c (3198)

By92

c (3198)

پژوهشکده فرآيند
جذب یون‌های فلزات سنگین با استفاده از نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن
پایان‌نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي صنايع پليمر
بهنام اسلامی
اساتید راهنما
دکتر اسماعيل قاسمي
دکتر محمد کرابي
استاد مشاور
دکتر حامد عزيزي
پایییز 1393
تقديم به پدر و مادر عزيزم
خدای را بسی شاکرم که از روی کرم پدر و مادری فداکار نصیبم ساخته تا در سایه درخت پربار وجودشان بیاسایم و از ریشه آنها شاخ و برگ گیرم و از سایه وجودشان در راه کسب علم ودانش تلاش نمایم .والدینی که بودنشان تاج افتخاری است بر سرم و نامشان دلیلی است بر بودنم چرا که این دو وجود پس از پروردگار مایه هستی ام بوده اند دستم را گرفتند و راه رفتن را در این وادی زندگی پر از فراز و نشیب آموختند. آموزگارانی که برایم زندگی؛ بودن و انسان بودن را معنا کردند
حال این برگ سبزی است تحفه درویش تقدیم آنان….
تشکر و قدردانی:
وظیفه خود می دانم سپاسگزار تمام آنهایی باشم که در این دوره ارزشمند حضورشان راهگشای من بود.
اساتید راهنمای گرانقدرم، جناب آقای دکتر اسماعیل قاسمی که شخصیت و منش ایشان همواره الگوی اینجانب بوده و با تلاش های بی شائبه خود نه تنها در انجام این پایان نامه بلکه در تمام دوره تحصیلم مرا یاری نمودند و جناب آقای دکتر محمد کرابی که در کلیه مراحل انجام پروژه همواره و از هر لحاظ پشتیبان اینجانب بوده و بنده را یاری نمودند و حقیقتا انجام این پروژه بدون زحمات بی دریغ و پیگیری های ایشان امری دشوار می نمود. از استاد مشاور ارجمندم جناب آقای دکتر حامد عزیزی نیز به خاطر پشتیبانی علمی و راهنمایی های ارزنده ایشان کمال تشکر را دارم. از کلیه اساتید و کارکنان پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران که در تمامی مراحل انجام پروژه با اینجانب همکاری لازم را نمودند بسیار سپاسگزارم.
كليه حقوق مادي مترتب بر نتايج مطالعات،
ابتكارات و نوآوريهاي ناشي از تحقيق موضوع
اين پاياننامه متعلق به پژوهشگاه
پليمر و پتروشيمي ايران مي باشد
چاپ کتاب از اين پایان‌نامه بدون
اسامي اساتيد غيرمجاز مي باشد
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکيده……………………………………………………………………………………………………………………………….1
مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………..2
2-مباحث نظري و مروري بر کارهاي انجام‌شده…5
2-1-کیتین و کیتوسان5
2-1-1-ساختار کیتین و کیتوسان6
2-1-2-خصوصیات کیتین و کیتوسان8
2-1-3-خصوصیات فیزیکی و شیمیایی کیتین و کیتوسان8
2-1-4-کاربردهای کیتین و کیتوسان8
2-2-گرافن9
2-3-کاربرد کیتین و کیتوسان در حذف یون‌های فلزات سنگین10
2-4-جذب یون‌های فلزات سنگین با استفاده از گرافن و مشتقات آن20
2-5-فرآیند جذب24
2-5-1-جذب سطحی24
2-5-2-تعادل جذب سطحی24
2-5-3-عوامل مؤثر بر سرعت جذب سطحی25
2-5-3-ب‌- اثر pH25
2-5-3-ت‌-طبیعت فاز جذب شده25
2-5-3-ث‌-کشش سطحی25
2-5-4-ترمودینامیک جذب سطحی25
2-5-5-سامانه‌های جذب سطحی26
2-5-6-جاذب ها…30
2-6-روش‌های تهیه و سنتز گرافن32
2-6-1-روش‌های پایین به بالا32
2-6-2-روش‌های تولید بالا به پایین33
2-6-2-ب‌-گرافیت اکساید35
2-7-عامل دار کردن شیمیایی گرافن41
2-7-1-عامل دار کردن کووالانسی42
2-7-2-عامل دار کردن غیرکووالانسی50
2-7-3-تثبیت کردن در یک محیط یونی54
2-7-4-به طور مستقیم از گرافیت56
2-8-نانو کامپوزیت‌های گرافن/پلیمر و روش تولید آنها58
2-8-1-پلیمریزاسیون درجای تعاملی59
2-8-2-تعامل حلالی59
2-8-3-روش تعاملی مذاب60
3-کارهاي عملي……………………………………………………………………………………………………………61
3-1مواد..61
3-1-1-کیتوسان..61
3-1-2-گرافن……………………………………………………………………………………………………….62
3-1-3-تری اتیلن تترامین62
3-1-4-پلی اتیلن گلایکول62
3-1-5-فرمالدهید62
3-1-6-اتیل استات62
3-1-7-اسید سولفوریک62
3-1-8-اسید نیتریک63
3-1-9-سود سوزآور63
3-1-10-نمک کادمیوم نیترات63
3-1-11-تیونیل کلراید63
3-1-12-سديم………………………………………………………………………………………………………63
3-1-13-تتراهيدروفوران63
3-1-14-دی متیل فرمامید64
3-1-15-بنزوفنون64
3-2-تجهيزات….64
3-2-1-رفلاکس…64
3-2-2-فیلتریزاسیون خلا64
3-2-3-همزن لرزان64
3-2-4-دستگاه pH متر65
3-3-نمونه‌سازي65
3-3-1-اکسید گرافن65
3-3-2-آسیلاسیون نانو گرافن66
3-3-3-عامل دار کردن نانوگرافن66
3-3-4-دانه کیتوسان67
3-3-5-نانوکامپوزیت دانه کیتوسان67
3-3-6-خشک کردن دانه ها68
3-3-7-روش ساخت محلول یونی کادمیوم68
3-3-8-روش خشک کردن دی متیل فرمامید68
3-3-9-روش خشک کردن تتراهیدروفوران69
3-4-تعيين مشخصات71
3-4-1-دستگاه طيف‌سنجي زير قرمز تبديل فوريه71
3-4-2-تجزيه وزن سنجي گرمايي (TGA)71
3-4-3-ريزبين الکتروني روبشي (SEM)72
3-4-4- سیستم آنالیز عنصری EDX74
3-4-5-دستگاه طیف سنجی جذب اتمی شعله (FAAS)74
4-نتيجه‌گيري و بحث………………………………………………………………………………………………………76
4-1-تعيين مشخصات گرافن عامل دار شده76
4-1-1-طيف‌سنجي زير قرمز تبديل فوريه76
4-1-2-تجزيه وزن سنجي گرمايي78
4-1-3-ريخت‌شناسي نانو ذرات با استفاده از ریزبین الکترونی روبشی……………………………….79
