موفقیت محققان ایرانی در توسعه جاذب نانویی سبز برای تصفیه فاضلاب های رنگی
به گزارش ساخت اپل آی دی، محققان دانشگاه شهید بهشتی به توسعه یک جاذب پیشرفته نانویی بر پایه هیدروژل خودآرا با ساختار چندعملکردی دست یافته اند که قادر می باشد رنگ کریستال ویوله را از محلول های آبی با بازده بالا حذف کند. این سامانه با استفاده از ترکیب صمغ زانتان اصلاح شده، نانوذرات سیلیکا و پلیمر نیمه هیدرولیزشده پلی آکریل آمید طراحی شده و نشان داده است فناوری نانو می تواند اهمیت بالای ی در توسعه شیوه های سبز تصفیه آب داشته باشد.
به گزارش ساخت اپل آی دی به نقل از ایسنا، آلودگی منابع آبی به مواد رنگی صنعتی یکی از چالش های جدی محیط زیستی در دهه های اخیر محسوب می شود. رنگ های کاتیونی خصوصاً در پساب صنایع نساجی، چاپ و داروسازی، پایداری بالایی در محیط دارند و ورود آنها به چرخه آب می تواند سلامت اکوسیستم ها و انسان را تهدید کند. در همین جهت، محققان دانشگاه شهید بهشتی به توسعه یک جاذب پیشرفته نانویی بر پایه هیدروژل خودآرا با ساختار چندعملکردی دست یافته اند که می تواند رنگ کریستال ویوله را از محلول های آبی با بازده بالا حذف کند. اهمیت این مطالعه در ارایه جاذبی پایدار، قابل احیا و سازگار با محیط زیست نهفته است.
این گروه تحقیقاتی موفق به طراحی و سنتز یک هیدروژل نانوساختار خودآرا بر پایه صمغ زانتان اصلاح شده با نانوذرات سیلیکا و پلیمر نیمه هیدرولیزشده پلی آکریل آمید (HPAM) شده اند که می تواند به عنوان جاذب پیشرفته برای حذف رنگ کاتیونی کریستال ویوله از محلول های آبی مورد استفاده قرار گیرد. بخش نانوفناوری این پروژه در طراحی و سنتز ساختار هیدروژلی شامل پراکندگی یکنواخت نانوذرات سیلیکا در ماتریس پلیمری و ایجاد شبکه ای با تراکم بالای گروههای عاملی فعال متمرکز بوده است. این مطالعه با نگاه شیمی سبز و بر پایه پروسه خودآرایی مولکولی و برهم کنش های هیدروژنی انجام شده است.
افزایش فعالیت صنایع رنگ سازی، نساجی و برخی واحدهای شیمیایی سبب افزایش نگرانی ها درباره ی ورود ترکیبات آلی پایدار به منابع آبی شده است. کریستال ویوله یکی از رنگ های کاتیونی با کاربرد گسترده صنعتی است که به علت ساختار آروماتیک پایدار، تجزیه طبیعی خیلی کندی در محیط دارد و می تواند در غلظت های پایین نیز اثرات سمی زیستی ایجاد نماید. بدین جهت توسعه جاذب های کارآمد، اقتصادی و قابل احیا برای حذف این آلاینده ها ضرورت علمی و صنعتی قابل توجهی یافته است.
در این پروژه، هیدروژل نانوساختار HPAM/SiO2@XG بوسیله پروسه ژل سازی سبز در محیط آبی و بدون استفاده از عامل اتصال دهنده شیمیایی سنتز شده است. استفاده از صمغ زانتان اصلاح شده به عنوان بستر زیستی پلی ساکاریدی، علاوه بر کاهش هزینه و افزایش سازگاری محیط زیستی، سبب افزایش ظرفیت جذب سطحی و بهبود خواص تورمی شبکه هیدروژلی شده است. حضور نانوذرات سیلیکا نیز نقش برجسته ی در افزایش سطح ویژه و ایجاد مراکز فعال جذب داشته و ساختار یکنواختی در ماتریس پلیمری بوجود آورده است.
بررسی های ساختاری و شیمیایی نشان داده است که برای شناسایی خاصیت های فیزیکی و شیمیایی سامانه طراحی شده از طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه، میکروسکوپ الکترونی نشر میدانی، پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی عبوری، تحلیل سطح ویژه BET و تحلیل حرارتی TG/DTG استفاده شده است. نتایج این آزمون ها نشاندهنده تشکیل موفق شبکه هیدروژلی خودآرا و توزیع مناسب نانوذرات سیلیکا در ساختار پلیمر است.
مطالعات جذب سطحی بصورت آزمایش های نوبتی در شرایط مختلف عملیاتی شامل تغییرات pH، مقدار جاذب، زمان تماس، غلظت اولیه رنگ، قدرت یونی محلول و دما انجام شده است. بهترین عملکرد جذب در شرایط pH برابر با ۷، غلظت رنگ ۱۵۰ میلی گرم بر لیتر، مقدار جاذب ۸۵ میلی گرم، زمان تماس ۱۸۰ دقیقه و دمای ۳۰ درجه سلسیوس مشاهده شد.
