ید[84]42
جدول ‏2-4- اصلاح غیرکووالانسی گرافن اکساید با استفاده از عوامل اصلاح مختلف[84].51
جدول 2-5- روش‌های تولید گرافن عامل دار شده به طور مستقیم از گرافیت[84]56
جدول ‏4-1- داده ها ی آنالیز عنصری برای نمونه ها80
جدول ‏4-2- درصد تورم انواع جاذب ها در آب دوبارتقطیر با pH برابر 684
چکیده
با پیشرفت تمدن بشری، توسعه فناوری و ازدیاد روزافزون جمعیت در حال حاضر دنیا با مشکلی به نام آلودگی روبرو شده است که زندگی ساکنان کره خاکی را تهدید می کند. آلودگی ناشی از انباشته شدن خاک و آب از ترکیبات سمی پایدارهمچون مواد شیمیایی، نمک ها، فلزات سنگین و مواد رادیو اکتیو از جمله عوامل به وجود آمدن بیماری های بسیاری هستند که بر روی سلامت انسان ها و حیوانات و حتی گیاهان به شدت تاثیرگذار است. انتشار فلزات سنگین در محیط زیست به سبب صنعتی شدن جامعه و گسترش شهرنشینی مشکلات بسیار زیادی را در جهان به همراه داشته است.
در این مطالعه سعی شده است با استفاده از مواد پلیمری زیست سازگار و زیست تخریب پذیر همچون دانه های کیتوسان و استفاده از گرافن عامل دار شده با گروه‌های عاملی آمینی به‌عنوان یکی از پرکاربردترین نانو ذرات در درون دانه های کیتوسان جذب یون‌های فلزی کادمیوم از محلول‌های آبی بررسی شود. بدین منظور دانه های نانوکامپوزیت کیتوسان/گرافن با درصدهای وزنی 0.5%، 1%، 2% و 5% با استفاده از روش محلولی تهیه شدند. نانو ذرات گرافن ابتدا با مخلوط اسید سولفوریک و اسید نیتریک اکسید شدند و سپس گروه‌های عاملی تری اتیلن تترامین بر روی آنها پیوند زده شد. گرافن های اصلاح شده با استفاده از آنالیزهای زیرقرمز تبدیل فوریه ، گرماوزن‌سنجی و آنالیز EDX میکروسکوپ الکترونی روبشی شناسایی شدند و نتایج حاکی از آن بود که واکنش اصلاح با موفقیت صورت گرفته است. در همین راستا منحنی های گرماوزن سنجی نشان داد که عملیات اکسید کردن و عامل دار کردن گرافن به درستی صورت پذیرفته است. همچنین ریخت‌شناسی نانو ذرات اکسیدشده و عامل دار شده به‌وسیله‌ی ریزبین الکترونی روبشی صورت پذیرفت و نمودارها و تصاویر EDX از پراکنش مطلوب گروه‌های عاملی اکسیژن دار و نیتروژن دار پیوند زده شده بر سطح گرافن حکایت داشت. در ادامه جذب یون‌های فلزی کادمیوم با دستگاه جذب اتمی صورت پذیرفت و نتایج آن از افزایش میزان جذب یون کادمیوم توسط نانو کامپوزیت‌های کیتوسان/گرافن نسبت به دانه های کیتوسان به میزان 20% حکایت داشت. دستگاه جذب اتمی نشان داد که بهینه میزان جذب یون کادمیوم در محلول50ppm با pH برابر با 7 و مدت زمان تماس 2 ساعت و میزان جاذب 25mg اتفاق می افتد.

فصل اول
مقدمه
آلودگی‌های محیط زیست از جمله گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌های سمی محلول در آب باعث نگرانی‌های بسیاری در سراسر جهان شده است. به صورتی که در اجلاس جهانی اخیر سازمان ملل متحد درزمینه توسعه پایدار ریو +20 این مسائل مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفت. در اجلاس ریو + 20، رهبران جهان، به همراه هزاران شرکت کننده از دولت های دنیا، بخش خصوصی، سازمان های غیر دولتی و گروه های دیگر، برای دستیابی به راه‌حل‌هایی جهت کاهش فقر، گسترش عدالت اجتماعی و حصول اطمینان از حفظ محیط زیست بر روی سیاره‌ای که از همیشه شلوغ‌تر است گرد هم آمدند[1].
