بررسی کارایی نانو ذرات گرافن اکساید در حذف کتیکول از محلول های آبی

دانشکده بهداشت

ورود آلاینده های مختلف به محیط زیست باعث آلودگی بعضی منابع آب وهمچنین ازدسترس خارج شدن آن ها شده است.کمبود منابع ‌آب‌ تمیز در دسترس‌منجر به ‌افزایش‌ تقاضا در جهت ‌توسعه‌ فناوری‌ها و روش‌های نوین برای ‌بازیابی‌آب‌ شده ‌است(1). تخلیه حجم قابل توجهی از پساب های صنعتی دارای ترکیبات آلی موجب به خطر افتادن سلامت انسان، افزایش بیماری ها ومشکلات جدی در محیط زیست می ‌شود. همچنین‌ این‌ ترکیبات سرطانزا بوده و پتانسیل سمیت بالایی دارند که کتیکول ازجمله این آلاینده های مهم است(2).

کتیکول ،pyrocatecholپیرو کتیکول  یا ارتو هیدروکسی فنولo-hydroxyphenol   به عنوان ضدعفونی کننده ، محافظ در مقابل قارچ ،مهارکننده پلیمیرازسیون و یک آنتی اکسیدان و در آزمایشگاه برای تشخیص و تعیین تعداد زیادی از یونها و همچنین در عکاسی نام برد(3) .بنابراین اغلب فاضلاب های خروجی از صتایع  از جمله لاستیک ،مواد شیمیایی ،رنگ ،عکاسی ،دارویی ،آرایشی ، بهداشتی و صنعت نفت آلوده به کتیکول می باشند(4).پساب حاصل از فرآیندهای تبدیل سوخت در زغال سنگهای مصنوعی حاوی میزان کتیکول از چند میلی گرم در لیتر تا 1000 میلی گرم در لیتر  می باشند(5) .

پس کتیکول مانند دیگر فنل ها به خاطر خواصی ازجمله سمیت ،اثر مضر بر کیفیت منابع آب و از نقطه نظر بهداشتی حائز اهمیت می باشد.این ترکیب براحتی از طریق دستگاه گوارش جذب شده و باعث همولیز و تخریب لوله های کلیوی شده ، در مغز استخوان تجمع می یابد و همچنین باعث کاهش عملکرد کبد می شود(6).

کتیکول سمی تر از فنول می باشد چون باعث تغییراتی در عملکرد گلبول قرمز در دوز کمتر از 50 گرم بر لیتر در مقایسه با فنل در غلظت 250 گرم بر لیتر می باشد(7).

با توجه به رده بندی مواد شیمیایی سمی سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا فنل ردیف 11 از بین 126 ماده شیمیایی سمی به خود اختصاص داده  که این امر اهمیت زیاد حذف ترکیبات فنولی از فاضلاب و آب را نشان می دهد(8).

تا کنون روشهای زیادی برای حذف کتیکول از آب یا محیط های آبی مورد استفاده قرار گرفته است از جمله فرآیند های تخریب مانند اکسیداسیون تخریبی،روشهای بیولوژیکی و جذب در مواد آلی و مواد معدنی و همچنین جذب در کربن فعال می باشد(9).بسیاری از این روش ها را به دلیل هزینه بالای عملیاتی ، هزینه های تعمیر و نگهداری ، تولید محصولات سمی جانبی و روشه های تصفیه پییچیده در مقیاس واقعی نمی توان استفاده کرد.هزینه فرآیند های غشایی از نظر نصب و راه اندازی و هزینه عملیات خیلی بالاست(10) . روش های بیولوژیکی نسبت به دما حساس و زمان بر هستند روشهای الکتروشیمیایی نیزنیازبه ولتاژ بالاوراندمان ضعیفی برای تصفیه پسابهای با غلظت کم دارد یکی از روشهایی که در سالهای اخیر مورد توجه ویژه محققان قرار گرفته است استفاده از مواد نانو در روشهای تصفیه آب است(11).فرآیند جذب به عنوان ارزانترین و موثرترین روش برای حذف ترکیبات آلی از آب می باشد که به علت عملکرد ساده و  وجود طیف وسیعی از جاذب ها به طور گسترده استفاده می شود(12). جاذب های نانو ساختار با سطح ویزه زیاد و قدرت بسیار بالا ضایعات کمتری تولید کرده و ضایعات آن ها قابلیت جمع آوری راحتر دارند همچنین علاوه بر کارایی بالا بسیار بالای فرآیند های جذبی ، امکان بازیابی و استفاده مجدد جاذب  استفاده از این فرآیند را از لحاظ اقتصادی توجیه می کند(13) .در بین مواد جاذب نانو ذره گرافن اکساید (GO) ماده به نسبت جدیدی است که به دلیل پتانسیل بالا،ظرفیت جذب و سطح ویژه ای که دارد برای حذف آلایند های آب مورد استفاده قرار میگیرد(14).گرافن اکساید به دلیل داشتن گروه های عاملی اکسیژن دار مختلف از قابلیت بالایی برای حذف  خوردار است(13) .گرافن اکساید ، یک لایه از اکسید گرافیت می باشد که معمولا از اکسیداسیون گرافیت و بعد از آن پراکندگی و لایه لایه شدن در آب یا حلال های آلی مناسب به دست می آید . گرافن اکساید ،ورقه ای از گرافن است که با گروه های هیدروکسیل و اپوکسید پوشیده شده است (15).

در این پژوهش برای ساخت گرافن اکساید از روش اصلاح شده هامر استفاده خواهد شد .

هدف از این پژوهش تعیین کارایی نانو ذره گرافن اکساید به منظور تامین درصد حذف قابل قبولی از کتیکول در محیط های آبی می‌باشد.

• در مطالعه  ژنگ و همکاران در  سال 2010 از گرافن اکساید جهت حذف آرسنات از آب های آشامیدنی استفاده شد که این مطالعه نشان دهنده حذف بیش از 95% آرسنات در آبهای با غلظت آرسناتppm 14/51 بود . همچنین راندمان حذف در طیف وسیعی از PH از 4 تا 9 مورد بررسی قرار گرفت که در PH بالاتر از 8 راندمان حذف کاهش پیدا کرد(16).
• در مطالعه ای  توسط محمد علی ززولی و همکاران
• در سال 2013 با عنوان حذف کتیکول از محیط های آبی با استفاده از آزولا انجام شده است پارامترهایی از قبیل جرم بیومس و غلظت کتیکول مورد بررسی قرار گرفت که بر اساس نتایج بدست آمده آزولا توان بالایی در حذف کتیکول داشته و با راندمان 60تا 90 % حذف شده است .راندمان حذف با افزایش غلظت کتیمول کاهش و با افزایش جرم بیومس افزایش داشته است زمانی که غلظت کتیکولppm 5 بوده راندمان حذف به 90% رسیده و در این راندمان غلظت بیومس 9/. گرم بوده است(17)

•              درمطالعه ای که توسط علی نقی زاده و مهین محمد نیا در سال 1394 از نانو ذره گرافن اکساید به عنوان جاذب برای حذف فلوراید از محلول های آبی استفاده شد . بالاترین کارایی حذف فلوراید در PH برابر 3 مشاهده شد .همچنین مشاهده گردید که افزایش غلظت اولیه فلوراید با عث افزایش کارایی فرآیند حذف میگردد(15).

• در مطالعه حبیب کولیوند و همکاران در سال 1394 بررسی جذب متیلن بلو روی نانوصفحات گرافن اکساید پرداخته شد. نتایج آزمایش نشان دهنده توان بسیار بالای گرافن اکساید برای جذب متیلن بلو بود. به گونه ای که بیشترین مقدارجذب( 915 میلی گرم برگرم)درشرایطی با دوز جذب 05/0گرم برلیتر، غلظت اولیه50میلی گرم بر لیتر، 6 =pHوزمان تماس 2 ساعت به دست آمدکه دراین شرایط 91 درصدحذف متیلن بلوراداشتیم(18).

انجام تحقیقات بیشتر جهت افزایش کارایی حذف

دانشگاه های کشور

1- درصد حذف کتیکول با استفاده از نانو ذره گرافن اکساید بر حسب pH های متفاوت چقدر است؟

2- درصد حذف کتیکول با استفاده نانوذره گرافن اکساید بر حسب غلظت های متفاوت کتیکول چقدراست؟

3- درصد حذف کتیکول با استفاده از نانوذره گرافن اکساید بر حسب زمان های متفاوت تماس چقدر است؟

4- درصد حذف کتیکول با استفاده از نانوذره گرافن اکساید بر حسب غلظت های متفاوت نانوذره گرافن اکساید چقدر است؟

تعیین کارایی حذف کتیکول با استفاده از  نانو ذرات گرافن اکساید از محلول های آبی

1-تعیین درصد حذف کتیکول با استفاده ازنانوذره گرافن اکساید بر حسب  pHهای متفاوت از محلول های آبی

