بررسی و مقایسه نانوکامپوزیت اکسید گرافن سنتز شده به روش هم رسوبی با روش حلال-گرمایی از نظر قدرت مغناطیسی و ظرفیت جذب کادمیم از محلول های آبی
محورهای موضوعی : آلودگی محیط زیست (آب و فاضلاب)فاطمه عین الهی پیر 1 , نادر بهرامی فر 2 , حبیب اله یونسی 3
1 - دانشگاه زابل، دانشکده منابع طبیعی، عضو هیأت علمی گروه محیط زیست.
2 - دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، عضو هیأت علمی گروه محیط زیست. * (مسوول مکاتبات)
3 - دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، عضو هیأت علمی گروه محیط زیست
کلید واژه: حلال گرمایی, همرسوبی, نانوکامپوزیت اکسیدگرافن مغناطیسی, جذب سطحی,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: یکی از روش های حذف آلاینده های آبی، استفاده از نانوجاذب ها است. لذا در این بررسی به منظور معرفی نانوجاذب مناسب، خاصیت مغناطیسی نانوکامپوزیت اکسیدگرافن مغناطیسی شده به دو روش همرسوبی و حلال گرمایی و امکان استفاده از آن ها برای حذف کادمیم از محلول های آبی بررسی شد. روش بررسی: اکسید گرافن سنتز شده به روش هامر، به دو روش حلال گرمایی و همرسوبی مغناطیسی گردید. سپس هر یک از جاذب ها به دو روش رفلاکس (با استفاده از اتیلن دی آمین) و سنتز سرد (با استفاده از دی کلرومتان) آمین دار شدند. حذف یون های کادمیم از محلول آبی در سیستم ناپیوسته توسط تمامی جاذب ها بررسی شد. اثر پارمترهای pH، مقدار جاذب، زمان تماس، غلظت اولیه یون های فلزی و دما توسط جاذب سنتز شده به روش حلال گرمایی و آمین دار شده به روش رفلاکس بررسی گردید. یافته ها: نتایج FTIR، XRD و VSMنشان داد که جاذب سنتز شده به روش همرسوبی دارای خاصیت مغناطیسی بهتری است. جاذب مغناطیسی شده به روش حلال گرمایی و آمین دار شده به روش رفلاکس از ظرفیت جذب بالاتری (207میلی گرم بر گرم) برخوردار است. درحالی که ظرفیت جذب نانوجاذب آمین دار شده به روش سرد 82 میلی گرم بر گرم بود. داده های به دست آمده با مدل هم دمای فرندلیخ و مدل سینتیکی شبه مرتبه ی دوم همخوانی داشتند. بحث و نتیجه گیری: بر اساس نتایج FTIR، XRD و VSM،نانوجاذب سنتز شده به روش همرسوبی خاصیت مغناطیس بهتری داشت درحالی که ظرفیت جذب آن کاهش یافت.اشغال گروه های کربوکسیل موجود در سطح اکسیدگرافن توسط ذرات آهن می تواند موجب کاهش اتصال گروه های عاملی آمین در سطح جاذب شود. نتیجه حاصل از آنالیز عنصری نیز تأیید کننده این نتیجه بود. زیرا میزان عنصر نیتروژن این نانوجاذب نسبت به نانوجاذب سنتز شده به روش حلال گرمایی کاهش یافت. نانوجاذب مغناطیسی شده به روش حلال گرمایی و عامل دار شده به روش رفلاکس جهت حذف کادمیم کارآمدتر است. همچنین جذب کادمیم توسط نانوکامپوزیت سنتز شده به صورت گرماگیر و خودبه خودی است.
Background and Objective: Nano-sorbents are suitable for pollutants removing from aqueous environment. Therefore, the aim of this study was to compare magnetization of magnetic graphene oxide nano-composite by using co-precipitation and solvothermal methods. In addition, the capability of nano-adsorbent was conducted in order to examine removal efficiency of Cd (II) from aqueous solution. Method: Graphene oxide (GO) was synthesized by modified Hummers method and magnetized using co-precipitation and solvothermal procedures. The amine functionalization of as-prepared magnetic graphene oxide was performed by reflux method in the presence of ethylenediamine as functional group and cold synthesis method in the presence of dichloromethane as reaction solvent. The synthesized adsorbents were used for Cd (II) removal from aqueous solutions and the effects of pH, amount of adsorbent, contact time, initial concentration of Cd (II) ions and temperature were investigated. Findings: According to FTIR, XRD and VSM analyses, the synthesized magnetic graphene oxide with co-precipitation showed higher magnetization values than that of from the solvothermal method. The adsorption results displayed that the synthesized adsorbent with solvothermal and reflux processes of amination has the highest adsorption capacity of 207 mg.g-1. But it is only 82 mg.g-1 with co-precipitation and cold amination process. Kinetic data showed better correlation with pseudo-second-order equation and the Freundlich model was found to fit for the isotherm data. Discussion and Conclusion: The magnetization values of adsorbent in co-precipitation method was better while the adsorption capacity reduced. The loss of adsorption capacity was due to high loading of magnetic particles under surface of GO, which leads to block the carboxyl functional groups. This was also confirmed by elemental analysis. The amount of nitrogen was lower in co-precipitation process comparing to solvothermal method. In batch adsorption, the adsorption process was found to be endothermic and spontaneous in nature. The results suggest that the solvothermal and reflux procedures was more efficient in amine functionalization and adsorption process.
- Khan, S. Ahmad, I., Tahir shah, M. Rehman, S. Khaliq, A. 2009. Use of constructed wetland for the removal of heavy metals from industrial wastewater, Journal of Environmental Management 90: 3451–3457.
- Sträter, E., Westbeld, A., Klemm, O., 2010. Pollution in coastal fog at Alto Patache, Northern Chile, Environmental Science and Pollution Research, 17(9): 1563-1573.
- Arruti, A., Fernández-Olmo, I., Irabien, Á., 2010. Evaluation of the contribution of local sources to trace metals levels in urban PM2. 5 and PM10 in the Cantabria region (Northern Spain), Journal of Environmental Monitoring, 12(7): 1451-1458.
- Zhang, M., Xie, X., Tang, M., Criddle, C., Cui, Y., Wang, S., 2013. Magnetically ultraresponsive nanoscavengers for next-generation water purification systems, Nature Communications, 4: 1-13.
- Barakat, M.A., 2011. New trends in removing heavy metals from industrial wastewater, Arabian Journal of Chemistry, 4(4): 361-377.
- Beyersmann, D. Hartwig, A. 2008. Carcinogenic metal compounds: recent insight into molecular and cellular mechanisms, Archives of Toxicology, 82(8): 493-512.
- Kunhikrishnan, A., Bolan, N.S., Müller, K., Laurenson, S., Naidu, R., Kim, W., 2012. The influence of wastewater irrigation on the transformation and bioavailability of heavy metal (loid) s in soil, Advances in Agronomy, 115: 216-273.
- Wang, F.Y., Wang, H., Ma, J. W., 2010. Adsorption of cadmium (II) ions from aqueous solution by a new low-cost adsorbent—Bamboo charcoal, Journal of Hazardous Materials, 177(1): 300-306.
- Park, S., Ruoff, R.S., 2009. Chemical methods for the production of graphenes, Nature Nanotechnology, 4(4): 217-224.
- Liu, Y., Meng, X., Luo, M., Meng, M., Ni, L., Qiu, J., Hu, Z., Liu, F., Zhong, G., Liu, Z., 2015. Synthesis of hydrophilic surface ion-imprinted polymer based on graphene oxide for removal of strontium from aqueous solution, Journal of Materials Chemistry A, 3(3): 1287-1297.
- Zhu, Y., Murali, S., Cai, W., Li, X., Suk, J.W., Potts, J.R., Ruoff, R.S., 2010. Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Advanced Materials, 22(35): 3906-3924.
- Hu, L., Yang, Z., Cui, L., Li, Y., Ngo, H.H., Wang, Y., Wei, Q., Ma, H., Yan, L., Du, B., 2016. Fabrication of hyperbranched polyamine functionalized graphene for high-efficiency removal of Pb (II) and methylene blue, Chemical Engineering Journal, 287: 545-556.