4-1-4-بررسی تخلخل نانوکامپوزیت ها82
4-2-بررسی اثر تورم و جذب آب نانو کامپوزیت‌های کیتوسان85
4-3-جذب یون کادمیوم از محلول‌های آبی توسط نانوکامپوزیت هیدروژل های کیتوسان گرافن عامل دار شده…………………………………………………………………………………………………………………………….86
4-3-1-به دست آوردن میزان جاذب بهینه جهت جذب یون کادمیوم86
4-3-2-به دست آوردن میزان pH بهینه در جذب یون کادمیوم88
4-3-3-به دست آوردن زمان تماس بهینه جهت جذب یون کادمیوم90
4-3-4-به دست آوردن میزان غلظت یون کادمیوم جهت جذب بهینه یون کادمیوم91
5-نتيجه‌گيري و پيشنهاد‌ها………………………………………………………………………………………………..93
مراجع………………………………………………………………………………………………………………………….95
فهرست شکل ها
شکل ‏21: ساختار واحدهای منومری سلولز، کیتین و کیتوسان[2]6
شکل ‏22 ساختار شیمیایی پلیمرهای کیتین و کیتوسان[2]7
شکل ‏23 جهت‌گیری زنجیره ها در گاما، بتا و آلفا کیتین[2]8
شکل ‏24 ساختار لانه‌زنبوری گرافن که عنصر مادر و تشکیل دهنده مواد دیگر همچون گرافیت و کربن و فولرن و کربن نانولوله می باشد[4]10
شکل ‏25 ایجاد اتصالات عرضی و بررسی سازوکار ساختار پس از چند اصلاح:14
شکل ‏26 به دست آوردن دانه های کیتوسان در حمام سدیم هیدروکساید[16]15
شکل ‏27 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با بزرگنمایی به ترتیب 30 و 500 برابر[16]16
شکل ‏28 آماده سازی نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی کیتوسان[17]16
شکل ‏29 تغییرات میزان جذب یون آلومینیوم با استفاده از کیتوسان با تغییر pH [18]17
شکل ‏210 تغییرات میزان جذب یون مس و سرب با استفاده از هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید با گذشت زمان[20]18
شکل ‏211 تغییرات میزان جذب یون مس و سرب با استفاده از هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید با تغییر ترکیب درصد گرافن اکساید[20]19
شکل ‏212 جذب رنگ های آنیونیEosin Y(سمت چپ) و کاتیونی متیلن بلو(سمت راست) توسط هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید[20]19
شکل ‏213 تصویر جدا شدن نانوکامپوزیت مغناطیسی از محلول یونی با استفاده از آهنربا(سمت راست) و تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) از کامپوزیت Fe3O4-RGO (سمت چپ)[21].20
شکل ‏214 تصویر نمودار جذب انتخابی جیوه از محلول آبی با استفاده از کامپوزیت پلی پیرول/گرافن اکساید احیا شده(سمت راست) و تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) از این کامپوزیت (سمت چپ)[22].21
شکل ‏215 ثبات ایجاد شده در نانوکامپوزیت مونولیت به دلیل استفاده از گرافن اکساید و سایکلودکسترین در مقایسه با مونولیت خالص با گذشت زمان مغروق بودن در آب[23].22
شکل ‏216 میزان جذب یون فسفات با استفاده از گرافن در دماهای متفاوت[25].23
شکل ‏217 میزان جذب یون فسفات با استفاده از گرافن در غلظت های متفاوت یون فسفات[25].23
شکل ‏218 جذب سطحی با استفاده از سامانه غیر پیوسته[26].27
شکل ‏219 جذب سطحی با استفاده از سامانه‌های بستر ثابت[26].28
شکل ‏220 جذب سطحی با استفاده از سامانه بستر ضربه زده[26].28
شکل ‏221 جذب سطحی با استفاده از سامانه بستر متحرک حالت پایا[26].29
شکل ‏222 جذب سطحی گاز حامل با استفاده از سامانه‌های بستر سیال شده[26].30
شکل ‏223 به دست آوردن گرافن با منشأ گرافیتی[47].34
شکل ‏224 احیا گرافن اکساید با استفاده از هیدرات هیدرازین و رسیدن به گرافن[68]37
شکل ‏225 تغییر رنگ احیا گرافن اکساید(سمت چپ) و تبدیل آن به گرافن(سمت راست)[74].37
شکل ‏226 تغییر حجم gr 0.5 گرافن اکساید در اثر گرمادهی سریع تا ℃1000 و تبدیل شدن به ml75 گرافن[47].38
شکل ‏227 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) از گرافن اکساید احیا شده به روش گرمایی که به شکل یک کاغذ مچاله شده در آمده است[76].39
شکل ‏228 به دست آوردن ورق های گرافن عامل دار شده از گرافیت: (الف) اکسید کردن گرافن (ب) عامل دار کردن گرافن اکساید با آلکیل آمید و (ج) احیای گرافن عامل دار شده[85]45
شکل ‏229 عامل دار کردن گرافن احاطه شده توسط سورفکتانت SDBS با نمک دیازونیوم توسط واکنش جانشینی الکتروفیلی[70].46
شکل ‏230 واکنش گروه‌های اکسیژنی کربوکسیل(سمت راست) و هیدروکسیل(سمت چپ) روی سطح گرافن اکساید با ایزوسیانات و تولید گرافن عامل دار شده[88].47
شکل ‏231 عامل دار کردن گرافن اکساید با اکتادسیل آمین و استفاده از تیونیل کلراید[64].48
شکل ‏232 تولید گرافن اکساید از گرافیت(بالا) و گرفت شدن زنجیره های کیتوسان بر روی سطح گرافن اکساید(پایین)[91].49
شکل ‏233 گرفت کردن 1و3- دی پلار سایکولادیشن دیازنیوم ییلد بر روی سطح گرافن[93].50
شکل ‏234 اصلاح گرافن با توجه به تعامل π-π بین اوربیتال π از گرافن و پلی ایزوپروپیل آکریلامید اختتام یافته با پیرن[100].53
شکل ‏235 طرح‌واره‌ای از اصلاح گرافن با PPESO3-[101].54
شکل ‏236 تثبیت گرافن با یون‌های K+55
شکل ‏237 محیط آزمایش(سمت چپ) و لایه برداری از آند گرافیت(سمت راست)[57].58
شکل ‏31 سامانه خشک کردن دی متیل فرمامید69
شکل ‏32سامانه خشک کردن تتراهیدروفوران71
