SUPERVISOR
Kazem Karami,Shadpour Mallakpour
کاظم کرمی (استاد مشاور) شادپور ملک پور (استاد راهنما)
STUDENT
Forough Motirasoul
فروغ مطیع رسول
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Surface modification of alpha-MnO2 nanorods and their application for the preparation and properties study of the nanocomposites based on poly(vinyl alcohol)
In this thesis, the novel nanocomposites (NC) based on poly(vinyl alcohol) (PVA) and modified ? -MnO 2 nanorods were prepared through solvent-casting technique with the assistance of ultrasonic irradiation for the removal of water pollutants such as lead ions and methyl orange. To achieve a good dispersion and uniform distribution of ? -MnO 2 nanorods and their more compatibility with polymer matrix, the surface of synthesized ? -MnO 2 nanorods was modified with L -valine, KH550, and stearic acid. The modified and unmodified nanorods were investigated with the different techniques such as FT-IR, XRD, EDX, FE-SEM, TEM, and TGA. Then, due to good film forming ability of PVA, their NC films were prepared and identified by different methods. Subsequently, the effect of modified nanorods on mechanical and thermal properties of PVA was studied. The results showed that thermal stability and tensile properties of NCs containing modified nanorods were improved comparison with pure PVA and PVA NCs containing unmodified nanorods. These properties increased with increasing amounts of modified ? -MnO 2 nanorods. Also, FE-SEM and TEM images exhibited a homogeneous dispersion of modified ? -MnO 2 nanorods and a good compatibility with PVA matrix. Crosslinked NCs with glutaraldehyde (GA) were prepared in order to investigate their application as the adsorbent for the removal of lead ions and methyl orange from aqueous solution. The GA was used to prevent the dissolution of PVA in aqueous solution as well as its easy separation. Efficient factors on adsorption process, including the initial concentration of the pollutant, pH, adsorbent amount, time and temperature were investigated. The obtained data showed that PVA-GA/ ? -MnO 2 - L -valine and PVA-GA/ ? -MnO 2 -KH550 have the high potential for lead ions adsorption from aqueous solution and PVA-GA/ ? -MnO 2 -stearic acid is an efficient adsorbent for the adsorption of methyl orange. The adsorption process exhibited a high dependency on the pH value. The study of adsorption isotherms indicated that Freundlich model was more suitable for describing the adsorption equilibrium and physical adsorption mechanism including electrostatic interaction play a dominant role in the adsorption mechanism. The adsorption kinetics study demonstrated that pseudo-second-order model was the best fit with the experimental data which proposes chemical adsorption mechanism, as well. The maximum lead ion adsorption capacity was 147.06 and 153.84 mg g -1 for PVA-GA/ ? -MnO 2 - L -valine and PVA-GA/ ? -MnO 2 -KH550 adsorbents, respectively. The maximum adsorption capacity of methyl orange was estimated to be 104.17 mg g -1 for PVA-GA/ ? -MnO 2 -stearic acid adsorbent. Thermodynamic investigations confirmed that the adsorption process was spontaneous and exothermic along with decreasing randomness for PVA-GA/ ? -MnO 2 - L -valine and PVA-GA/ ? -MnO 2 -stearic acid adsorbents, and endothermic along with increasing randomness for PVA-GA/ ? -MnO 2 -KH550 adsorbent.
در این رساله، نانوکامپوزیت های جدیدی بر پایه پلی(وینیل الکل) و نانومیله های آلفا منگنز(IV) اکسید ( ? -MnO 2 ) اصلاح شده جهت حذف آلاینده های آبی از جمله یون سرب و متیل اورانژ، به روش محلول-ریخته گری و به کمک امواج فراصوت تهیه شد. برای دست یابی به پراکندگی خوب و توزیع یکنواخت نانومیله های ? -MnO 2 و سازگاری بیشتر آن ها با بافت پلیمر، سطح نانومیله ها با L -والین، KH550 و استئاریک اسید اصلاح شد. نانومیله های ? -MnO 2 سنتز شده و نانومیله های اصلاح شده، با روش های مختلف از جمله طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، پراش پرتو ایکس، تفکیک انرژی پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر زمینه (FE-SEM)، میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) و تجزیه وزن سنجی گرمایی مورد بررسی و شناسایی قرار گرفتند. با توجه به توانایی پلی(وینیل الکل) برای تشکیل فیلم، فیلم های نانوکامپوزیت حاوی نانومیله های اصلاح شده تهیه شده اند و با روش های مختلف شناسایی شده است. به دنبال آن، تاثیر نانومیله های اصلاح شده بر پایداری گرمایی و مقاومت مکانیکی پلی(وینیل الکل) مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج بدست آمده نشان داد که پایداری گرمایی و مقاومت مکانیکی نانوکامپوزیت های پلی(وینیل الکل) حاوی نانومیله های اصلاح شده نسبت به پلی(وینیل الکل) خالص و نانوکامپوزیت های پلی(وینیل الکل) حاوی نانومیله های اصلاح نشده بهبود یافته است. همچنین این خواص با افزایش مقدار نانومیله های ? -MnO 2 اصلاح شده افزایش پیدا کرده است. تصاویر حاصل از FE-SEM و TEM نیز سازگاری خوبی از نانومیله های اصلاح شده با بافت پلیمر و توزیع یکنواخت و موثر آن ها را در بستر پلی(وینیل الکل) به نمایش گذاشت. به منظور بررسی کاربرد فیلم های نانوکامپوزیت پلیمری تهیه شده به عنوان جاذب برای جذب یون سرب و متیل اورانژ، عامل شبکه ساز گلوتارآلدهید (GA) جهت جلوگیری از انحلال اندک پلی(وینیل الکل) در محیط آبی و همچنین جداسازی راحت آن استفاده شد و نانوکامپوزیت های شبکه شده تهیه گردید. عوامل موثر بر فرآیند جذب از جمله غلظت اولیه آلاینده، pH، مقدار جاذب، زمان و دما مورد بررسی قرار گرفتند. اطلاعات بدست آمده نشان داد که نانوکامپوزیت های شبکه شده PVA-GA/ ? -MnO 2 - L -valine و VA-GA/ ? -MnO 2 -KH550 پتانسیل بالایی برای جذب یون سرب از محیط آبی دارند و نانوکامپوزیت شبکه شده PVA-GA/ ? -MnO 2 -stearic acid جاذب موثری برای جذب متیل اورانژ است. فرآیند جذب وابستگی شدیدی نسبت به مقدار pH نشان داد. بررسی رفتار هم دمایی آن ها تایید کرد که داده های حاصـل با مدل فروندلیش از تطابق بهتری برخوردار اسـت و مکانیسم جذب بیشتر از نوع فیـزیکی و برهمکنش های الکترواسـتاتیک می باشد. بررسـی مدل های سینتیکـی پیـروی از مـدل سـینتیکی شبه درجه دوم را برای فـرآیند جذب ارائـه داد که مکانیسم جذب شیمیایی را پیشنهاد می دهد. حداکـثر ظرفـیت جذب یون سـرب برای جـاذب های VA-GA/ ? -MnO 2 - L -valine و PVA-GA/ ? -MnO 2 -KH550 به ترتیب 06/147 و 84/153 میلی گرم بر گرم بدست آمد. برای جذب متیل اورانژ توسط جاذب PVA-GA/ ? -MnO 2 -stearic acid حداکثر ظرفیت جذب 17/104 میلی گرم بر گرم برآورد شد. بررسی های ترمودینامیکی تایید کرد که فرآیند جذب توسط جاذب ها به صورت خود به خودی بوده و برای جاذب های VA-GA/ ? -MnO 2 - L -valine و PVA-GA/ ? -MnO 2 -stearic acid فرآیند جذب به صورت گرمازا همراه با کاهش بی نظمی و برای جاذب PVA-GA/ ? -MnO 2 -KH550 به صورت گرماگیر همراه با افزایش بی نظمی بوده است.