پاکسازی منابع آب از فلزات: روشی تکمرحلهای برای تولید مکسینهای عاملدار به منظور حذف سریع جیوه از آب
| تاریخ ارسال: 1403/7/8 |
پاکسازی منابع آب از فلزات: روشی تکمرحلهای برای تولید مکسینهای عاملدار به منظور حذف سریع جیوه از آب
علامت هشدار به بازدیدکنندگان در مورد آلودگی جیوه در فلوریدا اورگلیدز.
صاحب امتیاز: تام فریدل، ویکی مدیا (CC BY ۳.۰)
از آنجایی که در سراسر جهان، دولتها به دنبال کاهش اتکای خود به چین برای مواد معدنی خاکی کمیاب و سایر مواد حیاتی هستند، توجه فزایندهای به شناسایی، توسعه و بهرهبرداری از معادن و تأسیسات فرآوری جدید میشود. اما با پیشرفت این پروژهها در مورد اثرات بالقوهی زیستمحیطی بحثهای بیشتری شکل میگیرد، موضوعاتی مانند آلودگی فلزات سنگین.
فلزات سنگین مانند جیوه و کادمیوم با اتصال به سلولها و ممانعت از انجام وظایف خود، اثرات منفی زیادی بر سلامت انسان میگذارند. فلزات سنگین به طور منظم در عملیاتهای معدنی و صنعتی ظاهر میشوند. رویهی رایج انجام چنین عملیاتهایی در نزدیکی منابع آبی میتواند منجر به ورود این فلزات به اکوسیستم آبی شده و باعث آلودگی آب و غذاهایی دریایی شود.
اکثر فلزات سنگین تحت تخریب میکروبی یا شیمیایی قرار نمیگیرند. بنابراین، میبایست آنها را از طریق فنآوریهای مختلف توسعهیافته، از آب حذف کرد.
جذب سطحی به دلیل هزینهی کم، در دسترس بودن و سازگاری با محیط زیست، فرآیندی است که به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین از آب استفاده میشود. این فرایند شامل قرار دادن مادهی جامدی به نام جاذب در آب آلوده برای جذب و اتصال ذرات فلز سنگین به سطح آن، است.
مکسینها خانوادهای از مواد دو بعدی با پتانسیل بالا به عنوان جاذب برای فلزات سنگین هستند. این کاربیدها، نیتریدها و کربنیتریدهای فلزات واسطه دوبعدی، دارای سطح ویژهی بالا و گروههای عملکردی در سطح خود هستند که نه تنها مکانهایی را برای تبادل مستقیم یونی فراهم میکنند، بلکه برخی از مولکولها و کاتیونهای آلی را نیز کاهش میدهند. علاوه بر این، در مقایسه با سایر مواد دو بعدی مانند اکسید گرافن و دی سولفید مولیبدن، مکسینها دارای فاصلهی بین صفحات اتمی بزرگتری هستند که به انتشار یون در منافذ و بین لایهها کمک میکند.
مکسینهای مبتنی بر تیتانیوم، به ویژه کاربید تیتانیوم، (
فلزات سنگین مانند جیوه و کادمیوم با اتصال به سلولها و ممانعت از انجام وظایف خود، اثرات منفی زیادی بر سلامت انسان میگذارند. فلزات سنگین به طور منظم در عملیاتهای معدنی و صنعتی ظاهر میشوند. رویهی رایج انجام چنین عملیاتهایی در نزدیکی منابع آبی میتواند منجر به ورود این فلزات به اکوسیستم آبی شده و باعث آلودگی آب و غذاهایی دریایی شود.
اکثر فلزات سنگین تحت تخریب میکروبی یا شیمیایی قرار نمیگیرند. بنابراین، میبایست آنها را از طریق فنآوریهای مختلف توسعهیافته، از آب حذف کرد.
جذب سطحی به دلیل هزینهی کم، در دسترس بودن و سازگاری با محیط زیست، فرآیندی است که به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین از آب استفاده میشود. این فرایند شامل قرار دادن مادهی جامدی به نام جاذب در آب آلوده برای جذب و اتصال ذرات فلز سنگین به سطح آن، است.
مکسینها خانوادهای از مواد دو بعدی با پتانسیل بالا به عنوان جاذب برای فلزات سنگین هستند. این کاربیدها، نیتریدها و کربنیتریدهای فلزات واسطه دوبعدی، دارای سطح ویژهی بالا و گروههای عملکردی در سطح خود هستند که نه تنها مکانهایی را برای تبادل مستقیم یونی فراهم میکنند، بلکه برخی از مولکولها و کاتیونهای آلی را نیز کاهش میدهند. علاوه بر این، در مقایسه با سایر مواد دو بعدی مانند اکسید گرافن و دی سولفید مولیبدن، مکسینها دارای فاصلهی بین صفحات اتمی بزرگتری هستند که به انتشار یون در منافذ و بین لایهها کمک میکند.
مکسینهای مبتنی بر تیتانیوم، به ویژه کاربید تیتانیوم، (
محققان عملکرد سطح Ti۳C۲Tx را برای به تاخیر انداختن تخریب و بهبود سرعت جذب بررسی کردهاند. در مقالهی اخیر، محققان دانشگاه درکسل و دانشگاه تمپل یک روش سادهی تک مرحلهای را برای عملکرد Ti۳C۲Tx به منظور حذف جیوه توسعه دادهاند.
در این مطالعه، عامل سطحی معرفی شده، گروههای کربوکسیل در سطح Ti۳C۲Tx است. این انتخاب ناشی از این باور است که «گروههای کربوکسیل، لایههای مکسین را تثبیت میکنند. این موضوع به دلیل انرژی تشکیل بالاتر در مقایسه با Ti۳C۲Tx پایانیافته با OH است.».
در این مطالعه، عامل سطحی معرفی شده، گروههای کربوکسیل در سطح Ti۳C۲Tx است. این انتخاب ناشی از این باور است که «گروههای کربوکسیل، لایههای مکسین را تثبیت میکنند. این موضوع به دلیل انرژی تشکیل بالاتر در مقایسه با Ti۳C۲Tx پایانیافته با OH است.».
آنها مکسین Ti۳C۲Tx کربوکسیلهشده را با افزودن ۱.۷ گرم اسید کلرواستیک به محلول کلوئیدی لایهلایه شدهی Ti۳C۲Tx با غلظت ۱ میلیگرم در میلیلیتر در دمای ۰ درجه سانتیگراد ایجاد کردند. سپس محلول را به مدت دو ساعت هم زدند تا گروههای (-OH) روی سطح مکسین را به گروههای کربوکسیل تبدیل کنند. سپس مخلوط با آب مقطر خنثی شد.
تجزیه و تحلیل Ti۳C۲Tx کربوکسیلهشده نشان داد که در بازهی pH ]۸,۵-۲[، بار منفی سطحی در قیاس با Ti۳C۲Tx اولیه بیشتر است. این بار منفی سطحی منجر به افزایش برهمکنشهای الکترواستاتیک بین یونهای جیوه و مکسین شد. همچنین گروههای کربوکسیل منجر به افزایش فاصلهی بین نانوصفحههای مکسین و افزایش پایداری اکسیداسیون آنها شد.
در قیاس با Ti۳C۲Tx اولیه، نمونهی کربوکسیله در بازهی pH ]۶-۲[ پایداری و سرعت جذب یون جیوهی بیشتری از خود نشان داد. به عنوان مثال، در غلظت اولیهی ppm۲۰۰ جیوه، Ti۳C۲Tx توانست پس از ۲۰ دقیقه ۷۰٪ یونهای جیوه را حذف کند، در حالی که Ti۳C۲Tx کربوکسیلهشده موفق شد تنها در ۱ دقیقه به نتیجهی مشابه برسد.
علاوهبراین، بازگشت یونهای جذب شده توسط نمونهی کربوکسیلهشده در قیاس با نمونهی اولیه به مراتب کمتر بود. اگرچه میزان بازگشت یونها در هر دو نمونه بسیار کمتر از حد ایمن تعریفشده توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحدهی آمریکا بود.
بر اساس این نتایج، Ti۳C۲Tx کربوکسیله شده «پتانسیل صنعتی بالایی برای حذف کارآمد یونهای فلزات سنگین دارد، زیرا ظرفیت جذب یون جیوهی بالاتری نسبت به جاذبهای تجاری موجود گزارششده در منابع دارد».
در قیاس با Ti۳C۲Tx اولیه، نمونهی کربوکسیله در بازهی pH ]۶-۲[ پایداری و سرعت جذب یون جیوهی بیشتری از خود نشان داد. به عنوان مثال، در غلظت اولیهی ppm۲۰۰ جیوه، Ti۳C۲Tx توانست پس از ۲۰ دقیقه ۷۰٪ یونهای جیوه را حذف کند، در حالی که Ti۳C۲Tx کربوکسیلهشده موفق شد تنها در ۱ دقیقه به نتیجهی مشابه برسد.
علاوهبراین، بازگشت یونهای جذب شده توسط نمونهی کربوکسیلهشده در قیاس با نمونهی اولیه به مراتب کمتر بود. اگرچه میزان بازگشت یونها در هر دو نمونه بسیار کمتر از حد ایمن تعریفشده توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحدهی آمریکا بود.
بر اساس این نتایج، Ti۳C۲Tx کربوکسیله شده «پتانسیل صنعتی بالایی برای حذف کارآمد یونهای فلزات سنگین دارد، زیرا ظرفیت جذب یون جیوهی بالاتری نسبت به جاذبهای تجاری موجود گزارششده در منابع دارد».
مقاله مرجع:
Journal of Hazardous Materials, “Efficient mercury removal from aqueous solutions using carboxylated Ti۳C۲Tx MXene” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.jhazmat.۲۰۲۲.۱۲۸۷۸۰)
منبع:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف