سنتز نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا

سنتزنانوبیوکامپوزیتنقره-پودرکفدریا

علی مهری­زاد*

گروه شیمی، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران

تاریخ دریافت: 24/01/95              تاریخ تصحیح: 15/07/95           تاریخ پذیرش: 17/12/95

چکیده

درتحقیقحاضر،  ابتدامحلولکلوئیدینانوذراتنقرهازاحیاءنمکنیتراتنقرهبهروشاحیاءشیمیاییسنتزشد. دراین روش پلی وینیل الکل (PVA)بهعنوانعاملپایدارکنندهوتریسدیمسیتراتبهعنوانعاملاحیاءکنندهمورداستفادهقرارگرفت. طیفسنجیجذبمرئی-فرابنفش (UV-Vis) وتکنیکپراکندگیدینامیکینور (DLS)تشکیلنانوذراتنقرهبااندازهمتوسط 43  نانومترراتاًییدکردند. درمرحلهبعدیپودرکفدریاخریداریشده،چندینمرتبهباآبمقطرشستشودادهشدوپسازخشککردنازالکعبوردادهشدتاذراتبااندازهیکنواختحاصلشوند. ترکیباجزاءسازندهپودرآمادهسازیشدهبااستفادهازطیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF)شناساییشد. برایتهیهنانوبیوکامپوزیتموردنظر،مقدارمناسبیازمحلولکلوئیدینانوذراتنقرهسنتزشدهبامقدارمعینیازپودرکفدریاآمادهسازیشده،تحت امواج  اولتراسونیکمخلوطشدند.  بررسیتصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM)بیانگرتوزیعیکنواختنانوذراتنقرهدربسترپودرکفدریابود.

واژگان کلیدی: نانوذرات نقره، احیاء شیمیایی، پودر کف دریا، نانو بیوکامپوزیت

1-    مقدمه

امروزه استفاده از ذرات فلزی صفر ظرفیتی در پاکسازی آب­ها و خاک­های آلوده، موضوع بسیاری از تحقیقات بوده و مقالات منتشر شده در این زمینه حاکی از آن است که این ذرات (بویژه در مقیاس نانو) توانائی فوق­العاده­ای دارند. در سال­های اخیر پیشرفت­های چشمگیری در تبدیل آلاینده­های آلی و معدنی به ترکیبات بی­ضرر با استفاده از فلزات صفر ظرفیتی نظیر آهن صورت پذیرفته است  [5-1]. اساس کار برد  این است که آلاینده­های زیست محیطی می­توانند فلزات صفر ظرفیتی را اکسید نموده و خود احیاء شوند. مشکل اصلی استفاده از ن[1]انوذرات فلزات صفر ظرفیتی این است که چنین ذراتی به دلیل واکنش­پذیری بسیار بالا به سرعت اکسیده شده و یا کلوخه­ای می­شوند که این امر منجر به کاهش مکان­های فعال می­شود. راه حل این مشکل تهیه کامپوزیت­هایی است که قادر به تثبیت و نگهداری این نانوذرات می­باشند. در نتیجه، امروزه  مطالعاتی در زمینه نگهداری و تثبیت این نانوذرات بر روی مواد مختلفی مانند زئولیت­ها، خاک رس، کربن فعال صورت پذیرفته است [8-6]. در سال­های اخیر نانوذرات نقره کاربردهای زیادی در زمینه­های مختلف پیدا کرده­اند که از آن جمله می­توان به کاربرد این ذرات در حذف آلاینده­ها اشاره کرد [12-9]. نانوذرات نقره با استفاده از روش­های مختلفی مانند احیاء شیمیایی، الکتروشیمیایی، فوتوکاتالیزوری و غیره تهیه شده­اند[16-13]. یکی از رایج­ترین روش­ها برای سنتز نانوذرات نقره، احیاء شیمیایی محلول نمک­های نقره به وسیله عوامل احیاءکننده مناسب می­باشد که در فرآیند سنتز، کاتیون­های نقره با استفاده از عامل احیاءکننده احیاء شده و بصورت ذرات نقره صفر ظرفیتی حاصل می­شوند. همان­طور که قبلاً اشاره شد، مشکل اصلی استفاده از نانوذرات فلزات صفر ظرفیتی، سرعت اکسیده شدن بسیار بالای چنین ذراتی است که منجر به کاهش مکان­های فعال می­شود و راه حل این مشکل، تثبیت و نگهداری چنین ذراتی در بستر کامپوزت­ها می­باشد. به همین منظور در تحقیق حاضر در نظر است از پودر کف دریا به عنوان بستر کامپوزیت استفاده شود. کف دریا، غضروف پشت نرم تنی است که مخصوص آب­های شور است و هنگامی که این نرم تن می­میرد و بدنش توسط ماهی­ها خورده می­شود این غضروف توسط ماهی­ها قابل خوردن نبوده و چون سبک است به سطح آب دریا آمده و توسط امواج به سمت ساحل کشیده می­شود و توسط مردم محلی جمع آوری شده و پس از خشک شدن به قیمت ناچیزی جهت تغذیه پرندگان و یا سایر مصارف نظیر پودر سفید کننده دندان به فروش می­رسد [17و18]. در این تحقیق در نظر است ابتدا نانوذرات نقره به روش احیاء شیمیائی سنتز شده و از آمیختن این نانوذرات با پودر کف دریا، نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا تهیه شود.