شکل ‏33 دستگاه TGA72
شکل ‏34 دستگاه ريزبين الکتروني روبشي و دستگاه پوشش دهي سطح نمونه‌ها به منظور ايجاد هدايت الکتريکي.73
شکل ‏35 طیف مرجع آزمون EDX74
شکل ‏36 دستگاه جذب اتمی Perkin-Elmer مدلAanalyst 10075
شکل ‏41 طيف زير قرمز تبديل فوريه نمونه‌ها78
‏42 دمانگاشت نانو ذرات گرافن خالص و اکسیدشده و عامل دار شده79
شکل ‏43 ریزنگار میکروسکوپ الکترونی روبشی از (a نانو ذرات گرافن و (b نانو ذرات گرافن اکسیدشده و (c نانو ذرات گرافن عامل دار شده با تری اتیلن تترامین80
شکل ‏44 تصاویر EDX میکروسکوپ الکترونی روبشی از یک لایه گرافن عامل دار شده با تری اتیلن تترامین (a توزیع گروه‌های عاملی اکسیژن دار(سبز) و نیتروژن دار(قرمز) (b توزیع گروه‌های عاملی اکسیژن دار (c توزیع گروه‌های عاملی نیتروژن دار (d نمودار نشان‌دهنده درصد گروه‌های کربنی، اکسیژنی و نیتروژنی82
شکل ‏45 ریزنگار میکروسکوپ الکترونی روبشی از دانه کیتوسان با بزرگنمایی 70 برابر (a بدون نانو ذرات گرافن عامل دار شده (b دارای 1% وزنی گرافن عاملدارشده (c دارای 2% وزنی گرافن عامل دار شده و (d دارای 5% وزنی گرافن عامل دار شده84
شکل ‏46 ریزنگار میکروسکوپ الکترونی روبشی از دانه کیتوسان با بزرگنمایی 200برابر (a بدون نانو ذرات گرافن عامل دار شده (b دارای 1% وزنی گرافن عاملدارشده (c دارای 2% وزنی گرافن عامل دار شده و (d دارای 5% وزنی گرافن عامل دار شده84
شکل‏47 تغییرات میزان جذب یون کادمیوم در حضور درصدهای مختلف نانو ذرات عامل دار شده و به دست آوردن میزان بهینه جاذب در pH برابر با 5 و مدت زمان 1 hr و غلظت 50ppm88
شکل‏48 نمودار تغییرات میزان جذب یون کادمیوم توسط جاذب ها با درصدهای متفاوت گرافن عامل دار شده در pH های متفاوت با میزان جاذب 25mg و مدت زمان 1 hr و غلظت 50ppm90
شکل ‏49 تغییرات میزان جذب یون کادمیوم توسط جاذب ها با درصدهای متفاوت گرافن عامل دار شده در مدت زمان های متفاوت در pH برابر با 7 و میزان جاذب 25mg و غلظت 50ppm91
شکل ‏410 تغییرات میزان جذب یون کادمیوم توسط جاذب ها با درصدهای متفاوت گرافن عامل دار شده در غلظت های متفاوت یون کادمیوم و مدت زمان های 2 ساعت در pH برابر با 7 و میزان جاذب 25mg…92
فهرست جدول ها
جدول ‏21 روش‌های تولید گرافن با استفاده از روش‌های پایین به بالا[47]32
جدول ‏22- راههای تولید ورق های گرافن[47].40
جدول ‏23- انواع روش‌های اصلاح سطح کووالانسی گرافن اکساید[84]42
جدول ‏24- اصلاح غیرکووالانسی گرافن اکساید با استفاده از عوامل اصلاح مختلف[84].51
جدول 2-5- روش‌های تولید گرافن عامل دار شده به طور مستقیم از گرافیت[84]56
جدول ‏41- داده ها ي آناليز عنصري براي نمونه ها80
جدول ‏42- درصد تورم انواع جاذب ها در آب دوبارتقطیر با pH برابر 684
چکيده
با پیشرفت تمدن بشری، توسعه فناوری و ازدیاد روزافزون جمعیت در حال حاضر دنیا با مشکلی به نام آلودگی روبرو شده است که زندگی ساکنان کره خاکی را تهدید می کند. آلودگی ناشی از انباشته شدن خاک و آب از ترکیبات سمی پایدارهمچون مواد شیمیایی، نمک ها، فلزات سنگین و مواد رادیو اکتیو از جمله عوامل به وجود آمدن بیماری های بسیاری هستند که بر روی سلامت انسان ها و حیوانات و حتی گیاهان به شدت تاثیرگذار است. انتشار فلزات سنگین در محیط زیست به سبب صنعتی شدن جامعه و گسترش شهرنشینی مشکلات بسیار زیادی را در جهان به همراه داشته است.
در این مطالعه سعی شده است با استفاده از مواد پلیمری زیست سازگار و زیست تخریب پذیر همچون دانه های کیتوسان و استفاده از گرافن عامل دار شده با گروه‌های عاملی آمینی به‌عنوان یکی از پرکاربردترین نانو ذرات در درون دانه های کیتوسان جذب یون‌های فلزی کادمیوم از محلول‌های آبی بررسی شود. بدین منظور دانه های نانوکامپوزیت کیتوسان/گرافن با درصدهای وزنی 0.5%، 1%، 2% و 5% با استفاده از روش محلولی تهیه شدند. نانو ذرات گرافن ابتدا با مخلوط اسید سولفوریک و اسید نیتریک اکسید شدند و سپس گروه‌های عاملی تری اتیلن تترامین بر روی آنها پیوند زده شد. گرافن هاي اصلاح شده با استفاده از آناليزهاي زيرقرمز تبديل فوريه ، گرماوزن‌سنجی و آنالیز EDX میکروسکوپ الکترونی روبشی شناسايي شدند و نتايج حاکي از آن بود که واکنش اصلاح با موفقیت صورت گرفته است. در همین راستا منحنی های گرماوزن سنجی نشان داد که عملیات اکسید کردن و عامل دار کردن گرافن به درستی صورت پذیرفته است. همچنین ریخت‌شناسی نانو ذرات اکسیدشده و عامل دار شده به‌وسیله‌ی ريزبين الكتروني روبشي صورت پذیرفت و نمودارها و تصاویر EDX از پراکنش مطلوب گروه‌های عاملی اکسیژن دار و نیتروژن دار پیوند زده شده بر سطح گرافن حکایت داشت. در ادامه جذب یون‌های فلزی کادمیوم با دستگاه جذب اتمی صورت پذیرفت و نتایج آن از افزایش میزان جذب یون کادمیوم توسط نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن نسبت به دانه های کیتوسان به میزان 20% حکایت داشت. دستگاه جذب اتمی نشان داد که بهینه میزان جذب یون کادمیوم در محلول50ppm با pH برابر با 7 و مدت زمان تماس 2 ساعت و میزان جاذب 25mg اتفاق می افتد.

