1-11-4- خواص مکانیکی30
1-11-5- چگالی31
1-11-6- حلالیت در آب31
1-12- روش های سنتز هیدروکسی آپاتیت33
1-13- تاریخچه ای از کاربرد های هیدروکسی آپاتیت35
1-14-کاربرد های هیدروکسی آپاتیت35
فصل دوم : مروری برمتون گذشته
2-1- فلزات سنگین و اثرات آن ها40
2-1-1-کبالت40
2-1-1-1-اثرات کبالت بر روی سلامتی انسان41
2-1-1-2-تاثیرات زیست محیطی کبالت43
2-1-2- روی45
2-1-2-1- اثرات روی بر روی سلامتی انسان46
2-1-2-2- اثرات روی بر روی محیط زیست47
2-2- ضرورت جداسازی فلزات سنگین از آب49
2-3- کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب49
2-4- روش های جداسازی فلزات سنگین52
2-4-1- رسوب دهی شیمیایی52
2-4-2- انعقاد و ته نشینی54
2-4-3- انعقاد الکترودی56
2-4-4- روش تبادل یون58
2-4-5- کاتالیزورهای نانوئی62
2-4-6- جذب بیولوژیکی63
2-4-7- روش های غشایی66
2-4-7-1- الکترودیالیز67
2-4-7-2- اسمز معکوس69
2-4-7-3- نانو فیلتراسیون70
2-4-7-4- اولترافیلتراسیون توسط پلیمر های دندریمر افزایشی72
2-4-8- شناور سازی74
2-4-9- جذب سطحی77
2-4-9-1- جذب توسط کربن فعال80
2-4-10- جداسازی مغناطیسی81
2-4-11- ترکیب جداسازی مغناطیسی با فرایند جذب سطحی با جاذب ?-Fe2O3@HAP85
2-5- مروری بر مطالعات گذشته89
2-5-1- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با نانو ذرات مغناطیسی89
2-5-2- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با هیدروکسی آپاتیت92
2-5-3- مطالعات انجام شده برای حذف فلزات سنگین با ?-Fe2O3@HAP 95
فصل سوم : مواد و روش ها
3-1- مواد98
3-2- تجهیزات دستگاهی99
3-3- روش کار99
3-3-1- سنتز جاذب99
3-3-2- تعیین ساختار نانو ذرات ?-Fe2O3@HAP سنتز شده101
3-3-3- تهیه ی محلول های نیترات روی و نیترات کبالت102
3-3-4- بهینه سازی و بررسی عوامل موثر بر جذب Zn2+ و Co2+ 102
3-3-5- بررسی میزان جذب کبالت (II) و روی (II) از محلول های آبی در شرایط بهینه104
3-3-6- آزمایش واجذبی105
3-3-7- بررسی میزان جذب Zn2+ و Co2+ موجود در پساب با جاذب ?-Fe2O3@HAP 106
3-3-8- بررسی تخریب یا عدم تخریب نانو ذرات ?-Fe2O3@HAP پس از فرایند جذب106
فصل چهارم : نتایج
4-1- بررسی ساختار جاذب نانو ذرات ?-Fe2O3@HAP 108
4-1-1- SEM و TEM مربوط به ?-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب108
4-1-2- طیف FTIR مربوط به ?-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب109
4-1-3- طیف XRD مربوط به ?-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب110
4-2- نتایج تست انجام شده110

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

4-3- رسم منحنی استاندارد111
4-4- بهینه سازی فاکتور های موثر بر جذب توسط طراحی باکسن- بهکن112
4-5- بررسی درصد جذب و واجذبی Zn2+ و Co2+ در محلول ها122
4-6- بررسی درصد جذب Zn2+ و Co2+ موجود در پساب124
4-7- بررسی تخریب یا عدم تخریب جاذب نانو ذرات ?-Fe2O3@HAP پس از واجذبی124
4-7-1- طیف FTIR نانو جاذب ?-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب125
4-7-2- طیف XRD نانو جاذب ?-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب126
فصل پنجم: بحث و پیشنهادات
5-1- نتیجه گیری128
5-2- پیشنهادات129
منابع131
خلاصه ی انگلیسی162
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- خواص فیزیکی Fe3O4 و ?-Fe2O317
جدول 1-2- خواص فیزیکی هیدروکسی آپاتیت32
جدول 1-3- مقایسه ی روش های مختلف سنتز پودر هیدروکسی آپاتیت34
جدول 2-1- خواص عمومی و اتمی کبالت44
جدول 2-2- خواص فیزیکی کبالت44
جدول 2-3- خواص عمومی و اتمی روی48
جدول 2-4- خواص فیزیکی روی48
جدول 2-5- شرایط رسوب دهی فلزات سنگین در عملیات رسوب دهی شیمیایی53
جدول 3-1- آزمایشهای طراحی شده جهت بهینه سازی فاکتورها با نرم افزار باکس- بهکن 104

جدول 4-1- میزان و درصد جذب Co2+ موجود در محلول ppm 100 Co(NO3)2. 6 H2O 110
جدول4-2- میزان و درصد جذب Zn2+ موجود در محلول ppm 100 Zn(NO3)2. 6 H2O 111
جدول4-3- نتایج جذب آزمایشهای طراحی باکس- بهکن برای 3 فاکتور انتخابی 113
