار:2 نمودار جذب یون جیوه به روي جاذب در pH خنثی
مقدار جیوه باقیمانده در محلول پس از تماس با نانو کامپوزیت جاذب با استفاده از دستگاه جذب اتمی بدست آمده و غلظت تعادل (Ce) نامیده می شود. بر این اساس براي اندازه گیري ظرفیت جذب جیوه بروي جاذب (qe)، از فرمول (1) استفاده می شود:
