جذب یون‌های فلزات سنگین با استفاده از نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن

اساتید راهنما

دکتر اسماعیل قاسمی

دکتر محمد کرابی

استاد مشاور

دکتر حامد عزیزی

پایییز 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

عنوان                                        صفحه
چکیده…1

• مقدمه.2

2-مباحث نظری و مروری بر کارهای انجام‌شده…  5
2-1-کیتین و کیتوسان. 5
2-1-1-ساختار کیتین و کیتوسان. 6
2-1-2-خصوصیات کیتین و کیتوسان. 8
2-1-3-خصوصیات فیزیکی و شیمیایی کیتین و کیتوسان. 8
2-1-4-کاربردهای کیتین و کیتوسان. 8
2-2-گرافن.. 9
2-3-کاربرد کیتین و کیتوسان در حذف یون‌های فلزات سنگین.. 10
2-4-جذب یون‌های فلزات سنگین با استفاده از گرافن و مشتقات آن. 20
2-5-فرآیند جذب… 24
2-5-1-جذب سطحی.. 24
2-5-2-تعادل جذب سطحی.. 24
2-5-3-عوامل مؤثر بر سرعت جذب سطحی.. 25
2-5-3-ب‌- اثر pH….. 25
2-5-3-ت‌-طبیعت فاز جذب شده. 25
2-5-3-ث‌-کشش سطحی.. 25
2-5-4-ترمودینامیک جذب سطحی.. 25
2-5-5-سامانه‌های جذب سطحی.. 26
2-5-6-جاذب ها…… 30
2-6-روش‌های تهیه و سنتز گرافن.. 32
2-6-1-روش‌های پایین به بالا.. 32
2-6-2-روش‌های تولید بالا به پایین.. 33
2-6-2-ب‌-گرافیت اکساید. 35
2-7-عامل دار کردن شیمیایی گرافن.. 41
2-7-1-عامل دار کردن کووالانسی.. 42
2-7-2-عامل دار کردن غیرکووالانسی.. 50
2-7-3-تثبیت کردن در یک محیط یونی.. 54
2-7-4-به طور مستقیم از گرافیت… 56
2-8-نانو کامپوزیت‌های گرافن/پلیمر و روش تولید آنها 58
2-8-1-پلیمریزاسیون درجای تعاملی.. 59
2-8-2-تعامل حلالی.. 59
2-8-3-روش تعاملی مذاب… 60
3-کارهای عملی……61

این مطلب را هم بخوانید :

3-1مواد.. 61
3-1-1-کیتوسان..  61
3-1-2-گرافن………..62
3-1-3-تری اتیلن تترامین.. 62
3-1-4-پلی اتیلن گلایکول. 62
3-1-5-فرمالدهید. 62
3-1-6-اتیل استات… 62
3-1-7-اسید سولفوریک…. 62
3-1-8-اسید نیتریک…. 63
3-1-9-سود سوزآور. 63
3-1-10-نمک کادمیوم نیترات… 63
3-1-11-تیونیل کلراید. 63
3-1-12-سدیم………..63
3-1-13-تتراهیدروفوران. 63
3-1-14-دی متیل فرمامید. 64
3-1-15-بنزوفنون. 64
3-2-تجهیزات…. 64
3-2-1-رفلاکس… 64
3-2-2-فیلتریزاسیون خلا.. 64
3-2-3-همزن لرزان. 64
3-2-4-دستگاه pH  متر. 65
3-3-نمونه‌سازی.. 65
3-3-1-اکسید گرافن.. 65
3-3-2-آسیلاسیون نانو گرافن.. 66
3-3-3-عامل دار کردن نانوگرافن.. 66
3-3-4-دانه کیتوسان. 67
3-3-5-نانوکامپوزیت دانه کیتوسان. 67
3-3-6-خشک کردن دانه ها 68
3-3-7-روش ساخت محلول یونی کادمیوم. 68
3-3-8-روش خشک کردن دی متیل فرمامید. 68
3-3-9-روش خشک کردن تتراهیدروفوران. 69
3-4-تعیین مشخصات… 71
3-4-1-دستگاه طیف‌سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه. 71
3-4-2-تجزیه وزن سنجی گرمایی (TGA) 71
3-4-3-ریزبین الکترونی روبشی (SEM) 72
3-4-4- سیستم آنالیز عنصری EDX.. 74
3-4-5-دستگاه طیف سنجی جذب اتمی شعله (FAAS) 74
4-نتیجه‌گیری و بحث………..76
4-1-تعیین مشخصات گرافن عامل دار شده. 76
4-1-1-طیف‌سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه. 76
4-1-2-تجزیه وزن سنجی گرمایی.. 78