جدول 4-4- مقادیر بهینه pH،?-Fe2O3@HAP و زمان برای Zn2+و Co2+121
جدول 4-5- مقادیر جذب یون های Zn2+و‍‍ Co2+بعد از اعمال شرایط بهینه122
جدول 4-6- ترکیبات مورد استفاده و میزان و درصد جذب Zn2+ و Co2+ در فرایند واجذبی123
جدول 4-7- میزان جذب Zn2+ و Co2+ موجود در پساب قبل و بعد از انجام فرایند جذب124
فهرست اشکال
عنوانصفحه
شکل 1-1- نمونه ای از حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس14
شکل 1-2- نمونه ای از حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس14
شکل 1-3- تاثیر بلوکهای میدانی در ایجاد پسماند مغناطیسی14
شکل 1-4- ساختار کریستالی مگنتیت16
شکل 1-5- ساختار کریستالی مگهمیت17
شکل 1-6- مراحل سنتز Fe3O4 درون میکروارگانیسم22
شکل 1-7- ساختار کریستالی هیدروکسی آپاتیت29
شکل 2-1- نانوذرات اکسیدهای فلزی، نانو لوله های کربن دار، زئولیتها و دندریمرها50
شکل 2-2- دسته بندی انواع فیلتر ها67
شکل 2-3- نحوه ی عملکرد نانوفیلتراسیون71
شکل 2-4- بازیابی یون های فلزی از محلول های آبی توسط فیلتراسیون با پلیمر دندریمر73
شکل 4- 1- SEM مربوط به نانوذرات ?-Fe2O3@HAPن قبل از فرایند جذب108
شکل 4-2- TEM مربوط به نانوذرات ?-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب108
شکل 4-3- طیف FTIR ناذرات ?-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب109
شکل 4-4- طیف XRD مربوط به ?-Fe2O3@HAP قبل از فرایند جذب110
شکل 4-5- منحنی استاندارد جذب Co2+111
شکل 4- 6- منحنی استاندارد جذب Zn2+112
شکل 4-7- میزان تاثیر فاکتورهای مختلف موثر بر جذب Zn2+ و Co2+114
شکل 4-8- رابطه مقادیر مختلف PH و ?-Fe2O3@HAP و زمان با درصد جذب114
شکل 4-9- تغییرات مقدار PH و ?-Fe2O3@HAP با ثابت در نظر گرفتن زمان115
شکل 4-10- تغییرات مقدار میلی گرم ?-Fe2O3@HAP و زمان با ثابت در نظر گرفتن PH115
شکل 4-11- تغییرا مقدار PH و زمان با ثابت در نظر گرفتن مقدار میلی گرم ?-Fe2O3@HAP116
شکل 4-12- مقدار نسبی کاتیون Co2+ بر حسب PH118
شکل 4-13- مقدار نسبی کاتیون Zn2+ بر حسب PH119
شکل 4-14- طیف FTIR نانو جاذب ?-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب125
شکل 4-15- طیف XRD نانو جاذب ?-Fe2O3@HAP مربوط به فرایند واجذب126
خلاصه فارسی:
در این تحقیق ابتدا نانو ذرات ?-Fe2O3@HAPسنتز شده و با اطمینان از سنتز موفق این نانو ذرات با توجه به طیف های XRD، FTIR و تصاویر SEMو TEM آن ها، این نانو ذرات به عنوان جاذب برای جداسازی یون های فلزی Zn2+ و Co2+ از محلول های آبی حاویcc 20 کبالت (II) و روی (II)ppm 10 به کار برده شدند و برای اندازه گیری جذب این فلزات از اسپکترومتری جذب اتمی شعله استفاده شد. علاوه بر این به منظور دستیابی به بالاترین بازده جذب فلزات سنگین توسط نانوذرات ?-Fe2O3@HAP، اثر عوامل مختلف از جمله مقدار گرم نانوذرات ?-Fe2O3@HAP، زمان استخراج و pH بررسی و توسط طراحی های کمومتری بهینه سازی شد. شرایط بهینه عبارت بودند از: 10 pH=،g 015/0?-Fe2O3@HAP = و45Time = دقیقه که موارد گفته شده توسط نرم افزار 1/5Statgraphics با استفاده از طراحی باکس- بهکن بهینه سازی و سطوح بهینه این فاکتورها تعیین شد. در شرایط بهینه نزدیک به 100% کاتیونهای مذکور جذب نانوذرات شده و از محیط آبی حذف شدند. همچنین بر روی پساب حاویppm Zn2+ 3/22 وppm Co2+ 5 فرایند جذب با جاذب MNHAP را در شرایط بهینه انجام داده و به جذب 99% روی (II) و 96% کبالت (II) دست یافتیم. فرایند جذب سطحی Zn2+ و Co2+ بر روی جاذب MNHAP با مکانیسم های جاذبه ی الکترواستاتیک، تشکیل کمپلکس سطحی، تبادل یون صورت گرفته است. علاوه بر موارد بیان شده آزمایشات واجذبی را توسط 3 شوینده ی HNO3 یک نرمال، EDTA سه صدم مولار، CaNO3. 4H2Oیک دهم مولار بعد از اعمال فرایند جذب در شرایط بهینه انجام دادیم و به نتایج رضایت بخشی دست یافتیم . سپس به منظور بررسی تخریب یا عدم تخریب جاذب، طیفهای FTIR و XRD از جاذب گرفته شد و تفسیر طیفهای بدست آمده بیانگر عدم تخریب جاذب ?-Fe2O3@HAPبود.
