c (3194)

By92

c (3194)

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد شاهرود
گروه مهندسی شیمی-پلیمر
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد”M.Sc.”
عنوان:
تهیه نانولوله کربنی چند دیواره پوشش داده‌شده با پلی آنیلین به‌عنوان جاذب جهت حذف سریع رنگزای آبی مستقیم 199 از پساب‌های صنعتی
استاد راهنما:
دکتر علی شکوهی راد
استاد مشاور:
دکتر علی میرابی
نگارش:
مجتبی محمدی اندارگلی
مهر 1393
ISLAMIC AZAD UNIVERSITY
Shahrood Branch
Faculty of Science- Dempartment of Chimical Engineering
((M.Sc.)) Thesis
On polymer
Subject:
Preparation of modified multi wall carbon nano tube coated with polyaniline as sorbent for fast removal of direct blue 199 dye from wastewaters
Thesis Adviser:
Dr. Ali Shokohi Rad
Consulting Advisor:
Dr Ali Mirabi
By:
Mojtaba Mohammadi Andargoli
Summer 2014
سپاسگزاری
با تشکر و سپاس فراوان از:
*استاد راهنمای محترم آقای دکتر علی شکوهی راد و استاد مشاور محترم آقای دکتر علی میرابی که زحمت راهنمایی و مشاوره این پایان‌نامه را تقبل فرمودند.
*کلیه اساتید محترم گروه مهندسی شیمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شاهرود که در طی دوران تحصیل از محضرشان کسب فیض نمودم.
*کلیه همکاران گرامی آزمایشگاه گروه شیمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد قائم‌شهر.
و از خداوند منان سلامتی و توفیق روزافزون برای همه‌کسانی که در انجام این پایان‌نامه مرا یاری نموده‌اند را خواستارم.
تقدیم به
تقدیم به:
مادر مهربان
و
پدر عزیزم.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده………………………………………………………………………………………………1
فصل اول: کلیات تحقیق
1-1- مقدمه……………………………………………………………………………………3
1-2- بیان مسئله……………………………………………………………………………….4
1-3- سوابق مربوطه……………………………………………………………………………….4
1-4- فرضیه‌ها…………………………………………………………………………………5
1-5- اهداف تحقیق………………………………………………………………………………………5
1-6- جنبه نوآوری تحقیق……………………………………………………………5
فصل دوم: ادبیات و پیشینه تحقیق
2-1- تعریف اصطلاحات متغیرها…………………………………………………..7
2-1-1- مقدمه ای بر آلاینده های آب……………………………………………………..7
2-1-2- رنگ…………………………………………………………………………………..7
2-1-2-1- رنگزا، رنگینه و رنگدانه……………………………………………………………9
2-1-2-2- طبقه‌بندی مواد رنگزا……………………………………………………………..10
2-1-2-2-1- طبقه‌بندی مواد رنگزا طبق ساختار شیمیایی………………………………..10
2-1-2-2-1-1- مواد رنگزای آزو…………………………………………………..10
2-1-2-2-1-2- مواد رنگزای آنتراکینون…………………………………………11
2-1-2-2-1-3- مواد رنگزای ایندیگوئید……………………………………….11
2-1-2-2-2- طبقه‌بندی مواد رنگزا برحسب کاربرد………………………………12
2-1-2-2-2-1- مواد رنگزای گروه اول…………………………………………..12
2-1-2-2-2-1-1- مواد رنگزای اسیدی……………………………………………..12
2-1-2-2-2-1-2- مواد رنگزای مستقیم……………………………………………………13
2-1-2-2-2-1-2-1- رنگزای آبی مستقیم 199…………………………………………….14
2-1-2-2-2-1-3- مواد رنگزای بازیک……………………………………………….14
2-1-2-2-2-1-4- مواد رنگرزی دیسپرس…………………………………………..15
2-1-2-2-2-2- مواد رنگزای گروه دوم………………………………………………….16
2-1-2-2-2-2-1- مواد رنگزای گوگردی……………………………………………16
2-1-2-2-2-2-2- مواد رنگزای خمی…………………………………………16
2-1-2-2-2-2-3- مواد رنگزای آزوئیک………………………………………..17
2-1-2-2-2-2-4- مواد رنگزای اینگرین…………………………………………..17
2-1-2-2-2-2-5- مواد رنگزای اکسیداسیون………………………………………..17
2-1-2-2-2-2-6- مواد رنگزای راکتیو……………………………………………….18
2-1-2-2-2-2-7- مواد رنگزای کرومی (مواد رنگزای دندانه‌ای)……………………..18
2-1-2-2-2-2-8- پیگمنت ها……………………………………………………….19
2-1-3- انواع روش‌های حذف مواد از آب………………………………….20
2-1-3-1- روش شیمیایی…………………………………………………………..20
2-1-3-2- روش فیزیکی……………………………………………………………………..21
2-1-3-3- روش بیولوژیکی…………………………………………………………21
2-1-3-4- انواع روش‌های حذف رنگ از پساب………………………………………..21
2-1-3-4-1- روش بیولوژیکی…………………………………………………………………21
2-1-3-4-2- روش‌های شیمیایی…………………………………………………….22
2-1-3-4-2-1- روش الکتروشیمیایی…………………………………………………22
2-1-3-4-2-2- روش انعقاد و لخته سازی……………………………………………..22
2-1-3-4-2-3- روش اکسیداسیون…………………………………………………..22
2-1-3-4-2-3-1- اکسیداسیون با ازن……………………………………………………22
2-1-3-4-2-3-2- استفاده از فرآیندهای فوتولیز و التراسونولیز…………………22
2-1-3-4-2-3-3- اکسیداسیون با فرآیندهای فوتوفنتون………………………………..23
2-1-3-4-2-4- روش تصفیه الکتروکواگولاسیون…………………………………23
2-1-3-4-3- روش‌های فیزیکی………………………………………………………..23
2-1-3-4-3-1- جذب سطحی…………………………………………………………..23
2-1-3-4-3-2- تئوری جذب سطحی………………………………………………….24
2-1-3-4-3-3- عوامل مؤثر برجذب سطحی………………………………………………..24
2-1-3-4-3-3-1- اختلاط………………………………………………………………..24
2-1-3-4-3-3-2- خواص و نوع جاذب……………………………………………….24
2-1-3-4-3-3-3- اندازه ذرات جذب‌شونده…………………………………………..25
2-1-3-4-3-3-4- PH ………………………………………………………………………25
2-1-3-4-3-3-5- وزن مولکولی…………………………………………………………25
2-1-3-4-3-3-6- دما…………………………………………………………….25
2-1-3-4-3-3-7- نیروهای کنترل‌کننده جذب سطحی………………………………26
2-1-3-4-3-4- حذف رنگ با استفاده از کربن فعال………………………………….27
2-1-3-4-3-5- حذف رنگ توسط جاذب کیتوسان…………………………….27
2-1-4-نانو جاذب……………………………………………………………….27
2-1-4-1- ویژگی یک جاذب مطلوب………………………………………………….28
2-1-5-کامپوزیت……………………………………………………………………..28
2-1-6-نانوکامپوزیت…………………………………………………………..28
2-1-6-1- طبقه‌بندی نانو کامپوزیت‌ها………………………………………..28
2-1-6-1-1- نانو کامپوزیت‌های پایه پلیمری…………………………………..29
2-1-6-1-2- نانو کامپوزیت‌های پایه سرامیکی………………………………………………29
2-1-6-1-3- نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی…………………………………………..30
2-1-7- نانولوله‌های کربنی………………………………………………………………….30
2-1-7-1- انواع نانولوله های کربنی…………………………………………………..33
2-1-7-1-1- نانولوله کربنی تک جداره………………………………………………….33
2-1-7-1-2- نانولوله کربنی چند جداره………………………………………………35
2-1-7-1-3- فولرایت……………………………………………………..36
2-1-7-1-4- متخلخل یا حلقه‌ای (Nano Torus)……………………………36
2-1-7-1-5- ساختارهای غیر ایده آل…………………………………………36
2-1-7-2- خواص نانولوله‌ها…………………………………….37
2-1-7-2-1- واکنش‌پذیری شیمیایی……………………………………………………………37
2-1-7-2-2- استحکام ومقاومت…………………………………………………………….37
2-1-7-2-3- خواص حرکتی……………………………………………………….39
2-1-7-2-4- خواص الکتریکی…………………………………………………………39
2-1-7-2-5- خواص حرارتی………………………………………………………………….40
2-1-7-2-6- تأثیر نقایص بر خواص……………………………………………………………..40
2-1-7-2-7- رفتار الاستیکی نانولوله………………………………………………………………41
2-1-7-3- روش‌های ساخت…………………………………………………………………………..42
2-1-7-3-1- مکانیزم رشد………………………………………………………………43
2-1-7-3-2- روش قوس الکتریکی………………………………………………….44
2-1-7-3-3- تبخیر لیزری…………………………………………………………………45
2-1-7-3-4- رسوب بخار شیمیایی(CVD)………………………………………….46
