بررسی سینتیک و مدلهای ایزوترمی جذب رنگهایآلی به وسیله نانوذرات مغناطیسی
سجاد شیخعلی1 ، معصومه عمادی*2 و نیما کراچی3

چکیده
در این مقاله نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن باروش همرسوبی سنتز شده و سطح آن به وسیله مولکول 2- آمینو 5- مرکاپتو1، 3، 4- تیا دیازول اصلاح شد و برای حذف رنگ آلی آبی نیل از آب های آلوده مورد بررسی قرارگرفت. نانوذرات به کمک روشهای دستگاهی FT-IR ،XRD، TEM و آنالیز عنصری شناسایی شدند. مکانیسم و فاکتورهای موثر بر فرایند جذب مانند اثر زمان،pH و غلظت جاذب مؤثر بر جذب به روش دستهای مورد بررسی قرار گرفت. بهترین شرایط موجود برای حذف رنگ آلی آبی نیل بدست آمد. نتایج نشان دادند که نانوذره آهن اکسید عامل دار شده دارای ظرفیت جذب8/142میلی گرم به ازای هر گرم از جاذب برای حذف رنگ آبی نیل میباشد که بیانگر عملکرد بسیار خوب این نانو جاذب میباشد. ایزوترم مؤثر بر جذب و سینتیک واکنش به ترتیب مدل لانگمویر و سینتیک شبه درجه دوم میباشد. بازیابی نانوذرات به کمک اتانول انجام می شود.

واژه های کلیدی: نانوذرات مغناطیسي، مگنتیت،آبی نیل، جذب سطحی ،ایزوترم، سینتیک.

1- دانشجوی کارشناسی ارشد- گروه شیمی- واحد مرودشت -دانشگاه آزاد اسلامی – مرودشت- ایران.
استادیار بخش شیمی، گروه شیمی- واحد مرودشت- دانشگاه آزاد اسلامی – مرودشت- ایران.
استادیار بخش شیمی، گروه شیمی- واحد مرودشت- دانشگاه آزاد اسلامی – مرودشت- ایران.
[email protected] :نویسنده مسئول مقاله -*
30بررسی سینتیک و مدلهای ايزوترمی جذب رنگهایآلی به وسیله نانوذرات مغناطیسی

پیشگفتار
فناوری نانو به عنوان خطمشی قوی برای فناوریهای قرن 21 میتواند از راه محافظت و اصلاح محیط اطراف باعث افزایش کیفیت محیط زیست شود. بویژه استفاده از فناوری نانوذرات مغناطیسی برای حل مسایل زیست محیطی در سالهای اخیر مورد توجه قابل ملاحظهای قرار گرفته است که این امر به سبب اندازه و خواص فیزیکی بینظیر این مواد میباشد این مواد در زمینههای گوناگون علوم از قبیل بیوتکنولوژی، مهندسی، بیوپزشکی، محیط زیست و علم مواد کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند. نانوذرات آهن اکسید کاربردهای زیادی در ذخیره سازی مغناطیسی داده ها، فناوری فرو شاره ها، ذخیرهی انرژی، سرد کردن مغناطیسی و پزشکی پیدا کرده است که از جمله آنها داروسازی هدفمند ،درمان موضعی و تولید عوامل وضوح تصویر در تصویربرداری ام.آر.آی]1[ میباشد. جداسازی مغناطیسی به وسیله نانوذرات آهن اکسید راه حلی امید بخش را ارایه میدهند چرا که با استفاده از یک آهنربا نانوذرات به سادگی از محلول جدا میشوند .
از سوی دیگر، امکان اصلاح و عامل دار کردن این نانوذرات به کمک ترکیباتی که به گونه انتخابی گونه مورد نظر را از محیط جذب میکنند، ابزاری توانمند را جهت جداسازی آلایندهها فراهم آورده است ]2-4[.
رنگهای آلی بویژه آبی نیل در آبهای استفاده شده در صنایع شیمیایی از جمله در صنایع نساجی، رنگ و… یافت میشوند.
این آلاینده بر سلامتی انسان و دیگر موجودهای زنده تأثیر میگذارد. در نتیجه حذف این آلاینده از این آبهای مصرف شده خیلی ضروری بوده و کارهای پژوهشی زیادی برای حذف این آلاینده ازآب در سال های اخیر گزارش شده است]5، 6[.
آبی نیل رنگ فلورسانس است.
آبی نیل با فرمول
مولکولیC20H20ClN3O)) و جرم مولکولی845/353 رنگی سنتزی است که در صنعت نساجی برای رنگ کردن پارچه از این رنگ استفاده میشود. ساختار این رنگ در شكل
1 نشان داده شده است]7[.