کلید واژه : نانو ذرات مغناطیسی، جاذب های مغناطیسی قابل بازیافت، نانو ذرات مغناطیسی گاما اکسید آهن با پوشش هیدروکسی آپاتیت، فلزات سنگین، دستگاه اسپکترومتری جذب اتمی شعله
مقدمه
امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف خالص سازی آب، به آبی بهداشتی دسترسی ندارند. بر طبق آمارهای موجود و به نقل از سازمان جهانی بهداشت، حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی سالم و بهداشتی دسترسی نداشته و این میزان چیزی حدود یک ششم جمعیت کره زمین را در بر می گیرد.
فلزات سنگین به دلیل تجمع زیستی شان، عدم زیست تخریب پذیریشان، سمیتشان به عنوان تهدیدی جدی برای بشر محسوب می شوند. رشد صنعت و کاربرد فلزات سنگین در فرایند های صنعتی زیاد، منجر به افزایش غلظت فلزات سنگین در فاضلاب ها و محیط شده، بنابراین جداسازی و حذف آن ها از آب های آلوده، پساب ها و آب آشامیدنی بسیار ضروری می باشد.
روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آبهای صنعتی به کار میروند از جمله : رسوب دهی شیمیایی، انعقادو ته نشینی، انعقاد الکتریکی، کاربرد رزین های تبادل یون، فرایند های جداسازی غشایی (اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون، الکترو دیالیز)، جذب سطحی(جاذب های متداول اصولاً شامل کربن فعال، زئولیت، خاک رس، موادپلیمری و زیست توده می باشد.) وجداسازی مغناطیسی.
آنچه در این مبحث، بیش از بیش دنبال آن هستیم، ایجاد بستری مناسب، برای دستیابی به آبی سالم، با کیفیت و مقرون به صرفه است. به یمن استفاده از شیوه های جدید مخصوصاٌ نانوتکنولوژی در تصفیه آب، شرایط ذکر شده برای ما میسر گردیده است، بطوریکه با توجه به حذف موثر آلاینده ها و کاهش هزینه های تمام شده تولید آب سالم، استفاده از این فناوری ها، نسبت به روشهای قدیمی بیشتر مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. از میان تکنولوژی های متداول به منظور جداسازی یون های فلزی سنگین از محلول های آبی، برای برطرف کردن نواقص و کاستی های این روش ها، جاذب نانو ذرات مغناطیسی آهن پوشیده شده با هیدروکسی آپاتیت که در آن تکنولوژی جداسازی مغناطیسی با فرایند جذب سطحی ترکیب شده به کار رفته است.
هیدروکسی آپاتیت به دلیل ظرفیت جذب بالای فلزات سنگین، جذب سریع، حلالیت کم در آب، زیست- سازگاری، در دسترس بودن، سهولت تهیه، هزینه ی پایین و پایداری در مقابل ترکیبات اکسنده و کاهنده یک ماده ی ایده ال برای جداسازی فلزات سنگین می باشد.
تثبیت HAP بر سطح نانو ذرات مغناطیسی منجر به رفع مشکل برگشت ناپذیری، افزایش بازده فرایند جذب و بازیافت جاذب، جذب انتخاب پذیر و اختصاصی، بالا رفتن سرعت جذب، جلوگیری از اکسیداسیون سریع هسته اکسید آهن در محیط آبی شده وامکان جداسازی سریع و ساده ی جاذب با اعمال یک میدان مغناطیسی را فراهم می کند. بنابراین می توان انبوهی از فاضلاب را در دوره ی زمانی خیلی کوتاه بدون تولید هیچ آلودگی، با عملیات ساده، اقتصادی و راندمان بالا تصفیه نمود.