2-1-7-3-5- سایش از طریق آسیاب گلوله‌ای…………………………………..48
2-1-7-4- خالص‌سازی نانولوله های کربنی…………………………………………..49
2-1-8- پلی آنیلین…………………………………………………………………………….51
2-1-8-1- معایب پلی آنیلین………………………………………………………..52
2-1-8-2- تحقیقات انجام‌شده با کامپوزیت‌های بر پایه پلی آنیلین………………………52
2-1-8-3- مقایسه پذیری روش‌ها……………………………………………….52
فصل سوم: روش تحقیق
3-1- خلاصه……………………………………………………………………………..54
3-2- مواد موردنیاز و تهیه محلول‌ها…………………………………………………. 54
3-2-1- مواد موردنیاز……………………………………………………………………54
3-2-2- تهیه محلول‌ها…………………………………………………………………..55
3-2-2-1- سدیم هیدروکسید 1 مولار (جهت تنظیم PH)…………………………………55
3-2-2-2- هیدروکلریک اسید 1 مولار (جهت تنظیم PH)……………………………………….55
3-2-2-3- تهیه 100 میلی‌لیتر محلول سولفوریک اسید 1 مولار……………………………….56
3-3- ابزارها ودستگاه ها………………………………………………………56
-4- روش کار……………………………………………………………………………………….56
3-4-1- تهیه نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT ……………………………………………57
3-4-2- تهیه محلول استاندارد رنگزای آبی مستقیم 199………………………………….57
3-4-3- تعیین طول‌موج ماکزیمم…………………………………………………………………….57
3-4-4- مرحله جذب سطحی………………………………………………………….57
3-4-5- شناسایی و تأیید نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT …………………………58
3-4-5-1- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………………………58
3-4-5-2- طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)……………………………..58
3-5- بهینه‌سازی پارامترهای مختلف مؤثر بر حذف رنگ…………………………..59
3-5-1- بررسی اثر PH…………………………………………………………….59
3-5-2- بررسی مقدار بهینه نانو جاذب……………………………………………………..59
3-5-3- بررسی اثر زمان تماس در دماهای مختلف…………………………………………….60
3-5-4- بررسی اثر غلظت در دماهای مختلف…………………………………………..60
3-6- تعیین منحنی کالیبراسیون……………………………………………………61
3-7- ایزوترم جذب………………………………………………………………………….61
3-8- سینتیک جذب……………………………………………………………….62
3-9- ترمودینامیک………………………………………………………….62
فصل چهارم: تجزیه‌وتحلیل داده‌ها
4-1- نتایج حاصل از بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر حذف رنگزای آبی مستقیم 199 توسط نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT………………………………………………………….64
4-1-1- بررسی اثر PH…………………………………………………………………64
4-1-2- بررسی مقدار نانو جاذب……………………………………………………….64
4-1-3- بررسی اثر زمان تماس در دماهای مختلف…………………………………….65
4-1-4- بررسی اثر غلظت در زمان‌های مختلف…………………………………..66
4-2- منحنی کالیبراسیون………………………………………………………………..68
4-3- داده‌های مربوط به‌رسم منحنی ایزوترم جذب رنگزای آبی مستقیم 199……………….69
4-4- داده‌های مربوط به‌رسم منحنی سینتیک جذب………………………………….69
4-5- داده‌های مربوط به‌رسم منحنی ترمودینامیکی………………………………70
فصل پنجم: بحث، نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌هات
5-1- بررسی مورفولوژی سطح MWCNT………………………………..72
5-2- طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) …………………………72
5-3- بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر حذف رنگزای آبی مستقیم 199………………………..73
5-3-1- تعیین PH بهینه………………………………………………………………………..73
5-3-2- تأثیر مقدار نانو جاذب……………………………………………….74
5-3-3- تأثیر زمان تماس بر حذف رنگزا………………………………………………..75
5-4- رسم منحنی کالیبراسیون و تعیین محدوده خطی……………………………….76
5-5- ایزوترم های جذب………………………………………………………………76
5-5-1- ایزوترم جذب لانگمویر………………………………………………………..76
5-5-1-1- روش اول: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199 …………78
5-5-1-2- روش دوم: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199………….79
5-5-1-3- روش سوم: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199…………80
5-5-1-4- روش چهارم: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199………81
5-5-2- ایزوترم جذب فرندلیش………………………………………………………..82
5-6- سینتیک جذب
5-7- بررسی ترمودینامیکی…………………………………………………………….86
5-8- بحث و نتیجه‌گیری………………………………………………………………….88
5-9- پیشنهادات…………………………………………………………………….88
منابع و مأخذ…………………………………………………………………90
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- رابطه بین رنگ جذب‌شده و رنگی که دیده می‌شود…………………………..8
جدول 3-1 مشخصات MWCNT ……………………………………………….54
جدول 3-2 مشخصات رنگزای آبی مستقیم 199 ……………………………………….55
جدول 4-1 نتـایج حاصـل از بررسـی اثـر PH بر حذف رنگــزا برای نانو کامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………….64
جدول 4-2 نتایج حاصل از بررسی اثر مقدار نانو جاذب پلی آنیلین/ MWCNT در حذف رنگزا………65
جدول4-3 نتایج حاصل از بررسی اثر زمان تماس نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº25………………………………………………….65
جدول 4-4 نتایج حاصل از بررسی اثر زمان تماس نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº35………………………………………………………………………………………66
جدول 4-5 نتایج حاصل از بررسی اثر زمان تماس نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº45…………………………………………………………………………………………..66
جدول 4-6 نتایج حاصل از بررسی اثر غلظت در زمان 90 دقیقه، PH=5 و مقدار جاذب 1/0 گرم برای نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº25 …………………………….67
جدول 4-7 نتایج حاصل از بررسی اثر غلظت در زمان 90 دقیقه، PH=5 و مقدار جاذب 1/0 گرم برای نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº35 ………………………………….67
جدول 4-8 نتایج حاصل از بررسی اثر غلظت در زمان 90 دقیقه، PH=5 و مقدار جاذب 1/0 گرم برای نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº45 ……………………………..68
جدول 4-9 نتایج حاصل از بررسی گستره خطی مربوط به رنگزای آبی مستقیم 199 ………………………..68
جدول 4-10 نتایج به‌دست‌آمده جهت رسم منحنی ایزوترم رنگزای آبی مستقیم 199 ……………………….69
جدول 4-11 نتایج به‌دست‌آمده برای رسم منحنی سینتیک جذب رنگزای آبی مستقیم 199 ……………….69
جدول 4-12 نتایج به‌دست‌آمده برای رسم منحنی ترمودینامیکی رنگزای آبی مستقیم 199 …………………70
جدول 5-1 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-2 ………………………………………………………..78
جدول 5-2 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-3 ……………79
جدول 5-3 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-4 …………….80
جدول 5-4 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-5 ………………………….81
جدول 5-5 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب فرندلیش برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT ……………………………………………………83
جدول 5-6 مقادیر پارامترهای سینیتیکی جذب رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT بر اساس مدل شبه درجه اول و شبه درجه دوم………………………………………………….84
جدول 5-7 مقادیر پارامترهای مختلف ترمودینامیکی جهت جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT …………………………………..87
