مقالات و مطالب کاربردی

 

آماده سازی جاذب Ti3C2Tx(MXene) اصلاح شده با سورفکتانت کاتیونی و بررسی عملکرد آن در حذف آلاینده رنگی متیل اورنج از آب: تعادل، سنتیک و مکانیزم های جذب

چکیده

در این پژوهش‪ Ti3C2Tx MXene ،‬چند لایه اصلاح شده با ستیل تری متیل آمونیوم برومید (‪ (CMM‬با استفاده‬از یک پیش ساز ‪ Ti3AlC2‬تولید شد و ظرفیت آن برای حذف رنگ آنیونی‪ ،‬متیل اورانژ (‪ ،(MO‬با جزئیات بررسی‬ شد‪ .‬ترکیب الکترواستاتیکی بین نانوصفحات ‪ Ti3C2Tx‬با بار منفی و محلول سورفکتانت کاتیونی (‪ (CTAB‬این‬ جاذب را تولید کرد‪ .‬این امر باعث قرار گرفتن در معرض مکانهای فعال در دسترس برای افزایش بیشتر اثربخشی‬ جذب با افزایش فاصله بین نانوصفحات ‪ MXene‬شد‪ .‬جاذب های تهیه شده با استفاده از برخی تکنیک های‬ تحلیلی‪ ،‬از جمله ‪ ،XRD ،FTIR ،EDX ،FESEM ،TGA‬و جذب جذب ‪ N2‬مشخص شدند‪ .‬علاوه بر این‪ ،‬برخی‬ از پارامترهای تأثیرگذار مانند زمان تماس‪ ،‬محلول ‪ ،pH‬بارگیری جاذب و غلظت اولیه رنگ مورد ارزیابی قرار گرفت‪،‬‬ با یافتهها که نشان میدهد ‪ CMM‬میتواند ‪ MO‬را تا حداکثر ظرفیت خود در دوز جاذب ‪ 0/83‬گرم در لیتر‪،‬‬ زمان تماس‪ 90‬دقیقه‪ ،‬و ‪ pH‬محلول ‪ 3‬جذب کند‪ .‬نتایج جذب به شدت با ایزوترم لانگمویر (‪ (R2 = 0.9990‬و‬ مدل سینتیکی شبه درجه دوم (‪ (R2 = 0.9924‬مرتبط بود‪ .‬حداکثر ظرفیت جذب ‪ MO‬در حدود ‪ 213.00‬میلی‬ گرم بر گرم به دست آمد‪ .‬همچنین‪ ،‬پیوند هیدروژنی‪ ،‬برهمکنشهای ‪-π‬کاتیون‪ ،‬و جذب الکترواستاتیکی همگی‬ میتوانند در مکانیسم جذب ‪ MO‬در ‪ CMM‬دخیل باشند‪ CMM .‬ساخته شده به عنوان یک جاذب آینده نگر‬ برای حذف رنگ ها از آب آلوده ارائه می شود که قابلیت بازیافت قوی را تا تکرار پنجم نشان می دهد‪ .‬همه این‬ خواص برجسته نشان می دهد که ‪ Ti3C2Tx MXene‬چند لایه اصلاح شده با ستیل تری متیل آمونیوم برومید را‬می توان به عنوان جاذب قابل استفاده برای آلاینده های نساجی در نظر گرفت‪

مقدمه

‫در دنیای امروز که صنعتی شدن در حال رونق است‪ ،‬آلودگی آب یک مشکل رو به رشد است که توسعه بسیاری‬ از جوامع را تهدید می کند‪ .‬کاغذسازی‪ ،‬چاپ‪ ،‬منسوجات و غیره همگی از طیف گسترده ای از رنگ ها استفاده‬ می کنند‪ .‬پساب این صنایع به بدنه های آبی ریخته می شود و باعث آلودگی آب می شود که به شدت سلامت‬ انسان و محیط زیست را تحت تاثیر قرار می دهد‪ .‬این ضایعات به دلیل خواص آنها‪ ،‬از جمله سمیت و زیست‬ تخریب پذیری ضعیف‪ ،‬به رده چالش برانگیزترین پسماندهای صنعتی ارتقا یافته اند‪ .‬در میان این مواد یک رنگ‬ آلی آنیونی معروف به متیل اورانژ (‪ (MO‬است که می تواند منجر به مشکلات جدی سلامتی از جمله استفراغ‪،‬‬ زردی و سیانوز شود‪ .‬استراتژی های مختلف مانند جداسازی غشا‪ ،‬انعقاد‪ ،‬فرآین الکتروشیمیایی‪ ،‬اکسیداسیون‬ شیمیایی‪ ،‬جذب‪ ،‬تجزیه نوری‪ ،‬استخراج و احیای فلز با ظرفیت صفر استفاده شده است‪ .‬برای حذف و جداسازی‬ مولکول های رنگ از فاضلاب‪ .‬روش جذب به دلیل سادگی‪ ،‬عدم آلودگی ثانویه‪ ،‬راندمان بالا و هزینه کم در اکثر‬ زمینه های زیست محیطی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته است‪ .‬مکانیسمهای جذب معمولاً بر اساس جاذبههای‬ الکترواستاتیکی بین جاذب و آلاینده‪ ،‬مزدوجهای ‪ ،π-π‬پیوندهای هیدروژنی و منافذ برای جذب رنگهای آلی به کار رفته است‪ .‬زئولیت ها‪ ،‬کانی های رسی‪ ،‬اکسیدهای فلزی‪ ،‬کربن های فعال و هیدروتالاسیت برای تصفیه‬ فاضلاب در نظر گرفته شده اند‪ .‬کاربید‪/‬نیترید فلز واسطه دو بعدی(‪ (MXene‬یک نانو ماده جدید با ویژگیهای‬ فیزیکوشیمیایی جالب است که در سالهای اخیر توجه زیادی را در زمینه تصفیه آب و فاضلاب به خود جلب کرده‬ است‪ .‬کشف ‪ MXene‬در سال ‪ 2011‬از طریق حکاکی شیمیایی هدفمند لایه “‪ “A‬در ساختار ‪ MAX‬رخ داد‪ .‬این‬ ماده ویژگیهای استثنایی‪ ،‬از جمله سطح ویژه قابل توجه‪ ،‬پایداری حرارتی‪ ،‬آب دوستی و زیست سازگاری را نشان‬ میدهد که آن را برای کاربردهای جذب ناخالصی آبی بسیار امیدوارکننده میسازد‪ .‬ترکیب شیمیایی فاز ‪MXene‬‬ به دست آمده از حکاکی انتخابی را می توان با فرمول کلی(‪ Mn+1XnTx (n = 1-3‬نشان داد‪ ،‬که در آن ‪ M‬یک‬ فلز واسطه مانند ‪ Cr ،V ،Nb ،Ti‬و غیره را نشان می دهد‪ .‬عنصر ‪ X‬می تواند کربن(‪ (C‬یا نیتروژن (N) ‬باشد و‬ می تواند گروه های عاملی مانند کربونیل (‪ ،(=O‬هیدروکسیل(‪ (-OH‬و فلوئور (‪ (-F‬را بر روی سطح لایه ها اهدا‬ کند.

استفاده مستقیم از جاذب های اصلاح نشده ممکن است منجر به مشکلات متعددی از جمله ظرفیت جذب محدود‬ شود‪ .‬به همین دلیل‪ ،‬این مواد باید قبل از استفاده در فرآیند جذب اصلاح شوند‪ .‬در مقابل‪ MXene ،‬دارای بار‬ منفی مداوم در طیف وسیعی از مقادیر ‪ pH‬است‪ .‬ادغام سورفکتانت های کاتیونی در مواد ‪ MXene‬منجر به حفظ‬ بهتر آلاینده های آنیونی‪ ،‬افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی و افزایش خواص آبگریز شد‪ .‬در این مطالعه‪ ،‬یک جاذب‬ به نام )‪ CMM (Cetyltrimethylammonium bromide-modified MXene‬برای تعیین میزان موثر بودن رنگ‬ MO ‬در حذف از محلول آب استفاده شد‪ .‬مکانیسمهای جذب رنگ ‪ MO‬بر روی جاذب و پارامترهای تأثیرگذار‬ مختلف مانند زمان تماس‪ ،‬محلول ‪ ،pH‬بارگیری جاذب و غلظت اولیه رنگ برای درک رفتار جذب مورد بررسی‬ قرار گرفت‪ .‬همچنین‪ ،‬آزمایشهای مدلسازی جنبشی ایزوترم و واکنش برای درک بهتر حذف ‪ MO‬انجام شد‪.‬‬

مواد و روش ها

مواد آزمایشگاهی

سورفکتانت ‪ CTAB‬و متیل اورنج (‪(MO, Mw=327.33 g/mol‬رنگ جاذب مورد استفاده در این تحقیق هر دو‬ از ‪) Merck‬شرکت ‪ Merck‬آلمان) به دست آمدند‪) Ti3AlC2 .‬فاز ‪ (MAX‬از شرکت ‪ American Elements‬به‬ دست آمد‪ .‬برای تهیه محلول از آب دیونیزه شده استفاده شد و از محلول های ‪ 1‬مولار هیدروکلراید (‪38-36‬درصد‬ مرک) و ‪ 1‬مولار ‪98) NaOH‬درصد مرک) برای تغییر محلول ‪ ‬اصلی pH استفاده شد‪ .‬هیدروفلوریک اسید (‪(HF‬‬ نیز توسط ‪Merck‬ عرضه شد‪

روش سنتز مکیسن

10‬میلی لیتر اسید هیدروفلوئوریک (‪ (49% ،HF‬ابتدا در ظرف تفلون قرار داده شد‪ .‬سپس ‪ 0.5‬گرم پودر ‪Ti3AlC2‬‬به تدریج (‪ 5‬دقیقه) به محفظه اسید اضافه شد در حالی که با آهنربای تفلون هم زده می شد (سرعت هم زدن‬ 500-700‬دور در دقیقه)‪ .‬محلول به مدت ‪ 24‬ساعت در دمای اتاق به طور مداوم هم زده شد‪ .‬پس از ‪ 24‬ساعت‬ محلول داخل شاهین ریخته و به مدت ‪ 5‬دقیقه با سرعت ‪ 3500‬دور در دقیقه سانتریفیوژ شد‪ MXene .‬دوباره در‬ آب دیونیزه سانتریفیوژ شد‪ .‬این فرآیند در شش مرحله انجام شد تا اینکه ‪ pH‬محلول تقریباً به ‪ 5-6‬رسید‪ .‬در‬ نهایت‪ ،‬پودر ‪ MXene‬با خشک کردن رسوب باقیمانده در آون خلاء به مدت ‪ 24‬ساعت در دمای ‪ 70‬تا ‪ 80‬درجه‬ سانتی گراد تولید شد‪.

اصلاح سطح مکسین

برای تولید ‪ MXene‬اصلاحشده از یک تکنیک خودآرایی با کمک اولتراسوند استفاده شد‪ .پس از ‪ 30‬دقیقه هم‬ زدن‪ 0.04 ،‬گرم (‪ CTAB (Cetyltrimethylammonium bromide‬در ‪ 100‬میلی لیتر آب دیونیزه حل شد‪ .‬پس‬ از افزودن ‪ 0.5‬گرم ‪ MXene‬به محلول فوق‪ ،‬به مدت ‪ 1‬ساعت تحت سونیکاسیون قرار گرفت‪ .‬مخلوط فراصوت‬
‫شده به یک ارلن مایر منتقل شد و با سرعت ‪100 ‬دور در دقیقه به مدت ‪ 48‬ساعت به هم زد‪ .‬شستشوی چندگانه‬با آب دیونیزه و یک دور خشک شدن ‪ 12‬ساعته در اجاق برای خالص سازی محلول استفاده شد‪.

مشخصه یابی

یک اسپکتروفتومتر مرئی ‪( UV‬پرکین‪-‬المر‪ ،‬آمریکا) برای محاسبه غلظت ‪ MO‬پس از جذب استفاده شد‪ .‬نظریه (‪ Brunauer-Emmett-Teller (BET‬برای تفسیر ایزوترم های جذب‪-‬واجذبی ‪ N2‬با تجزیه و تحلیل پارامترهای‬ جاذب از جمله میانگین قطر منافذ‪ ،‬حجم کل منافذ‪ ،‬و سطح ویژه استفاده شده است‪ .‬برای تعیین ماهیت گروههای‬ عاملی در طول موجهای بین ‪ 500‬تا ‪ 4500‬سانتیمتر از طیفسنجی ‪ FTIR‬دیسک فشرده برمید پتاسیم (‪(KBr‬‬استفاده شد‪ .‬به منظور تجزیه و تحلیل کریستالینیته جاذب تهیه شده‪ ،‬از روش پراش اشعه ایکس پودر (‪(XRD‬‬ استفاده شد (تابش )‪ .(Cu-K (λ = 1.54056 A‬از آنالیزهای ‪ ،TESCAN-MIRA3( FESEM‬چک) و ‪ EDS‬برای‬ بررسی مورفولوژی سطح و ریزساختارهای ‪ MXene‬خالص و ‪ CMM‬استفاده شد‪ .‬برای روشن کردن رفتارهای‬ حرارتی و پایداری مواد‪ ،‬یک تجزیه و تحلیل حرارتی (‪ )TGA‬با استفاده از یک آنالایزر حرارتی همزمان ‪STA 504‬‬ در ‪ 10‬درجه سانتیگراد در دقیقه انجام شد‪.‬‬

آزمایشات جذب دسته ای

برای ارزیابی توانایی ‪ CMM‬در جذب آلاینده ها از فاضلاب‪ ،‬رنگ ‪ MO‬به عنوان نمونه آزمایش استفاده شد. پارامترهای آزمایشی در زمان تماس (‪ 150-0‬دقیقه)‪ ،‬محلول ‪ ،(3-12) pH‬جاذب بارگذاری (‪ 3.33-0‬گرم در‬ لیتر)‪ ،‬و غلظت اولیه رنگ (‪ 500-10‬میلی گرم در لیتر) ثابت شدند‪ .‬به طور معمول‪ 30 ،‬میلی لیتر محلول ‪MO‬‬(‪ 30‬میلی گرم در لیتر) برای حل کردن جاذب (‪ Ti3C2Tx‬اصلاح شده با ‪ (CTAB‬استفاده شد‪ .‬محلول حاصل به‬ طور مکرر در حمام اولتراسونیک ‪ 35‬کیلوهرتز سونیک شد‪ .‬پس از رسیدن به زمان تعادل‪ ،‬ذرات با استفاده از‬ سانتریفیوژ (‪ 10‬دقیقه در ‪ 19000‬دور در دقیقه) جدا شدند‪ .‬برای تعیین غلظت باقیمانده ‪ MO‬از یک‬ اسپکتروفتومتر مرئی ‪ UV‬در ‪ λmax=464‬نانومتر استفاده شد‪ .‬جذب رنگ در واحد جرم جاذب‪ ،qe (mg/g) ،‬و‬ راندمان حذف‪ ،(%) R ،‬را می توان با استفاده از معادله های زیر به دست آورد‪:‬‬

qe = (C0−Ce) V / M

R = ( (C0−Ce) /C0) × 100

در جایی که ‪ C0‬و ‪ Ce‬غلظت اولیه و تعادل رنگ (‪ V ،(mg/L‬حجم محلول (‪ (L‬و ‪ M‬وزن جاذب (‪ (g‬مورد استفاده ‫در این مطالعه است‪.

نتایج و بحث

مشخصه یابی

گروه های عاملی جاذب های تهیه شده با آنالیز طیف ‪ FTIR‬تعیین شدند‪ .‬شکل ‪ (a)1‬یک مطالعه ‪ FTIR‬از‬ MXene و ‪   CMM ‬ بکر را نشان می دهد‪ .‬طیف ‪ FTIR‬در شکل ‪ (a)1‬نشان می دهد که ‪ MXene‬خالص و ‪CMM‬‬ مشابه هستند‪ ،‬به این معنی که چارچوب های ساختاری زیرین آنها یکسان هستند‪ .‬تمام نوارهای مشخصه ‪MXene‬‬ را نشان می دهد که شامل پیوند ‪ O-H‬در‪ 1379 cm-1‬و پیوند ‪ C-F‬در ‪ 1046 cm-1‬است‪ .‬باندهای جذب در‬ 584cm-1‬و ‪ 756 cm-1‬به ترتیب به گروه های ‪ Ti-F‬و ‪ Ti-O‬نسبت داده شدند‪ .‬وجود این نوارهای مشخصه‬ نشان می دهد که ماده دو بعدی ‪ MXene‬با موفقیت سنتز شده است‪ .‬در نمونه ‪ ،CMM‬طیف ‪ FTIR‬همه باندهای‬ مشخصه ‪ MXene‬و ‪ CTAB‬قابل توجه را نشان می دهد‪ .‬باندهای جذب ‪ CMM‬و ‪ MXene‬خالص در ‪1636cm-1‬‬و ‪ 3424 cm-1‬به ترتیب توسط جذب آب در سطح ماده و ارتعاش سطح ‪ -OH‬ایجاد می شوند‪ .‬باندهای طیفی در ‪ 2917 cm-1‬و ‪ 2849cm-1‬به ارتعاش کششی ‪ -CH3) C-H‬و ‪ CTAB (-CH2‬اختصاص داده شدند‪ ،‬در حالی که ‪ 1487cm-1‬مربوط به باند متمایز گروه آمونیوم ‪ CTAB‬است‪.

تکنیک های مختلفی برای توصیف مورفولوژی سطح و ریزساختارها مانند ‪ SEM‬و ‪ Field Emission-SEM‬در‬ دسترس هستند‪ .‬مورفولوژی ‪ MXene‬خالص و ‪ CMM‬علاوه بر آنالیزهای ‪ EDX‬در شکل ‪ 2‬نشان داده شده است‪.‬‬همانطور که در شکل ‪ (a-c) 2‬نشان داده شده است‪ ،‬پس از ‪ 24‬ساعت خوردگی در محلول ‪ ،HF‬ساختار لایه متراکم Ti3AlC2‬ ‬اولیه به ورق های لایه باز شبیه سازه آکاردئونی شکل تبدیل شد‪ .‬قابل ذکر است که ضخامت لایه ها از‬ 30‬تا ‪ 70‬نانومتر با میانگین 55/8±9/3 ‬نانومتر متغیر است‪ MXene .‬آماده شده دارای ساختار چند لایه بزرگتر و‬شکاف انباشته کوچکتر است‪ .‬برخلاف ضخامت یکنواخت یک لایه اصلی شکل ‪ MXene‬ممکن است تأثیر قابل‬ توجهی بر توانایی جذب رنگ داشته باشد‪ .‬بر اساس یافته های ارائه شده در شکل ‪ ،(d-f) 2‬می توان مشاهده کرد‬ که استفاده از سورفکتانت ‪ CTAB‬منجر به فروپاشی ساختار چند لایه معمولی ‪ MXene‬در طی هم زدن‬ اولتراسونیک می شود‪ .‬این فروپاشی به گسترش ‪ CTAB‬نسبت داده می شود که منجر به افزایش قابل توجهی در‬ شکاف لایه می شود‪ .‬به دنبال آن‪ ،‬ترکیب شیمیایی ‪ MXene‬و ‪ CMM‬با استفاده از ‪ EDS‬مورد بررسی قرار گرفت‬ و نگاشت عنصری و طیف پراکنده انرژی در شکل ‪ (g-h) 2‬نشان داده شده است‪ .‬همانطور که در شکل ‪(g-h) 2‬‬ نشان داده شده است‪ ،‬اجزای اصلی طیف ‪ EDX‬برای ‪ MXene‬خالص و ‪ CMM‬عبارتند از ‪ O ،F ،Ti‬و ‪ ،C‬با حضور‬ عنصر ‪ Br‬برای جاذب اصلاح شده‪ .‬وجود عنصر ‪ Br‬برای جاذب اصلاح شده‪ .‬وجود عنصر ‪ Br‬در طیف ‪ EDX‬نشان می دهد که اصلاح با سورفکتانت ‪CTAB‬‬ موفقیت آمیز بوده است‪.

به منظور درک ویژگیهای حرارتی و پایداری مواد‪ ،‬یک تجزیه و تحلیل حرارتی (‪ (TGA‬با هدف بررسی رفتار ماده در دماهای مختلف انجام شد‪ .‬بررسی پایداری حرارتی ‪ CMM‬به طور دقیق در شکل ‪ (e) 1‬شرح داده شده است‪.‬‬منحنی های ترموگراویمتری ارائه شده در شکل‪ ،‬نوسان جرم را در رابطه با تغییرات دما نشان می دهد‪ .‬قابل توجه‪،‬‬کاهش وزن مشاهده شده ‪ ٪17/25‬در ‪ CMM‬به طور پیچیده مورد بررسی قرار گرفته است‪ .‬این کاهش وزن به‬ عوامل متعددی از جمله آب جذب شده یا محدود شده در کامپوزیت‪ ،‬تخلیه سورفکتانت ‪ ،CTAB‬و از دست دادن‬ گروه های عملکردی مختلف (‪CO2 ،O-H ،-O‬و غیره) واقع در کامپوزیت نسبت داده می شود‪ .‬سطح‪ ،‬همانطور‬ که قبلاً توضیح داده شد‪.‬‬

‫شکل ‪ .1‬طیف ‪ MXene (a) FTIR‬خالص و ‪ .CMM‬الگوهای ‪ MXene (b) XRD‬خالص و ‪ .CMM‬تجزیه و تحلیل (‪ BET (c‬و‬ توزیع اندازه منافذ ‪ (d) MXene‬خالص و ‪ .CMM‬تجزیه و تحلیل حرارتی (‪ (TGA‬از ‪ (e) MXene‬خالص و ‪ .CMM‬پتانسیل زتا‬ (f) CMM

‫‪‬‬

‫پراش اشعه ایکس (‪ (XRD‬برای توصیف ساختار کریستالی ‪ CMM‬و ‪ MXene‬خالص استفاده شد‪ MXene .‬تولید‬ شده پیک های متمایزی را در دو تتا ‪43/42 ،36/44 ،18/15 ،8/82 (2θ)‬و ‪ 60/6‬نشان می دهد که مربوط به‬ صفحات کریستالی (002) ، (004) ، (104) ، (105) ، (110).‬وجود این سری از قله ها همچنین نشان می‬دهد که ‪ Al‬موجود در ‪ Ti3AlC2‬به طور موثر برای تولید ‪ MXene‬اچ شده است‪ .‬پیکهایMXene گسترده و با‬ شدت کم هستند‪ ،‬به این معنی که اچ کردن منجر به اختلال ساختاری کریستالی شده است‪ .‬علاوه بر این‪ ،‬فاز‬ مکس با موفقیت به ‪ MXene‬تبدیل شده است‪ .‬مشاهده شد که ‪ CMM‬دارای تمام پیک های مشخصه سورفکتانتCTAB‬ و ‪ MXene‬است‪ .‬قابل توجه است که قله های ‪36/44‬و ‪43 /42‬درجه توسط یک قله گسترده ‪ CTAB‬در‬ 40 ‬درجه پوشیده شده اند (شکل ‪ (b) 1‬را ببینید)‪.‬‬
‫به منظور به دست آوردن درک درستی از ایزوترم های جذب و دفع ‪ ،N2‬بررسی ویژگی های بافتی نمونه هایMXene‬‬خالص و ‪ CMM‬آماده شده انجام شد‪ .‬این تحقیق بر تعیین حجم کل منافذ‪ ،‬سطح ویژه (به عنوان)‪ ،‬و میانگین قطر منفذ (‪ )P/P0=0/99‬متمرکز شد‪ .‬نتایج در شکل ‪ )c-d( 1‬نشان داده شده است‪ .‬ایزوترم های نوع ‪IV‬‬ برای ‪ MXene‬خالص و ‪ MXene‬اصلاح شده با ‪ CTAB‬معمول هستند‪ .‬حلقههای هیسترزیس جذب همدما‪ ،‬که یک ویژگی مشترک مواد مزوپور هستند‪ ،‬در همه منحنیها دیده میشوند‪ .‬از نوع هیسترزیسی که ایجاد می شود‬ مشخص است که تخلخل شکل لایه ای دارد و لایه بندی ‪ MXene‬قبلاً توسط تحقیقات ‪ FESEM‬نشان داده شده‬ بود‪ .‬مدل ‪ BJH‬توزیع اندازه منافذ مربوطه را محاسبه می کند‪ .‬حجم منافذ کل برای ‪ MXene‬بکر‪0/0413cm3/g‬‬ و برای ‪ MXene‬اصلاح شده‪0/0302 cm3/g‬است‪ .‬قبل از اصلاح‪ MXene ،‬بکر به فاز مزوپور تعلق داشت‪ ،‬زیرا‬ توزیع منافذ آن بسیار به سمت اندازه حدود ‪ 4‬نانومتر منحرف شده بود‪ .‬پس از درمان ‪ ،CTAB‬توزیع منافذ مواد‬ به طور چشمگیری تغییر کرد‪ .‬توزیع منافذ ‪ CMM‬گسترده‪ ،‬تا حد زیادی در ناحیه ‪ 12‬نانومتری متمرکز و مزوپور‬ بود که با منحنیهای جذب و دفع سازگار بود‪ MXene .‬خالص و ‪ CMM‬به ترتیب دارای سطح ویژه ‪5/02 m2/g‬‬ و ‪ 2/06 m2/g‬هستند‪ .‬از آنجایی که ‪ CTAB‬فضایی را در منافذ ‪ MXene‬اشغال کرده است‪ ،‬سطح ویژه ‪MXene‬‬ اصلاح شده با ‪ CTAB‬کاهش یافته است‪ .‬با این حال‪ ،‬اثرات منفی مسدود کردن منافذ با مزایای سایتهای فعال‬ اصلاح شده با ‪ CTAB‬غلبه میکند‪.‬‬

‫شکل‪ .2‬تصاویر ‪ FESEM‬از ‪ (a-c) و MXene‬خالص .(d-f) CMM‬طیف ‪ EDX‬و تجزیه و تحلیل شیمیایی سطح ‪(g) MXene‬‬ خالص و ‪.(h) CMM‬‬

آزمایشات جذب

اثر دوز جذب

شکل ‪ 3‬تاثیر دوز جاذب ‪ CMM‬را بر حذف رنگ ‪ MO‬نشان می دهد‪ .‬واضح است که هر چه دوز جاذب بیشتر‬ باشد‪ ،‬رنگ ‪ MO‬سریعتر حذف می شود‪ .‬با این حال‪ ،‬پس از آن نقطه‪ ،‬سرعت حذف رنگ تقریباً بدون تغییر باقی‬ ماند‪ .‬افزایش دوز جاذب‪ ،‬از ‪ 0/033‬به ‪ 3/33‬گرم در لیتر‪ ،‬منجر به افزایش اثربخشی حذف از ‪ ٪18/67‬به ‪٪93‬‬ شد‪ .‬افزایش کاهش ‪ MO‬را می توان به دو عامل نسبت داد‪ :‬مکان های جذب بیشتر در سطح جاذب و غلظت بالاتر‬محل های اتصال فعال‪.

شکل ‪ .3‬اثر دوز جاذب بر جذب ‪ MO‬بر روی ‪[ CMM‬حجم‪ 30 :‬میلی لیتر‪ ،‬غلظت اولیه رنگ‪ 30 :‬میلی گرم در لیتر‪ ،‬زمان تماس‪:‬‬ 90‬دقیقه‪ pH ،‬خوراک‪ ،6.5 :‬دما‪ 298 :‬کلوین]‪.

تاثیر زمان تماس

به منظور ارزیابی زمان تعادل جذب‪ ،‬تاثیر زمان تماس بر ظرفیت جذب ‪ MO‬توسط ‪ CMM‬مورد بررسی قرار‬ گرفت‪ .‬برای اینکه جاذب در معرض محلول رنگ قرار گیرد‪ ،‬از زمان تماس بین ‪ 5‬تا ‪ 150‬دقیقه استفاده شد‪ .‬شکل‬ ( s1‬فایل اطلاعات تکمیلی) نشان میدهد که چگونه فرآیند جذب نسبتاً سریع شروع شد‪ ،‬اما با گذشت زمان به‬ تدریج کند شد‪ .‬فرآیند جذب پس از ‪ 90‬دقیقه ثابت شد و به زمان تعادل رسید‪ .‬با توجه به تعداد زیاد مکانهای‬ جذب فعال و گرادیان غلظت املاح بالا‪ ،‬سرعت جذب در ابتدای فرآیند سریع است‪ .‬با این حال‪ ،‬زمانی که مکانهای فعال پس از مدت زمان طولانیتر از زمان تعادل‪ ،‬با آلایندهها اشباع میشوند‪ ،‬ظرفیت جذب کند میشود‪.‬

 

اثر PH محلول

 pH‬محلول به طور قابل توجهی بر حذف ‪ MO‬به دلیل اثرات آن بر روی شیمی سطح و محل های اتصال فعال‬ تأثیر می گذارد‪ .‬واکنشهای پروتونهسازی و پروتونزدایی اغلب بین جاذب و حلال در تنظیمات ‪ pH‬مختلف رخ‬ میدهد‪ ،‬که میتواند ویژگیهای بار روی سطح جاذب را تغییر دهد و از این رو تعامل بین جاذب و جاذب را تغییر‬ دهد‪ .‬در نتیجه‪ ،‬جاذب ها ظرفیت جذب متفاوتی نسبت به جاذب ها در محلول های آبی با شرایط ‪ pH‬متفاوت‬ دارند‪ .‬روند اثربخشی جذب ‪ CMM‬با ‪ pH‬برای رنگ ‪ MO‬در شکل ‪) s2‬فایل اطلاعات تکمیلی) نشان داده شده‬ است‪ .‬مشاهده می شود که با کاهش ‪ pH‬ظرفیت جذب ‪ MO‬افزایش می یابد‪ .‬سطح جاذب با بار مثبت (تثبیت‬ شده با ‪ (CTAB‬و ‪ MO‬با بار منفی توسط فعل و انفعالات الکترواستاتیکی به دلیل خواص آنیونی متیل اورنج در‬ PH ‬پایین است‪ .‬قابلیت جذب در سطوح ‪ pH‬بیشتر از ‪ pHzpc‬به دلیل دفع الکترواستاتیکی بین ‪ MO‬و سطوح با بارهای مخالف قطبی و همچنین تضاد بین یونهای اضافی‪OH -‬و ‪ MO‬کاهش مییابد‪ .‬با این حال‪ ،‬کمترین مقدار‬ ظرفیت جذب در ‪ pH‬خوراک ‪ 12‬با مقدار ‪11/39mg/g‬وجود سای برهمکنشهای جذب را برای جذب رنگ نشان‬ میدهد‪ ،‬علیرغم یافتهها که به وضوح نشان میدهد که برهمکنشهای الکترواستاتیکی نقش مهمی در جذب‬ دارند‪ .‬رنگ مورد بررسی قرار گرفت از آنجایی که ‪ pH‬محیط پایه ای تر شد‪ ،‬جذب ‪ MO‬با وجود اینکه کمتر از‬ شرایط اسیدی موثر بود‪ ،‬باقی ماند‪ .‬پتانسیل زتا‪ ،‬که نشان دهنده اختلاف پتانسیل بین لایه سیال پایدار واقع در‬ سطح جاذب و محیط پراکندگی سیال است‪ ،‬معیاری است که مستقیماً تحت تأثیر پدیده های الکترودینامیکی‬ قرار می گیرد‪ .‬قدر مطلق پتانسیل زتا‪ ،‬چه مثبت و چه منفی‪ ،‬به عنوان یک شاخص حیاتی برای ثبات سیستم‬ عمل می کند‪ ،‬با مقادیر بالاتر که با افزایش پایداری مرتبط است‪ .‬در این مطالعه‪ ،‬پتانسیل زتا (اندازه گیری شده‬ بر حسب میلی ولت‪ (mV ،‬جاذب ‪ CMM‬تحت بررسی دقیق در یک محیط پراکندگی آبی قرار گرفت‪ .‬این تجزیه‬ و تحلیل تحت شرایط کنترل شده انجام شد و محدوده ‪ pH‬اولیه بین ‪ 2‬تا ‪ 12‬را حفظ کرد که مطابق با محدوده pH‬موجود ‬ در سطح جاذب است‪ .‬پتانسیل زتا مشاهده شده ‪ CMM‬در پاسخ به تغییرات در ‪ pH‬محلول پراکندگی‪،‬‬ همانطور که به صورت بصری در شکل ‪ (f) 1‬نشان داده شده است‪ ،‬تغییراتی را نشان داد‪ .‬قابل ذکر است‪ ،‬در‬ محدوده ‪ pH‬از ‪ 2‬تا ‪ ،12‬مقدار پتانسیل زتا ‪ CMM‬مثبت نشان داد و به مقادیر قابل توجهی رسید‪ .‬این مشاهدات حاکی از پوشش موثر کامپوزیت توسط ‪ CTAB‬است‪ ،‬پدیدهای که به سر نیتروژن با بار مثبت ‪ CMM‬نسبت داده‬ میشود که منجر به افزایش بار مثبت میشود‪ .‬این افزایش به ویژه زمانی قابل توجه است که نیروی گرانشی ‫الکترواستاتیک غالب بین جاذب و جذب شونده در نظر گرفته شود‪.‬

مکانیزم های جذب

درک مکانیسمهای فیزیکوشیمیایی خاص درگیر در فرآیند جذب مستلزم آگاهی از ترکیب شیمیایی جاذب و‬ جاذب است‪ .‬جذب آلاینده های آب روی جاذب ها اغلب از طریق ترکیبی از جاذبه الکترواستاتیکی‪ ،‬پیوند‬ ، هیدروژنی‪ ،‬انباشته شدن ‪ ،π-π‬فعل و انفعالات اسید پایه‪ ،‬تماس آبگریز و نیروهای واندروالس اتفاق می افتد‪ .‬از‬ آنجایی که ‪ MO‬یک مولکول آروماتیک چند حلقهای است‪ ،‬میتواند با جاذبهایی که حاوی آروماتیک هستند‪ ،‬از‬ طریق ‪ 8-12( π-π‬کیلوژول در مول)‪- π ،‬کاتیون (‪ 25-8‬کیلوژول در مول)‪ ،‬و ‪- π‬آنیون (‪ 50-20‬کیلوژول در‬ مول) برهمکنش داشته باشد‪ MO .‬همچنین قادر است پیوندهای هیدروژنی ضعیفی با جاذب هایی که دارای گونه‬ های هیدروژنی هستند به دلیل داشتن هترواتم ها در ساختار خود (اتم های نیتروژن‪ ،‬گوگرد و اکسیژن) ایجاد‬ کند‪ .‬فعل و انفعالات الکترواستاتیکی رایج ترین مکانیسم های جذب در جذب آلاینده ها توسط جاذب های مختلف‬ است‪ .‬تماس های الکترواستاتیک قوی می تواند بین مولکول های ‪ MO‬و جاذب هایی که در نقطه بار صفر نیستند‬ ایجاد شود زیرا مولکول های ‪ MO‬با مقدار ‪3/4 pKa‬قابل یونیزاسیون هستند‪ .‬محدودیت اولیه این است که اگر‬pH ‬ نزدیک به نقطه ایزوالکتریک آن باشد‪ ،‬جاذب نمی تواند از نظر الکتریکی در محلول های آبی خنثی باشد‪ .‬در‬ مورد حذف ‪ MO‬توسط ‪ MXene‬اصلاح شده‪ CMM ،‬دارای بار سطحی مثبت و بار سطحی مخالف برای مولکول‬ های ‪ MO‬است‪ ،‬برهمکنش های الکترواستاتیکی بین جاذب و آلاینده ایجاد می شود‪ .‬همچنین‪ ،‬برهمکنش کاتیون π‬و الکترون‬ مزدوج ‪ π‬می توانند با ‪ CMM‬با بار مثبت تعامل داشته باشند‪ .‬فقدان یک صفحه پیوستگی ‪π‬‬در ‪ ،CMM‬برهمکنش انباشتگی ‪ π-π‬را بین آنها حذف می کند‪ .‬علاوه بر این‪ ،‬حضور گروههای ‪ OH‬روی جاذب‪،‬‬پیوند هیدروژنی با اتمهای الکترونگاتیو مولکول ‪ MO‬را ممکن میسازد‪ .‬تصاویر شماتیک مکانیسم های جذب در ‫شکل ‪ 4‬نشان داده شده است‪.
‫‪

شکل‪ .4‬تشکیل تک لایه و دولایه ‪ CTAB‬روی صفحات (‪ Mxene (Ti3C2Tx‬و مکانیسم های جذب ‪ MO‬توسط ورقه های ‪.Mxene‬‬

مطالعه سنتیکی

درک دقیق کارایی رفتار جذب با استفاده از مدلهای جنبشی واکنش تا زمانی که سیستم به تعادل برسد به دست‬ آمد‪ .‬سینتیک واکنش جذب میتواند بینشهای ارزشمندی را در مورد جنبههای مختلف کاربردهای دنیای واقعی‪،‬‬ از جمله نرخ جذب‪ ،‬مکانیسم زیربنایی‪ ،‬و اثربخشی جاذب ارائه دهد‪ .‬مدلهای شبه مرتبه اول‪ ،‬شبه مرتبه دوم‪،‬‬ الویچ و مدلهای کسری (معادل (‪ ((6)-(3‬به طور گسترده برای تخمین سینتیک جذب استفاده میشوند‪ ،‬بنابراین‬ آنها را مورد آزمایش قرار دادند تا ببینیم کدام یک به بهترین وجه توضیح داده است‪ .‬نتایج تجربی و منجر به‬ نتیجه گیری در مورد مدل سینتیکی بهینه برای جذب ‪ MO‬بر روی ‪ CMM‬شد‪.

به منظور ارزیابی بهترین مدل جنبشی به داده های تجربی ، رگرسیون غیر خطی یک تکنیک بسیار مهم بوده است. سوگیری خطی سازی منجر به توسعه سه تابع خطای غیر خطی شد که برای ارزیابی کفایت هر مدل جنبشی در توضیح داده های تعادل از آزمایش ها استفاده شد . معادلا خطای اجرا شده به شرح زیر است :

 

نتایج برازش مدل جنبشی غیرخطی در شکل‪( S3‬فایل اطلاعات تکمیلی) نشان داده شده است‪ ،‬در حالی که‬ متغیرهای مورد استفاده در تجزیه و تحلیل در جدول ‪ 1‬ارائه شده است‪ .‬یافته های تجربی شباهت زیادی به نتایج‬ مدل شبه مرتبه دوم نشان می دهند‪ .‬علاوه بر این ضریب همبستگی برتر را با توجه به قابلیت جذب آن نشان می‬ دهد‪ .‬استفاده از مدل شبه مرتبه دوم به منظور پیشبینی جذب ‪ MO‬بر روی ‪ CMM‬به دلیل عملکرد برتر آن از‬ نظر درصد مشتق انحراف استاندارد مارکوارت‪ ،‬میانگین خطای نسبی و آزمونهای مجذور کای غیرخطی انتخاب‬ شد‪ .‬مدل شبه مرتبه دوم انتخاب مناسب تری برای شبیه سازی فرآیند جذب جنبشی و نشان دادن حضور‬ ‫شیمیایی ‪ MO‬در ‪ CMM‬است‪.

جدول1. متغییرهای جنبشی برای جذب MO بر روی CMM

مطالعه ایزوترمی

به منظور آزمایش کارایی جاذب ها ، ما آنها را در محدوده غلظت های اولیه MO از 10 تا 500 میلی گرم در لیتر قرار دادیم. به دلیل فراوانی سایت های فعال موجود ، نرخ جذب بالا و درحال افزایش است. در حالت تعادل ، فرآیند جذب کند می شود زیرا مکان های فعال دیگر مولکول را نمی پذیرند. افزایش غلظت گرادیان فشار منجر به افزایش متناظر در نیروی محرکه می شود و در نتیجه سرعت انتقال جرم بین ماده جاذب و جاذب افزایش می یابد. در نتیجه ، در غلظت های شروع بالاتر MO ، سرعت جذب افزایش می یابد. جذب در نهایت به تعادل نزدیک تر می شود زیرا سایت فعال کمتری در دسترس است. داده های تعادل جذب برای ارزیابی ضروری هستند ، زیرا آنها توصیف کاملی از جداسازی فازهای جامد و مایع قبل از تعادل را ارائه می دهند ، که برای درک جذب مولکول های جذب شده از محلول به سطح جاذب ضروری است. داده های جذب رنگ MO بر روی CMM، که هرکدام توسط معادلات توصیف شده اند. (10-14)، به پنج مدل معروف ریاضی غیر خطی برازش داده شده اند : لانگمویر ، تمکین ، هالسی ، جووانوویچ و فروندلیچ.

شکل ‪( S4‬فایل اطلاعات تکمیلی) ایزوترم های غیرخطی را برای پنج مدل ایزوترم نشان می دهد‪ .‬مقادیر ثابتهای‬ مختلف‪ ،‬دادههای برازش‪ ،‬از جمله ارزیابیهای خطای چندگانه‪ ،‬و ضریب همبستگی ‪ R2‬برای مدلهای ایزوترم‬ متعدد در جدول ‪ 2‬ارائه شده است‪ .‬ضریب همبستگی تخمینی و مقدار تجزیه و تحلیل خطا برای تعیین اینکه‬ کدام مدل بیشترین همبستگی را با دادههای تجربی دارد‪ ،‬استفاده میشود‪ .‬با توجه به داده های محاسبه شده از‬ مدل های مختلف ایزوترم های دو پارامتری‪ ،‬مقادیر چهار ایزوترم دیگر کمتر از ضرایب همبستگی لانگمویر است‪.‬‬ علاوه بر این‪ ،‬کمترین مقدار تحلیل خطا را دارد‪ .‬بنابراین‪ ،‬مدل لانگمویر در مقایسه با چهار مدل دیگر شباهت‬ بیشتری به داده ها دارد‪ .‬این نتیجه نشان می دهد که جذب تک لایه در یک سطح همگن در طول فرآیند جذب‬ رخ داده است‪ .‬علاوه بر این‪ ،‬جدول ‪ 3‬کارایی مواد مختلف برای جذب ‪ MO‬را با جاذب های تولید شده مقایسه می‬کند‪.

جدول2. مقایسه پارامترهای مدل ایزوترم برای جذب MO بر روی CMM.

جاذب دما(C) ظرفیت جذب(mg/g) راندمان حذف(%) PH
Cetyltrimethylammoniumbromidemodifiedpumice 25.0 31.73 99.3 5.7
ZIF-8 - 183.0 - 4.62
Commercial activated carbon 113.63 - 2.00
Lemon peels-derived activated carbon 25.0 33.00 96 2.00
DL-MXene 30.0 94.8 - 3.00
MgAl-LDH 25.0 197.6 - -
Nitrogen-doped TiO2 20.2 14.10 - -
Porous Al-doped ZnO nanosheets 25.0 74.57 99.3 7.00
NiFe-LDH - 205.8 96.5 -
Flower-like MoSe2 microspheres - 36.91 - -
NiO nanoflakes - 165.8 84.6 2.00
CuO nanoflakes - 157.8 93.2 2.00
Cu2O particles - 96.42 - -
Functionalised CNTs/TiO2 20.0 26.50 - 3.00
Fe2O3/mesoporous carbon 20.0 26.50 - 3.00
‫‪Nanofibrillated cellulose-based cryogel/N-‬‬doped TiO2 20.0 17.60 99.0 -
‫‪Fe2O3/biochar 25.0 16.05 100 2.86
‫‪AgGaO2 nanocomposites 25.0 11.39 - 7.50
‫‪AC/polytetrafluoroethylene 25.0 176.00 - -
‫‪Mg NP/modified nanosized SiO2–Al2O3 25.0 167.2 89.3 6.50
‫‪CTAB-modified MXene 25.0 213.00 3.00

تاثیر یونهای مزاحم

وجود یون های رایج در آب می تواند تأثیر عمیقی بر فرآیند جذب مورد استفاده در تصفیه فاضلاب داشته باشد‪.‬‬ این عامل هنگام ارزیابی کارایی مواد جاذب مختلف اهمیت حیاتی میگیرد‪ .‬در سناریوهای عملی‪ ،‬سازگاری مواد‬ به عنوان یک ملاحظات اساسی ظاهر می شود‪ .‬در نتیجه‪ ،‬تأثیر هم افزایی یونهای متمایز‪ ،‬که با ‪،Na+ ،Ca2+  Cl- ،HPO4-،K+‬‬ و ‪ (1M) NO 3- ‬‬به عنوان نمونه بر ظرفیت جذب جاذب مورد بررسی قرار گرفت‪ ،‬با نتایج نشاندادهشده‬ در شکل ‪ .S5‬علیرغم حضور همزمان این یونها‪ ،‬نتایج نشاندهنده ظرفیت جذب قابل توجه ‪ CMM‬است که‬ حذف موثر رنگها از فاضلاب را ممکن میسازد‪ .‬از این رو‪ CMM ،‬مصنوعی نوید کاربرد در تصفیه فاضلاب با‬ رنگآمیزی را دارد‪ .‬یافته ها تاکید میکنند که وجود یونهای مشترک در آب آشامیدنی حداقل بر کارایی ‪CMM‬‬ به عنوان یک جاذب تأثیر میگذارد‪ .‬این نتایج پیامدهای مهمی برای فرمول بندی و پیشرفت فن آوری های ماهر‬ برای تصفیه فاضلاب دارند که در دفع آلایندهها و سایر ناخالصیها از جریانهای فاضلاب ماهر هستند‪.‬‬

قابلیت استفاده مجدد

‫اثربخشی جاذب های مختلف در کاربردهای عملی به طور قابل توجهی تحت تأثیر بازسازی کارآمد و قابلیت بازیافت‬ قابل توجه آنها است‪ .‬یک جاذب ایدهآل نه تنها با ظرفیت جذب قابلتوجهی مشخص میشود‪ ،‬بلکه با توانایی حفظ‬ بخشی از این ظرفیت در طول چرخههای جذب و دفع متوالی مشخص میشود‪ .‬در بررسی فرآیند بازسازی جاذب‪،‬‬ از روش شستشوی حلال با استفاده از اتانول به دلیل حلالیت زیاد آن برای ‪ MO‬استفاده شد‪ .‬نتایج پنج آزمایش‬ متوالی بر روی جذب ‪ MO‬برای ‪ CMM‬در شکل ‪ S6‬نشان داده شده است‪ .‬واضح است که با افزایش تعداد چرخه‬ های بازسازی‪ ،‬ظرفیت جذب محاسبه شده پس از پنج سیکل جذب و دفع‪ ،‬به ‪ 14/3‬میلی گرم در گرم برای ‪0/025‬‬ گرم کاهش می یابد که نشان دهنده قابلیت استفاده مجدد و پایداری قابل ستایش است‪ .‬در نتیجه‪ ،‬پیشنهاد می‬ شود که ‪ CMM‬پتانسیل را به عنوان یک جاذب قابل بازیافت نشان دهد‪.

نتیجه گیری


‫در نتیجه‪ ،‬ما یک تکنیک ساده را برای مونتاژ الکترواستاتیک ‪ MXene‬با محلول ‪ CTAB‬برای ایجاد یک ماده کاملا‬ جدید و موثر توسعه دادهایم‪ .‬تلاقی ‪ CTAB‬در ‪ MXene‬باعث افزایش فضای بین لایهای و افزایش قرار گرفتن در‬ معرض مکانهای فعال شد‪ .‬آنالیزهای ‪ XRD ،EDX ،FESEM ،FTIR ،TGA‬و ‪ BET‬برای شناسایی جاذبها‬ استفاده شد‪ .‬نتایج آزمایشها نشان داد که ‪ CMM‬توانایی جذب ‪ MO‬بالا (‪ 213/00‬میلیگرم بر گرم) دارد و‬ میتواند به طور موثر رنگها و آنیونها را از محلولهای آبی حذف کند‪ .‬نتایج بررسیهای دستهای تطابق قوی بین‬ مدل شبه مرتبه دوم (‪ )R2=0/9924‬و دادههای تجربی بهدستآمده از مطالعات جنبشی با استفاده از مدلهای‬ تثبیت شده را نشان داد‪ .‬جذب ‪ MO‬در ‪ CMM‬برهمکنش تک لایه بود‪ ،‬با ایزوترم جذب تقریباً با ایزوترم لانگمویر(‪ (R2=0/9990‬مطابقت داشت‪ .‬پیوند هیدروژنی‪ ،‬برهمکنش های کاتیونی ‪ π‬و جذب الکترواستاتیکی نیز مکانیسم‬ ‫های ممکن برای جذب ‪ MO‬در ‪ CMM‬هستند‪.

 

نویسنده : پویا نجیبی خواه

preloader
لطفا صبرکنید...