در این پایان نامه در فصل اول به توضیح نانو فناوری، نانو ذرات، نانو ذرات مغناطیسی، طبقه بندی مواد از لحاظ مغناطیسی، نانو ذرات اکسید آهن، روش های سنتز و کاربرد نانو ذرات اکسید های آهن، اصلاح سطح، هیدروکسی آپاتیت، خواص هیدروکسی آپاتیت، روش های سنتز و کاربرد هیدروکسی آپاتیت، پرداخته شده است. در فصل دوم اثرات فلزات سنگین بر روی انسان و محیط زیست، ضرورت جداسازی فلزات سنگین از آب، کاربرد فناوری نانو در صنعت آب، روش های جداسازی فلزات سنگین، جاذب ?-Fe2O3@HAP، مروری بر مطالعات قبلی مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل سوم مواد، تجهیزات مورد استفاده و روش کارهای انجام شده بیان شده. در فصل چهارم به تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از تحقیق و پیشنهادات پرداخته شده است.
1-1 – ضرورت انجام تحقیق
با توجه به رشد صنعت و جمعیت جهانی آلودگی های ناشی از فلزات سنگین به عنوان تهدیدی جدی برای محیط زیست به حساب می آیند[210]. فلزات سنگین در فرایندهای صنعتی زیادی کاربرد دارند مثل صنایع باطری سازی، آبکاری، ساخت شیرهای آب، محصولات بهداشتی مراقبت فردی (شامپوها و دیگر موادی که برای مو مصرف می شوند، دهان شویه ها، خمیر دندان و صابون) و غیره[229]. فلزات سنگین دارای ارزش زیادی می باشند، اما در صورتی که بیش از اندازه مجاز در رژیم غذایی انسان وارد شوند باعث ناراحتی های زیادی برای انسان می شوند[229]. تحقیقاتی که روی اثرات سمی فلزات سنگین انجام شده است تائید می کند که این مواد می توانند مستقیماً با مختل کردن عوامل مغزی و عصبی بر روی انسان و حیوان اثر بگذارند. فلزات سنگین بر روی مواد انتقال دهنده پیام های عصبی و عملکرد آن ها تاثیر گذاشته و فرایندهای متابولیکی بی شماری را در بدن تغییر می دهند. سیستمهایی که عناصر فلزی سمی می توانند به آن ها آسیب رسانده و برای آن ها مشکل ایجاد کنند، خون و عروق قلبی، مسیر های سم زدائی بدن (کولون، کبد، کلیه و پوست)، غدد هورمونی، مسیرهای تولید انرژی، آنزیم ها، سیستم گوارش، سیستم ایمنی، اعصاب مرکزی و محیطی، تولیدمثل و مجاری اداری هستند. بنابراین حذف یون فلزات سنگین مانند کبالت(II) و روی II)) از آبهای آلوده و آبهای آشامیدنی بسیار سودمند و ضروری می باشد[52].
1-2- بیان مسئله
روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آبهای صنعتی به کار میروند از جمله : رسوب دهی شیمیایی، انعقاد و ته نشینی، انعقاد الکتریکی، کاربرد رزین های تبادل یون، فرایند های جداسازی غشایی (اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون، الکترو دیالیز)، جذب سطحی (جاذب های متداول اصولاً شامل کربن فعال، زئولیت، خاک رس، موادپلیمری و زیست توده می باشد.) وجداسازی مغناطیسی.
رسوب یون های فلزی به صورت هیدروکسید و سولفید یکی از ابتدایی ترین روش های حذف فلزات سنگین از آب است. این روش دارای معایبی همچون مصرف اضافی مواد شیمیایی و تولید حجم زیادی از فاضلاب جامد برای دفع است[230]. روش انعقاد و ته نشینی برای حذف موادآلاینده در فرم کلوئیدی یا معلق به کار می رود. در این روش نیز موادشیمیایی به عنوان منعقد کننده به آب اضافه می شوند[50]. در روش انعقاد الکترودی عامل منعقد کننده توسط الکترواکسیداسیون یک آند تولید می شود. لجن تولید شده در این روش نسبت به روش های قبلی کمتر می باشد و از معایب این روش بازده کم آن برای غلظت های کم فلزات است [52]. استفاده از روش تبادل یون مفیدتر به نظر می رسد اما این روش نیز دارای معایبی همچون به کار گرفتن حجم زیادی مواد شیمیایی برای احیاء رزین تبادل یون و مشکل دفع دورریز حاصل از آن می باشد [201]. معمولترین روش برای جذب فلزات سنگین استفاده از جاذب های متخلخل مخصوصاً کربن فعال، دی اکسید سیلیکون، آلومینیوم فعال و زئولیت می باشد. ایراد جاذب های متخلخل، زمان طولانی برای رسیدن به تعادل ( به علت مقاومت در برابر نفوذ در خلل و فرج ) و سختی فعال سازی مجدد جاذب می- باشد[148].