2- تعیین درصد حذف کتیکول با استفاده از نانوذره گرافن اکساید بر حسب غلظت های متفاوت کتیکول از محلول های آبی

3-تعیین درصد حذف کتیکول بااستفاده از نانوذره گرافن اکساید بر حسب زمان های متفاوت تماس در محلول های آبی

4- تعیین درصد حذف کتیکول با استفاده ازنانوذره گرافن اکساید بر حسب غلظت های متفاوت نانوذره گرافن اکساید در محلول های آبی

تحقیقات در زمینه های دیگر حذف این ماده

مراکز مستقل تحقیقاتی و صنایع کشور

وزارت نیرو، شرکت آب و فاضلاب

ندارد

تدوین استاندارد های لازم خروجی با توجه به درصد حذف در روش های مختلف

شرکت های طراحی فرایند های تصفیه

تجربی -آزمایشگاهی

محلول های سنتیک حاوی غلظت های مختلف آلاینده کتیکول

ساخت پایلوت های لازم و اجرایی کردن آن

نمونه گیری پس از آزمایشات انجام می شود وتعدادنمونه ها با توجه به متغیر مورد پژوهش ویافتن بهینه ترین نقطه مطابق جدول زیر خواهد بود.

برای افزایش اطمینان آزمایشات دو بار تکرار خواهد شد...

تعدادآزمایش 2*25=50

ندارد

داده های مورد مطالعه از طریق قرائت مستقیم با دستگاه اسپکتوفتومتر مربوطه جمع آوری خواهد شد.

این مطالعه یک مطالعه تجربی ودرمقیاس آزمایشگاهی می باشد. به صورت سیستم ناپیوسته انجام می گیرد.دراین مطالعه کتیکول محصول شرکت مرک آلمان برای تهیه نمونه ها استفاده می‌شود.درابتدا محلول استوک کتیکول تهیه می‌شودوسپس بااستفاده از آب دوبارتقطیر برای رقیق سازی آن، محلول های با غلظت(10،50،100،200،300)میلی گرم درلیتر ساخته می‌شود.

پساب سنتتیک ساخته شده را در درون ظرف واکنش ریخته و همچنین در داخل ظرف واکنش تجهیزات اختلاط وPH متر تعبیه شده است .

جهت اندازه گیری میزان کتیکول خروجی،از دستگاه اسپکتروفتومتری استفاده می‌شود. وبا توجه به میزان درصد حذف، کارایی فرآیند بررسی خواهد شد. کلیه آزمایشات در دمای محیط آزمایشگاه انجام خواهد گرفت..

تعیین pH بهینه

به منظورتعیینpH بهینه با ثابت گرفتن متغییرهای غلظت کتیکول و  زمان تماس آزمایش پیش خواهد رفت. با استفاده از اسید کلریدریک ویا هیدروکسید سدیم 1/ . نرمال،pH در محدوده ی 3 تا 11 تنظیم خواهد شد. کلیه آزمایشات در راکتور خاصی که تهیه شده اجرا می شود. در انتهای فرآیند نمونه ها از کاغذصافی واتمن عبور داده می شود و جذب در دستگاه اسپکتروفوتومتر در طول موج تعیین شده قرائت خواهد شد.

تعیین دمای بهینه

به منظور تعیین دمای بهینه با ثابت نگه داشتن متغیر های غلظت کتیکول ،PH  و زمان تماس آزمایش پیش خواهد رفت . با استفاده از هیتر دمای محلول  از 20 تا 50 درجه سانتی گراد انتخاب خواهد شد.

تعیین غلظت بهینه کتیکول

جهت تعیین غلظت بهینه کتیکول، مانند مراحل قبل شرایط را ایجاد نموده و این بار غلظت های مختلف کتیکول از 10 تا 300 میلی گرم در لیتر به کار برده می شود. در نهایت بالاترین جذب کتیکول را به عنوان نقطه بهینه انتخاب خواهد شد

تعیین دوز بهینه نانو ذره

جهت تعیین دوز نانوذره، با ثابت نگه داشتن سایر متغیر های آزمایش، نمونه تهیه شده را در راکتور ریخته شده و pH با استفاده از اسید یا قلیا در محدوده pH بهینه تعیین شده از مرحله قبل قرار خواهد گرفت. دوزهای مختلف نانوذره از 05/. تا 2/1 گرم در لیتر تهیه می شود .