شکل1- ساختار مولکولی آبی نیل
بتازگی مطالعات زیادي مبني بر استفاده از نانوذرات آهن اکسید براي حذف آلودگي هاي آلي و معدني از آب هاي آلوده انجام گردیده است .برای مثال در سال 2005 نانوذرات اصلاح نشده 3Fe2O برای حذف Cr (VI ) از آب-های آلوده بکار گرفته شدند ]8[. در سال 2006 جذب آرسنیک به وسیله نانوذرات مغناطیسی مگنتیت اصلاح شده با اولئیک اسید گزارش شد] 10، 9[. حذف مؤثر کادمیم به وسیله نانوذرات مغناطیسی اصلاح شده با دکانوئیک اسید به وسیله گروه پژوهشی های گزارش شد] 1[. اتصال کیتوزان ،هیومیک اسید، کیتوزان اصلاح شده با کتوگلوترآلدهید اسید و دی مرکاپتوساکسنیک اسید بر نانوذرات مغناطیسی آنها را به جاذبهای مؤثری برای حذف فلزات سنگین و رنگها تبدیل کرده است
]15و12[.
نانوذرات مغناطیسي آهن اکسید به عنوان یک جاذب مورد توجه بوده زیرا: 1( تولید آن ساده است ،2( انتظار ميرود با توجه به سطح بالا و جایگاههاي فعال سطحي بالا ظرفیت جذب بالایي نشان دهند ،3( جداسازي نانوجاذبهاي مغناطیسي پس از جذب به کمک یک میدان مغناطیسي خارجي صورت مي-گیرد ]23[ و 4( نانو ذرات قابلیت بازیابي و استفاده دوباره را خواهند داشت. هم-چنین، ميتوان سطح نانوذرات را بمنظور افزایش ظرفیت جذب و انتخابي کردن جذب آلودگي ها به وسیله ترکیبات آلي مانند پلیمر ها پوشاند]24[. در چنین مواردي ميبایست توجه کرد که پیوند به سطح کووالانسي بوده و همچنین، پایداري پوشاننده مهم مي باشد .

مواد و دستگاههای بکار رفته
مواد شیمیایی استفاده شده در اینن پنژوهش همگنی از درجنه خ لوص بالایی بر خوردار بوده و بدون خالص سنازی بنیشتنر منورد استفاده قرار گرفتند. ملکول 2- آمینو 5-مرکاپتو 4.3.1-تیادیازول)AMT( با خلوص 99.9 درصد از شرکت مرک خریداری و در آزمننایش اسننتفاده شنند .جهننت انننندازهگینننریpH از pH متنننر متننروهم منندل 720سنناخت شننر ت مترُاهم استفادهشد.pHمتر با دو بافر0/7 pH=و 0/4=pHتنظیم منی-گردد .برای تعیین غلظت رنگ جذب شده به وسیله نانو ذره مگنتیت از دستگاه اسپکتروفتومتر جذبی دو پرتننننویی فرابنفش/مرئننننی 45LAMDAسنناخت شننرکت پننرکین المراستفاده گردید. حمام فرا صوت ساخت شرکت تکنو-گاز مدل D-ASTRA با قدرت350 وات بنرای هم زدن محلولهنا اسنتفاده شند .آهنن ربنای نئودیمینوم- آهنن- بنننور )Nd-Fe-B( بنننا قننندرت مغناطیسننی 2/1 تسننلا و اننندازه 30×20 میلی متر برای جداسازی نانوذرات مغناطیسی استفاده شد.
خصوصیاتنانوذرات سنتز شده
با روش دستگاهی FT.IR,XRD,TEM و آنالیز عنصری بررسی شد.