امروزه روش جداسازی مغناطیسی یکی از روش های نوید بخش برای پاک سازی محیط زیست می باشد [148، 32]. زیرا هیچ گونه فاضلابی تولید نمی کند، توانایی کار برای مقدار زیاد فاضلاب در زمان کوتاه را دارد و همچنین به آسانی قابل جداسازی توسط اعمال میدان مغناطیسی می باشد. به علاوه در شرایط پیچیده ی جداسازی مثلاً هنگامی که آب آلوده شامل ذرات جامد می باشد این روش قابل انجام است[171]. این روش دارای سرعت بالایی می باشد و همچنین بعد از جذب یون های فلزات بر روی ذرات جاذب مغناطیسی، با قرار دادن ذرات در یک میدان مغناطیسی دائم یا غیر دائم به راحتی می توان آن ها را از محلول جدا کرد. بنابراین این روش مشکل جاذب های متخلخل (سرعت پایین) و غشاها (پیچیدگی و بازده کم) را ندارد. همچنین در این روش فاضلاب ثانوی تولید نمی شود[139 ، 103]. اما علاوه بر مزیت های متعدد در این روش مشکلاتی وجود دارد مانند اینکه این روش، ظرفیت جذب سطحی بالایی ندارد و نسبت به فلزات سنگین گزینش پذیر نیست. به علاوه، یون های دیگر موجود در آب مانند فسفات ها نیز به خوبی جذب جاذب مغناطیسی می شوند و حتی برای جذب با فلزات سنگین رقابت می کنند[201 ، 103]. بنابراین برای غلبه بر این مشکلات در این تحقیق از این روش به صورت ترکیبی با روش جذب سطحی استفاده شده است که روش جذب سطحی دارای مزایایی مانند عملیات ساده، راندمان بالا و اقتصادی بودن می باشد[52]. همچنین ذرات مغناطیسی را به عنوان پایه قرار داده و با پوششی از هیدروکسی آپاتیت پوشانده ایم تا ظرفیت جذب بدین طریق افزایش یابد. با این کار جذب انتخاب پذیر شده و یون های دیگر مانند فسفات ها جذب نمی شوند، سرعت جذب بالا می رود و مشکل برگشت ناپذیری نیز حل می شود. در این حالت هم مانند حالتی که جاذب مغناطیسی بدون پوشش به کار می رود بعد از عمل جذب می توان ذرات جاذب را با قرار دادن محلول در یک میدان مغناطیسی مناسب جدا نمود[210 ، 201].
هیدروکسی آپاتیت)2 Ca10(PO4)6(OHمهمترین عضو خانواده ی معدنی آپاتیت است که ماده ی ایده ال برای تصفیه ی آلودگی های طولانی مدت است. این ماده دارای مزایایی همچون ظرفیت بالا برای جذب سطحی فلزات سنگین، انحلال پذیری کم در آب، مقاومت بالا تحت عوامل اکسنده و کاهنده، در دسترس بودن و هزینه ی پایین می باشد[194 ، 186]. امروزه نانو ذرات به علت خواص متفاوتشان جذابیت زیادی در جوامع علمی دارند. سطح ویژه ی بزرگ و سایت های فعال زیاد نانو ذرات آن ها را قادر می سازد تا ظرفیت جذب بالاتری در مقایسه با میکرو جاذب ها و میکرو ذرات داشته باشند. بنابراین جاذب های نانو مغناطیسی پوشش داده شده بسیار مفید و جالب توجه می باشند[148، 95 ، 87].
وایت1 و همکاران در سال 2008 برای جداسازیZn2+،Pb2+،Cu2+،Cd2+،Ni2+ ،As3+ توسط نانوذرات ?-Fe2O3 پوشیده شده توسط پلیمر پلی سیستین آزمایشاتی انجام دادند[210].

یانگ چوانگ چنگ 2 و همکارانش در سال 2005 نانوذرات مغناطیسی پوشیده شده با کیتوسان را برای جذب یون های کبالت به کار گرفتند ]53 .[
اما تا به حال جداسازی فلزات سنگین Co2+و Zn2+ از محلول های آبی به کمک MNHAP به عنوان جاذب سطحی در مقالات گزارش نشده است.
1-3- اهداف پژوهش
سنتز نانو ذرات مغناطیسی آهن پوشیده شده با HAP، به کارگیری MNHAP به عنوان جاذب برای جداسازی یون های فلزی Zn2+ و Co+2 از محلول آبی واندازه گیری جذب این فلزات با اسپکتروسکوپی جذب اتمی شعله، بررسی تاثیر پارامترهایی مانند دما، زمان تماس، غلظت اولیه ی یون فلزی و PH محلول بر روی جذب این یون های فلزی توسط نانوذارت مغناطیسی سنتز شده به منظور دستیابی به بالاترین بازده جذب این فلزات سنگین.