فصل اول
مقدمه
آلودگی‌های محیط زیست از جمله گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌های سمی محلول در آب باعث نگرانی‌های بسیاری در سراسر جهان شده است. به صورتی که در اجلاس جهاني اخیر سازمان ملل متحد درزمینه توسعه پايدار ریو +20 این مسائل مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفت. در اجلاس ریو + 20، رهبران جهان، به همراه هزاران شرکت کننده از دولت های دنیا، بخش خصوصی، سازمان های غیر دولتی و گروه های دیگر، برای دستیابی به راه‌حل‌هایی جهت کاهش فقر، گسترش عدالت اجتماعی و حصول اطمینان از حفظ محیط زیست بر روی سیاره‌ای که از همیشه شلوغ‌تر است گرد هم آمدند[1].
یکی از مهم‌ترین مسائل در مورد حفاظت از محیط زیست و سلامت انسانها، حیوانات و گیاهان سلامت و پاکیزگی آب است.آب مهم‌ترین امر حیاتی برای تمامی موجودات زنده بر روی کره زمین است. آب را می‌توان از طریق چندین راه همانند آب‌شیرین‌کن، تصفیه، اسمز، ضدعفونی کردن و رسوب دادن آلاینده‌ها تصفیه کرد. در میان این روشها، روش جذب دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به سایر روشهاست. روش جذب یک پدیده سطحی است که در طی آن آلاینده‌ها از طریق نیروهای فیزیکی به سطح جاذب جذب می‌شوند.جذب بستگی به عوامل بسیار زیادی ازجمله درجه حرارت، pH، غلظت آلاینده‌ها، زمان تماس فاز جاذب با آلاینده‌ها، اندازه ذرات فاز جاذب و آلاینده، دما و ماهیت آلاینده و ماده جاذب دارد. آلاینده‌های اصلی موجود در آب به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند: آلاینده‌های آلی و آلاینده‌های یونی[2].
آلاینده‌های یونی موجود در آب به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف- یون‌های فلزات سنگین مانند آرسنیک، جیوه، کادمیوم کروم، کبالت، مس، سلنیوم و سرب.
ب- یون‌های غیرفلزی مانند فلوراید، فسفات، نیترات و سولفید.
از جمله اساسی ترین مشکلات در ارتباط با یون‌های فلزات سنگين عدم تجزیه شدن آنها در بدن موجودات زنده مي باشد. این امر بدین معنی است که این یون‌ها زیست تخریب پذیر نیستند و تمایل به تجمع در بافتهای موجودات زنده دارند. در واقع فلزات سنگين پس از ورود به بدن دفع نشده بلکه در بافت‌هایی مثل چربي، عضلات، استخوان‌ها و مفاصل رسوب کرده و انباشته مي گردند که همين امر موجب بروز بيماريها و عوارض متعددي در بدن مي شود. در دهه گذشته ورود آلاینده‌ها با منشأ انسانی مانند فلزات سنگین به داخل محیط های دریایی، به مقدار زیادی افزایش یافته است كه به‌عنوان یک خطر جدی برای حیات محیط های آبی به شمار می آیند. 
تجمع فلزات سنگین در آب،هوا و خاک، یک مشکل زیست محیطی بسیار مهم می باشد. در جدول تناوبی به آن تعداد از عناصر که وزن اتمی بالایی داشته و در دمای اتاق خاصیت فلزی دارند، فلز سنگین اطلاق می شود. ازآنجایی‌که تعاریف مختلفی برای این عناصر شده و در این طبقه عناصر مختلفی قرار داده شده اند،باید تنها از اصطلاح فلزات یا شبه فلزات استفاده نمود. بر اساس این تعاریف،فلزات مس تا بیسموت در جدول تناوبی که چگالی بیشتر از 4gr/〖cm〗^3 دارند به‌عنوان فلزات سنگین تعریف شده اند. در جدول تناوبی به فلزات گروه 3 تا 16 در تناوب 4 و 4 به بعد فلزات سنگین می گویند. بسیاری از این عناصر نه تنها برای حیات ضروری نیستند، بلکه بسیار هم خاصیت سمی دارند. اندامگان‌های زنده به مقادیر بسیار کمی از فلزات سنگین برای رشد و بقا نیاز دارند که به اصطلاح به آنها عناصر ردیاب1 می گویند مثل آهن، کبالت، مس، منیزیم، مولیبدن، وانادیوم، استرنیم و روی. میزان این یون‌ها در بدن اگر از حداقل مورد نیاز و ضروری افزایش یابند، باعث اخلال در رشد می گردند. سایر فلزات سنگین همانند جیوه، سرب وکادمیوم عناصر حیاتی نبود و اثرات سودمندی بر حیات اندام های زنده ندارند؛ به طوریکه تجمع آنها در بدن موجودات زنده به خصوص پستانداران باعث بیماری های خطرناکی می گردد. مسیرهای ورود این یون‌ها به بدن پستانداران به طور معمول از طریق آب و مواد غذایی آلوده می باشد[2].
کیتین وکیتوسان و مشتقات آنها با توجه به برخورداری از هزینه پایین و زیست تخریب پذیر بودن و همچنین داشتن میزان بالایی از گروه‌های عاملی حامل نیتروژن دار و کربوکسیل دار توجه گسترده ای را به‌عنوان یک جاذب مؤثر جهت حذف آلاینده‌های مختلف از آب به خود جلب کرده اند. از جمله این آلاینده‌ها می‌توان به کاتیون‌ها و آنیون‌های فلزی، مواد پرتوزا، رنگدانه های مختلف، فنول و همچنین آنیون‌های مختلف و آلاینده‌های دیگر اشاره کرد. کیتین و کیتوسان دارای پتانسیل بسیار بالایی جهت حذف این‌گونه آلاینده‌ها از آب می باشند. اما بااین‌حال هنوز هم نیاز برای یافتن ابزار عملی مانند جذب‌کننده‌های سطحی توسعه یافته در مقیاس تجاری وجود دارد[2].
برای هر فرآیند جذب، داشتن سطح مقطع بزرگ، حجم منافذ بالا و همچنین داشتن گروه‌های عاملی مناسب از جمله نیازهای کلیدی و اولیه می باشد.جهت افزایش میزان جذب پلیمرها از نانو ذرات به علت داشتن ویژگی های ذکر شده استفاده می گردد. در حال حاضر بسیاری از نانو ذرات از جمله نانورس و نانولوله های کربنی جهت حذف آلاینده‌ها از آب توسعه یافته اند. نانوذره ای که به تازگی توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است، گرافن نام دارد. گرافن یک ورق مسطح با ضخامت nm1 (یک اتم) است که از اتم‌های کربنی تشکیل شده است که در یک شبکه بلوری لانه‌زنبوری جای گرفته اند. گرافن عنصر مادر سایر آلوتروپ های کربن از جمله گرافیت، نانولوله های کربنی و فولرن است. ازجمله خواص بی نظیر گرافن می‌توان به برخورداری از انعطاف پذیری مکانیکی، گرمایی و شیمیایی بالا اشاره کرد. همچنین گرافن دارای سطح مقطع ویژه بسیار بالا در حدود 2630 m^2/gr می باشد که آن را به یک نامزد بالقوه به‌عنوان یک جاذب با کارایی بالا تبدیل می کند. بااین‌حال گرافن در شکل اصلی خود به علت نداشتن گروه‌های عاملی مناسب از توانایی چندانی برای جذب برخوردار نیست. زیرا به علت داشتن اتم‌های 2Sp تنها قابلیت جذب آلاینده‌ها را با نیروهای واندروالسی دارا می باشد. بنابراین در این پروژه ابتدا گرافن اصلاح شده و برروی آن گروه‌های اکسیدی نشانده می شود و سپس گروه‌های آمینی را با سطح این ماده واکنش داده می شود. در انتها از این نانوذره در هیدروژل کیتوسان استفاده کرده و میزان جذب یون‌های فلزات سنگین را با استفاده از این نانوکامپوزیت هیدروژل، هیدروژل خالص کیتوسان مقایسه می شود.
