پایان نامه - مقاله - تحقیق

در دهه گذشته توسعه نانوکامپوزیت­های پلیمری جدید رشد قابل توجه­ای داشته است. در مقابل   کامپوزیت­های متعارف و معمول، نانوکامپوزیت­ها دارای ویژگی هستند که در آن از پرکننده­ای که حداقل در یک بعد دارای اندازه کمتر از nm100 باشد استفاده شده است. از جمله مزایای نانوکامپوزیت­های پلیمری این است که خواص متعددی به پلیمر اولیه می­دهد با وجود این که نسبت به دیگر تقویت کننده­ها

 محدودیت کمتری در فرآیند­پذیری آن ایجاد می­نماید[1]. کلید این ویژگی­ها در طراحی و رفتار نانوکامپوزیت­های پلیمری است که شامل اندازه و خواص نانو ذره پرکننده و سطح مشترک بین نانو ذره پرکننده و ماتریس  می­باشد[2].

در گذشته نه چندان دور پایه نانوکامپوزیت­های پلیمری جدید نانولوله­های کربنی[1] بود که تحقیقات وسیعی روی آن انجام گرفت. دسته شدن و تجمع ذاتی نانولوله­های کربنی  و هزینه بالای تولید آن  کاربرد این مواد را محدود کرده است[3]. در این میان گرافن[2] به عنوان یک جایگزین که نوید بخش تولید نانوکامپوزیت­های پلیمری جدید است توجه­ها را به خود معطوف کرده که ناشی از خواص عالی آن از جمله خواص حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و فیزیکی می­باشد[4].

1-2- هدف

امروزه در بسیاری از کاربردهای مهندسی، به تلفیق خواص مواد نیاز است و امکان استفاده از یک نوع ماده که همه خواص مورد نظر را برآورده سازد، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنایع هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبکی ، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر نور ماوراء بنفش خوبی داشته باشند و در دمای بالا استحکام خود را از دست ندهند. از آنجایی که یافتن ماده­ای که همه خواص فوق را دارا باشد، دشوار است، بهتر است به دنبال روشی برای ترکیب خواص مواد باشیم، این راه حل همان استفاده از مواد کامپوزیتی است. در این پژوهش، فعالیت­های تحقیقی در زمینه تهیه نانوکامپوزیت­های هیبریدی رزول/گرافن/الیاف کربن صورت گرفت تا پارامترهای موثر در تهیه و ترکیب درصد بهینه آنها شناسایی شوند و سپس نقش صفحات گرافن بر روی پخت، مقاومت حرارتی، مورفولوژی و ساختار شیمیایی رزین فنولیک و همچنین چسبندگی رزین به الیاف و خواص مکانیکی حاصل از آن بررسی گردد.

در این فصل به کلیاتی در مورد بیان مسئله، اهمیت و اهداف این پژوهش پرداخته خواهد شد.

1-1   بیان مسئله

نانو کامپوزیت ها از توزیع یا پراکنش ذرات نانو در یک ماتریس تشکیل می شوند. ماتریس می تواند یک جزئی یا چند جزئی باشد و ممکن

 است حاوی موادی باشد که خاصیت هایی همچون تقویت کنندگی، چقرمگی و هدایت کنندگی را به سیستم وارد کند.

واژه نانوکامپوزیت، به کامپوزیت هایی که حداقل یکی از ابعاد فاز پراکنده در آن در مقیاس نانوباشد، اطلاق می شود. نانو کامپوزیت ها براساس ابعاد ذرات فاز پراکنده به سه دسته تقسیم می شوند :

• هر سه بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتری هستند. به عنوان مثال ذرات سیلیکای کروی به دست آمده با روش سل– ژل یا پلیمریزاسیون درجا از این دسته اند.
• دو بعد از فاز پراکنده در مقیاس نانومتری هستند و بعد سوم بزرگ تر از 100 نانومتر است. در این حالت یک ساختار کشیده شده ، ایجاد می شود که نانو لوله ها از این دسته هستند. تقویت انواع زمینه های فلزی، سرامیکی و پلیمری توسط نانو لوله ها امکان پذیر است.