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 5-1 تأثیر PH برجذب رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………………………………….73
نمودار 5-2 تأثیر مقدار جاذب بر روی حذف ماده رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………………………..74
نمودار 5-3 نمودار تأثیر زمان تماس بر میزان حذف ماده رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT………………………………………………75
نمودار 5-4 نمودار منحنی کالیبراسیون رنگزای آبی مستقیم 199……………………………………………………..76
نمودار 5-5 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………………………………………….78
نمودار 5-6 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………………………………….79
نمودار 5-7 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT………………………………………………………………………80
نمودار 5-8 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………………………………………….81
نمودار 5-9 ایزوترم جذب فرندلیش برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT ………………………………………………………………….83
نمودار 5-10 منحنی سینتیکی جذب بر اساس مدل شبه درجه اول برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………85
نمودار 5-11 منحنی سینتیکی جذب بر اساس مدل شبه درجه دوم برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………85
نمودار 5-12 منحنی ترمودینامیکی برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………..87
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 ساختار کلی یک ماده رنگزای آزو ………………………………10
شکل 2-2 ساختار آنتراکینون ……………………………………………………………..11
شکل 2-3 ساختار کلی یک ماده رنگزای ایندیگو …………………………………12
شکل 2-4 ساختار شیمیایی دو رنگ‌دانه اسیدی ……………………………………………13
شکل 2-5 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Direct red 80 ………………………..14
شکل 2-6 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Basic blue 3 ……………………………..15
شکل 2-7 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Disperse blue 56 ……………………………….15
شکل 2-8 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Disperse red 1 ………………………………16
شکل 2-9 واکنش احیا و اکسیداسیون در رنگینه های خمی ………………………..17
شکل 2-10 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Reactive orange 16 …………………..18
شکل 2-11ساختار شیمیایی یک رنگینه کرومی ……………………………………..19
شکل 2-12 گرافیت ………………………………………………………………….31
شکل 2-13 الماس……………………………………………………………………31
شکل 2-14 لانسدیلایت…………………………………………………….31
شکل 2-15پدیده کنگره‌ای شدن (تبدیل ساختارهای پنج‌ضلعی و هفت‌ضلعی) تحت بارهای محوری…..35
شکل 2-16 سطح مقطع دسته نانولوله‌ها……………………………………………35
شکل 2-17 تولید ناخواسته اتصالات T شکل، Y شکل و یک چهارراهی………………37
شکل 2-18 درپوش نانولوله در زوایای مختلف…………………………………….38
شکل 2-19 واکنش نانولوله تک جداره تحت انواع بارمحوری فشاری………………….39
شکل 2-20 یک ترانزیستور نانولوله‌ای……………………………………………40
شکل 2-21 نمای شماتیک از روش تخلیه قوس الکتریکی…………………….45
شکل 2-22 مکانیسم تشکیل نانولوله کربنی……………………………………………….46
شکل 2-23 تبخیر لیزری یک هدف گرافیتی……………………………………………48
شکل 2-24 ساختار پلی آنیلین ………………………………………………………………51
شکل 3-1 ساختار شیمیایی رنگزای مستقیم آبی 199 ……………………………………..55
شکل 3-2 میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ………………………………….58
شکل 3-3 طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) ………………………………58
شکل 5-1- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از MWCNT………….72
شکل 5-2 طیف FT-IR برای پلی آنیلین ……………………………………….72
چکیده
در این مطالعه، کاربرد نانولوله کربنی پوشش داده‌شده با پلی آنیلین برای حذف سریع رنگزای آبی مستقیم 199 از محلول‌های آبی موردمطالعه قرار گرفت. تأثیر متغیرهای مؤثر بر فرآیند رنگ‌بری نظیر مقدار جاذب، غلظت رنگزا، PH محلول و زمان تماس بررسی شد.
نانولوله کربنی تهیه و نشاندن پلیمر آنیلین بر روی آن توسط تکنیک‌های SEM و FT-IR تأیید شدند. ایزوترم حالت تعادل با مدل‌های جذب لانگمویر و فرندلیش بررسی گردید. نتایج نشان داد که رنگزای آبی مستقیم 199 از ایزوترم لانگمویر تبعیت می‌کند. مدل شبه مرتبه اول و دوم برای بررسی سینتیک داده‌ها استفاده شد. فرآیند جذب رنگزای آبی مستقیم 199 از معادلة سینتیکی شبه مرتبه دوم تبعیت می‌کند که نشان می‌دهد فرآیند بوسیله جذب فیزیکی قابل‌کنترل است. در این تحقیق مشخص شد که واکنش خود به خودی است. نتایج نشان می‌دهد که نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT می‌تواند به‌عنوان یک جاذب کارآمد برای حذف رنگزای آبی مستقیم 199 از محلول‌های آبی مورداستفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت، MWCNT، پلی آنیلین، رنگزای آبی مستقیم 199، جذب سطحی، ایزوترم جذب
فصل اول
کلیات تحقیق
1-1- مقدمه
آب حیاتی‌ترین ماده ایست که انسان به آن نیازدارد، لذا کیفیت آن‌یکی از دغدغه‌های همیشگی بشر بوده است. به‌رغم منابع بالقوه عظیم موجود، در بسیاری از بخش‌های جهان آب خالص برای برآوردن نیازهای آدمی ناکافی می‌باشد. این وضع تا حدی به سبب تغییر الگوهای مصرف و نیز پیشرفت‌های صنعتی و کشاورزی و رشد جمعیت جهان می‌باشد. به‌رغم اینکه تقریباً سه‌چهارم سطح زمین را آب تشکیل می‌دهد، ولی اکثر این آب‌ها به دلایل مختلف قابل‌استفاده نیستند و تنها بخش کوچکی از آن کاربرد دارد [8]. امروزه صنعت نساجی در جهان و در کشور ما به‌شدت گسترش‌یافته است و با مصرف هزاران نوع مواد شیمیایی رنگزا، حدود ده هزار رنگ مختلف با تولید جهانی سالیانه بیش از 700 هزار تن رنگ تولید می‌کنند. ازاین‌رو مقدار حدود 10%-5% از طریق پساب صنعت نساجی و رنگرزی وارد محیط‌زیست می‌گردد[112،93]. رنگزاها و پیگمان های شیمیایی و طبیعی زیادی نظیر رنگزای مستقیم به‌منظور رنگرزی در صنایع نساجی مورداستفاده قرار می‌گیرند [89]. رنگزاهای مستقیم دارای گروه سولفونات در ساختار خود بوده و جزء رنگزاهای آنیونیک محسوب می‌شوند. از این رنگزا عموماً برای رنگرزی کالاهای سلولزی استفاده می‌شود [3]. در کنار توسعه صنعت رنگرزی، حجم بالایی از فاضلاب حاوی رنگ نیز تولید می‌گردد [65]. تخلیه پساب‌های تصفیه نشده و یا با تصفیه ناکافی حاوی مواد رنگزا می‌تواند باعث اختلالاتی در محیط‌زیست شود. این رنگ‌ها عموماً با فیبرهای نساجی نظیر کتان پیوند کووالانسی برقرار می‌کنند و به دلیل قابلیت تجزیه‌پذیری کم و استفاده گسترده از آن‌ها، سبب تأثیراتی بر فرآیندهای متداول تصفیه پساب صنایع نساجی در چند دهة اخیر شده است[114،50]. امروزه تخلیه پساب این صنایع به آب‌های طبیعی باعث مشکلات جدی شده است. این ترکیبات رنگی برای زندگی آبزیان سمی بوده و باعث تخریب محیط‌زیست می‌گردند و در سال‌های اخیر قوانین مرتبط با آلاینده‌های رنگی در سراسر دنیا روزبه‌روز سخت‌گیرانه‌تر شده‌اند[97،89،59].حضور آلاینده‌های رنگی حتی در مقادیر کمتر از یک میلی‌گرم در لیتر ازنظر ظاهری مهم و قابل‌رؤیت می‌باشند[72]. کنترل آلودگی پساب‌های صنعتی در سال‌های اخیر بیشتر موردتوجه عمومی و سازمان‌های طرفدار محیط‌زیست قرارگرفته است.
1-2- بیان مسئله
در طول سالیان دراز آلودگی آب یکی از مسائل مهمی است که موردتوجه محققین قرارگرفته است. روش‌های متنوعی جهت حذف آلودگی آن، بکار رفته است. رنگزا اولین آلاینده شناخته‌شده در پساب‌ها است. این مواد به دلیل دارا بودن ترکیبات پیچیده آلی، در برابر نور، شستشو و حملات میکروبی مقاوم هستند. به همین دلیل، به‌راحتی قابل‌تجزیه نیستند. پساب‌های رنگرزی صنایع نساجی، یکی از بزرگ‌ترین منابع آلودگی هستند که اثرات مخربی را به محیط‌زیست وارد می‌کنند، لذا تصفیه و حذف رنگ‌زاهای موجود در پساب‌های حاصل از فعالیت‌های صنایع نساجی حائز اهمیت فراوان است. در طول سال‌های گذشته روش‌های متنوعی جهت حذف مواد رنگزا از آب بکار رفته است. جدیدترین روش برای حذف رنگزا بر اساس فناوری نانو می‌باشد. در این تحقیق از نانوکامپوزیت ها به‌عنوان نانو جاذب‌های قوی جهت حذف مواد رنگزا استفاده می‌شود.
1-3- سوابق مربوطه
روش‌های شیمیایی و فیزیکی زیادی نظیر انعقاد شیمیایی، اکسیداسیون، جداسازی غشایی و روش‌های متداول بیولوژیکی برای حذف مواد رنگزا از پساب صنایع نساجی موردبررسی قرارگرفته‌اند. هرچند این روش‌های بیولوژیکی و شیمیایی روش‌های مؤثری در حذف مواد رنگزا می‌باشند، اما نیازمند تجهیزات و انرژی زیادی بوده یا فاقد توجیه اقتصادی می‌باشند و اغلب باعث تولید محصولات جانبی نامطلوبی می‌گردند [75،37]. امروزه فرآیند جذب سطحی به دلیل کارآمد بودن، طراحی ساده و هزینه کم به‌عنوان گزینه‌ای جهت حذف بهینة مواد رنگزا در محلول‌های آبی مطرح است. این روش توانایی حذف ترکیبات آلی و غیرآلی نظیر فلزات، مواد رنگزا و ترکیبات تولیدکننده بو را دارا می‌باشند [41]. برای حذف رنگ از پساب جاذب‌های متعددی مانند جلبک، پوسته گندم، پوسته برنج، پوسته بادام‌زمینی، الیاف شیشه، کنجالة پوست سویا، پوست پرتقال و کیتوسان مورداستفاده قرارگرفته است [85،74،32،29،24]. استفاده از نانوکامپوزیت ها برای جذب مواد آلاینده از پساب نسبتاً جدید می‌باشد [99،98].
براین اساس نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT سنتز شده و مستقیماً جهت حذف رنگزای مستقیم آبی 199 از پساب مورداستفاده قرار خواهد گرفت. ایدة اصلاح سطح این دسته از مواد جاذب در طی چند سال اخیر مطرح‌شده است و هنوز کارهای تحقیقاتی چندانی بر روی سطح نانوکامپوزیت MWCNT به ثبت نرسیده است.
1-4- فرضیه‌ها
1- با بهینه کردن نانو جاذب MWCNT و تهیة نانو کامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT میزان حذف رنگزای مستقیم آبی 199 تغییر می‌کند.
2- به کمک نانوکامپوزیت پلی آنیلین/ MWCNT می‌توان رنگزای مستقیم آبی 199 را از محیط‌های آبی به‌خوبی حذف کرد.
3- در حذف رنگزای مستقیم آبی 199 از محیط‌های آبی، پارامترهایی چون: PH، غلظت رنگزا، مقدار نانو جاذب و زمان فرآیند مؤثر بوده و بهینه می‌گردند.
1-5- اهداف تحقیق
هدف علمی تحقیق: دستیابی به روشی سریع، کم‌هزینه، بدون استفاده از حلال آلی و درعین‌حال روشی با کارایی بالا جهت حذف رنگ از محلول‌های آبی است.
اهداف کاربردی تحقیق: حذف رنگزای مستقیم آبی 199 از محیط‌های آبی با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT.
1-6- جنبه نوآوری تحقیق
در این کار از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT برای حذف رنگزای آبی مستقیم 199 استفاده می‌شود. شایان‌ذکر است که از این جاذب برای حذف رنگزای مستقیم آبی 199 از محیط‌های آبی اولین بار در این پروژه مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.
فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
2-1- تعریف اصطلاحات و متغیرها
2-1-1- مقدمه‌ای بر آلاینده‌های آب
امروزه به دلیل رشد فزاینده جمعیت وگسترش روزافزون واحدهای صنعتی و با توجه به محدود بودن منابع آب، تولید پساب‌های صنعتی و آلودگی منابع آبی یکی از مشکلات مهم اجتماعی و اقتصادی محسوب می‌شود[80،12،54،88]. تخلیه پساب‌های رنگی و غیر رنگی صنایع مختلف مانند، نساجی، کاغذسازی، آرایشی و بهداشتی، کشاورزی، پلاستیک و چرم، معضلات زیست‌محیطی شدیدی را به وجود می‌آورد[71،62]. از میان صنایع مختلف صنعت نساجی در سال‌های اخیر گسترش روزافزونی داشته است. تحقیقات نشان می‌دهد که سالانه حدود 40 میلیون تن منسوجات در جهان تولید می‌شود که پساب تولیدی این صنایع حدود 4 تا 8 میلیون مترمکعب در سال می‌باشد[24،109،70]. این پساب‌ها حاوی مواد رنگزای شیمیایی هستند که در مقابل فرآیندهای تجزیه بیولوژیکی مقاوم هستند. وجود رنگزا در پساب، مانع نفوذ نور خورشید به داخل آب می‌شود و سرعت فرآیندهای فتو سینتیک در آب‌های سطحی کاهش می‌یابد. علاوه بر آن اکثر رنگ‌های مصرفی نساجی منشا آلی داشته و عمدتاً از نمک‌های دی آزو، فتالوسیانین و آنتراکینون که دارای حلقة بنزن است، تهیه می‌شوند که بسیاری از این رنگزا ها دارای اثرات سرطان‌زایی بوده و در بسیاری از موارد، مولد بروز جهش‌های ژنتیکی در موجودات زنده هستند [51،81،42،34،104،110]. اغلب رنگ‌های مورداستفاده صنایع نساجی به دلیل ایجاد کمپلکس های قوی، غیرقابل تجزیة بیولوژیکی بوده و فرآیندهای تصفیة متداول پساب مانند انعقاد ولخته سازی، ترسیب شیمیایی روش مؤثری برای حذف آن‌ها محسوب نمی‌گردد. هم‌چنین این روش‌ها معمولاً تولید مقادیر قابل‌توجهی لجن می‌نمایند که مشکلات زیست‌محیطی دیگری را به دنبال داشته و در غلظت‌های کم، سینتیک واکنش کند بوده و میزان غلظت باقیمانده رنگ هنگام تخلیة بیشتر از حد مجاز خواهد بود[45]. فرآیندهای پیشرفته نیز اغلب هزینه‌بر بوده و راهبری آن‌ها نیاز به نیروی متخصص دارد. وجود چنین مشکلاتی همواره محققین را بر آن داشته که به دنبال روش‌های جدید در این زمینه باشند[91].
2-1-2- رنگ
ناحیه نامرئی امواج الکترومغناطیس شامل طول‌موج‌های محدود 400nm تا 800nm است. تابش پایین‌تر از 400nm قابل‌رؤیت نیست و در ناحیه ماورای بنفش قرار دارد. تابش بالاتر از 800nm قابل‌رؤیت نیست و در ناحیه مادون‌قرمز قرار دارد. نور سفید یعنی تابشی که تقریباً به‌طور یکنواخت در گستره 400 تا 800nm گسترده است، چنانچه از یک منشور یا یک شبکه پراش عبور کند، به طیف‌های رنگی که عبارت‌اند از: بنفش، نیلی، آبی، زرد، نارنجی و قرمز تجزیه می‌شود.
زمانی که یک سطح رنگی، به‌وسیله یک دسته شعاع نور سفید روشن می‌شود، تعداد معینی از طول‌موج‌ها جذب می‌شوند و نور بازتابیده که فاقد تابش‌های جذب‌شده است، روی قسمت شبکیه یک‌چشم معمولی، اثر می‌گذارد. نتایج حاصل از تجربیات معمول نشان می‌دهند که، اگر یک شیء رنگی ثابت تحت تابش نورهای مختلفی مانند نور روز، لامپ بخار جیوه، نور سدیم و یا نورهای مصنوعی دیگر واقع شود رنگ ظاهری آن متفاوت مشاهده می‌شود.
تمام مواد رنگی، رنگینه ها و رنگدانه ها، قابلیت جذب تعدادی از تابش‌های ناحیه مرئی رادارند و چنین جذبی به خواص مولکولی جسم بستگی دارد.
جدول 1-1 به نام مولر1 رابطه بین تابش‌های جذب‌شده و رنگ ظاهری جسم برای تعدادی از اجسام انتخاب‌شده که هرکدام یک نوار باریک جذبی دارند، داده‌شده است. اگر طول‌موج‌های مربوط به رنگ دیده‌شده (رنگ جسم) به تابش‌های جذب‌شده افزوده شود، رنگ سفید به دست می‌آید. به جفت رنگ‌های دیده‌شده و جذب‌شده رنگ‌های مکمل می‌گویند [5].
جدول 2-1- رابطه بین رنگ جذب‌شده و رنگی که دیده می‌شود
طول‌موج nmرنگ جذب‌شدهرنگ دیده‌شده400-435بنفشزرد- سبز435-480آبیزرد480-490سبز- آبینارنجی490-500آبی- سبزقرمز500-560سبزارغوانی560-580زرد- سبزبنفش580-595زردآبی595-605نارنجیسبز- آبی605-750قرمزآبی- سبز2-1-2-1- رنگزا، رنگینه و رنگدانه
یک رنگزا ترکیبی است که توانایی رنگین کردن یک بستر را دارد. تمامی مواد رنگزا، رنگینه نیستند. یک رنگینه باید در محیط استفاده (معمولاً آب) یا حداقل در زمان فرآیند به‌صورت محلول باشد. رنگینه ها معمولاً نسبت به کالا دارای تمایل بوده و از محلول آبی جذب کالا می‌شوند. از طرف دیگر، رنگدانه ها مواد رنگزایی هستند که ذرات آن به‌صورت نامحلول است و هیچ تمایلی به کالا ندارند. این مواد رنگزا دارای اندازه بزرگ بوده و قادر به نفوذ نیستند، لذا روی سطح کالا قرار می‌گیرند و درصورتی‌که هیچ‌گونه چسبندگی روی کالا نداشته باشند، به‌راحتی از سطح کالا جدا می‌شوند. در بیشتر فرآیندهای رنگرزی، ابتدا انتقال ترکیب شیمیایی رنگینه از محلول رنگینه به روی سطح لیف اتفاق می‌افتد؛ این فرآیند جذب سطحی نامیده می‌شود. رنگینه ممکن است از محلول به آهستگی به داخل لیف نفوذ کند.
درنتیجه فرآیند نفوذ، انتقال رنگینه به داخل منافذ لیف یا در بین زنجیره‌های پلیمری بسته به ساختار داخلی لیف صورت می‌گیرد. به‌طور کل، فرآیند جذب سطحی و نفوذ رنگینه به داخل لیف، جذب عمقی یا Absorption گفته می‌شود. جذب عمقی یک فرآیند برگشت‌پذیر است، لذا رنگینه می‌تواند طی فرآیند شستشو از لیف به سمت محلول خارج شود. این فرآیند را واجذب یا Desorption گویند. علاوه بر پدیده جذب مستقیم، رنگینه ممکن است در داخل لیف، حبس فیزیکی یا رسوب شود یا ممکن است با لیف واکنش شیمیایی دهد. دیده‌شده است درصورتی‌که رنگینه در داخل لیف به‌صورت دو حالت اخیر باشد، ثبات رنگینه در فرآیند شستشو بهتر و فرآیند برگشت‌ناپذیر است.