مواد و روشها
سنتز نانوذرات آهن اکسید
برای تهیه نانوذرات از میان روش هنای گون اگون روش م ازارت]16، 17[ انتخاب شد .بر اساس ایننننننننننن روش Fe(Cl)2.4H2O و Fe(Cl)3.6H2Oبه نسبت منولی1:2 در
38 میلیلیتر HCl5/0 مولار که از قبل به واسطه عبور گاز آرگون اکسیژنزدایی شده بود، حنل شند .
مح لول حا صل به سرعت به 375 میلی لیتر آمونیاک7/0 مولار هوا زداینی شنده در دمنای اتنا در حمام فرا صوت تحت تاثیر امواج فرا صوت اضافه شد. با افزودن دو محلول به یکدیگر به سرعت جا مد سیاه رن گی م شاهده شد .مخ لوط بد ست آ مده به مدت 30 دقیقه درون حمام فرا صوت مورد ارتعاش قرار گرفت .پس از این مدت نانو ذرات مغناطیسی حاصل به وسیله آهنربای داینم Nd-Fe-B از درون محلول جدا شدند. برای حذف ناخالصیهنای جنذب شنده روی سطح نانو ذرات مغناطیسی سنتز شده، نانوذرات به 20 میلی لیتر اتانول اضافه شده و به مدت 5 دقیقه در حمام فرا صوت قرار گرفنت. عمنل شستش و بنه وسنیله اتانول دوبار تکرار شد. سپس نانو ذرات سنتز شده به وسیله آهنربا جدا شنده و در گنرمکن خلا خشک شدند.

تثبیت مولکول AMT بر روی نانو ذرات
در ایننن بخننش پننس از سنننتز نانوذرات آهن اکسنید )مگنتینت( نانوذرات در گرمکن خلا خشک شد05/0 گرم از نانو ذرات مگنتیت به 10 میلی لیتر محلول 37 میلی مولارAMTاضافه شده و به مندت 1 ساعت درون تکان دهنده به هم زده و درنهایت، نانو ذرات بدست آمده به کمک آهنربا جدا شندند .بمنظور حنذف مولکنولهنای متصنل نشده بر سطح، نانو ذرات دوبار بننه ترتیننب بننا افننزودن آب و اتانول به نانو ذرات جدا شده از محلنننننول و قنننننرار دادن سوسپانسیون درون حمام فرا صوت ش سته شده و برای ا ستفاده در مراحل بعد خشک گردید.
نانوذرات سنتز شده به کمک روشهای FT.IR,XRD,TEM و آننالیز عنصر مورد بررسی قرار گرفتند.

بررسی مقدار جذب رنگ آبی نیلبا استفاده از نانودرات
در بررسیهای انجام شنده از روش غیر پیوسنته )پیماننهای( استفاده شد. دراین حالت، 01/0 گرم جاذب بنه 10 میلنیلیتنر از جذب شونده با غلظت 20 میلیگنرم بنر لیتنر )بنه اسنتثنای منورد برر سی غل ظت( ا ضافه گرد یده و این تعلیق تا زمان تعادل در حمام فراصوت مورد ارتعاش قرار گرف ته ) تن ها در مورد برر سی اثر زمان و تشخیص زمان تعادل در زمنانه ای مشنخص مق داری از نمونننه برداشننته شننده( و سننپس اندازه باقیمانده رنگ آبی نینل تعیین و با استفاده از معادله 1 اندازه رنگ جذب شده روی جاذب مشخص گردید.

32بررسی سینتیک و مدلهای ايزوترمی جذب رنگهایآلی به وسیله نانوذرات مغناطیسی

(1qe=(Co-Ce)(V/W) ( در ایننن معادلننه ،qeظرفیننت تعادلی جذب گونه بر روی سطح جاذب1-V ، mg gحجم محلول بر حسب لیترoCو Ce به ترتیب غلظت اولیه و غلظننننت تعننننادلی برحسننننب 1-mg L و Wوزن جاذب بر حسب گرم است.

بررسیی میدل هیا و اارامترهیایسینتیکی جذب
بمنظور یک برآورد نسبی از سینتیک و در نتیجه، تا حدودی سنناز و کننار جننذب ،منندل هننای گوناگون سینتیکی بررسی شدند. معادله شبه درجه اول عموماً به صننورت معادلننه 2 بیننان مننی شود]18[:
Log (qe – qt) = logqe– k1/2.303 t
دراین معادله1k ثابت سرعت جذب شبه درجه اول (1-qe ،(min و qt به ترتیب مقدار گونه جذب شده به وسیله جاذب بر حسب وزن خشک نانو جاذب) 1-(mg g درلحظه تعادل و در زمان t میباشند.
معادله سرعت سینتیکی شبه درجه دو به صورت معادله 3 می-باشد]19[:
t/qt = 1/k2qe2 +t/qe کننه در آن2k ثابننت سننرعت جننذب برحسب(1-(g mg-1min است.