- Ma, X., Tao, H., Yang, K., Feng, L., Cheng, L., Shi, X., Li, Y., Guo, L., Liu, Z., 2012. A functionalized graphene oxide-iron oxide nanocomposite for magnetically targeted drug delivery, photothermal therapy, and magnetic resonance imaging, Nano Research, 5(3): 199-212.
- Wang, C., Feng, C., Gao, Y., Ma, X., Wu, Q., Wang, Z., 2011. Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution, Chemical Engineering Journal, 173(1): 92-97.
- Kazemi, E. Dadfarnia, S. Shabani, A. 2015. Dispersive solid phase microextraction with magnetic graphene oxide as the sorbent for separation and preconcentration of ultra-trace amounts of gold ions, Talanta, 141: 273-278.
_||_
- Khan, S. Ahmad, I., Tahir shah, M. Rehman, S. Khaliq, A. 2009. Use of constructed wetland for the removal of heavy metals from industrial wastewater, Journal of Environmental Management 90: 3451–3457.
- Sträter, E., Westbeld, A., Klemm, O., 2010. Pollution in coastal fog at Alto Patache, Northern Chile, Environmental Science and Pollution Research, 17(9): 1563-1573.
- Arruti, A., Fernández-Olmo, I., Irabien, Á., 2010. Evaluation of the contribution of local sources to trace metals levels in urban PM2. 5 and PM10 in the Cantabria region (Northern Spain), Journal of Environmental Monitoring, 12(7): 1451-1458.
- Zhang, M., Xie, X., Tang, M., Criddle, C., Cui, Y., Wang, S., 2013. Magnetically ultraresponsive nanoscavengers for next-generation water purification systems, Nature Communications, 4: 1-13.
- Barakat, M.A., 2011. New trends in removing heavy metals from industrial wastewater, Arabian Journal of Chemistry, 4(4): 361-377.
- Beyersmann, D. Hartwig, A. 2008. Carcinogenic metal compounds: recent insight into molecular and cellular mechanisms, Archives of Toxicology, 82(8): 493-512.
- Kunhikrishnan, A., Bolan, N.S., Müller, K., Laurenson, S., Naidu, R., Kim, W., 2012. The influence of wastewater irrigation on the transformation and bioavailability of heavy metal (loid) s in soil, Advances in Agronomy, 115: 216-273.
- Wang, F.Y., Wang, H., Ma, J. W., 2010. Adsorption of cadmium (II) ions from aqueous solution by a new low-cost adsorbent—Bamboo charcoal, Journal of Hazardous Materials, 177(1): 300-306.
- Park, S., Ruoff, R.S., 2009. Chemical methods for the production of graphenes, Nature Nanotechnology, 4(4): 217-224.
- Liu, Y., Meng, X., Luo, M., Meng, M., Ni, L., Qiu, J., Hu, Z., Liu, F., Zhong, G., Liu, Z., 2015. Synthesis of hydrophilic surface ion-imprinted polymer based on graphene oxide for removal of strontium from aqueous solution, Journal of Materials Chemistry A, 3(3): 1287-1297.
- Zhu, Y., Murali, S., Cai, W., Li, X., Suk, J.W., Potts, J.R., Ruoff, R.S., 2010. Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Advanced Materials, 22(35): 3906-3924.
- Hu, L., Yang, Z., Cui, L., Li, Y., Ngo, H.H., Wang, Y., Wei, Q., Ma, H., Yan, L., Du, B., 2016. Fabrication of hyperbranched polyamine functionalized graphene for high-efficiency removal of Pb (II) and methylene blue, Chemical Engineering Journal, 287: 545-556.
- Ma, X., Tao, H., Yang, K., Feng, L., Cheng, L., Shi, X., Li, Y., Guo, L., Liu, Z., 2012. A functionalized graphene oxide-iron oxide nanocomposite for magnetically targeted drug delivery, photothermal therapy, and magnetic resonance imaging, Nano Research, 5(3): 199-212.
- Wang, C., Feng, C., Gao, Y., Ma, X., Wu, Q., Wang, Z., 2011. Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution, Chemical Engineering Journal, 173(1): 92-97.
- Kazemi, E. Dadfarnia, S. Shabani, A. 2015. Dispersive solid phase microextraction with magnetic graphene oxide as the sorbent for separation and preconcentration of ultra-trace amounts of gold ions, Talanta, 141: 273-278.