فصل دوم
مباحث نظري و مروري بر کارهاي انجام‌شده
در اين بخش توضيحاتي در مورد ساختار کیتین و کیتوسان به‌عنوان یک ماتریس جاذب و همچنین گرافن به‌عنوان یک نانوذره جاذب جهت جذب یون‌های فلزات سنگین داده خواهد شد و به آزمایش‌های انجام گرفته بر روی این مواد پرداخته خواهد شد.
کیتین و کیتوسان
کیتین از فراوان ترین بایوپلیمرها بعد از سلولز می باشد. کیتین یک پلی ساکارید طبیعی است و به طور برجسته در پوسته سخت پوستانی مثل خرچنگ و میگو، کوتیکول حشرات و دیواره سلولی قارچ ها یافت می شود. تاریخچه کیتین و کیتوسان به قرن 19 برمی‌گردد. برای اولین بار یک دانشمند فرانسوی به نام براکونوت2 کیتین را از قارچ استخراج کرد. سپس روگت در سال 1859 کیتوسان را از فرآیند استیل زدایی بازی کیتین در حضور پتاسیم هیدروکساید به دست آورد و در نهایت در سال 1950 ساختار آن به طور کامل کشف شد. کیتین و کیتوسان به‌عنوان یک آمینو پلی ساکارید طبیعی که دارای ساختمان بی نظیر و خصوصیاتی چند منظوره هستند به طور وسیعی در پزشکی و صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله خصوصیات بارز آنها می‌توان به زیست سازگاری بالا، زیست تخریب پذیر بودن و دارا بودن خواص ضد باکتری و ضدحساسیت در کنار سمیت پایین اشاره کرد.
ساختار کیتین و کیتوسان
سلولز و کیتین هر دو پلی ساکاریدهایی هستند که نقش حفاظتی را به ترتیب برای گیاهان و جانوران ایفا می‌کنند به طوریکه گیاهان سلولز را در دیواره سلولی و حشرات و سخت پوستان کیتین را در پوسته خود تولید می کنند. ساختارهای سلولز و کیتین شباهت بسیار زیادی با یکدیگر دارند در سلولز گروه‌های هیدروکسیل در موقعیت کربن شماره 2 با گروه های استامید جایگزین شده و در مورد کیتوسان گروه‌های آمین جایگزین گروه‌های هیدروکسیل در سلولز شده اند. شکل 2-1طرح‌واره‌ای از فرمول ساختاری واحدهای منومری سلولز، کیتین و کیتوسان را نمایش می دهد.
شکل ‏21: ساختار واحدهای منومری سلولز، کیتین و کیتوسان[2]
کیتین دارای فرمول شیمیایی (C8H13O5N)n و کیتوسان دارای فرمول شیمیایی (C6H11O4N)n می باشند. شکل 2-2ساختار شیمیایی کیتین و کیتوسان را نمایش می دهند.
شکل ‏22 ساختار شیمیایی پلیمرهای کیتین و کیتوسان[2]
کیتوسان مشتقی از کیتین است. تعداد گروه های استیل موجود روی زنجیر پلیمر، تفاوت بین این دو پلیمر را مشخص می کند. پلیمری که 100 درصد گروه‌های آمین آن استیل دار شده باشند را کیتین و پلیمری که بدون گروه آمیدی(100 درصد گروه آمین) را کیتوسان می نامند. به طور قراردادی وجود 50 درصد گروه‌های آمیدی به‌عنوان مرز بین کیتین و کیتوسان در نظر گرفته می شود. یعنی پلیمر با درجه استیل زدایی کمتر از 50 درصد را کیتین و پلیمر با درجا استیل زدایی بیشتر از 50 درصد را کیتوسان می نامند.
کیتین در حالت جامد دارای 3 شکل متفاوت است که با نامهای آلفا (α)، بتا (β) و گاما (y) شناخته می‌شوند. در صد فراوانی کیتین آلفا در طبیعت بیشتر از دو حالت بتا و گاما می باشد. آلفا کیتین در دیواره سلولی قارچ‌ها و پوسته سخت پوستانی همچون میگو و خرچنگ، بتا کیتین از دیاتومه و بازوهای ماهی مرکب و گاما کیتین( که دارای درصد کمی در طبیعت می باشد) به صورت ترکیبی از آلفا کیتین و بتا کیتین یافت می‌شوند. جهت گیری متفاوت زنجیره ای پلیمری باعث بروز چنین اختلافی در کیتین ها شده است؛ به طوریکه گروه‌های استیل با ایجاد پیوند هیدروژنی درون زنجیره ای و برون زنجیره ای بین گروه‌های استیل کربن شماره 2 و هیدروکسیل موجود در پلیمر، نقش مهمی در این شکل گیری ایفا می کنند. اگر جهت گیری تمام زنجیره های پلیمری در یک راستا باشند آن را آلفا کیتین می نامند. در این حالت زنجیره ها می‌توانند علاوه بر پیوند های هیدروژنی درون زنجیره ای، پیوندهای هیدروژنی برون زنجیره ای نیز داشته باشند و باعث افزایش استحکام ساختار شوند؛ ولی در مورد بتا کیتین جهت گیری زنجیره ها فقط اجازه تشکیل پیوند های درون زنجیره ای را می دهد. همچنین در مورد گاما کیتین جهت گیری زنجیره ها به صورت تصادفی است. شکل 2-3 طرح‌واره‌ای از جهت گیری زنجیره ها در انواع کیتین را نمایش می دهد.
