دانشگاه آزاد اسلامی
واحد شاهرود
گروه مهندسی شیمی-پلیمر
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد”M.Sc.”
عنوان:
تهیه نانولوله کربنی چند دیواره پوشش داده‌شده با پلی آنیلین به‌عنوان جاذب جهت حذف سریع رنگزای آبی مستقیم 199 از پساب‌های صنعتی
استاد راهنما:
دکتر علی شکوهی راد
استاد مشاور:
دکتر علی میرابی
مهر 1393
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده………………………………………………………………………………………………1
فصل اول: کلیات تحقیق
- مقدمه……………………………………………………………………………………3
- بیان مسئله……………………………………………………………………………….4
- سوابق مربوطه……………………………………………………………………………….4
- فرضیه‌ها…………………………………………………………………………………5
- اهداف تحقیق………………………………………………………………………………………5
- جنبه نوآوری تحقیق……………………………………………………………5
فصل دوم: ادبیات و پیشینه تحقیق
- تعریف اصطلاحات متغیرها…………………………………………………..7
2-1-1- مقدمه ای بر آلاینده های آب……………………………………………………..7
2-1-2- رنگ…………………………………………………………………………………..7
2-1-2-1- رنگزا، رنگینه و رنگدانه……………………………………………………………9
2-1-2-2- طبقه‌بندی مواد رنگزا……………………………………………………………..10
2-1-2-2-1- طبقه‌بندی مواد رنگزا طبق ساختار شیمیایی………………………………..10
2-1-2-2-1-1- مواد رنگزای آزو…………………………………………………..10
2-1-2-2-1-2- مواد رنگزای آنتراکینون…………………………………………11
2-1-2-2-1-3- مواد رنگزای ایندیگوئید……………………………………….11
2-1-2-2-2- طبقه‌بندی مواد رنگزا برحسب کاربرد………………………………12
2-1-2-2-2-1- مواد رنگزای گروه اول…………………………………………..12
2-1-2-2-2-1-1- مواد رنگزای اسیدی……………………………………………..12
2-1-2-2-2-1-2- مواد رنگزای مستقیم……………………………………………………13
2-1-2-2-2-1-2-1- رنگزای آبی مستقیم 199…………………………………………….14
2-1-2-2-2-1-3- مواد رنگزای بازیک……………………………………………….14
2-1-2-2-2-1-4- مواد رنگرزی دیسپرس…………………………………………..15
2-1-2-2-2-2- مواد رنگزای گروه دوم………………………………………………….16
2-1-2-2-2-2-1- مواد رنگزای گوگردی……………………………………………16
2-1-2-2-2-2-2- مواد رنگزای خمی…………………………………………16
2-1-2-2-2-2-3- مواد رنگزای آزوئیک………………………………………..17
2-1-2-2-2-2-4- مواد رنگزای اینگرین…………………………………………..17
2-1-2-2-2-2-5- مواد رنگزای اکسیداسیون………………………………………..17
2-1-2-2-2-2-6- مواد رنگزای راکتیو……………………………………………….18
2-1-2-2-2-2-7- مواد رنگزای کرومی (مواد رنگزای دندانه‌ای)……………………..18
2-1-2-2-2-2-8- پیگمنت ها……………………………………………………….19
2-1-3- انواع روشهای حذف مواد از آب………………………………….20
2-1-3-1- روش شیمیایی…………………………………………………………..20
2-1-3-2- روش فیزیکی……………………………………………………………………..21
2-1-3-3- روش بیولوژیکی…………………………………………………………21
2-1-3-4- انواع روشهای حذف رنگ از پساب………………………………………..21
2-1-3-4-1- روش بیولوژیکی…………………………………………………………………21
2-1-3-4-2- روشهای شیمیایی…………………………………………………….22
2-1-3-4-2-1- روش الکتروشیمیایی…………………………………………………22
2-1-3-4-2-2- روش انعقاد و لخته سازی……………………………………………..22
2-1-3-4-2-3- روش اکسیداسیون…………………………………………………..22
2-1-3-4-2-3-1- اکسیداسیون با ازن……………………………………………………22
2-1-3-4-2-3-2- استفاده از فرآیندهای فوتولیز و التراسونولیز…………………22
2-1-3-4-2-3-3- اکسیداسیون با فرآیندهای فوتوفنتون………………………………..23
2-1-3-4-2-4- روش تصفیه الکتروکواگولاسیون…………………………………23
2-1-3-4-3- روشهای فیزیکی………………………………………………………..23
2-1-3-4-3-1- جذب سطحی…………………………………………………………..23
2-1-3-4-3-2- تئوری جذب سطحی………………………………………………….24
2-1-3-4-3-3- عوامل مؤثر برجذب سطحی………………………………………………..24