بررسی ايزوترمهای جذب
برای یافتن بیشترین ظرفیت جذب که یکی از مهمترین پارامترها در طراحی و بررسی سامانه جذبی میباشد، ایزوترم-های تعادلی جذب مورد بررسی قرار گرفتند. در ابتدا رابطه بین غلظت تعادلی رنگ آبی نیل پس از جذب و اندازه جذب بر سطح جاذب بررسی شد. سپس با استفاده از داده های تجربی و معادله ایزوترمهای لانگمویر و فرندلیچ نمودارهای مربوطه رسم و بیشترین ظرفیت جذب محاسبه شد. داده های تعادلی بر اساس معادله خطی لانگمویر که به صورت معادله 4 نشان داه شده است، تحلیل شدند]20[.
Ce/qe = 1/KLqmax + 1/qmaxCe در ایننن معادلننهqe: اننندازه جذب در واحد سطح جاذب در زمان تعادل) 1-:Ce ،(mg gغلظنت تعنادلی نهایی ماده جذب شونده پس ازبرقراری تعادلqmax: ظرفینت جنذب بیشینه) 1-mg g( به صورت تک لایه در سطح جاذب و KL: ثابت تعادلی جذب لانگمویربرحسب (1−(L mg منی-باشند.
مدل فرندلیچ نیز مورد بررسی قرار گرفت. در این مدل فرض بر این است که جایگاههای جذبی گوناگون با کارمایه متفاوت )برای جذب( وجود دارند. معادله خطی جذب فرندلیچ به صورت معادله 5 می باشد]20[:
1 logqe=log KF +

log Ce (5)
nF
در ایننن معادلننه KF ثابننت فرندلیچ یا ترم انرژی می باشد که تابعی از سطح پوشیده شده است.n: کمیت وابسته به گرمنا و ینا شندت جنذب اسنت و/n1 مقندار انحنراف از جنذب خطنی اسنت کنه خننوانی خننوبی بننا طیننف 4Fe3O استاندارد داشت .مشاهده پیک هاي
˚
موج ود در2 براب ر ب ا 4/30، ˚6/35، ˚ 3/43، ˚ 3/57 و˚8/62 طیف دلیل بر تشکیل مگنتیت با فرمول مولکولي 4FeFe2Oدر یک فاز خالص ميباشد .
معیننناری از نننناهمگنی سنننطح میباشد.

نتایج و بحث
بررسیییی خیوتییییات نیییانوذرات مغناطیسی
بمنظور بررسی خلوص فاز طیف
)XRD( نانو جناذب گرفتنه شنده
)شکل 2( و با طیف مرجع مگنتیت کارت شماره) 19-629( از کمیته مشننترک اسننتاندارد هننای پننراش پودری) (JCPDS مقایسنه گردیند. طیفXRD نانو جاذب سنتز شده هنم

33

شکل 2- طیف XRDاز نانوذرات آهن اکسید

تصویر نانو جاذب مغناطیسی آهن اکسید سنتز شده به وسیله
TEMبررسننی شنند )شننکل 3( و بننر اساس نتیجه محاسبات نرم افزار دس تگاه می انگین ان دازه ذرات nm20 تعیین شد.

34بررسی

شکل3-تیوير TEM از نانو ذرات مگنتیت
طیفFT-IR نانوجاذب گرفته شده که در) شکل4( ر سم شده ا ست .نوار جذبی قوی م شاهده شده در ناحیه1-cm 580-610 و1-cm410-440 متعلق به پیوند های Fe-O مگنتیت است پیکهای مربنوط بنه مولکنول AMT )شننکل4( در ناحیننه1-cm2500 تننا3000 مربننوط بننه ارتعاشننات پیون دهایC-H موج ود در حلق ه هتروسیکل با کمنی جابنهجنایی و کاهش در شدت آنها در طیف مربوط به Fe3O4/AMT نیز دیده میشوند . پینکه ای موجنود در ناحی ه حدود 1-cm1126و 1490 که در طیف نانوذرات اصلاح شده با مقداری جابهجایی نسبت به طینف مولکنول خالص AMTدیده میشود به ترتینب مربننوط بننه پیننکهننای ارتعاشننی پیوندهنایN-N و C=N موجنود در حلقهی تیادیازول میباشند. پینک در ناحیه1-cm 3263 نشان دهننده حضور 2NH در سطح نانوذرات مني-باشد]20و10[.
35

