تهیه نانو الیاف کربن فعال و کربن فعال دوپ شده، حاوی اکسید روی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays, activated carbon is known as a specific multi-dimensional absorbent whit application in food and chemical industries for the removal of unpleasant odors, color, taste, organic pollutants as well as inorganic ones in water effluent and also removing pollutants from air. Activated carbon is also use for removing bacteria and toxic chemical in drug production. A bout 80% of activated carbon is use in liquid phase and the rest is used in gas phase application. AC is a porous and amorphous solid and shows a high absorbent capacity thanks to its very high surface to volume. AC is employed in fiber, granule and powder from. AC carbon is produced from a variety of precursors, namely wood, bio wastes and Polyacrylonitrile (PAN). AC carbon nano fibers are basically produced by heat treatment of electrospu PAN nano fibers which may contain materials such metal oxides as catalysts. ZnO particles with their relatively high band gap (3.37 ev) and excitation bond energy of 60 meV have attracted the attention of researchers as a semi-conductor metal oxide. ZnO has a range of application like gas sensors, anti-bacterial, cigarette filer, hygiene and cosmetics. Production of AC involves three stages of stabilization, carbonization and activation. Stabilization starts from room temperature up to 280 ?C under oxygen and the other stages are carried out by increasing the temperature up to 900 ?C in the presence of an inert gas like nitrogen or carbon dioxide, the porous structure forms when the non-carbonaceous element like N 2 and O 2 leave the main structure as gases. As literature review showed no report on the AC nano fibers containing ZnO, this study aimed at investigating the characteristics of AC nano fibers containing ZnO nano particles. The effect of oxygen and nitrogen dopants on the characteristics was also investigated. Dopants are known to decrease the band gap of metal oxides and extend the activity of metal oxides in UV region to the visible range. The results showed that adding ZnO nano particles lead to a decrease in the average diameter of electrospun PAN nano fibers. However, after carbonization the presence of ZnO lead to an increase in the average diameter of AC nano fibers. This is due to the carbothermic reduction originating from neighboring carbon and ZnO at high temperatures which leads to the formation of carbon monoxide and ZnO in gas phase leaving the matrix. X-ray diffraction patterns showed that ZnO nano particles lead to the formation of well developed crystals in activated carbon matrix which has a rather amorphous microstructure. The smallest average diameter of AC containing, ZnO nano particle only, ZnO nano particle doped with N 2 and ZnO nano particles doped whit O 2 was 159 nm, 98 nm and 140 nm respectively. Keywords: Activated Carbon, Nanofibers, Electrospinning, ZnO nanoparticles, Nanocomposite

کربن فعال جامدی متخلخل و نسبتاً آمورف است که با توجه به نسبت سطح به حجم زیادش، ظرفیت جذب بالایی از خود نشان می دهد و همین عامل سبب شده تا در دسته ی پرکاربردترین جاذب ها قرار گیرد و عمدتاًدر فرم های متداول الیافی، گرانول و پودری از پیش ماده هایی همچون چوب، زغال سنگ، پوست نارگیل، پوست بادام، مواد لیگنوسلولزی، قیر و پلیمرهایی مانند پلی اکریلونیتریل(PAN) تهیه می گردد. در این میان، نانوالیاف کربن فعال به طور عمده از نانوالیاف الکتروریسی شده ی پلی اکریلونیتریل به صورت خالص و یا حاوی نانوذرات، تهیه می گردد. در بسیاری از زمینه ها همچون شیمی، فیزیک و بیوتکنولوژی، استفاده از نانوذرات فلزی با توجه به خواص کاتالیزوری مورد توجه قرارگرفته است. ذرات ZnO با توجه به باند گپ (eV 37/3) و انرژی برانگیختگی پیوندی زیاد (meV 60) به عنوان اکسید فلزی نیمه رسانا بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از این اکسید فلزی در صنایع لاستیک با اهدافی همچون محافظت در برابر UV و قارچ ها استفاده می شود. همچنین کاربردهایی از جمله سنسورهای گازی، آنتی باکتریال، فیلتر سیگار، مصارف آرایشی بهداشتی و... دارد. در تولید کربن فعال به طور متداول، سه مرحله پایدارسازی، کربونیزاسیون و فعال سازی در نظر گرفته می شود. طی این مراحل دما تا 900 درجه ی سانتی گراد افزایش می یابد. در فرایند پایدارسازی، نانوالیاف پلی اکریلونیتریل تحت گاز اکسنده ای همچون اکسیژن یا هوای خشک قرار می گیرند و پس انجام واکنش هایی همچون اکسیداسیون، هیدروژن‌زدایی و حلقه‌ای شدن ساختار به پایداری حرارتی دست می یابد. در مرحله ی کربونیزاسیون (در غیاب اکسیژن)، عناصر غیرکربنی به صورت محصولات گازی فرار از ساختار خارج می شوند و در نتیجه محتوای کربنی ماده اولیه افزایش می یابد. در ادامه طی فرایند فعال سازی، کربن فعال به فرمی با بالاترین میزان تخلخل و سطح مخصوص حاصل می شود. باتوجه به اینکه مطالعات انجام شده نشان می دهد که تاکنون پژوهشی مبنی بر تولید و بررسی نانوالیاف کربن فعال حاوی نانوذرات اکسیدروی از پیش ماده ی پلی اکریلونیتریل حاوی این نانوذرات انجام نشده است، در این مطالعه به بررسی این موضوع پرداخته شد. همچنین بر اساس پژوهش های انجام شده دوپ کردن عناصر غیر فلزی سبب کاهش باندگپ اکسیدهای فلزی می شود و محدوده ی عملکرد آنها را از ناحیه فرابنفش به سمت طول موج مرئی تغییر می دهد. به همین منظور در این پروژه علاوه بر تولید نانو الیاف کربن فعال حاوی اکسید روی، به بررسی اثر دوپنت های نیتروژن و اکسیژن بر ساختار و قطر نانوالیاف پلی اکریلونیتریل و کربن فعال پرداختیم. بر اساس نتایج بدست آمده حضور نانو ذرات اکسید روی سبب کاهش قطر نانوالیاف پلی اکریلونیتریل الکتروریسی شده می گردد و این در حالیست که پس از فعال سازی بر اثر واکنش احیایی کربوترمیک، ناشی از مجاورت کربن و اکسید روی و قرار گیری در دمای بالا، با آزاد شدن کربن منوکسید و اکسیدروی در فاز گازی، تورم و افزایش قطر نانوالیاف را شاهد هستیم. میانگین قطر نانوالیاف کربن فعال حاوی5% اکسیدروی خالص و اکسیدروی دوپ شده با نیتروژن و اکسیژن تولید شده به ترتیب 159، 98 و 140 نانومتر است. همچنین حضور نانوذرات اکسیدروی سبب افزایش بلورینگی ساختار کربن فعال شده است و بررسی ها نشان می دهد که تا حدودی فرایند فعال سازی نیز افزایش بلورینگی ساختار را سبب می گردد. بررسی طیف های FTIR حذف گروه هایی همچون C?N و CH کششی از نانو الیاف پلی اکریلونیتریل و در نتیجه فعال سازی و تولید موفق نانوالیاف کربن فعال را نشان می دهد.