به‌منظور نفوذ به داخل لیف، باید رنگینه ها در آب به شکل ذرات جدا از هم (تک‌مولکولی) باشند. این ذرات اغلب به‌صورت آنیون‌های رنگی مانند نمک‌های سدیم سولفونیک همچون کنگو قرمز هستند. آن‌ها همچنین ممکن است به‌صورت کاتیون‌های رنگی چون مووین1 یا مولکول‌های خنثی با حلالیت پایین در آب مانند رنگینه های دیسپرس باشند. رنگینه باید تحت شرایط رنگرزی نسبت به لیف تمایل داشته باشد، لذا در طی فرآیند رنگرزی، حمام رنگرزی به‌تدریج از رنگینه تهی می‌گردد. در انتهای عمل رنگرزی گفته می‌شود که رنگینه نسبت به لیف تمایل و سابستنتیویته دارد و حمام رنگرزی رمق کشی2 شده است. چهار ویژگی رنگینه ها عبارت‌اند از:
– قدرت رنگی
– حلالیت در آب در طی فرآیند رنگرزی
– مقداری سابستنتیویته برای لیف
– خواص ثباتی قابل‌قبول برای کالای رنگرزی شده [1].
2-1-2-2- طبقه‌بندی مواد رنگزا
مواد رنگزا را می‌توان بر اساس ساختار شیمیایی و یا نحوه کاربرد آن‌ها طبقه‌بندی کرد. در یک طبقه‌بندی برحسب ساختمان شیمیایی، امکان حضور مواد رنگرزی که پایه شیمیایی یکسان، ولی خصوصیات کاربردی متفاوتی دارند، بسیار محتمل است و بالعکس، مواد رنگرزی که خصوصیات کاربردی یکسانی دارند، می‌توانند پایه‌های شیمیایی متفاوتی داشته باشند. استفاده از هر یک از این دو روش طبقه‌بندی، متناسب با نوع بحث بر روی مواد رنگزا صورت می‌پذیرد [1].
2-1-2-2-1- طبقه‌بندی مواد رنگزا طبق ساختار شیمیایی
مواد رنگزا طبق ساختار شیمیایی به گروه‌های مواد رنگزای آزو، آنتراکینون، ایندیگوئید، تری آریل متان، پلی متین، فتالوسیانین، نیترو، نیتروز و دیگر مواد رنگزایی که در هیچ‌یک از طبقات فوق نمی‌گنجد، تقسیم‌بندی شده است. در اینجا به‌طور مختصر درباره هر یک از این طبقات شرح داده خواهد شد [1].
2-1-2-2-1-1- مواد رنگزای آزو
مواد رنگزای آزو ازلحاظ تجاری، مهم‌ترین طبقات مواد رنگزا هستند که تقریباً بیش از 50% کل مجموع مواد رنگزای تولیدشده در جهان را تشکیل می‌دهند؛ همچنین بیشترین تعداد از مواد رنگزای مطالعه شده و بیشترین حجم از مقالات، مربوط به این طبقه‌اند و به دو دلیل، دارای اهمیت ویژه‌ای هستند:
– دارای قدرت رنگی زیادی هستند (قدرت رنگی مواد رنگزای آزو حدود دو برابر بیشتر از مواد رنگزای آنتراکینون است).
– از مواد واسطه‌ای ساخته می‌شوند که به‌آسانی تهیه می‌شوند، به‌خصوص که دامنه وسیع این مواد واسطه سبب می‌شود که فام‌های متنوع رنگی ایجاد شود.
شکل 2-1، نمایش ساده از ساختار شیمیایی مواد رنگزای آزو را نشان می‌دهد که در آن R و´Rمعمولاً ترکیبات آروماتیک‌اند.
R-N=N-RR
شکل 2-1- ساختار کلی یک مادة رنگزای آزو
برحسب تعداد گروه‌های آزو موجود در ساختار رنگینه ها به مونو، بیس، تریس و پلی آزو تقسیم می‌شوند [1].
2-1-2-2-1-2- مواد رنگزای آنتراکینون
مواد رنگزای آنتراکینونی بعد از مواد رنگزای آزو، مهم‌ترین طبقه از مواد رنگزا هستند. در مقایسه با مواد رنگزای آزو که هیچ همتای طبیعی ندارند، عامل رنگزای (ریشه یا کروموژن) همه مواد رنگزای قرمز طبیعی مهم، بر اساس بنیان آنتراکینون است. معروف‌ترین آن‌ها «آلیزارین» بانام علمی 1 و 2-دی هیدروکسی آنتراکینون است. درواقع، این دسته از مواد رنگزا به دلیل خواص ثباتی خوب به‌خصوص ثبات در برابر نور مشهور شده‌اند.
دلیل اساسی که این مواد رنگزا ازنظر تجاری کمتر گسترش‌یافته‌اند، ارزانی قیمت و سادگی سنتز مواد رنگزای آزو بوده است. مواد رنگزای آنتراکینونی تجاری مهم، همگی مشتقات 9 و 10 آنتراکینون با ساختمان زیر هستند که خود دارای رنگ زرد کم شدت می‌باشد.

شکل 2-2- ساختار آنتراکینون
مواد رنگزا به‌وسیله گروه‌های الکترون دهنده در یک موقعیت آزاد 8 یا چند موقعیت مخصوصاً 1 و 4 و 5 و 8 به‌دست‌آمده‌اند. گروه‌های آمینو، آلکیل، آریل آمینو، هیدروکسی و آلکوکسی، ازجمله استخلافات مهم آنتراکینون ها هستند [1].
2-1-2-2-1-3- مواد رنگزای ایندیگوئید
مواد رنگزای ایندیگوئید، به‌وسیله یک فرآیند محلول سازی (حل کردن رنگینه به کمک یک مادر احیاکننده در محیط قلیایی قبل از رنگرزی) بر روی الیاف به‌کاربرده می‌شود. آن‌ها ازلحاظ تاریخی، دارای اهمیت ویژه‌ای هستند، زیرا نیل از قدیمی‌ترین مواد رنگزای شناخته‌شده است. امروزه، نیل یکی از مهم‌ترین مواد رنگزای طبیعی است که هنوز هم در رنگرزی کالای نساجی به کار می‌رود. نیل بر روی الیاف سلولزی، رنگ آبی می‌دهد و خواص ثباتی عالی دارد. فرمول ساختاری آن به‌صورت زیر می‌باشد [1].
شکل 2-3- ساختار کلی یک مادة رنگزای ایندیگو
2-1-2-2-2- طبقه‌بندی مواد رنگزا طبق کاربرد
طبقه‌بندی مواد رنگزا همان‌طور که در کتاب مرجع رنگ ثبت‌شده، به‌جز یک مورد تماماً برحسب نوع کاربرد تنظیم‌شده است. مواد رنگزای مصرفی در نساجی به دو گروه اصلی و هر گروه به چند شاخه فرعی تقسیم‌شده‌اند. منظور از این تقسیم‌بندی این است که روی خصوصیات ویژه و معینی در ارتباط با عملکرد عمومی رنگرزی و ثبات در برابر عملیات شستشو تأکید شود [1].
2-1-2-2-2-1- مواد رنگزای گروه اول
تمامی مواد رنگرزی در این گروه، در آب محلول‌اند، به‌جز مواد رنگرزی دیسپرس که خیلی جزیی محلول است. مواد رنگرزی به‌وسیله یک فرآیند برگشت‌پذیر از یک محلول مایع جذب لیف می‌شوند. این طبقه از مواد رنگزا نمی‌توانند حداکثر ثبات را در مقابل عملیات شستشو داشته باشند. طبقات مواد رنگرزی در این گروه عبارت‌اند از: مواد رنگزای اسیدی، مواد رنگزای بازیک، مواد رنگزای مستقیم و مواد رنگزای دیسپرس، که هر یک به‌طور خلاصه شرح داده می‌شوند [1].