• فاز پراکنده فقط دارای یک بعد در مقیاس نانو متری است. در این مورد پرکننده به صورت ورقه هایی با ضخامت یک یا چند نانو متر و با طول صد ها یا هزاران نانو متر می باشد. خاک رس در بین سیلیکات های لایه ای بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. زیرا خاک رس اولیه بیشتر دردسترس است و دانشمندان اطلاعات دقیق تری در زمینه ساختار و ظرفیت اصلاح پذیری آنها دارند .

نانو کامپوزیت های پلیمری[1]  در حال حاضر به صورت دسته جدیدی از مواد پراهمیت مطرح شده­­اند. این خانواده ازکامپوزیت ها متشکل از زمینه ی پلیمری و پرکننده معدنی هستند. نانو کامپوزیت های پلیمری غالبا از طریق امتزاج با پلیمر­ها و یا پلیمریزاسیون مونومر­ها در فاصله میان لایه های نانو ذرات بدست می­آیند.کارایی این مواد با به کارگیری 2 تا 7 درصد وزنی از مواد تقویت کننده، با کامپوزیت های معمولی با 30 تا50 درصد وزنی از مواد تقویت کننده، برابری می کند.
به این نکته باید توجه کرد که استفاده  بالای پرکننده در کامپوزیت های معمولی باعث افزایش نامطلوب دانستیه و ایجاد قطعات سنگین، کاهش جریان مذاب و افزایش شکنندگی می شود.  علاوه بر این کامپوزیت های معمولی کدر و غیر شفاف هستند. این مشکلات در نانو کامپوزیت هاکمتر دیده شده و تقریبا برطرف می شوند.
مهمترین مصرف نانو کامپوزیت های پلیمری در صنعت حمل و نقل، بسته بندی، ساختمان، سازه های الکترونیکی، وسایل برقی، فوتونیکی و حسگرها است. این کاربردها خواص مغناطیسی اصلاح شده، قابلیت عبور الکتریسته یا نور و خاصیت زیست سازگاری  را در بر می گیرد.  رفتار نانو کامپوزیت های پلیمری مانند مواد متشکل از یک جزء یا مواد یک فازی است. نانو کامپوزیت های پلیمری شفاف اند و دانسیته پایین از خود نشان می دهند.آنها را می توان به سادگی با افزودنی ها اصلاح کرد[1].
نانو کامپوزیت های پلیمری به سه روش تهیه می شوندکه عبارتند از:

• روش محلولی
• روش اختلاط مذاب
• روش پلیمریزاسیون درجا

در این پروژه پلیمر قالب مولکولی جهت استخراج انتخابی فوران تهیه شد. برای تهیه این پلیمر از متاکریلیک اسید (مونومر عاملی)،  اتیلن گلیکول دی متاکریلات (عامل برقراری اتصالات عرضی)،  2و2-آزوبیس ایزو بوتیرو نیتریل (آغازگر)،  مخلوطی از پیرول(جایگزین فوران یامولکول هدف) و متانول(حلال) انجام شد. مواد اولیه پلیمریزاسیون در لوله های موئین قرار داده می شود. پس از اعمال عملیات حرارتی

 در نهایت لوله موئین را داخل اسید هیدرو فلوئورید انداخته تا شیشه ی آن را خورده و فیبر بیرون بییاید. حاصل پلیمریزاسیون رادیکالی تشکیل فیبر لوله ای پلیمر قالب مولکولی غیر کوالانسی (MIP) می باشد. به دلیل وجود بر همکنش های غیر کوالانسی بین مولکول هدف و مونومر عاملی مولکول هدف به کمک شستشو حذف می شود و پلیمر قالب گیری شده بدست می آید.

جهت مقایسه کارایی این پلیمر، پلیمر دیگری نیز با همین روش و همین مواد اولیه ساخته شد ( NIP پلیمر ناظر)،  تنها با این تفاوت که پلیمر جدید فاقد مولکول هدف در ساختار خود است. طیف هر دو پلیمر سنتز شده از طریق اسپکتروسکوپی FT-IR مورد بررسی قرار گرفت هر دو پلیمر دارای شباهت ساختاری هستند همچنین وجود حفره در پلیمر قالب مولکولی با مقایسه دو طیف قابل توجیه می‌باشد. پلیمر قالب مولکولی سنتز شده با پلیمر شاهد مقایسه شد. خواص پلیمر قالب مولکولی،  قابلیت تشکیل پیوند و خاصیت گزینش پذیری پلیمر مورد نظر مورد بررسی قرار گرفت.  همچنین جهت بهینه سازی شرایط جذب پارامترهای مختلف از قبیل pH،  زمان جذب،  دما و غلظت نمک بررسی شدند.

کلمات کلیدی:پلیمر قالب مولکولی، فوران،پیرول

فصل اول:فوران وچگونگی تولید آن در غذا وسرطان زایی اش

1-1 فوران چیست؟

فوران (C4H4O, CAS No.110-00-9) ماده شیمیایی آلی هتروسیکلیک فرار است که اغلب به عنوان ماده واسط در فرآیندهای صنعتی برای تولید مواد پلیمری سنتتیک یافت می شود. فوران ترکیب بسیار متفاوتی از گروه متنوع مواد شیمیایی است که گاهی اوقات به آن در مجموع “فوران ها” اطلاق می گردد و شامل توکسین های آنتی میکروبیال (نیتروفوران ها) و شبه دیوکسین گوناگون است.

نگرانی درباره وجود فوران در غذاها به سال ۲۰۰۴ برمی گردد، زمانی که مطالعه سازمان غذا و دارو (FDA) درباره غذاهای فرآیند شده با حرارت در آمریکا فاش نمود که مقادیر کم فوران را می توان در نسبت های بزرگ غیرقابل انتظار در فرآورده های فرآیند شده در ظروف دربسته مانند قوطی و ظروف شیشه ای یافت. فوران سرطان زای احتمالی انسانی است و بنابراین حتی مقادیر کم آن در غذاها نامطلوب است.

اسید فسفریك دومین اسید معدنی پر مصرف در دنیا است و به عنوان ماده اولیه در تولید شوینده­ها، محصولات غذایی و دارویی به کار می­رود. بدین لحاظ خالص­سازی اسید فسفریک یکی از نیازهای ضروری صنایع مصرف کننده از آن به شمار می­رود. 95% اسید مصرفی در صنایعی که نیاز به اسید فسفریک خالص دارند به روش حرارتی و تنها 5% آن به روش تر تولید می­شود. اسید تهیه شده به روش حرارتی دارای خلوص بالا بوده ولی هزینه تولید آن بسیار بالا است. با توجه به افزایش سالانه 3/2 تا 5/2%  نیاز به اسید فسفریک خالص، کاهش هزینه تولید آن یکی از نیازهای روز صنعت به شمار می­رود. برای خالص سازی اسید فسفریک تولید شده به روش تر، معمولاً روش استخراج برای حذف عمده ناخالصی­ها انجام شده و برای بالا بردن بیشتر خلوص آن از روش­هایی مانند اولترافیلتراسیون، جذب سطحی، کریستالیزاسیون و تبادل یون استفاده می­شود. این روش­ها با معایبی از قبیل سختی انجام فرآیند، هزینه بالای تأمین و نگهداری تجهیزات، هزینه بالای رزین­ و نیاز به احیای آن روبه رو هستند. همچنین فرآیندهای تبادل یون و جذب سطحی در غلظت­های پایین بازده مناسب­تر هستند.

در این پروژه به منظور حذف ناخالصی­های فلزی از اسید فسفریک تر از روش جداسازی جزء به جزء با کف استفاده شده است که روشی جدید برای انجام این فرآیند محسوب می­شود.

اساس روش جداسازی جزء به جزء با کف، جذب سطحی ناخالصی­ها بر روی کف­های بالارونده از ستون است که همراه با خود، ناخالصی­ها را از درون خوراک خارج کرده و محصولی خالص به جای می­گذارد. این روش علاوه بر بازده بالا، مزیت­هایی از قبیل سهولت در انجام فرآیند، هزینه کم عملیاتی و مصرف انرژی پایین را دارد. همچنین به علت عدم استفاده از حلال­های شیمیایی، فرآیندی سبز به شمار می­رود.