شکل ‏23 جهت‌گیری زنجیره ها در گاما، بتا و آلفا کیتین[2]
خصوصیات کیتین و کیتوسان
بیشتر پلی ساکارید های موجود در طبیعت از جمله سلولز، دکسترین، پکتین، آلجینیک اسید و غیره به صورت خنثی و اسیدی می باشند درحالی‌که کیتین و کیتوسان به صورت بازی در طبیعت موجود هستند. وجود این خاصیت منحصر به فرد آنها را قادر می سازد تا به صورت شیمیایی با چربی‌ها، پروتئین ها، DNA، RNA، و یون‌های فلزات سنگین پیوند های شیمیایی برقرار کند. کیتین به دلیل خاصیت چربی دوستی بالا در آب و بسیاری از حلال های آلی نامحلول است اما کیتوسان در محلولهای اسید رقیق و pH کمتر از 6 قابل حل می باشد.
خصوصیات فیزیکی و شیمیایی کیتین و کیتوسان
از جمله اصلی ترین پارامترهایی که بر خواص کیتین و کیتوسان تاثیر مستقیم می گذارند می‌توان به وزن ملکولی، درجه استیل زدایی و میزان بلورینگی آنها اشاره کرد. لازم به ذکر است در بحث سامانه‌های دارورسانی و کاربردهای انسانی علاوه بر موارد بالا باید به درصد خلوص، میزان رطوبت و میزان پروتئین موجود در آنها نیز توجه کرد.
کاربردهای کیتین و کیتوسان
حلالیت پایین کیتین، مهم‌ترین عامل محدود کننده مصرف این پلیمر زیست سازگار محسوب می شود. علیرغم این محدودیت، تا کنون کاربرد های زیادی از کیتین و مشتقاتش گزارش شده است. از این رو کیتوسان به دلیل وجود گروه‌های آمینی آزاد در طول زنجیر پلیمر و توانایی تشکیل کیلیت و حلالیت خوب در اسید های ضعیفی چون اسید استیک، جایگاه مناسبی را در بین پلی ساکاریدها به خود اختصاص داده است. الیاف ساخته شده از کیتین و کیتوسان برای تهیه نخ های بخیه قابل جذب و همچنین تهیه پارچه هایی جهت بهبود زخم بسیار مؤثر هستند. همچنین محققانی در سالهای دور توانسته اند با استفاده از این الیاف یون‌های فلزات سنگین را از آب و فاضلاب جذب کنند[3].
گرافن
گرافن یک ورق مسطح با ضخامت nm1 (یک اتم) است که از اتم‌های کربنی تشکیل شده است که در یک شبکه بلوری لانه‌زنبوری جای گرفته اند. گرافن عنصر مادر سایر آلوتروپهای کربن از جمله گرافیت، نانولوله های کربنی و فولرن است[4], [5]. طبیعت گرافیت به‌عنوان یک ماده معدنی نزدیک به 500 سال است که شناخته شده می باشد. بااین‌حال گرافیت به علت برخوردار بودن لایه های کربنی بر روی همدیگر دارای ساختاری متزلزل است.زیرا این لایه ها تنها با پیوندهای واندروالسی به یکدیگر وصل شده اند. در سال 2004 ژیم3 همکارانش در دانشگاه شهر منچستر توانستند لایه های منفرد کربنی را به دست آورند. این کشف انقلابی، بعد جدیدی از علم را به تحقیقات علم فیزیک، شیمی، زیست فناوری و مواد اضافه کرده است.گرافن باریکترین ماده شناخته شده تا کنون است که دارای هدایت الکتریکی عالی، هدایت حرارتی،شفافیت نوری و همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین می باشد.ویژگی های منحصر به فرد گرافن علاقه بسیار زیادی را در بین دانشمندان جهان و همینطور صنعت و فناوری به خود جلب کرده است. به تازگی، از گرافن به‌عنوان جایگزین پرکننده های نانویی مبتنی بر کربن در تهیه نانو کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می شود. زیرا استفاده از این نانوذره خواص مکانیکی،الکتریکی و حرارتی پلیمرها را تاحد بسیار زیادی بهبود می بخشد. انتظار می رود که در آینده نزدیک استفاده از این نانوذره در ساخت دستگاههای زیستی الکترونیکی تا حد بالایی افزایش یابد. همچنین گرافن به علت هدایت الکتریکی عالی و انعطاف پذیری مکانیکی بالا قادر است تا جایگزین مواد هادی فلزی در دستگاههای الکترونیکی شود. همچنین گرافن به دلیل داشتن سطح مقطع بالا و قابلیت عامل دار شدن با گروه‌های عاملی مناسب در سالیان گذشته مورد توجه بسیاری از دانشمندان جهان جهت جذب یون‌های فلزات سنگین از آب قرار گرفته است. در شکل 4-2 تک لایه گرافن و ساختار لانه زنبوری آن مشاهده می شود که این ساختار عنصر مادر و تشکیل دهنده مواد دیگر همچون گرافیت و کربن و فولرن و کربن نانولوله می باشد.
شکل ‏24 ساختار لانه‌زنبوری گرافن که عنصر مادر و تشکیل دهنده مواد دیگر همچون گرافیت و کربن و فولرن و کربن نانولوله می باشد[4]
کاربرد کیتین و کیتوسان در حذف یون‌های فلزات سنگین
یون های فلزات سنگین یکی از مهم‌ترین دسته های آلاینده‌های آب هستند که از طریق هرم مواد غذایی وارد بدن انسان ها شده و مشکلات بسیار زیادی را برای آنها ایجاد می کنند.یون های فلزات سنگین از طریق فعالیت های صنعتی مختلف وارد محیط زیست شده و سبب آلودگی آن می‌شوند. کیتین و کیتوسان و مشتقات آنها به طور گسترده به‌عنوان جاذب در حذف یون‌های فلزات سنگین از آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرند. پتانسیل جذب بالا در کیتوسان را می‌توان به سه دلیل دانست:
الف – آبدوستی بالای کیتوسان به دلیل دارا بودن تعداد زیادی گروه‌های هیدروکسیل موجود در واحدهای گلوکز
ب – حضور تعداد زیادی از گروه‌های عاملی در ساختار(همانند گروه‌های آمینی)
ج – واکنش پذیری شیمیایی بالای این گروه‌های عاملی
د – ساختار انعطاف پذیر زنجیره های پلیمری این ماده.[6]
کادمیوم و ترکیبات آن حتی در غلظت های بسیار کم برای موجودات زنده و زیست بوم طبیعی به شدت سمی هستند.بیماری شناخته شده “اوچ اوچ4” در ژاپن که منجر به شکستگی های متعدد در بدن می شود، با کادمیوم در ارتباط است. کیتین به‌عنوان یک جاذب در حذف یون کادمیوم از محلول آبی توسط محققان مورد استفاده قرار گرفته است.[7]در این تحقیق ظرفیت جذب برای کیتین 14mg از یون کادمیوم به ازای 1 gr کیتین مشاهده شد. همچنین در تحقیق دیگری از میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) جفت شده با پراش اشعه ایکس نیز جهت بررسی و مشاهده گره های حاوی کادمیوم در سطح کیتین و به تعادل رسیدن کادمیوم و کیتین استفاده شد. محققان اثر تاثیر یون‌های فلزی مس و روی دو ظرفیتی را بر جذب کادمیوم در دمای ℃25 و در شرایط ثابت بررسی کردند[8]. میزان جذب یون‌های فلزات سنگین به صورت زیر گزارش شد:
مس> کادمیوم>روی
یون روی دو ظرفیتی بر افزایش میزان جذب یون‌های کادمیوم توسط روی در شرایط آزمایش تاثیر گذاشته بود؛ در حالی که حضور یون مس دوطرفیتی سبب کاهش میل جذب کادمیوم توسط کیتین شده بود.
راندمان حذف یون کادمیوم توسط کیتوسان نیز مورد بررسی قرار گرفته است[9]. ظرفیت جذب یون کادمیوم در این تحقیق برابر با mg5.93 به ازای gr1 کیتوسان در محدوده pH بین 4 تا 8.3 گزارش شده است. این میزان جذب در حضور اتیلن دی آمین تترااستیک اسید به میزان چشمگیری کاهش پیدا کرد. این امر به دلیل اتیلن دی آمین تترااستیک اسید و دیگر آمینو پلی کربوکسیلیک اسید های شناخته شده است که با یون‌های فلزات سنگین کمپلکس های بسیار پایدار تشکیل می دهند[10].
جیوه، مس، نیکل، روی، سرب و منگنز برخی دیگر از یون‌های فلزات سنگین هستند که در حال حاضر در غلظت های بالاتر از حد مجاز در محیط زیست قرار دارند. حذف این یون‌های فلزات سنگین از آب توسط محققان زیادی توسط کیتین و کیتوسان و مشتقات آنها مورد بررسی قرار گرفته است. مک کی5 و همکارانش جذب برخی از یون‌های فلزات سنگین توسط کیتوسان را مورد بررسی قرار دارند[11]. با انجام آزمایش‌ها مشخص شد که ظرفیت جذب کیتوسان برای جیوه، مس، نیکل و روی دو ظرفیتی به ترتیب برابر با mg815، mg222، mg164 وmg75 به ازای gr1 کیتوسان بود.
استفاده از تکه6 های کیتوسان در حذف یون مس دو ظرفیتی از آب مورد آزمایش قرار گرفته و گزارش شده است[12]. کیتوسان توانایی بسیار عالی جهت جذب یون مس در حدودmmol 1.8 تا mmol2.2 به ازایgr 1 پودر خشک را از خود نشان داد. همچنین ظرفیت جذب در حضور غلظت زیادی از یون‌های کلراید در محلول به شدت و با شیب بسیار زیادی افزایش می یابد. تغییرات pH محلول منجر به ایجاد رقابت جهت جذب یون مس توسط کیتوسان می شود. میزان بهینه جذب مس بر روی تکه های کیتوسان در حدود 6.0-5.4 گزارش شده است.
عملکرد منابع تجاری در دسترس کیتین، کیتوسان و کیتوسان دارای اتصال عرضی شده با بنزوکینون برای یون‌های فلزات سنگین مختلف مورد بررسی قرار گرفته است[13]. pH اولیه محلول فلزی به طور قابل توجهی تحت تاثیر ظرفیت جذب فلز قرار دارد. بیشترین مقادیر جذب فلزات با کیتوسان حل شده با غلظت gr/Lit 1و در pH برابر 4 و با غلظت اولیه فلزات برابر با mgr/Lit400 به ترتیب به میزان mg137، mg124، mg108و mg 58 به ازای 1g کیتوسان برای فلزات مس، کروم، روی و آرسنیک گزارش شده است.
حذف همزمان یون‌های فلزات مختلف(روی، مس، کادمیوم و سرب) با استفاده از تکه های کیتوسان تجاری در دسترس از محلولهای آبی و در شرایط فیزیکی و شیمیایی متغیر گزارش شده است[14]. نتایج به دست آمده نشان داد که میزان قابل توجهی از این یون‌های فلزی توسط کیتوسان جذب می‌شوند. تکه های کیتوسان حداکثر ظرفیت جذب را برای یون‌های مس به نمایش گذاشته اند. میزان جذب یون‌های فلزات سنگین با کیتوسان به صورت زیر کاهش یافته است:
مس>سرب>کادمیوم>روی
جذب این فلزات توسط کیتوسان به شدت به pH بستگی دارد. میزان جذب این یون‌ها توسط کیتوسان با افزایش pH از 4 به 7 افزایش یافت. این امر به قابل دسترس بودن بیشتر گروه‌های آمینی در pH های بالاتر نسبت داده شد. از سوی دیگر کاهش میزان جذب یون‌های فلزات سنگین را در pH اسیدی می‌توان به این امر نسبت داد که با کاهش pH، یون‌های فلزات سنگین که دارای بار مثبت هستند، برای جذب شدن بر روی گروه‌های نیتروژنی یا محل های فعال7 باید به رقابت با H3O+ بپردازند.
چندین تغییر شیمیایی توسط محققان برای افزایش میزان جذب دانه8 های کیتوسان با اتصالات عرضی انجام شده است[15]. در میان این آزمایش‌ها، آمینه کردن دانه های کیتوسان به وسیله واکنش شیمیایی با اتیلن دی آمین و کربو دی آمین سبب افزایش چشم گیر میزان جذب یون جیوه توسط این دانه ها شد. ظرفیت جذب دانه های آمینه شده کیتوسان در حدود mmol2.26 جیوه به ازای gr1کیتوسان خشک در pH برابر با 7 برآورد شد. شکل 5-2 طرح‌واره‌ای از واکنش شیمیایی کیتوسان با اتیلن دی آمین و کربو دی آمین را نمایش می دهد. این مقدار یکی از بالاترین ظرفیت های جذب در میان جاذب های زیستی می باشد. همچنین دانه های کیتوسان دارای ویژگی رقابتی بین جذب یون جیوه و هیدروژن می باشند که این رقابت با استفاده از مدل تعادل هم‌دما با موفقیت شبیه سازی شد.