2-1-3-4-3-3-1- اختلاط………………………………………………………………..24
2-1-3-4-3-3-2- خواص و نوع جاذب……………………………………………….24
2-1-3-4-3-3-3- اندازه ذرات جذب‌شونده…………………………………………..25
2-1-3-4-3-3-4- PH ………………………………………………………………………25
2-1-3-4-3-3-5- وزن مولکولی…………………………………………………………25
2-1-3-4-3-3-6- دما…………………………………………………………….25
2-1-3-4-3-3-7- نیروهای کنترل‌کننده جذب سطحی………………………………26
2-1-3-4-3-4- حذف رنگ با استفاده از کربن فعال………………………………….27
2-1-3-4-3-5- حذف رنگ توسط جاذب کیتوسان…………………………….27
2-1-4-نانو جاذب……………………………………………………………….27
2-1-4-1- ویژگی یک جاذب مطلوب………………………………………………….28
2-1-5-کامپوزیت……………………………………………………………………..28
2-1-6-نانوکامپوزیت…………………………………………………………..28
2-1-6-1- طبقه‌بندی نانو کامپوزیت‌ها………………………………………..28
2-1-6-1-1- نانو کامپوزیت‌های پایه پلیمری…………………………………..29
2-1-6-1-2- نانو کامپوزیت‌های پایه سرامیکی………………………………………………29
2-1-6-1-3- نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی…………………………………………..30
- نانولوله‌های کربنی………………………………………………………………….30
2-1-7-1- انواع نانولوله های کربنی…………………………………………………..33
2-1-7-1-1- نانولوله کربنی تک جداره………………………………………………….33
2-1-7-1-2- نانولوله کربنی چند جداره………………………………………………35
2-1-7-1-3- فولرایت……………………………………………………..36
2-1-7-1-4- متخلخل یا حلقه‌ای (Nano Torus)……………………………36
2-1-7-1-5- ساختارهای غیر ایده آل…………………………………………36
2-1-7-2- خواص نانولوله‌ها…………………………………….37
2-1-7-2-1- واکنش‌پذیری شیمیایی……………………………………………………………37
2-1-7-2-2- استحکام ومقاومت…………………………………………………………….37
2-1-7-2-3- خواص حرکتی……………………………………………………….39
2-1-7-2-4- خواص الکتریکی…………………………………………………………39
2-1-7-2-5- خواص حرارتی………………………………………………………………….40
2-1-7-2-6- تأثیر نقایص بر خواص……………………………………………………………..40
2-1-7-2-7- رفتار الاستیکی نانولوله………………………………………………………………41
2-1-7-3- روشهای ساخت…………………………………………………………………………..42
2-1-7-3-1- مکانیزم رشد………………………………………………………………43
2-1-7-3-2- روش قوس الکتریکی………………………………………………….44
2-1-7-3-3- تبخیر لیزری…………………………………………………………………45
2-1-7-3-4- رسوب بخار شیمیایی(CVD)………………………………………….46
2-1-7-3-5- سایش از طریق آسیاب گلوله‌ای…………………………………..48
2-1-7-4- خالص‌سازی نانولوله های کربنی…………………………………………..49
2-1-8- پلی آنیلین…………………………………………………………………………….51
2-1-8-1- معایب پلی آنیلین………………………………………………………..52
2-1-8-2- تحقیقات انجام‌شده با کامپوزیت‌های بر پایه پلی آنیلین………………………52
2-1-8-3- مقایسه پذیری روش‌ها……………………………………………….52
فصل سوم: روش تحقیق
3-1- خلاصه……………………………………………………………………………..54
3-2- مواد موردنیاز و تهیه محلول‌ها…………………………………………………. 54
3-2-1- مواد موردنیاز……………………………………………………………………54
3-2-2- تهیه محلول‌ها…………………………………………………………………..55
3-2-2-1- سدیم هیدروکسید 1 مولار (جهت تنظیم PH)…………………………………55
3-2-2-2- هیدروکلریک اسید 1 مولار (جهت تنظیم PH)……………………………………….55
3-2-2-3- تهیه 100 میلی‌لیتر محلول سولفوریک اسید 1 مولار……………………………….56
3-3- ابزارها ودستگاه ها………………………………………………………56
-4- روش کار……………………………………………………………………………………….56
3-4-1- تهیه نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT ……………………………………………57
3-4-2- تهیه محلول استاندارد رنگزای آبی مستقیم 199………………………………….57
3-4-3- تعیین طول‌موج ماکزیمم…………………………………………………………………….57
3-4-4- مرحله جذب سطحی………………………………………………………….57