تحلیل داده های تعادلی نشان داد که مدل هم دمای لانگمویر بیشترین انطباق را با داده های آزمایشگاهی دارد. بر طبق این مدل، ظرفیت بیشینه جذب رنگ کریستال ویوله در حالت تعادل به مقدار ۳۴۲.۱۹ میلی گرم بر گرم رسید که نشان دهنده توان بالای سامانه نانویی طراحی شده در حذف آلاینده های رنگی از محیط آبی است. انطباق مناسب داده های سینتیکی با مدل شبه مرتبه دوم نیز نشان داد که پروسه جذب بیشتر تحت کنترل برهم کنش های شیمیایی سطحی بوده است.
مکانیزم غالب جذب در این هیدروژل نانوساختار بر پایه برهم کنش های الکترواستاتیکی میان گروههای حامله سطح جاذب و مولکول رنگ کاتیونی کریستال ویوله، همراه با پیوندهای هیدروژنی چندگانه میان مراکز فعال شبکه پلیمری و مولکول آلاینده تبیین شده است. همین طور ظرفیت تورمی بالای هیدروژل سبب افزایش نفوذپذیری محلول رنگی به داخل شبکه و تقویت پروسه انتقال جرم شده است.
یکی از خاصیت های قابل توجه این سامانه نانویی، قابلیت بازیابی و استفاده مجدد آنست. آزمایش چرخه های جذب و واجذب نشان داد که هیدروژل طراحی شده حتی بعد از پنج مرحله استفاده متوالی، بازهم بازده حذف قابل قبولی در محدوده ۹۴.۵ تا ۷۱.۵ درصد حفظ نموده است. این خاصیت از نظر اقتصادی و صنعتی اهمیت بالایی دارد، برای اینکه کاهش هزینه های عملیاتی و افزایش عمر مفید جاذب را به همراه خواهد داشت.
محققان تاکید کرده اند که ساخت این هیدروژل نانویی بر پایه پروسه ژل سازی سبز و در محیط آبی انجام شده و در آن از عامل اتصال دهنده شیمیایی سنتی استفاده نشده است. ساختار شبکه ای هیدروژل عمدتا بوسیله برهم کنش های هیدروژنی میان صمغ زانتان، پلی آکریل آمید و گروههای سیلانول سطح نانوذرات سیلیکا شکل گرفته است. این رویکرد نه تنها پیچیدگی پروسه سنتز را می کاهد، بلکه با اصول توسعه پایدار و شیمی سبز نیز هماهنگی دارد.
افزایش سطح ویژه ناشی از توزیع یکنواخت نانوذرات سیلیکا در ماتریس پلیمری و افزایش تراکم گروههای عاملی فعال، مهم ترین عامل پیشرفت عملکرد جذب در این سامانه معرفی شده است. محققان اعتقاد دارند که طراحی هوشمندانه ساختار مولکولی و استفاده از خودآرایی سوپرامولکولی می تواند مسیر توسعه نسل جدید جاذب های کارآمد برای تصفیه پساب های صنعتی را هموار کند.
به نقل از ستاد نانو، نتایج این مطالعه نشان داده است که هیدروژل نانوساختار چندعملکردی طراحی شده می تواند به عنوان گزینه ای امیدبخش برای حذف ترکیبات آلی رنگی از محیط های آبی مورد استفاده قرار گیرد و ظرفیت قابل توجهی برای توسعه فناوری های تصفیه آب در مقیاس صنعتی داشته باشد. محققان همین طور تاکید کرده اند که بهینه سازی بیشتر ساختار شبکه هیدروژلی و بازبینی کارکرد آن در حذف سایر آلاینده های آلی می تواند در مطالعات آینده دنبال شود.
به طور خلاصه، رنگ های کاتیونی به ویژه در پساب صنایع نساجی، چاپ و داروسازی، پایداری بالایی در محیط دارند و ورود آنها به چرخه آب می تواند سلامت اکوسیستم ها و انسان را تهدید کند. بررسی های ساختاری و شیمیایی نشان داده است که برای شناسایی خاصیت های فیزیکی و شیمیایی سامانه طراحی شده از طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه، میکروسکوپ الکترونی نشر میدانی، پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی عبوری، تحلیل سطح ویژه BET و تحلیل حرارتی TG/DTG استفاده شده است. بهترین عملکرد جذب در وضعیت pH برابر با ۷، غلظت رنگ ۱۵۰ میلی گرم بر لیتر، مقدار جاذب ۸۵ میلی گرم، زمان تماس ۱۸۰ دقیقه و دمای ۳۰ درجه سلسیوس مشاهده شد.
منبع: ساخت اپل آی دی
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب