حذف متیل ترشری بوتیل اتر از محلول های آبی توسط نانوکامپوزیت مغناطیسی مبتنی بر گرافن

STUDENT

DEGREE

YEAR

Growing human’s population and lack of sweet water sources cause that water treatment become an important issue. In addition industrial wastewater treatment which contains organic pollutants and heavy metals is significant in order to prevent environment and water resources from contamination. MTBE, which is a common additive to gasoline, becomes a water contamination especially underground water because of its worldwide use. MTBE removal from aqueous solution is more complicated because of its different physicochemical characters with other organic pollutants. One of the separation methods that receives a lot of attention is adsorption that has properties like simplicity, high rate and no byproduct. Adsorbent selection is very important in MTBE removal because common adsorbents like activated carbon hasn’t suitable performance in MTBE removal. Furthermore, adsorbent separation after adsorption process is an important challenge in this treatment way. Reduced graphene oxide/Fe 3 O 4 nano composite is one of the adsorbents that recently attract attention. This nanocomposite has a high surface area in addition to hydrophobicity, which can makes it appropriate for MTBE adsorption. Moreover, magnetic feature make its separation easy with magnetic field. In this study, modified Hummer’s method was used to synthesize graphene oxide. Afterward Fe 3 O 4 nano particles was precipitated with in situ synthesis method and GO was reduced with hydrazine solution simultaneously (M1-rGO). In addition, rGO-Fe 3 O 4 with different ratio of iron oxide particles (M2-rGO) was synthesized in order to study the effect of Fe 3 O 4 on adsorption capacity and carbon nano tubes were added to composite in order to improve adsorption capacity. Adsorbent characterization was done with XRD, FTIR, VSM, BET, and FESEM analysis. XRD,FT-IR and FESEM characterization tests showed that adsorbents were synthesized well. XRD results was consistent with Fe 3 O 4 diffraction pattern and a peak related to graphene was seen in diffraction patterns. In FESEM images of M1-rGO and M2-rGO samples, Fe 3 O 4 nano particles were seat on graphene surface. In FT-IR analysis, absorption related to bonds which is existed on graphene and Fe 3 O 4 nano particle was observed. Surface area of M1-rGO, M2-rGO and rGO-Fe 3 O 4 -CNT was obtained 31.1m 2 /g, 120.9m 2 /g and 65.2m 2 /g, respectively. In order to study impacts of initial concentration of MTBE, pH and adsorbent dose, design of experiments was done with Design Expert software and response surface method. In these designs, initial concentration of MTBE was between 5-100 mg/L, pH was between 6-8 and adsorbent dose was between 5-15mg in 50mL. Results showed that MTBE adsorption follows pseudo-first-order kinetics model and Redlich-Peterson isotherm model. Maximum adsorption capacity obtained 391.1mg/gr. Also besides that, maximum capacity of rGO-Fe 3 O 4 -CNT was 571.7mg/gr and on average increase about 108% in all points. According to design of experiments result, pH has no significant results on MTBE adsorptio capacity especially for rGO-Fe 3 O 4 -CNT. In the case of M1-rGO, adsorption capacity was related to square of pH and adsorbent dose. Concentration of MTBE and adsorbent dose have interaction on adsorption capacity. For rGO-Fe 3 O 4 -CNT, adsorption capacity has relation with square of pH. Adsorbent regeneration by organic solution and heating recovers only 30% of adsorbent capacity after 3 times.

گسترش روز افزون جمعیت انسان ها و کمبود منابع آب شیرین، سبب شده است تا موضوع تصفیه آب اهمیت ویژه ای پیدا کند. به علاوه تصفیه فاضلاب های صنعتی حاوی مواد آلی به منظور جلوگیری از آلوده شدن محیط زیست و منابع آبی مورد توجه قرار گرفته است. حلال آلی MTBE که یک افزودنی رایج به بنزین است، به دلیل گستردگی مصرف، به یکی از آلاینده های منابع آبی، به خصوص آب های زیرزمینی تبدیل شده است و به دلیل تفاوت ویژگی های شیمی فیزیکی متفاوت این ماده با دیگر آلاینده های آلی، جداسازی آن از محیط آبی پیچیده hy;تر از دیگر آلاینده هاست. یکی از روش های جداسازی MTBE که مورد توجه زیادی قرار گرفته، روش جذب سطحی است که از ویژگی های آن میتوان سادگی، سرعت بالا و نداشتن محصول جانبی را نام برد. انتخاب جاذب در جذب سطحی MTBE از اهمیت ویژه ای برخوردار است. زیرا جاذب های رایج مانند کربن فعال، عملکرد مناسبی در جذب سطحی این ماده ندارند. به علاوه، جداسازی جاذب پس از فرایند جذب هم یکی از چالش های این روش تصفیه است. نانو کامپوزیت گرافن اکساید کاهیده مغناطیسی (rGO-Fe 3 O 4 ) یکی از جاذب هایی است که اخیرا مورد توجه زیادی قرار گرفته است. این نانو کامپوزیت علاوه بر داشتن سطح ویژه زیاد، خاصیت آب گریزی هم دارد که برای جذب MTBE مناسب است. همچنین خاصیت مغناطیسی این جاذب، باعث می شود تا بتوان آن را به راحتی و به کمک میدان مغناطیسی از محیط جدا کرد. در این پژوهش به منظور سنتز نانو کامپوزیت، ابتدا گرافن اکساید به روش هامرز بهبود یافته سنتز شد و پس از آن نانو ذرات Fe 3 O 4 به روش هم نشینی درجا روی سطح گرافن اکساید قرار گرفته و با استفاده از محلول هیدرآزین کاهیده شدند (M1-rGO). به علاوه نانو کامپوزیت rGO-Fe 3 O 4 با مقدار نانو ذره مغناطیسی متفاوت (M2-rGO) به منظور بررسی تاثیر نانو ذره بر روی ظرفیت جذب و نانو کامپوزیت دیگر حاوی نانو لوله های کربنی (rGO-Fe 3 O 4 -CNT) برای بهبود مقدار جذب سطحی سنتز شد. مشخصه یابی جاذب های سنتزی با آنالیز XRD، FT-IR، VSM، BET و FESEM انجام شد. آزمون های مشخصه یابی XRD، FT-IR و FESEM نشان داد که سنتز جاذب ها به خوبی انجام شده است و ویژگی های لازم را دارا می باشد. نتایج XRD نمونه ها با پراش Fe 3 O 4 همخوانی دارد و پیک مربوط به گرافن در الگوهای پراش دیده می شود. در تصاویر FESEM نمونه های M1-rGO و M2-rGO، نانو ذرات Fe 3 O 4 روی سطح گرافن قرار گرفته اند و در تصاویر مربوط به جاذب rGO-Fe 3 O 4 -CNT علاوه بر نانو ذرات، نانو لوله های کربنی هم روی سطح قرار گرفته اند. در آنالیز FT-IR، جذب مرتبط با پیوندهایی که در گرافن و نانو ذره Fe 3 O 4 وجود دارند، مشاهده شد. سطح ویژه به دست آمده برای جاذب M1-rGO، M2-rGO و rGO-Fe 3 O 4 -CNT از آنالیز BET برابر m 2 /g1/31، m 2 /g9/120 و m 2 /g2/65 می باشد. برای بررسی تاثیر سه متغیر غلظت اولیه، pH و مقدار جاذب طراحی آزمایش با نرم افزار design expert و با روش پاسخ سطح انجام شد. در این طراحی ها، محدوده غلظت MTBE، از mg/L5 تا mg/L100، محدوده pH از 6 تا 8 و محدوده مقدار جاذب از mg5 تا mg15 در mL50 محلول انتخاب شد. نتایج نشان داد که جذب سطحی MTBE برای هر 2 جاذب M1-rGO و rGO-Fe 3 O 4 -CNT از مدل سینتیکی شبه مرتبه اول و ردلیچ-پترسون تابعیت می کند و بیشترین ظرفیت جذب جاذب M1-rGO برابر با mg/g1/399 است و در نقطه غلظت MTBE برابر mg/L100، pH برابر 6 و مقدار جاذب mg5 قرار دارد. همچنین برای جاذب rGO-Fe 3 O 4 -CNT ظرفیت جذب بیشینه برابر mg/g7/571 است که در نقطه غلظت MTBE برابر mg/L100، pH برابر 6 و مقدار جاذب mg5 قرار دارد و در تمام نقاط به طور میانگین حدود 108% افزایش یافته است. با توجه به نتایج طراحی آزمایش، pH تاثیر زیادی روی ظرفیت جذب سطحی MTBE به خصوص برای جاذب rGO-Fe 3 O 4 -CNT ندارد. در مورد جاذب M1-rGO، ظرفیت جذب با توان دوم pH و مقدار جاذب رابطه دارد و غلظت و مقدار جاذب تاثیر متقابل دارند. برای جاذب rGO-Fe 3 O 4 -CNT، ظرفیت جذب با توان دوم غلظت ارتباط دارد. همچنین با استفاده از احیای جاذب با حلال آلی و حرارت دهی، پس از 3 مرتبه احیا، 30% از ظرفیت جاذب بازیابی شد.