یکی از مهم‌ترین مسائل در مورد حفاظت از محیط زیست و سلامت انسانها، حیوانات و گیاهان سلامت و پاکیزگی آب است.آب مهم‌ترین امر حیاتی برای تمامی موجودات زنده بر روی کره زمین است. آب را می‌توان از طریق چندین راه همانند آب‌شیرین‌کن، تصفیه، اسمز، ضدعفونی کردن و رسوب دادن آلاینده‌ها تصفیه کرد. در میان این روشها، روش جذب دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به سایر روشهاست. روش جذب یک پدیده سطحی است که در طی آن آلاینده‌ها از طریق نیروهای فیزیکی به سطح جاذب جذب می‌شوند.جذب بستگی به عوامل بسیار زیادی ازجمله درجه حرارت، pH، غلظت آلاینده‌ها، زمان تماس فاز جاذب با آلاینده‌ها، اندازه ذرات فاز جاذب و آلاینده، دما و ماهیت آلاینده و ماده جاذب دارد. آلاینده‌های اصلی موجود در آب به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند: آلاینده‌های آلی و آلاینده‌های یونی[2].
آلاینده‌های یونی موجود در آب به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف- یون‌های فلزات سنگین مانند آرسنیک، جیوه، کادمیوم کروم، کبالت، مس، سلنیوم و سرب.
ب- یون‌های غیرفلزی مانند فلوراید، فسفات، نیترات و سولفید.
از جمله اساسی ترین مشکلات در ارتباط با یون‌های فلزات سنگین عدم تجزیه شدن آنها در بدن موجودات زنده می باشد. این امر بدین معنی است که این یون‌ها زیست تخریب پذیر نیستند و تمایل به تجمع در بافتهای موجودات زنده دارند. در واقع فلزات سنگین پس از ورود به بدن دفع نشده بلکه در بافت‌هایی مثل چربی، عضلات، استخوان‌ها و مفاصل رسوب کرده و انباشته می گردند که همین امر موجب بروز بیماریها و عوارض متعددی در بدن می شود. در دهه گذشته ورود آلاینده‌ها با منشأ انسانی مانند فلزات سنگین به داخل محیط های دریایی، به مقدار زیادی افزایش یافته است که به‌عنوان یک خطر جدی برای حیات محیط های آبی به شمار می آیند.
تجمع فلزات سنگین در آب،هوا و خاک، یک مشکل زیست محیطی بسیار مهم می باشد. در جدول تناوبی به آن تعداد از عناصر که وزن اتمی بالایی داشته و در دمای اتاق خاصیت فلزی دارند، فلز سنگین اطلاق می شود. ازآنجایی‌که تعاریف مختلفی برای این عناصر شده و در این طبقه عناصر مختلفی قرار داده شده اند،باید تنها از اصطلاح فلزات یا شبه فلزات استفاده نمود. بر اساس این تعاریف،فلزات مس تا بیسموت در جدول تناوبی که چگالی بیشتر از 4gr/?cm?^3 دارند به‌عنوان فلزات سنگین تعریف شده اند. در جدول تناوبی به فلزات گروه 3 تا 16 در تناوب 4 و 4 به بعد فلزات سنگین می گویند. بسیاری از این عناصر نه تنها برای حیات ضروری نیستند، بلکه بسیار هم خاصیت سمی دارند. اندامگان‌های زنده به مقادیر بسیار کمی از فلزات سنگین برای رشد و بقا نیاز دارند که به اصطلاح به آنها عناصر ردیاب1 می گویند مثل آهن، کبالت، مس، منیزیم، مولیبدن، وانادیوم، استرنیم و روی. میزان این یون‌ها در بدن اگر از حداقل مورد نیاز و ضروری افزایش یابند، باعث اخلال در رشد می گردند. سایر فلزات سنگین همانند جیوه، سرب وکادمیوم عناصر حیاتی نبود و اثرات سودمندی بر حیات اندام های زنده ندارند؛ به طوریکه تجمع آنها در بدن موجودات زنده به خصوص پستانداران باعث بیماری های خطرناکی می گردد. مسیرهای ورود این یون‌ها به بدن پستانداران به طور معمول از طریق آب و مواد غذایی آلوده می باشد[2].
