عنوان

سنتز و ارزیابی خواص هیدروژل¬های نانو¬کامپوزیتی بر پایه پليمر زیستی حاوی کوپلیمرهای آکریلیک اسید و ایتاکونیک اسید برای حذف مواد رنگزای پساب

پ۲۶۷۹۶

per

سنتز و ارزیابی خواص هیدروژل¬های نانو¬کامپوزیتی بر پایه پليمر زیستی حاوی کوپلیمرهای آکریلیک اسید و ایتاکونیک اسید برای حذف مواد رنگزای پساب

پریسا محمدزاده پاکدل

مهندسی شیمی و نفت

۱۴۰۱

۱۴۸ص.

سی دی

دکتری

مهندسی شیمی

۱۴۰۱/۰۳/۰۴

چکيدهامروزه استفاده از پلیمر¬های زیستی به دلیل زیست سازگاری، زیست تخریب¬پذیری و ارزان بودن توجه بسیاری از محققان را به منظور سنتز هیدروژل¬ها جذب کرده است. برای بهبود تورم، جذب و خواص مکانیکی هیدروژل¬ها بر پایه پلیمر¬های زیستی از مونومر¬های سنتزی و نانوذرات استفاده می¬گردد. حضور مواد رنگزا در پساب کارخانجات صنعتی از مشکلات زیست محیطی بسیاری از جوامع می¬باشد که سلامت انسان و موجودات آبزی را به خطر انداخته است. بنابراین روش¬های مختلفی از جمله جذب سطحی برای حذف این مواد از پساب¬ها به کار برده شده است. در این پژوهش به منظور حذف رنگزا¬های کاتیونی سافرانین و فوشین، هیدروژل¬های کربوکسی متیل سلولز پیوندی با کوپلیمر آکریلیک اسید و ایتاکونیک اسید به روش پلیمریزاسیون رادیکال آزاد سنتز شدند. جاذب¬های سنتز شده توسط آنالیز¬های FTIR،XRD ، TGA،SEM-EDS mapping، Raman spectroscopy و BET شناسایی شدند. نسبت مولی مونومر ایتاکونیک اسید به آکریلیک اسید بر مبنای تورم و حذف رنگزا¬ها بهینه گردید و مقدار آن mol/mol ۰۹۲/۰ بدست آمد. به منظور بهبود تورم و حذف رنگزای سافرانین، نانوذرات مونتموریلونیت و حذف رنگزای فوشین، نانوذرات دوده کربنی به ساختار هیدروژل بهینه در درصد¬های وزنی مختلف اضافه گردید و مقدار بهینه¬ آنها ۵ درصد وزنی بدست آمد. مساحت سطح ویژه نانوذرات مونتموریلونیت، دوده کربنی، هیدروژل کوپلیمری و هیدروژل¬های نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات مونتموریلونیت و دوده کربنی به ترتیب ۶۳۲/۱۵، ۲۷۱/۷۳، ۶۱۴۵۲/۰، ۶۶۵۸۴/۰ و m2/g ۸۸۹۶۱/۰ محاسبه شد، که بهبود مساحت سطح ویژه هیدروژل کوپلیمری را با افزودن نانوذرات نشان داد. مقدار تورم تعادلی برای هیدروژل¬های کوپلیمری و نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات مونتموریلونیت و دوده کربنی به ترتیب ۴۳/۲۵۴، ۱۸/۳۲۰ و g/g ۸/۲۹۵ بدست آمد. راندمان حذف سافرانین توسط هیدروژل نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات مونتموریلونیت با استفاده از روش پاسخ در شرایط بهینه¬ی ۸= pH، دوز جاذب g/L ۲، غلظت اولیه mg/L ۱۰ و زمان تماس min ۴۰، مقدار ۷۸/۹۹ درصد بدست آمد. همچنین راندمان حذف فوشین توسط هیدروژل¬های کوپلیمری و نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات دوده کربنی به ترتیب در شرایط بهینه¬ی ۷= pH، دوز جاذب g/L ۱، غلظت اولیه mg/L ۱۰ و زمان تماس min ۶۰، مقادیر ۵۴/۹۳ و ۷۶/۹۸ درصد بدست آمد. برازش داده¬های تعادلی و سینتیکی جذب رنگزاهای سافرانین و فوشین، تطابق آنها را به ترتیب با مدل¬های لانگمویر و شبه¬درجه دوم را نشان داد. بیشترین مقدار ظرفیت جذب برای جذب سافرانین برای هیدروژل کوپلیمری mg/g ۵۱۸۵/۱۸ و برای هیدروژل نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات مونتموریلونیت mg/g ۱۲۰۵/۱۹ با استفاده از مدل لانگمویر بدست آمد. همچنین بیشترین مقدار ظرفیت جذب برای جذب فوشین برای هیدروژل کوپلیمری mg/g ۱۵۳/۳۱ و برای هیدروژل نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات دوده کربنی mg/g ۴۸۳/۳۴ توسط مدل لانگمویر بدست آمد. بررسی نتایج ترمودینامیکی نشان داد که فرآیند جذب رنگزا¬های سافرانین و فوشین توسط جاذب¬های سنتز شده خودبه¬خود و گرمازا بوده و با کاهش آنتروپی همراه است. بررسی جذب و واجذب رنگزای سافرانین طی ده چرخه¬ متوالی نشان داد که راندمان حذف رنگزا توسط هیدروژل کوپلیمری طی دو چرخه بیشتر از ۹۴ درصد و برای هیدروژل نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات مونتموریلونیت طی شش چرخه بیشتر از ۹۷ درصد بوده است. به منظور بررسی عملکرد صنعتی جاذب¬های سنتز شده از پساب کارخانه نساجی استفاده گردید. نتایج بدست آمده نشان داد که هیدروژل¬های کوپلیمری و نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات مونتموریلونیت به ترتیب توانایی حذف ۵۲/۷۸ و ۱۳/۸۲ درصد رنگزا از پساب را داشتند. بررسی نتایج آنالیز FTIR هیدروژل¬های کوپلیمری و نانوکامپوزیتی قبل و بعد از جذب رنگزا¬ها نشان داد که برهمکنش الکترواستاتیکی، پیوند هیدروژنی و برهمکنش¬های лл- مکانیسم¬های اصلی جذب رنگزا¬ها می¬باشند. در نهایت با توجه به نتایج بدست آمده می¬توان نتیجه گرفت که نمونه¬های سنتز شده می¬توانند به عنوان جاذب-های کارآمد و بالقوه برای حذف رنگزا¬های کاتیونی از پساب به کار برده شوند.