3-4-5- شناسایی و تأیید نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT …………………………58
3-4-5-1- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………………………58
3-4-5-2- طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)……………………………..58
3-5- بهینه‌سازی پارامترهای مختلف مؤثر بر حذف رنگ…………………………..59
3-5-1- بررسی اثر PH…………………………………………………………….59
3-5-2- بررسی مقدار بهینه نانو جاذب……………………………………………………..59
3-5-3- بررسی اثر زمان تماس در دماهای مختلف…………………………………………….60
3-5-4- بررسی اثر غلظت در دماهای مختلف…………………………………………..60
3-6- تعیین منحنی کالیبراسیون……………………………………………………61
3-7- ایزوترم جذب………………………………………………………………………….61
3-8- سینتیک جذب……………………………………………………………….62
3-9- ترمودینامیک………………………………………………………….62
فصل چهارم: تجزیه‌وتحلیل داده‌ها
4-1- نتایج حاصل از بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر حذف رنگزای آبی مستقیم 199 توسط نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT..64
4-1-1- بررسی اثر PH…………………………………………………………………64
4-1-2- بررسی مقدار نانو جاذب……………………………………………………….64
4-1-3- بررسی اثر زمان تماس در دماهای مختلف…………………………………….65
4-1-4- بررسی اثر غلظت در زمان‌های مختلف…………………………………..66
4-2- منحنی کالیبراسیون………………………………………………………………..68
4-3- داده‌های مربوط به‌رسم منحنی ایزوترم جذب رنگزای آبی مستقیم 199……………….69
4-4- داده‌های مربوط به‌رسم منحنی سینتیک جذب………………………………….69
4-5- داده‌های مربوط به‌رسم منحنی ترمودینامیکی………………………………70
فصل پنجم: بحث، نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌هات
5-1- بررسی مورفولوژی سطح MWCNT………………………………..72
5-2- طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) …………………………72
5-3- بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر حذف رنگزای آبی مستقیم 199………………………..73
5-3-1- تعیین PH بهینه………………………………………………………………………..73
5-3-2- تأثیر مقدار نانو جاذب……………………………………………….74
5-3-3- تأثیر زمان تماس بر حذف رنگزا………………………………………………..75
5-4- رسم منحنی کالیبراسیون و تعیین محدوده خطی……………………………….76
5-5- ایزوترم های جذب………………………………………………………………76
5-5-1- ایزوترم جذب لانگمویر………………………………………………………..76
5-5-1-1- روش اول: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199 …………78
5-5-1-2- روش دوم: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199………….79
5-5-1-3- روش سوم: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199…………80
5-5-1-4- روش چهارم: بررسی ایزوترم جذب لانگمویر جهت حذف رنگزای آبی مستقیم 199………81
5-5-2- ایزوترم جذب فرندلیش………………………………………………………..82
5-6- سینتیک جذب
5-7- بررسی ترمودینامیکی…………………………………………………………….86
5-8- بحث و نتیجه‌گیری………………………………………………………………….88
5-9- پیشنهادات…………………………………………………………………….88
منابع و مأخذ…………………………………………………………………90
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- رابطه بین رنگ جذب‌شده و رنگی که دیده می‌شود…………………………..8
جدول 3-1 مشخصات MWCNT ……………………………………………….54
جدول 3-2 مشخصات رنگزای آبی مستقیم 199 ……………………………………….55
جدول 4-1 نتـایج حاصـل از بررسـی اثـر PH بر حذف رنگــزا برای نانو کامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………….64
جدول 4-2 نتایج حاصل از بررسی اثر مقدار نانو جاذب پلی آنیلین/ MWCNT در حذف رنگزا………65
جدول4-3 نتایج حاصل از بررسی اثر زمان تماس نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº25………………………………………………….65