4-1-3-ریخت‌شناسی نانو ذرات با استفاده از ریزبین الکترونی روبشی……..79
4-1-4-بررسی تخلخل نانوکامپوزیت ها 82
4-2-بررسی اثر تورم و جذب آب نانو کامپوزیت‌های کیتوسان. 85
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 کادمیوم. 86
4-3-2-به دست آوردن میزان pH بهینه در جذب یون کادمیوم. 88
4-3-3-به دست آوردن زمان تماس بهینه جهت جذب یون کادمیوم. 90
4-3-4-به دست آوردن میزان غلظت یون کادمیوم جهت جذب بهینه یون کادمیوم. 91
5-نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها………93
مراجع………….95
فهرست شکل ها
شکل ‏2‑1: ساختار واحدهای منومری سلولز، کیتین و کیتوسان[2] 6
شکل ‏2‑2 ساختار شیمیایی  پلیمرهای کیتین و کیتوسان[2] 7
شکل ‏2‑3 جهت‌گیری زنجیره ها در گاما، بتا و آلفا کیتین[2] 8
شکل ‏2‑4 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 ‏2‑5 ایجاد اتصالات عرضی و بررسی سازوکار ساختار پس از چند اصلاح: 14
شکل ‏2‑6 به دست آوردن دانه های کیتوسان در حمام سدیم هیدروکساید[16] 15
شکل ‏2‑7 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با بزرگنمایی به ترتیب 30 و 500 برابر[16] 16
شکل ‏2‑8 آماده سازی نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی کیتوسان[17] 16
شکل ‏2‑9 تغییرات میزان جذب یون آلومینیوم با استفاده از کیتوسان با تغییر pH [18] 17
شکل ‏2‑10 تغییرات میزان جذب یون مس و سرب با استفاده از هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید با گذشت زمان[20] 18
شکل ‏2‑11 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 ‏2‑12 جذب رنگ های آنیونیEosin Y(سمت چپ) و کاتیونی متیلن بلو(سمت راست) توسط هیدروژل نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن اکساید[20] 19
شکل ‏2‑13 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 ‏2‑14 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 ‏2‑15 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 ‏2‑16 میزان جذب یون فسفات با استفاده از گرافن در دماهای متفاوت[25]. 23
شکل ‏2‑17 میزان جذب یون فسفات با استفاده از گرافن در غلظت های متفاوت یون فسفات[25]. 23
شکل ‏2‑18 جذب سطحی با استفاده از سامانه غیر پیوسته[26]. 27
شکل ‏2‑19 جذب سطحی با استفاده از سامانه‌های بستر ثابت[26]. 28
شکل ‏2‑20 جذب سطحی با استفاده از سامانه بستر ضربه زده[26]. 28
شکل ‏2‑21 جذب سطحی با استفاده از سامانه بستر متحرک حالت پایا[26]. 29
شکل ‏2‑22 جذب سطحی گاز حامل با استفاده از سامانه‌های بستر سیال شده[26]. 30
شکل ‏2‑23 به دست آوردن گرافن با منشأ گرافیتی[47]. 34
شکل ‏2‑24  احیا گرافن اکساید با استفاده از هیدرات هیدرازین و رسیدن به گرافن[68] 37
شکل ‏2‑25 تغییر رنگ احیا گرافن اکساید(سمت چپ) و تبدیل آن به گرافن(سمت راست)[74]. 37
شکل ‏2‑26 تغییر حجم  0.5 گرافن اکساید در اثر گرمادهی سریع تا 1000 و تبدیل شدن به 75 گرافن[47]. 38
شکل ‏2‑27 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 ‏2‑28 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 ‏2‑29 عامل دار کردن گرافن احاطه شده توسط سورفکتانت SDBS با نمک دیازونیوم توسط واکنش جانشینی الکتروفیلی[70]. 46
شکل ‏2‑30 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 ‏2‑31 عامل دار کردن گرافن اکساید با اکتادسیل آمین و استفاده از تیونیل کلراید[64]. 48
شکل ‏2‑32 تولید گرافن اکساید از گرافیت(بالا) و گرفت شدن زنجیره های کیتوسان بر روی سطح گرافن اکساید(پایین)[91]. 49
شکل ‏2‑33 گرفت کردن 1و3- دی پلار سایکولادیشن دیازنیوم ییلد بر روی سطح گرافن[93]. 50
شکل ‏2‑34 اصلاح گرافن با توجه به تعامل π-π بین اوربیتال π از گرافن و پلی ایزوپروپیل آکریلامید اختتام یافته با پیرن[100]. 53
شکل ‏2‑35 طرح‌واره‌ای از اصلاح گرافن با PPESO3-[101]. 54
شکل ‏2‑36 تثبیت گرافن با یون‌های K+. 55
شکل ‏2‑37 محیط آزمایش(سمت چپ) و لایه برداری از آند گرافیت(سمت راست)[57]. 58
شکل ‏3‑1 سامانه خشک کردن دی متیل فرمامید. 69
شکل ‏3‑2سامانه خشک کردن تتراهیدروفوران. 71
شکل ‏3‑3 دستگاه TGA.. 72
شکل ‏3‑4 دستگاه ریزبین الکترونی روبشی و دستگاه پوشش دهی سطح نمونه‌ها به منظور ایجاد هدایت الکتریکی. 73
شکل ‏3‑5 طیف مرجع آزمون EDX.. 74
شکل ‏3‑6 دستگاه جذب اتمی Perkin-Elmer مدلAanalyst 100. 75
شکل ‏4‑1 طیف زیر قرمز تبدیل فوریه نمونه‌ها 78
‏4‑2 دمانگاشت نانو ذرات گرافن خالص و اکسیدشده و  عامل دار شده. 79
شکل ‏4‑3 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 تترامین.. 80
شکل ‏4‑4 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 نیتروژنی.. 82
شکل ‏4‑5 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 شده. 84
شکل ‏4‑6  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 شده. 84
شکل‏4‑7 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 50ppm.. 88
شکل‏4‑8 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 50ppm.. 90
شکل ‏4‑9 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 50ppm.. 91
شکل ‏4‑10 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 ‏2‑1 روش‌های تولید گرافن با استفاده از روش‌های پایین به بالا[47] 32
جدول ‏2‑2- راههای تولید ورق های گرافن[47]. 40
جدول ‏2‑3-  انواع روش‌های اصلاح سطح کووالانسی گرافن اکساید[84] 42
جدول ‏2‑4- 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 ‏4‑1- داده ها ی آنالیز عنصری برای نمونه ها 80
جدول ‏4‑2- درصد تورم انواع جاذب ها در آب دوبارتقطیر با pH برابر 6.. 84

چکیده

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 های اصلاح شده با استفاده از آنالیزهای زیرقرمز تبدیل فوریه ، گرماوزن‌سنجی و آنالیز EDX میکروسکوپ الکترونی روبشی شناسایی شدند و نتایج حاکی 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 ریزبین الكترونی روبشی 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.