2-1-2-2-2-1-1- مواد رنگزای اسیدی
ازآنجاکه عموماً این دسته از مواد رنگرزی از طریق یک حمام، شامل اسیدهای معدنی یا آلی، رنگرزی می‌شوند و همه آن‌ها نمک‌های سدیم اسیدهای آلی هستند و جزء رنگی فعال به‌صورت آنیون است، نام اسیدی گرفته‌اند. بیشتر مواد رنگزای اسیدی، نمک‌های اسید سولفونیک هستند، اما تعدادی وجود دارند که شامل گروه‌های کربوکسیل اند.
مواد رنگرزی اسیدی به لحاظ داشتن جاذبه و تمایل ذاتی نسبت به الیاف پروتئینی مشخص‌شده‌اند، ولی برای رنگرزی نایلون نیز به کار می‌روند. گرچه ساختار شیمیایی مشابهی با مواد رنگرزی مستقیم دارند، اما بسیاری از آن‌ها نسبت به الیاف سلولزی تمایل ندارند. وزن مولکولی مواد رنگزای اسیدی بین 300 تا 800 گرم بر مول است. معمولاً آن‌ها که وزن مولکولی کوچک‌تری دارند، قابلیت مهاجرت یونی خوبی ندارند، بنابراین حصول رنگرزی یکنواخت، آسان‌تر است. مواد رنگرزی اسیدی که دارای وزن مولکولی بالایی هستند، قابلیت مهاجرت خوبی ندارند، درنتیجه اگر به هنگام رنگرزی، کنترل و دقت کافی نشود، نتیجه رنگرزی، نایکنواخت خواهد بود.
به‌طور تقریبی، حدود 60% این رنگینه ها پایه آزو، حدود 15% ساختمان آنتراکینون و حدود 12% ساختارتری فنیل متان دارند. فرمول کلی آن‌ها را می‌توان RSO₃Na نشان داد که R مشخص‌کننده مولکول اصلی رنگینه است. نمونه‌هایی از رنگینه های اسیدی با ساختار آزو در شکل2-4 آمده است [1].
شکل2-4- ساختار شیمیایی دو رنگینة اسیدی
2-1-2-2-2-1-2- مواد رنگزای مستقیم
مواد رنگزای مستقیم به‌وسیله کمیته لغات و تعاریف انجمن رنگرزان و نقاشان به این صورت که آن‌ها مواد رنگزای آنیونیک اند و وقتی در یک حمام آبی حاوی الکترولیت به‌کاربرده شوند، نسبت به الیاف سلولزی تمایل و جاذبه نشان می‌دهند، تعریف‌شده است. به سبب اینکه مواد رنگرزی مستقیم به‌طور نرمال به‌وسیله یک فرآیند تک‌مرحله‌ای در یک محلول خنثی یا کمی قلیایی که به آن کلرید سدیم یا سولفات سدیم اضافه‌شده، به کار می‌روند، ساده‌ترین روش رنگرزی الیاف سلولزی را فراهم ساخته‌اند.
با اصلاح ساختمان آن‌ها، ثبات نوری آن‌ها افزایش‌یافته است. برای افزایش ثبات در برابر عملیات شستشو، اندازه مولکولی ماده رنگرزی را بعد از عملیات رنگرزی بر روی الیاف به‌وسیله عملیات مناسب بعدی افزایش می‌دهند. بعضی از مواد رنگرزی مستقیم که عملکرد آن‌ها مانند مواد رنگرزی اسیدی است، بر روی الیاف دیگر مثل پشم، ابریشم و نایلون به کار می‌روند.
مواد رنگزای مستقیم، مستقیماً بر روی الیاف سلولزی جذب‌شده و نسبت به این الیاف تمایل و جاذبه‌دارند. نیروهایی که بین مولکول ماده رنگزا و الیاف عمل می‌کنند، نیروهای هیدروژنی و نیروهای غیر قطبی واندروالس می‌باشند. ازلحاظ شیمیایی، اکثر مواد رنگزای مستقیم، ترکیبات آزو از نوع دیس آزو، تریس آزو و پلی آزو هستند که یک نمونه از آن‌ها در شکل 2-5 نشان داده‌شده است.
شکل 2-5- ساختار شیمیایی رنگینه C.I.Direct red 80
مواد رنگزای مستقیم، برای اولین بار بین سال‌های 1880 تا 1890 به بازار عرضه شدند. اکثر این دسته از مواد رنگرزی دارای گروه‌های آزو، هیدروکسیل و آمین هستند که در ساختمان مولکولی آن‌ها، گروه‌های اسید سولفونیک وجود دارد، بنابراین نتیجه می‌شود که این دسته از مواد رنگرزی در آب محلول‌اند. فرمول کلی بیشتر مواد رنگزای مستقیم مانند ساختمانAr-N=N-X-N=N-Ar´ است که Ar در آن، مشخص‌کننده حلقه‌های بنزن، نفتالین و یا مشتقات آن‌ها هستند [1].
2-1-2-2-2-1-2-1- رنگزای آبی مستقیم 199
از مواد کاربردی در رنگرزی بوده و طبق طبقه‌بندی مواد رنگزا بر اساس نوع کاربرد در گروه اول این مواد قرار می‌گیرد. این ماده از آلاینده‌های محیط‌زیست بوده و در پساب‌های حاصل از صنایع نساجی موجود می‌باشد که در بخش 3-2-1 به معرفی کامل آن می پردازیم.
2-1-2-2-2-1-3- مواد رنگزای بازیک
یک ماده رنگزا ی بازیک، بر طبق تعریف انجمن رنگرزان و نقاشان، یک مادة رنگرزی کاتیونیک است که به‌طور ذاتی، نسبت به الیاف اسیدی مانند آکریلیک یا پنبه دندانه داده‌شده، تمایل به جذب دارد. مواد رنگرزی بازیک در محلول آبی یونیزه شده و کاتیون رنگی می‌دهند. درخشندگی زیاد از خواص برجسته آن‌هاست، اما ثبات نوری ضعیفی دارند و به همین دلیل، این دسته از مواد رنگرزی تا قبل از پیدایش الیاف آکریلیک کاربرد چندانی نداشته‌اند، ولی ثبات نوری خوب و قابلیت جذب خوب آن‌ها نسبت به الیاف آکریلیک که باعث رنگرزی‌های عمیق باثبات شستشوی خوب گردیده است، موجب شده تا این دسته از مواد رنگرزی دوباره موردتوجه قرار گیرند. شکل2-6 ساختار شیمیایی یک نمونه از رنگینه های بازیک را نشان می‌دهد [1].
شکل2-6- ساختار شیمیایی رنگینه C.I.Basic blue 3
2-1-2-2-2-1-4- مواد رنگزای دیسپرس
این طبقه از مواد رنگرزی تحت نام‌های متفاوت از قبیل مواد رنگرزی استات، مواد رنگرزی دیسپرس شده استات، مواد رنگرزی دیسپرسیون و مواد رنگرزی دیسپرسول شناخته‌شده‌اند. هم‌اکنون نام عمومی پذیرفته‌شده آن مواد رنگرزی، دیسپرس است که در سال 1951 معرفی شد.
بنا به تعریف، یک مادة رنگرزی دیسپرس، اساساً مادة رنگرزی غیر محلول در آب است که نسبت به الیاف غیر آبدوست مثل استات سلولز تمایل دارد و معمولاً در یک محیط دیسپرس شدة یکنواخت به کار می‌رود. بااینکه مواد رنگرزی دیسپرس در آب محلول نیستند، به مقدار خیلی کم در آب حل می‌شوند و درجه حلالیت مادة رنگرزی بر خواص رنگرزی و یکنواختی آن اثر می‌گذارد. میزان حلالیت مادة رنگرزی و سرعت رنگرزی ممکن است به‌وسیله به کار بردن مواد دیسپرس کننده تغییر پیدا کند. اکثر مواد دیسپرس کننده، آنیونیک هستند، اما بعضی از مواد سطح‌فعال به‌کاررفته که در حلالیت مادة رنگرزی و یکنواختی آن‌ها را بیشتر می‌کنند، غیر یونی هستند.
باید متذکر شد هنگامی‌که رنگرزی در محیط مایع انجام می‌شود، مادة رنگرزی به‌صورت معلق است، و حداقل در مرحله شروع فرآیند رنگرزی، انتقال ماده رنگرزی از محیط خیلی رقیق محلول مادة رنگرزی صورت می‌پذیرد و این عمل با انحلال مجدد ذرات معلق مادة رنگرزی به‌طور مداوم ادامه می‌یابد.
ازلحاظ ساختار شیمیایی، تقریباً تمامی مواد رنگرزی دیسپرس، آمین‌های نوع اول و دوم وسوم با ساختارهای آزو، آنتراکینونی و دی فنیل آمین هستند و هیچ‌یک از آن‌ها حاوی گروه‌های محلول اسید سولفونیک نیستند. شکل‌های 2-7 و 2-8 به ترتیب، دو رنگینه دیسپرس با ساختار آنتراکینون و آزو را نشان می‌دهند [1].
شکل 2-7- ساختار شیمیایی رنگینه C.I.Disperse blue 56
شکل 2-8- ساختار شیمیایی رنگینه C.I.Disperse red 1
2-1-2-2-2-2- مواد رنگزای گروه دوم
ویژگی تمامی مواد رنگرزی این گروه این است که در مقابل عملیات شستشو، ثبات خوبی دارند، بنابراین درجایی که حداکثر ثبات در مقابل عملیات شستشو مورداحتیاج است، گروه دوم بر گروه اول ترجیح داده می‌شوند. در مورد اکثر مواد رنگرزی در این طبقه، می‌توان گفت که درنهایت، به‌صورت ذرات بزرگ غیر محلول در آب بر روی الیاف ایجاد می‌شوند، درنتیجه در برابر عملیات شستشو ثبات بالایی دارند. مواد رنگزای موجود در این طبقه عبارت‌اند از: مواد رنگزای گوگردی، خمی، آزوئیک، اینگرین، اکسیداسیون، راکتیو و کرومی [1].
2-1-2-2-2-2-1- مواد رنگزای گوگردی
این مواد باقیمت نسبتاً کم ممکن است در رنگرزی ثبات خوبی در برابر شستشو به وجود آورند، اما به علت نقطه‌ضعفی که ازلحاظ تثبیت روی کالا دارند، عموماً طیف کاملی از رنگ‌های مختلف را تأمین نمی‌کنند و تنها یک مورد استثنایی آن‌ها، سیاه گوگردی است. این دسته از مواد رنگرزی از طریق احیا و محلول شدن با سولفید سدیم قابل‌استفاده‌اند و در آب نامحلول‌اند [1].
2-1-2-2-2-2-2- مواد رنگزای خمی
مواد رنگزای خمی به مواد رنگزایی از هر طبقه شیمیایی گفته می‌شود که به‌وسیله فرآیند احیا و حل شدن مادة رنگزا بر روی الیاف به‌کاربرده می‌شوند. آن‌ها دارای گروه‌های کتونی و غیر قابیل حل در آب هستند. مواد رنگزای خمی را نمی‌توان به‌طور مستقیم برای رنگرزی استفاده کرد، زیرا حالت غیرمحلول آن‌ها نسبت به الیاف، تمایل (افینیته) ندارد، ولی اگر در یک محلول قلیایی مانند سود که حاوی یک مادة احیاکننده مناسب نظیر هیدروسولفیت سدیم است، قرار گیرند، ترکیب لوکو به رنگ قابل‌حل در آب تبدیل می‌شود و نسبت به الیاف سلولزی تمایل دارد. پارچه‌های رنگرزی شده در معرض هوا قرار داده می‌شوند تا حالت لوکو اکسیدشده و به‌صورت حبس شده در داخل الیاف، به حالت غیرمحلول (غیرقابل‌حل) درآیند. واکنش‌ها در شکل 2-9 نشان داده‌شده است.
بسیاری از مواد رنگزای خمی، استخلافات زیادی ندارند و به دلیل کمبود وجود گروه‌های الکترون دهنده و گیرنده قوی، عموماً پایداری شیمیایی و فتوشیمیایی عالی دارند. درواقع، خواص ثباتی مواد رنگزای خمی را هیچ‌یک از دیگر طبقات مواد رنگزا ندارند[1].
شکل 2-9- واکنش‌های احیا و اکسیداسیون در رنگینه های خمی
2-1-2-2-2-2-3- مواد رنگزای آزوئیک
این نام به طبقه‌ای از مواد رنگرزی اطلاق می‌شود که کاربرد آن‌ها بر اساس تشکیل ترکیب آزو رنگی غیر محلول در داخل لیف است. این مواد از ترکیب دو جزء: یکی جزء دی آزو و دیگری جزء کوپلینگ (جفت شونده) تشکیل می‌شوند؛ این دو جزء به‌طور جداگانه بر روی کالا منتقل و با یکدیگر ترکیب می‌شوند[1].
2-1-2-2-2-2-4- مواد رنگزای اینگرین
این نام به گروه کوچکی از مواد رنگرزی اطلاق می‌شود که تقریباً همه آن‌ها بر پایه فتالوسیانین هستند و تحت شرایط کاربردی ویژه‌ای، مواد رنگرزی غیرمحلول در داخل لیف را تشکیل می‌دهند[1].
2-1-2-2-2-2-5- مواد رنگزای اکسیداسیون
این دسته از رنگزاها گروه کوچکی از مواد رنگرزی هستند که فقط یک نوع در رنگ کردن کالای نساجی و به‌ویژه چاپ، اهمیت دارد. این مواد رنگرزی در اثر اکسیداسیون شیمیایی به مواد رنگرزی غیرقابل‌حل در لیف تبدیل می‌شوند، به‌این‌علت آن‌ها را مواد رنگرزی اکسیداسیون نیز می‌نامند. یکی از مواد رنگرزی اکسیداسیون قدیمی، آنیلین سیاه است [1].
2-1-2-2-2-2-6- مواد رنگزای راکتیو
جستجو برای یافتن مواد رنگزایی که بتوانند به روش شیمیایی با الیاف پیوند کووالانسی برقرار کنند، منجر به تولید مواد رنگزای راکتیو شد. اولین محصول تجاری این مواد رنگرزی، در سال 1956 توسط کارخانه ICI به بازار عرضه شد. در فرآیند رنگ کردن، ابتدا مادة رنگرزی توسط لیف جذب‌شده و سپس، واکنش جانشینی یا اضافی بین سیستم راکتیو (فعال) در مولکول مادة رنگرزی



قیمت: تومان

About the author

92 administrator

You must be logged in to post a comment.