در این تحقیق برای اندازه گیری غلظت باقیمانده ی یون های کبالت II)) و روی (II) روش طیف سنجی جذب اتمی شعله، به دلیل حساسیت زیاد، حد تشخیص مناسب، هزینه ی تجزیه ی کم مورد استفاده قرار گرفته است[32].
1-4 – فناوری نانو
” نانو ” در اصل و یا به نوعی در زبان علمی یک پیشوند برای واحدهای اندازه گیری بوده، و معادل 9-10 می باشد[13].
به بیان برنامه پیشگام ملی آمریکا فناوری نانو عبارتست از :
توسعه علمی و تحقیقاتی در سطوح اتمی، مولکولی یا ماکرومولکولی، در محدوده اندازه های طولی از ? تا ??? نانومتر.
ساخت و کاربرد ساختارها، تجهیزات و سیستم هایی که به علت ابعاد کوچک و یا متوسط خود دارای ویژگی- ها و کارکردهای نوین و منحصر به فردی هستند[13].
اولین جرقه فناوری نانو در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن ایده ی فناوری نانو را مطرح کرد وی بیان نمود که در آینده ا ی نه چندان دور مولکول ها و اتم ها تغییر می یابند بنابراین جرقه آغاز فناوری نانو به زمان سخنرانی فاینمن باز می گردد اما واژه ی نانو فناوری توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 استفاده شد ولی در اصل باید کی اریک در کسلر را پدر نانو فناوری نامید چرا که نانو فناوری در سال 1986 در کتابی از وی که با عنوان موتور های آفرینش بسط داده شد، مطرح گردید[212، 70]. با گذر از میکرو ذرات به نانو ذرات، باتغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می شویم که دو مورد مهم آنها عبارتند از : افزایش نسبت مساحت سطح به حجم ذرات و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی [188]. افزایش نسبت سطح به حجم ماده که به تدریج با کاهش اندازه ی ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود.
افزایش سطح، واکنش پذیری نانو ذرات را به شدت افزایش می دهد زیرا تعداد مولکول ها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در توده ی نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به کلوخه ای شدن دارند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانو ذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آن ها اضافه کرد که آن هارا قادر می سازد در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند. مساحت سطح زیاد، خواص ویژه ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می شود [188].
در گذر از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی، به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. ویژگی های نقاط کوانتومی مثالی از این دسته است. این نقاط گاهی اتمهای مصنوعی نامیده می شوند زیرا الکترون های آن ها مشابه الکترون های محبوس در اتم ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند[188].
1-4-1 – نانو ذرات
یک نانو ذره به ذره ای گفته می شود که دارای ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر باشد. نانو ذرات را به 4 گروه فلزی، سرامیکی، بین فلزی، پلیمری دسته بندی می کنند[218].
نانو ذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند، معمول ترین آن ها نانو ذرات سرامیکی می باشد که به بخش سرامیک های اکسید فلزی نظیر اکسید های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانو ذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانو مقیاسی خاک رس می باشند، تقسیم می شوند که طبق تعریف حداقل یکی از ابعاد آن ها باید کمتر از 100 نانو متر باشد[188] .
ابتدا نانو ذرات فلزی در قرن هجدهم تولید شده اند، اما تولید نمونه های همگن آن ها به طور کنترل پذیر در دهه گذشته امکان پذیر شده است.
نانو ذرات می توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیله ی آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمر ترکیب شوند[188].
نانو ذرات فلزی خالص می توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پایین تر از دمای ذوب ذرات بزرگ تر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند، این کار منجر به سهل تر شدن فرایند تولید روکش و بهبود کیفیت آن ها، خصوصاً در کاربرد های الکترونیکی نظیر خازن ها، می گردد[188].
نانو ذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. این مواد سال ها پیش از این تولید می شده اند، معمول ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می گیرند موریلونیت3 یا آلومینو سیلیکات لایه ای می باشد[188].
نانو ذرات اکسید های فلزی تمایل به داشتن اندازه یکسانی در هر 3 بعد، از دو یا سه نانو متر تا 100 نانومتر، دارند(ممکن است تصور شود که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق می مانند، اما در واقع آن ها به وسیله ی نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی به نظر می رسند[188].
اکسید های فلزی بدست آمده از فلزات اصلی مثل سیلسیم، آلومینیوم، کلسیم، منیزیم، اکسیدهای عایق هستند و اکسید های فلزات واسطه مثل کروم (III) و آهن (III)، نیکل (III)، تیتانیم و روی در دسته اکسید های فلزی هادی یا نیمه هادی قرار می گیرند [72].
نانو ذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می توانند در ایجاد لایه های نازک (بلوری و آمورف) مورد استفاده قرار گیرند. نانو ذرات سرامیکی نیز می توانند، مانند نانو ذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همانند های غیر- نانو مغناطیسی خود به سطوح و مواد توده ای تبدیل شوند و هزینه ی ساخت را کاهش دهند. سیم های ابر- رسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می شوند[188].