شکل 4- طیفFT-IR نانو ذرات مگنتیت ، نانو ذرات Fe3O4/AMT و مولکول خالص
پیک ضعیف در ناحیه 2547 تا 2600 حضور SH آزاد را در طینف مولکول خالص AMT نشان میدهند .این پیک در مگنتیت اصلاح شده نیز به صورت پیک ضعیفی مشاهده میشود. حضور گروههنای2NH و SH آزاد نشان میدهد] 10[ کنه بنین ن انوذرات مغناطیس ی و مولک ول AMT پیون د کووالانسننی برقننرار ن شده و مول کول آ لی به صورت فیزیکی با پیوندهای هیدروژنيبه سطح نانوذرات متصل شدهاند.
بننرای اطمینننان از تثبیننت مولکول AMT بر سنطح مگنتینت و همچنین، تعیین مقدارAMT تثبیت شننده بننر سننطح از روش آنننالیز عنصری )کربن، هیدروژن، نیتروژن 2بررسی
و گوگرد( استفاده شد. نتایج ا ین آ نالیز در جدول 1 ارا یه شده است.

36بررسی
جدول 1- آنالیز عنیری (Fe3O4/AMT-MNP)
C H N S عناصر
5.8 0.88 8.83 14.11 مقدار تجربی
0.32 0.04 0.34 0.5 انحراف
استاندارد

تاثیر عوامل گوناگون بر جذب رنگ آلی آبی نیل به وسیله نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4/AMT
برای بدست آوردن جذب بهینه و عوامل موثر بر جذب رنگ آلی آبی نیل روی نانو ذرات مغناطیسی آهن اکسید عوامل زیر بررسی شد.

بررسی اثرPH

شکل 5- اثر pH بر روی کارايی حذف رنگ آبی نیل

اثرPH روی کارآیی حذف رننگ آبی نیل در گستره 9-5 بررسی شد)نمودادر شکل 5( بر اساس نتایج بدست آمده مشخص گردید که با افننزایش از PHبرابننر 5 تنناpH برابر 7 آبی نیل به دلیل وجود گروههنای پروتنون بنر روی سنطح دارای بار مثبت و و با توجه به تمایل نانوجاذب اصلاح شده به جذب بار مثبت مقدار جذب افزایش می یابد.

درpH هننای کننمتننر از 7 و محیطهای اسیدی به دلیل وجنود+H این پروتون با آبی نیل رقابت کرده و از مقدار جذب آبی نیلبر روی نانوجاذب کاسته میشنود. با توجه به نتایج 7pH=به عنوان pH بهینننه بننرای ادامننه کننار انتخاب شد.

اثر غلظت رنگ آبی نیل بر مقدار حذف اين رنگ به وسیله نانو ذرات مغناطیسی آهن
شکل 6- تاثیر غلظت اولیه بر مقدار جذب رنگ آبی نیل
مجله مواد نوين/ جلد 5/شماره 4/ تابستان 1394 37

4649472048301

برای این منظور، شش محلول در غلظتهای گوناگون از 5 تا 40 بر حسنب ppm از رننگ آبنی نینل ساخته شد. یک می لی لی تر از محلننول را بننه عنننوان شنناهد برداشته و سپس به 10 میلی لیتراز محلول با غلظتهنای مشنخص از رنگ 01/0 گنرم ننانو ذره عامنلدارشنده بنا تینازول را اضنافه کرده و پس از جداسازی نانو ذره به وسیله آهنربا مقدار جذب بنا اس نننننتفاده از دس نننننتگاه اسپکتروفتومتر اندازهگیری شند .عموم اً در بیشتر موارد جنذب روی سننطح جنناذب بننا افننزایش غلظننت افزایش مییابد تا جایی که سنطح نانو جاذب اشباع شود که در این حالت با افزایش غلظت تغییری درمقدار جذب مشاهده نمیشود. اینن حالت در صنورتی رخ منیدهند کنه تمام جایگاههای جذب در جاذب به وسیله جاذب اشنغال منیشنود کنه گفته میشود جاذب اشباع شده است )شکل 6(.

اثر زمان بر فرايند جذب
اثر زمان روی کارایی حذف رنگ آلی آبی نیل در گستره 100-1 دقیقه بررسی شد )نمودار7( بر اساس نتایج بدست آمده ملاحظه شد که تا زمان 30 دقیقه بیشترین مقدار جذب رنگ آلی آبی نیل از آب بوده است. در منحنی جذب آبی نیل روی جاذب جدید سه مرحله وجود دارد ه هر مرحله بیانگر یك فرایند است.
مجله مواد نوين/ جلد 5/شماره 4/ تابستان 1394 1

.

.

شکل 7- اثر زمان روی کارايی حذف
حالت نشان مي دهد که جذب به تعادل رسیده است.

بررسیی میدل هیا و اارامترهیای سینتیک جذب
13893807758004



قیمت: تومان


پاسخ دهید