کیتین وکیتوسان و مشتقات آنها با توجه به برخورداری از هزینه پایین و زیست تخریب پذیر بودن و همچنین داشتن میزان بالایی از گروه‌های عاملی حامل نیتروژن دار و کربوکسیل دار توجه گسترده ای را به‌عنوان یک جاذب مؤثر جهت حذف آلاینده‌های مختلف از آب به خود جلب کرده اند. از جمله این آلاینده‌ها می‌توان به کاتیون‌ها و آنیون‌های فلزی، مواد پرتوزا، رنگدانه های مختلف، فنول و همچنین آنیون‌های مختلف و آلاینده‌های دیگر اشاره کرد. کیتین و کیتوسان دارای پتانسیل بسیار بالایی جهت حذف این‌گونه آلاینده‌ها از آب می باشند. اما بااین‌حال هنوز هم نیاز برای یافتن ابزار عملی مانند جذب‌کننده‌های سطحی توسعه یافته در مقیاس تجاری وجود دارد[2].
برای هر فرآیند جذب، داشتن سطح مقطع بزرگ، حجم منافذ بالا و همچنین داشتن گروه‌های عاملی مناسب از جمله نیازهای کلیدی و اولیه می باشد.جهت افزایش میزان جذب پلیمرها از نانو ذرات به علت داشتن ویژگی های ذکر شده استفاده می گردد. در حال حاضر بسیاری از نانو ذرات از جمله نانورس و نانولوله های کربنی جهت حذف آلاینده‌ها از آب توسعه یافته اند. نانوذره ای که به تازگی توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است، گرافن نام دارد. گرافن یک ورق مسطح با ضخامت nm1 (یک اتم) است که از اتم‌های کربنی تشکیل شده است که در یک شبکه بلوری لانه‌زنبوری جای گرفته اند. گرافن عنصر مادر سایر آلوتروپ های کربن از جمله گرافیت، نانولوله های کربنی و فولرن است. ازجمله خواص بی نظیر گرافن می‌توان به برخورداری از انعطاف پذیری مکانیکی، گرمایی و شیمیایی بالا اشاره کرد. همچنین گرافن دارای سطح مقطع ویژه بسیار بالا در حدود 2630 m^2/gr می باشد که آن را به یک نامزد بالقوه به‌عنوان یک جاذب با کارایی بالا تبدیل می کند. بااین‌حال گرافن در شکل اصلی خود به علت نداشتن گروه‌های عاملی مناسب از توانایی چندانی برای جذب برخوردار نیست. زیرا به علت داشتن اتم‌های 2Sp تنها قابلیت جذب آلاینده‌ها را با نیروهای واندروالسی دارا می باشد. بنابراین در این پروژه ابتدا گرافن اصلاح شده و برروی آن گروه‌های اکسیدی نشانده می شود و سپس گروه‌های آمینی را با سطح این ماده واکنش داده می شود. در انتها از این نانوذره در هیدروژل کیتوسان استفاده کرده و میزان جذب یون‌های فلزات سنگین را با استفاده از این نانوکامپوزیت هیدروژل، هیدروژل خالص کیتوسان مقایسه می شود.
فصل دوم
مباحث نظری و مروری بر کارهای انجام‌شده
در این بخش توضیحاتی در مورد ساختار کیتین و کیتوسان به‌عنوان یک ماتریس جاذب و همچنین گرافن به‌عنوان یک نانوذره جاذب جهت جذب یون‌های فلزات سنگین داده خواهد شد و به آزمایش‌های انجام گرفته بر روی این مواد پرداخته خواهد شد.
کیتین و کیتوسان
کیتین از فراوان ترین بایوپلیمرها بعد از سلولز می باشد. کیتین یک پلی ساکارید طبیعی است و به طور برجسته در پوسته سخت پوستانی مثل خرچنگ و میگو، کوتیکول حشرات و دیواره سلولی قارچ ها یافت می شود. تاریخچه کیتین و کیتوسان به قرن 19 برمی‌گردد. برای اولین بار یک دانشمند فرانسوی