شکل ‏25 ایجاد اتصالات عرضی و بررسی سازوکار ساختار پس از چند اصلاح:
(الف) سازوکار اتصال عرضی کیتوسان با استفاده از گلوتارآلدهید
(ب)سازوکار کربوکسیله کردن و آمینه کردن دانه های کیتوسان[15]
به منظور افزایش جذب یون کادمیوم توسط کیتوسان ،رورر9 و همکارانش آزمایش هایی را برای افزایش تخلخل دانه های کیتوسان با اضافه کردن محلول کیتوسان اسیدی به محلول سدیم هیدروکساید انجام دادند[16]. دانه های کیتوسان با استفاده از گلوتار آلدهید شبکه ای شده و سپس سرمایش خشک10 شدند. قطر ذرات به دست آمده بین mm1 تا mm3 تخمین زده شد. ذره های با قطر mm1 دارای سطح مقطع بیش از m^2/gr150 بوده و میزان متوسط اندازه منافذ آنها در حدود A^° 560 و غیرقابل حل در محلول‌های اسیدی با pH برابر با 2 بودند. جذب سطحی هم‌دما در ℃25 و pH حدود 6.5 و محدود غلظت کادمیوم mg/Lit1690-1 انجام شد و بیشینه جذب برای ذرات با قطر mm3 و mm1 در حدود mg518 و mg188 کادمیوم به ازای gr1 دانه کیتوسان به دست آمد. این میزان جذب توسط یک سازوکار انسداد منافذ توضیح داده شد. کیتوسان متخلخل مزایای بسیار بیشتری را در مقایسه با کیتوسان تکه ای یا پودر شده از خود نشان داد. به طور مثال این نوع کیتوسان دارای سطح مقطع داخلی بالاتر بود و ایجاد اتصالات عرضی کردن دانه ها سبب غیر قابل حل شدن آنها در محلول‌های با pH پایین شد و درنتیجه قابلیت استفاده در محدوده بیشتری از pH را از خود به نمایش گذاشت. شکل 6-2 طرح‌واره‌ای از نحوه به دست آوردن دانه های متخلخل کیتوسان را نشان می دهد.
شکل ‏26 به دست آوردن دانه های کیتوسان در حمام سدیم هیدروکساید[16]
همچنین ریزنگار میکروسکوپ الکترونی روبشی شکل 7-2 با بزرگنمایی x30 وx500 جهت مشاهده تخلخل سطح دانه های کیتوسان ارائه شده است تا اثبات این ادعا صورت پذیرد.
شکل ‏27 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با بزرگنمایی به ترتیب 30 و 500 برابر[16]
یکی دیگر از راه‌حل‌ها برای افزایش میزان جذب یون‌های فلزات سنگین، سنتز کردن نانوکامپوزیت کیتوسان مغناطیسی بر اساس نانو ذرات عامل دار شده با آمین بود[17]. این نانوکامپوزیتها یک ابزار کارآمد، سریع و مناسب برای از بین بردن یون‌های سرب و مس و کادمیوم دو ظرفیتی را از خود به نمایش گذاشتند. این نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی به‌عنوان یک جاذب قابل بازیافت جهت حذف یون های فلزات سنگین از آب و فاضلاب پیشنهادشده‌اند. شکل 8-2 طرح‌واره‌ای از نحوه آماده سازی نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی کیتوسان را نمایش می دهد.
شکل ‏28 آماده سازی نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی کیتوسان[17]
جذب یون آلومینیوم 3 ظرفیتی از محلول آبی توسط کیتوسان و در دمای ℃30 در حدود mg45.45 به ازای gr1 کیتوسان اندازه گیری شد[18]. با افزایش pH محلول از 3 به 4 میزان جذب یون آلومینیوم افزایش یافت و با افزایش pH از 4 به سمت بالاتر میزان جذب کاهش پیدا کرد. این امر از نمودار شکل 2-9 قابل تشخیص است.
شکل ‏29 تغییرات میزان جذب یون آلومینیوم با استفاده از کیتوسان با تغییر pH [18]
از مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم برای توصیف سینتیک جذب و بررسی تبادل الکترون بین گروه‌های آمینه واقع در کیتوسان و یون‌های آلومینیوم 3 ظرفیتی استفاده شد. در این تحقیق بیان کردند که قبل از به تعادل رسیدن، افزایش درجه حرارت سبب افزایش سرعت جذب در روند سینتیکی می شود؛ درحالی‌که فرآیند جذب آلومینیوم توسط کیتوسان یک فرآیند گرمازا می باشد.
در تحقیق دیگری توانایی و میزان جذب یون کروم شش ظرفیتی از محلول آبی توسط کیتوسان دارای اتصالات عرضی و بدون اتصالات عرضی به‌عنوان جاذب بررسی شد[19]. رفتار جذب کروم شش ظرفیتی را با مدل همدمای لانگمویر11 در محدوده غلظت کروم mg/Lit1000-mg/lit10 مدل کردند. در انتها با بررسی نتایج متوجه شدند که حداکثر ظرفیت جذب برای هر دو نوع کیتوسان در حدود mg78 یون به ازای gr1کیتوسان شبکه ای نشده و mg50 یون به ازای mg1 کیتوسان شبکه ای شده می باشد. همچنین میزان جذب بهینه و حداکثر در pH برابر با 5 به دست آمد.
در یکی از جدیدترین کارهای انجام شده بر روی هیدروژل کیتوسان، هیدروژل کیتوسان به همراه گرافن اکساید به‌عنوان نوع جدیدی از جاذب جهت تصفیه آب معرفی شد[20]. در این مقاله ورق های گرافن و کیتوسان با هم مخلوط همگنی را ساخته و یک شبکه 3 بعدی را تشکیل دادند. این هیدروژل ظرفیت جذب بسیار بالایی را در جذب یون‌های فلزی مس و سرب و همچنین رنگ های کاتیونی و آنیونی از خود نشان داد. و با بررسی های انجام شده مشخص شد که می تون از این نانوکامپوزیت هیدروژل ساخته شده به‌عنوان یک ستون جهت تصفیه آب استفاده کرد.
همانطور که از تصویر 10-2 مشخص است، بیشترین میزان جذب یون مس و سرب توسط این هیدروژل کامپوزیت در pH برابر با 5، با گذشت زمان تا حدود hr4 با شیب زیادی افزایش می یابد و پس از آن میزان جذب سرب کاهش می یابد؛ درحالی‌که میزان جذب مس یا شیب کمتری افزایش می یابد.
شکل ‏210 تغییرات میزان جذب یون مس و سرب با استفاده از هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید با گذشت زمان[20]
همچنین با تغییر ترکیب درصد گرافن اکساید نسبت به کیتوسان میزان جذب یون‌های فلزات سنگین تغییر می کند. همانطور که از تصویر 2-11 مشخص است، با تغییر ترکیب درصد وزنی گرافن اکساید نسبت به کیتوسان از (5 / 1) به (20/1) میزان جذب یون سرب افزایش پیدا می کند اما میزان جذب یون مس تا ترکیب درصد(10/1) اندکی افزایش و سپس مجدداً کاهش پیدا می کند.
شکل ‏211 تغییرات میزان جذب یون مس و سرب با استفاده از هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید با تغییر ترکیب درصد گرافن اکساید[20]
همچنین این نانوکامپوزیت هیدروژل توانست رنگ های کاتیونی و آنیونی را به خوبی به خود جذب کند. جهت بررسی این موضوع، یک نانوکامپوزیت هیدروژل گرافن اکساید-کیتوسان(10/1) آماده شد و در درون ستونی قرار گرفت. سپس از رنگ های متیلن بلو به‌عنوان



قیمت: تومان

About the author

92 administrator

You must be logged in to post a comment.