Abstract Nowadays, the use of biopolymers has attracted the attention of many researchers to synthesize hydrogels due to biocompatibility, biodegradability, and low cost. Synthetic monomers and nanoparticles are used to improve the swelling, adsorption, and mechanical properties of biopolymer-based hydrogels. The presence of dyes in the effluents of industrial plants is one of the environmental problems of many communities that has endangered the health of humans and aquatic organisms. Therefore, various methods such as adsorption have been used to remove these materials from the effluents. In this study, acrylic acid and itaconic acid copolymer bonded carboxymethyl cellulose hydrogels were synthesized by a free radical polymerization method to remove safranin and fuchsin cationic dyes. Synthesized adsorbents were characterized by FTIR, XRD, TGA, SEM-EDS mapping, Raman spectroscopy, and BET analyses. The molar ratio of itaconic acid to acrylic acid monomers was optimized based on swelling and removal of dyes and its value was obtained at 0.092 mol/mol. To improve swelling and removal of safranin dye, montmorillonite nanoparticles, and removal of fuchsin dye, carbon black nanoparticles were incorporated into the optimal hydrogel structure in different weight percentages and their optimal amount was obtained at 5 wt%. The surface area of montmorillonite, carbon black, copolymer hydrogel, and nanocomposite hydrogels containing montmorillonite and carbon black nanoparticles was computed to be 15.632, 73.271, 0.61452, 0.66584, and 0.88961 m2/g, respectively, showing the effectiveness of nanoparticles in improving the surface area of copolymer hydrogel. Equilibrium swelling values for copolymer and nanocomposite hydrogels containing montmorillonite and carbon black nanoparticles were determined 254.43, 320.18, and 295.8 g/g, respectively. Safranin removal efficiency by nanocomposite hydrogel containing montmorillonite nanoparticles was obtained at 99.78% under optimal conditions of pH=8, adsorbent dose 2 g/L, initial concentration 10 mg/L, and contact time 40 min using the response surface method. Also, the removal efficiency of fuchsin by copolymer hydrogel and nanocomposite hydrogel containing carbon black nanoparticles under optimal conditions of pH=7, adsorbent dose 1 g/L, initial concentration 10 mg/L, and contact time 60 min was obtained at 93.54 and 98.76%, respectively. Regression of kinetic and equilibrium data of safranin and fuchsin adsorption showed good agreement with pseudo second order and Langmuir models, respectively. The miximum adsorption capacity for safranin adsorption was obtained 18.5185 mg/g for copolymer hydrogel and 19.205 mg/g for nanocomposite hydrogel containing montmorillonite nanoparticles using Langmuir model. Also, the maximum adsorption capacity for fuchsin adsorption was obtained at 31.153 mg/g for copolymer hydrogel and 34.483 mg/g for nanocomposite hydrogel containing carbon black nanoparticles using Langmuir model. The study of thermodynamic results showed that the process of adsorption of safranin and fuchsin dyes by synthesized adsorbents was spontaneous, exothermic and entropy decreasing. The adsorption and desorption of safranin dye during ten consecutive cycles showed that the removal efficiency was more than 94% for copolymer hydrogel in two cycles and more than 97% for nanocomposite hydrogel containing montmorillonite nanoparticles in six cycles. To evaluate the industrial performance of the synthesized adsorbents, the effluent of the textile factory was used. The results showed that copolymer hydrogel and nanocomposite hydrogel containing montmorillonite nanoparticles were able to remove 78.52% and 82.13% of the dye from the effluent, respectively. Investigation of FTIR analysis results of copolymer and nanocomposite hydrogels before and after dyes adsorption showed that electrostatic interaction, hydrogen bonding, and л-л interactions are the main mechanisms of dye adsorption. Finally, according to the obtained results, it can be concluded that the synthesized samples can be used as efficient and potential adsorbents for the removal of cationic dyes from the effluent.

Synthesis and evaluation of the biopolymer-based nanocomposite hydrogels including acrylic acid and itaconic acid copolymers to remove dyes from wastewater

محمدزاده پاکدل،

پریسا

تهيه کننده

پیغمبر دوست،

ارسلانی،

اقدسی نیا

سید جمال الدین

ناصر

حسن

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

‏ تبریز