جدول 4-4 نتایج حاصل از بررسی اثر زمان تماس نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº35………………………………………………………………………………………66
جدول 4-5 نتایج حاصل از بررسی اثر زمان تماس نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº45…………………………………………………………………………………………..66
جدول 4-6 نتایج حاصل از بررسی اثر غلظت در زمان 90 دقیقه، PH=5 و مقدار جاذب 1/0 گرم برای نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº25 …………………………….67
جدول 4-7 نتایج حاصل از بررسی اثر غلظت در زمان 90 دقیقه، PH=5 و مقدار جاذب 1/0 گرم برای نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº35 ………………………………….67
جدول 4-8 نتایج حاصل از بررسی اثر غلظت در زمان 90 دقیقه، PH=5 و مقدار جاذب 1/0 گرم برای نانوجاذب پلی آنیلین/MWCNT در دمای cº45 ……………………………..68
جدول 4-9 نتایج حاصل از بررسی گستره خطی مربوط به رنگزای آبی مستقیم 199 ………………………..68
جدول 4-10 نتایج به‌دست‌آمده جهت رسم منحنی ایزوترم رنگزای آبی مستقیم 199 ……………………….69
جدول 4-11 نتایج به‌دست‌آمده برای رسم منحنی سینتیک جذب رنگزای آبی مستقیم 199 ……………….69
جدول 4-12 نتایج به‌دست‌آمده برای رسم منحنی ترمودینامیکی رنگزای آبی مستقیم 199 …………………70
جدول 5-1 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-2 ……………………….78
جدول 5-2 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-3 ……………79
جدول 5-3 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-4 …………….80
جدول 5-4 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT با استفاده از رابطه 5-5 ………………………….81
جدول 5-5 پارامترهای مختلف ایزوترم جذب فرندلیش برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT ……………………………………………………83
جدول 5-6 مقادیر پارامترهای سینیتیکی جذب رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT بر اساس مدل شبه درجه اول و شبه درجه دوم………………………………………………….84
جدول 5-7 مقادیر پارامترهای مختلف ترمودینامیکی جهت جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT …………………………………..87
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 5-1 تأثیر PH برجذب رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………………………………….73
نمودار 5-2 تأثیر مقدار جاذب بر روی حذف ماده رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………………………..74
نمودار 5-3 نمودار تأثیر زمان تماس بر میزان حذف ماده رنگزای آبی مستقیم 199 با استفاده از نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT………………………………………………75
نمودار 5-4 نمودار منحنی کالیبراسیون رنگزای آبی مستقیم 199……………………………………………………..76
نمودار 5-5 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………………………………………….78
نمودار 5-6 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………………………………….79
نمودار 5-7 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT………………………………………………………………………80
نمودار 5-8 ایزوترم جذب لانگمویر برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………………………………………….81
نمودار 5-9 ایزوترم جذب فرندلیش برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT ………………………………………………………………….83
نمودار 5-10 منحنی سینتیکی جذب بر اساس مدل شبه درجه اول برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………85
نمودار 5-11 منحنی سینتیکی جذب بر اساس مدل شبه درجه دوم برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT……………………………………………85
نمودار 5-12 منحنی ترمودینامیکی برای جذب رنگزای آبی مستقیم 199 بر روی نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT…………………………………………..87
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 ساختار کلی یک ماده رنگزای آزو ………………………………10
شکل 2-2 ساختار آنتراکینون ……………………………………………………………..11
شکل 2-3 ساختار کلی یک ماده رنگزای ایندیگو …………………………………12
شکل 2-4 ساختار شیمیایی دو رنگدانه اسیدی ……………………………………………13
شکل 2-5 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Direct red 80 ………………………..14
شکل 2-6 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Basic blue 3 ……………………………..15
شکل 2-7 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Disperse blue 56 ……………………………….15
شکل 2-8 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Disperse red 1 ………………………………16
شکل 2-9 واکنش احیا و اکسیداسیون در رنگینه های خمی ………………………..17
شکل 2-10 ساختار شیمیایی رنگینه C.I. Reactive orange 16 …………………..18
شکل 2-11ساختار شیمیایی یک رنگینه کرومی ……………………………………..19
شکل 2-12 گرافیت ………………………………………………………………….31
شکل 2-13 الماس……………………………………………………………………31
شکل 2-14 لانسدیلایت…………………………………………………….31
شکل 2-15پدیده کنگره‌ای شدن (تبدیل ساختارهای پنج‌ضلعی و هفت‌ضلعی) تحت بارهای محوری…..35
شکل 2-16 سطح مقطع دسته نانولوله‌ها……………………………………………35
شکل 2-17 تولید ناخواسته اتصالات T شکل، Y شکل و یک چهارراهی………………37
شکل 2-18 درپوش نانولوله در زوایای مختلف…………………………………….38
شکل 2-19 واکنش نانولوله تک جداره تحت انواع بارمحوری فشاری………………….39
شکل 2-20 یک ترانزیستور نانولوله‌ای……………………………………………40
شکل 2-21 نمای شماتیک از روش تخلیه قوس الکتریکی…………………….45
شکل 2-22 مکانیسم تشکیل نانولوله کربنی……………………………………………….46
شکل 2-23 تبخیر لیزری یک هدف گرافیتی……………………………………………48
شکل 2-24 ساختار پلی آنیلین ………………………………………………………………51
شکل 3-1 ساختار شیمیایی رنگزای مستقیم آبی 199 ……………………………………..55
شکل 3-2 میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ………………………………….58
شکل 3-3 طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) ………………………………58
شکل 5-1- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از MWCNT………….72
شکل 5-2 طیف FT-IR برای پلی آنیلین ……………………………………….72
چکیده
در این مطالعه، کاربرد نانولوله کربنی پوشش داده‌شده با پلی آنیلین برای حذف سریع رنگزای آبی مستقیم 199 از محلول‌های آبی موردمطالعه قرار گرفت. تأثیر متغیرهای مؤثر بر فرآیند رنگ‌بری نظیر مقدار جاذب، غلظت رنگزا، PH محلول و زمان تماس بررسی شد.
نانولوله کربنی تهیه و نشاندن پلیمر آنیلین بر روی آن توسط تکنیک‌های SEM و FT-IR تأیید شدند. ایزوترم حالت تعادل با مدل‌های جذب لانگمویر و فرندلیش بررسی گردید. نتایج نشان داد که رنگزای آبی مستقیم 199 از ایزوترم لانگمویر تبعیت می‌کند. مدل شبه مرتبه اول و دوم برای بررسی سینتیک داده‌ها استفاده شد. فرآیند جذب رنگزای آبی مستقیم 199 از معادله سینتیکی شبه مرتبه دوم تبعیت می‌کند که نشان می‌دهد فرآیند بوسیله جذب فیزیکی قابل‌کنترل است. در این تحقیق مشخص شد که واکنش خود به خودی است. نتایج نشان می‌دهد که نانوکامپوزیت پلی آنیلین/MWCNT می‌تواند به‌عنوان یک جاذب کارآمد برای حذف رنگزای آبی مستقیم 199 از محلول‌های آبی مورداستفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت، MWCNT، پلی آنیلین، رنگزای آبی مستقیم 199، جذب سطحی، ایزوترم جذب
برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.