نانو ذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربرد های کنونی و پیش بینی شده بخش اعظم نانو ذرات را تشکیل می دهند [188].
1-4-2- نانوذرات مغناطیسی
اهمیت علمی و فن اوری نانو ذرات مغناطیسی سه دلیل عمده دارد[188]:
1) تعداد زیادی از ساختار های مغناطیسی با خصوصیات فیزیکی قابل توجه وجود دارند، از نانو مغناطیس- های طبیعی و نسبتاً ساده گرفته تا نانو ساختار های پیچیده مصنوعی.
2) کاربرد اثرات اندازه ی نانو در توصیف و پیشرفت خواص مواد مغناطیسی
3) ایجاد زمینه های پیشرفت فن آوری توسط نانو مغناطیس
پدیده های بیومغناطیس طبیعی ناشی از ذرات مگنتیت هستند که در باکتری ها، حشرات، مغز زنبور، کبوتر، ماهی و حیوانات بزرگتر وجود دارند. این ذرات بین 1 تا 100 نانومتر می باشند. ذرات مغناطیسی نانومتری در سیستم های سوپر پارا مغناطیس، فروسیالات، شهاب سنگها دیده می شوند.
نانو مغناطیس به مواد فرو و فری کوچکی که در آن ها گشتاور های مغناطیسی خالص کوچکی وجود دارد اطلاق می شود. این گشتاور ها در حوزه های مجاور متفاوتند، اما دلیل سودمند بودن مواد فری و فرو ناشی از این امر است که در یک میدان مغناطیسی خارجی تمام حوزه های مغناطیسی با یکدیگر هم جهت می-شوند و حتی بعد از قطع میدان خارجی نیز مقداری مغناطش باقی مانده وجود دارد. نانو ذات مغناطیسی پس از مغناطیس شدن، تمایل زیادی برای از دست دادن این خاصیت و بازگشت به حالت طبیعی ندارند.
وقتی قطر ذرات مغناطیسی به یک حد بحرانی برسد، نمی توانند بیش از یک حوزه را تقویت نمایند و بنابر- این تک حوزه نامیده می شوند. قطر این حوزه‌ها در محدوده یک تا چند هزار نانومتر است. بسیاری از ویژگی ذرات تک حوزه ای با این فرض که تمام اسپین ها به طور نسبتاً قوی با یکدیگر جفت شده اند و به عنوان یک اسپین غول پیکر عمل می کنند، توصیف می شوند. این رفتار مبنای نظریه سوپرپارامغناطیس ( مواد فرومغناطیس که اندازه ذره از یک حوزه منفرد کوچکتر می باشد) نیز می باشد.
1-4-2-1- طبقه بندی مواد از لحاظ مغناطیسی
با توجه به رفتار مغناطیسی مواد، آن ها را به پنج نوع تقسیم می کنند : دیا مغناطیس، پارا مغناطیس، فرومغناطیسی، آنتی فرو مغناطیسی و فری مغناطیسی [55].
با توجه به رفتار مغناطیسی مگهمیت و مگنتیت به توضیح مواد فرو مغناطیس و فری مغناطیس می پردازیم.
1-4-2-1-1- موادفرو مغناطیس
مواد فرو مغناطیس، موادی هستند که شدت مغناطیس شدن در آنها به مراتب بیشتر از اجسام پارا- مغناطیس است. از این نظر در صنعت و فن آوری از اهمیت ویژ ه ای برخوردارند. اما نمونه ی آن در طبیعت کمیاب اند. اصولاً خاصیت فرومغناطیس، برخلاف خاصیت پارامغناطیس که به تک تک ذرات (اتم ها یا مولکول ها) وابسته است، پدیده ای گروهی است و در آن مجموعه های معینی از ذرات به صورت گروه های کوچک (حوزه ها4) یا بخش میکروسکوپی از بلور ماده را تشکیل می دهند که در هر یک از حوزه ها اسپین الکترون ها همسویند و برایند آن ها، هر یک از این حوزه ها را به صورت مغناطیس کوچکی در می آورد. در خارج از میدان مغناطیسی برایند اسپین الکترون ها و در نتیجه محور های مغناطیسی این حوزه ها نسبت به یکدیگر به طور نامنظم قرار داشته، به طوری که اثر یکدیگر را خنثی می کنند. اما در یک میدان مغناطیسی مناسب، ذرات در حوزه های مغناطیسی طوری جهت گیری می کنند که اسپین الکترون ها در تمام حوزه ها و محور های مغناطیسی آن ها در راستای میدان قرار می گیرند. بدین ترتیب به شدت میدان مغناطیسی به طور قابل توجهی افزوده می شود [55].