قابلیت این فرآیند در حذف ناخالصی­های اسید فسفریک، تأثیر سرعت هوای ورودی، زمان، غلظت و انتخاب پذیری سورفکتانت­ها نسبت به هر فلز با استفاده از سورفکتانت­های KEN10، SDS و SFD بررسی شد. همچنین تمامی آزمایش­ها در حالت نیمه پیوسته انجام گردید.

برای سورفکتانت KEN10، سرعت بهینه هوای ورودی برابر یا cm/min 043/0 و غلظت بهینه برابر با 1.2CMC (CMC=0.229 mg/cc) به دست آمد. در این شرایط درصد حذف کلی فلزات برابر با %19/31 ، نسبت غنی سازی برابر با 95/1 و درصد اسید فسفریک از دست رفته برابر با 9% است.

برای سورفکتانت SDS، سرعت بهینه هوای ورودی برابر یا cm/min 020/0 و غلظت بهینه برابر با 2CMC (CMC=0.35 mg/cc) به دست آمد. در این شرایط درصد حذف کلی فلزات برابر با %20/70، نسبت غنی سازی برابر با 39/4 و درصد اسید فسفریک از دست رفته برابر با % 26/8 است.

برای سورفکتانت SFD، سرعت بهینه هوای ورودی برابر یا cm/min 014/0 و غلظت بهینه برابر با CMC (CMC=2.33 mg/cc)  به دست آمد. در این شرایط درصد حذف کلی فلزات برابر با 93/59% ، نسبت غنی سازی برابر با 28/4 و درصد اسید فسفریک از دست رفته برابر با 71/4% است.

همچنین با انجام دو مرحله آزمایش، درصد حذف کلی فلزات برای سورفکتانت­ SDS برابر با 31/95% و برای سورفکتانت SFD برابر با %09/91 به دست آمد.

کلمات کلیدی:  اسید فسفریک، جزء به جزء کردن کف، حذف فلزات، نونیل فنل اتوکسیلات، سدیم دودسیل سولفات، دی سدیم لورت 3 سولفوسوکسینات.

فصل اول

اسید فسفریک

کشف فسفر توسط برانت[1] در سال 1669 سبب شد تا محصول احتراق آن، فسفر پنتا اکسید(P2O5) به زودی شناخته شود. در سال 1694، بویل[2] برای نخستین بار از انحلال P2O5 در آب توانست اسید فسفریک را فراهم آورد و در سال 1769 میلادی موفق شدندکلسیم فسفات را که از اجزای اصلی استخوان است، از آن جدا نمایند. حدود 30 سال بعد، به نقش مفید کلسیم فسفات در کشاورزی و افزایش رشد نباتات پی بردند. به مرور زمان اهمیت و موارد مصرف اسید فسفریک شناخته شد [1].

فسفر به شکل انواع فسفات­ها، یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده ساختار موجودات زنده بوده و کاربرد کودهای فسفاته طبیعی مانند استخوان انسان، ماهی و فضله پرندگان در کشاورزی سابقه طولانی دارد. صنعت فسفات به شکل مدرن از اواسط قرن نوزدهم با ساخت کودهای فسفاته آغاز گردید که در آن زمان از اثر اسید سولفوریک بر استخوان یا منابع معدنی فسفات، برای تغلیظ و فراهم ساختن میزان فسفر قابل دسترسی بیشتر استفاده می‌گردید. به موازات گسترش کاربرد کودهای فسفاته، روش­های ساخت فسفر عنصری و اسید فسفریک نیز تنوع یافت [1, 2].

اسید فسفریک که با نام­ اورتو فسفریک اسید نیز شناخته می شود، اسیدی معدنی، شفاف، بی رنگ و بو با فرمول شیمیایی H3PO4  است. ساختار شیمیایی آن در شکل (1-1) و مشخصات فیزیکی آن در جدول (1-1) آمده است.

اسید فسفریک یک اسید سه ظرفیتی است و از اسیدهای آلی مانند استیک اسید، سیتریک اسید و لاکتیک اسید قوی­تر و از اسیدهای معدنی مثل نیتریک اسید، سولفوریک اسید و هیدروکلریک اسید ضعیف­تر است. این اسید به راحتی با بازها واکنش داده و تولید فسفات های قلیایی می­کند و در دمای بالا نسبتاً فعال شده و با فلزات و اکسیدهای فلزی واکنش می­دهد. اسید فسفریک گرانترین اسید معدنی عرضه شده در بازار است و همچنین از نظر حجم مصرفی بعد از اسید سولفوریک در مقام دوم قرار دارد. مهمترین مصرف اسید فسفریک تبدیل آن به نمک­های فسفات در تولید کودهای شیمیایی است [4].

اسید فسفریک کاربردهای بسیار زیادی در صنایع شیمیایی و غذایی دارد و خواص فیزیکی و خلوص مورد نیاز اسید در هر یک از این کاربردها متفاوت است. اسید فسفریک در 4 خلوص تجاری[3]، غذایی[4]، دارویی[5] و آزمایشگاهی[6] وجود دارد که ترکیب درصد مجاز مواد آن در جدول (1-2) آمده است.

اهمیت آب و نقش حیاتی آن در زندگی انسان، حیوان، نبات و محیط زیست آنقدر روشن است که نیاز به دلیل و برهان ندارد. بسیاری از مشکلات بهداشتی کشورهای در حال پیشرفت ناشی از  عدم برخورداری از آب آشامیدنی سالم است. از آنجایی که محور توسعه پایدار، انسان سالم است و سلامت انسان در گرو بهره مندی از آب آشامیدنی مطلوب می باشد بدون تامین آب سالم جایی برای سلامت مثبت و رفاه جامعه، وجود ندارد. آب از دو بعد بهداشتی واقتصادی حائز اهمیت است. از بعد اقتصادی به حرکت درآورنده چرخ صنعت و رونق بخش

 کشاورزی است. از بعد بهداشتی آب با کیفیت تضمین کننده سلامت انسان است.

اگر چه از دید ما پنهان است، اما آب دارای آثار بسیار زیادی در حیات جانداران به ویژه انسان می باشد. آب آشامیدنی علاوه بر تامین مایع مورد نیاز بدن به مفهوم مطلق آن یعنی H2O ، در بردارنده املاح و عناصر ضروری برای موجودات زنده و انسان می باشد که کمبود پاره ای از آن‌ها در آب ایجاد اختلال در بدن موجود زنده می کند. از طرفی آب آشامیدنی در بردارنده عناصر و ترکیبات شیمیایی سمی نیز می باشد که برخی  از آنها سرطان زا بوده و برای سلامتی انسان بسیار مضر هستند. همچنین موجودات ذره بینی گوناگونی نیز در آب پیدا می شوند که بعضی از آنها بیماری زا بوده و ایجاد بیماری های عفونی خطرناکی می کنند. بنابراین توسعه فناوری های مختلف جهت تهیه و تامین آب آشامیدنی سالم برای جامعه از اهمیت بالایی برای ارتقاء سلامت جامعه برخوردار است.

فن‌آوری نانو با راهکارهای نوین و جدید خود اظهار می‌دارد كه مواد با پایه نانو می‌توانند به فن‌آوری‌های تصفیه آب ارزان قیمت‌تر، بادوام‌تر و مؤثرتری منجر شوند، و  بخشی از نیازهای كشورهای در حال توسعه را برآورده ‌سازند. بر این اساس با توجه به توانمندی های فراوان فناوری نانو نسبت به روش های قدیمی و سنتی موجود، در حذف و کنترل آلودگی های محیطی و همچنین تصفیه و جلوگیری از انتشار آلودگی ها، می توان آن را به عنوان یک تکنولوژی سبز و ابزاری موثر برای دستیابی به توسعه ای پایدار ، چه از نظر اقتصادی و چه از نظر بهره وری بیشتر در نظر گرفت. لذا در این پروژه کاربردهای نانوجاذب های بر مبنای کیتوسان در تصفیه آب آشامیدنی  برای حذف آرسنیک سه ظرفیتی و باکتری مورد بررسی قرار خواهد گرفت.