درصد تغییرات حذف کتیکول درpHهای‌متفاوت،دوز های‌متفاوت جاذب. غلظت های متفاوت کتیکول و زمان تماس متفاوت طی فرآیند جذببانانوذرهگرافناکسایدانجام می شود.

پس از کسب داده ها با استفاده از نرم افزار Excel منحنی های مربوطه رسم ومقدار بهینه هر متغیر گزارش می شوند.

ندارد

ندارد

گرافن اکساید،کتیکول،نانوذره،محلول های آبی

،Graphene Oxide ،catechol, Nanoporous,Aqueous

Uncategorized References

1.            Ferreira M, Pinto M, Neves I, Fonseca A, Soares O, Órfão J, et al. Electrochemical oxidation of aniline at mono and bimetallic electrocatalysts supported on carbon nanotubes. Chemical Engineering Journal. 2015;260:309-15.

2.            El-Safty SA, Shahat A, Ismael M. Mesoporous aluminosilica monoliths for the adsorptive removal of small organic pollutants. Journal of hazardous materials. 2012;201:23-32.

3.            Asfour H, Fadali O, Nassar M, El‐Geundi M. Equilibrium studies on adsorption of basic dyes on hardwood. Journal of Chemical Technology and Biotechnology Chemical Technology. 1985;35(1):21-7.

4.            Schweigert N, Zehnder AJ, Eggen RI. Chemical properties of catechols and their molecular modes of toxic action in cells, from microorganisms to mammals. Environmental Microbiology. 2001;3(2):81-91.

5.            Phutdhawong W, Chowwanapoonpohn S, Buddhasukh D. Electrocoagulation and Subsequent Recovery of Phenolic Compounds. Analytical Sciences. 2000;16(10):1083-4.

6.            Irons RD. Quinones as toxic metabolites of benzene. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A Current Issues. 1985;16(5):673-8.

7.            Bukowska B, Kowalska S. Phenol and catechol induce prehemolytic and hemolytic changes in human erythrocytes. Toxicology letters. 2004;152(1):73-84.

8.            Shakir K, Ghoneimy H, Elkafrawy A, Beheir SG, Refaat M. Removal of catechol from aqueous solutions by adsorption onto organophilic-bentonite. Journal of hazardous materials. 2008;150(3):765-73.

9.            Kumar A, Kumar S, Kumar S. Adsorption of resorcinol and catechol on granular activated carbon: equilibrium and kinetics. Carbon. 2003;41(15):3015-25.

10.          Tomar V, Kumar D. A critical study on efficiency of different materials for fluoride removal from aqueous media. Chemistry Central Journal. 2013;7(1):1.

11.          Eslami A, Yazdabakhsh A, Daraee H, Karimi FS. Removal of 4-Chlorophenol from Aqueous Solutions Using Graphene Oxide Nanoporous Adsorbent. 2015.

12.          Mohapatra M, Anand S, Mishra B, Giles DE, Singh P. Review of fluoride removal from drinking water. Journal of Environmental Management. 2009;91(1):67-77.

13.          Deng J-H, Zhang X-R, Zeng G-M, Gong J-L, Niu Q-Y, Liang J. Simultaneous removal of Cd (II) and ionic dyes from aqueous solution using magnetic graphene oxide nanocomposite as an adsorbent. Chemical Engineering Journal. 2013;226:189-200.

14.          محمدنیا, مهین, زاده ن. مطالعه سینتیک، ترمودینامیک و ایزوترم فرآیند حذف فلوراید از محلول‌های آبی با استفاده از نانوذرّات گرافن ‌اکساید. مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 2016;23(1):29-43.

15.          SHESHMANI S, ARAB FM, AMINI R. IRON (III) HYDROXIDE/GRAPHENE OXIDE NANO COMPOSITE AND INVESTIGATION OF LEAD ADSORPTION. 2013.

16.          Zhang K, Dwivedi V, Chi C, Wu J. Graphene oxide/ferric hydroxide composites for efficient arsenate removal from drinking water. Journal of hazardous materials. 2010;182(1):162-8.

17.          Zazouli MA, Balarak D, Mahdavi Y. Pyrocatechol removal from aqueous solutions by using azolla filiculoides. Health Scope. 2013;2(1):25-30.

18.          شهبازی ا, کولیوند ح, حبیب, هاشمی. حذف متیلن بلو از محلول‌های آبی با استفاده از نانوصفحات گرافن اکساید: مطالعه‌ سینتیک و ایزوترم. مهندسی عمران مدرس. 2015;15:191-8.

ندارد