وایس5 در سال 1907 پدیده فرومغناطیس را تشریح کرد. او بر هم کنش میان اسپین ها را در اثر وجود یک میدان ذاتی در هر تک حوزه دانست که با قدرت فزاینده ای باعث همسو شدن اسپین می شود. این میدان را میدان تبادلی یا مولکولی یا وایس می نامند. که در اثر افزایش دما، مقدار آن به سرعت کاهش خواهد یافت. .وقتی یک ماده ی فرومغناطیس با مغناطیس پذیری صفر را در یک میدان مغناطیسی (H) متغیر قرار داده و بتدریج میدان را افزایش دهیم ملاحظه خواهیم کرد که مغناطش ماده نیز همگام با افزایش Hزیاد خواهد شد. نخست میزان افزایش مغناطش سریع است ولی در ادامه، افزایش به کندی صورت گرفته و در نهایت به جایی می رسد که هر قدر میدان H افزایش یابد تغییر محسوسی در آن ایجاد نمی شود. در این حالت مغناطش اشباعی6 (Ms) می نامند. حال اگر میدان اعمال شده بر نمونه را دوباره به صفر کاهش دهیم مغناطش نمونه مجدداً به صفر بر نمی گردد، بلکه به مقداری که مغناطش پسماند7 (Mr) نامیده می شود، خواهد رسید و ماده شبیه به مغناطش دائمی (آهن ربا) عمل می کند. مقدار Mr کوچکتر از Ms است. برای رساندن مغناطش پسماند به صفر لازم است میدان مغناطیسی با فرایندی مشابه ولی در جهت عکس با میدان پیشین بر ماده اعمال شود. وقتی میدان خارجی به مقدار (-Hc) برسد، مغناطش پسماند در نمونه صفر می گردد (Mr=0). میدان Hc را نیروی وادارنده8 می نامند. افزایش بیشتر نیروی میدان در جهت اخیر موجب افزایش سریع مغناطش می شود تا مجدداً به حالت اشباع برسد. با کاهش مجدد میدان وارون به Mr می رسیم و در نهایت، فرایند به چرخه ی پسماند منجر می شود [180،127،4]. مواد فرو مغناطیسی بسته به ترکیب شیمیایی آن ها و نوع فرایند ساخت آن ها می توانند خواص متفاوتی داشته باشند. [180،174]. مواد مغناطیسی نرم همانند مگنتیت و مگهمیت دارای ویژگی های مغناطیسی معینی هستندکه این ویژگی- ها عبارتند از : مغناطش اشباعی بالا، نیروی وادارندگی مغناطیسی کوچک، نفوذپذیری مغناطیسی اولیه بالا و اتلاف پسماند مغناطیسی کوچک اما مواد مغناطیسی سخت، به علت دارا بودن Mr و Hc بسیار بالا در ساختن آهن ربا های دائمی به کار می روند [84].
شکل 1-1- نمونه ای از حلقه پسماند شکل 1-2- نمونه ای از حلقه پسماند
در مواد فرو مغناطیس[127] در مواد فرو مغناطیس[4]

در شکل B القاء مغناطیسی و H میدان اعمالی می باشند
شکل1-3- تاثیر بلوکهای میدانی در ایجاد پسماند مغناطیسی[4]
1-4-2-1-2 – مواد فری مغناطیس
مواد فری مغناطیس از یک مغناطش ذاتی قابل قبولی بر خوردارند. این مواد همانند فرو مغناطیس ها دارای حوزه های خود اشباع هستند و پدیده اشباع مغناطیس و پسماند در آن ها دیده می شود. مغناطش ذاتی آنها در بالاتر از یک دمای بحرانی معینی از بین می رود. این دما را دمای کوری فری مغناطیس ها می نامند. که بالاتر از آن مواد فری مغناطیس به پارا مغناطیس تبدیل می شوند. از لحاظ علمی فری مغناطیس ها بعد از فرو مغناطیس جایگاه مهمی را به خود اختصاص می دهند. از مهمترین مواد فری مغناطیس می توان اسپینل های مغناطیسی و شش گوش های مغناطیسی را نام برد[190].
1-4-2-2- نانوذات مغناطیسی اکسید آهن
نانو ذرات اکسید آهن از جمله نانو ذرات مغناطیسی هستند که تولید آن ها دارای مزایایی است که در زیر به طور مختصر به آن ها اشاره می شود :
استحکام کششی بالای ذرات، کنترل آسان ذرات و توزیع آن ها، تولید ذرات با سطح ویژه بالا، تولید ذرات کروی با خلوص بالا، وجود خاصیت مغناطیسی، واکنش پذیری بالای ذرات، سمی نبودن
مگنتیت، مگهمایت مثال هایی از انواع نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن هستندکه می توانند برای حذف آلودگی ها استفاده شوند. ظرفیت جذب سطحی بر روی این مواد با کاهش اندازه ذره، افزایش می یابد [109].
1-4-2-2-1- مگنتیت


دیدگاهتان را بنویسید