2-    روش تجربی

2-1- مواد شیمیایی و دستگاه­ها

پودر کف دریا از فروشگاه عطاری خریداری شد. نیترات نقره (AgNO₃)، پلی وینیل الکل (PVA) و تری سدیم سیترات (Na₃C₆H₅O₇) از شرکت مرک تهیه شد. در تمامی آزمایشات از آب دوبار تقطیر (دیونیزه) استفاده شد.

برای تهیه نانو بیوکامپوزیت نقره- پودر کف دریا از دستگاه اولتراسونیک Elma T 460/H, 170 W, 35 kHz استفاده شد. به منظور شناسائی نانوذرات نقره سنتز شده از اسپکتروفوتومتر دو شعاعی مرئی فرابنفش ([2]UV-Vis) UV-1700 Shimadzu و دستگاه پراکندگی دینامیکی نور (DLS[3]) ZS 3600 Malvern Nanosize استفاده شد. جهت ارزیابی عناصر و اجزاء سازنده پودر کف دریا از طیف­سنج فلورسانس اشعه ایکس ([4]XRF) ED 2000 Oxford استفاده گردید. برای بررسی ریخت شناسی (مورفولوژی) کامپوزیت تهیه شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی ([5]FE-SEM) MIRA3FEG Tescan استفاده شد.

2-2- روش سنتز نانوذرات نقره

ابتدا محلول کلوئیدی نانوذرات نقره از احیاء نمک نیترات نقره به روش احیاء شیمیایی سنتز شد. برای این منظور در ارلن مایر کاملاً تمیز 500 میلی­لیتری مقدار 225 میلی­لیتر آب دوبار تقطیر ریخته شد و بر روی آن 25 میلی­لیتر پلی وینیل الکل 1 % اضافه شد و مخلوط حاصل بر روی همزن مغناطیسی (با دور rpm 800) مجهز به هیتر قرار داده شد و تا نزدیکی نقطه جوش حرارات داده شد. قبل از جوشیدن محلول، 500 میکرو­لیتر از نیترات نقره 40 مولار اضافه شد و در حین جوشیدن 3 میلی­لیتر از تری­سدیم سیترات 15 % بصورت قطره قطره اضافه شد. ارلن حاوی محتویات فوق در درون مخلوط آب و یخ قرار داده شد تا دمای آن به 8-7 درجه سلسیوس کاهش یابد.

2-3- روش آماده­سازی پودر کف دریا

پودر کف دریا خریداری شده، چندین مرتبه با آب مقطر شستشو داده شد و پس از خشک کردن از الک عبور داده شد تا ذرات با اندازه یکنواخت حاصل شوند.

2-4- روش تهیه نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا

به منظور تهیه نانو بیوکامپوزیت نقره- پودر کف دریا، ارلن محتوی 200 میلی­لیتر محلول کلوئیدی نانوذرات نقره سنتز شده به مدت 5 دقیقه تحت امواج اولتراسونیک (با فرکانس 45 کیلو هرتز و قدرت100 % ) قرار داده شد، سپس 20 گرم از پودر کف دریای آماده­سازی شده بر روی آن اضافه شد و مخلوط حاصل به مدت 30 دقیقه تحت امواج اولتراسونیک قرار داده شد. نهایتاً مخلوط تهیه شده با استفاده از قیف بوخنر صاف شد و پودر حاصل در داخل آون با دمای 60 درجه سلسیوس به مدت 20 ساعت خشک شد.

3-    بحث و نتیجه­گیری

در این بخش به ترتیب، نتایج حاصل از ارزیابی کیفیت نانوذرات نقره سنتز شده، پودر کف دریا آماده­سازی شده و نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا تهیه شده ارائه شده است.

3-1- شناسائی نانوذرات نقره سنتز شده

به منظور شناسائی نانوذرات نقره سنتز شده و نیز تعیین سایز و دامنه توزیع نانوذرات به ترتیب از طیف حاصل از طیفسنجی جذب مرئی فرابنفش (UV-Vis) و نمودار بدست آمده از تکنیک پراکندگی دینامیکی نور (DLS) بهره برده شد که نتایج در شکل­های 1 و2 شده است.

شکل 1. طیف جذبی UV-Vis نانوذرات نقره سنتز شده

شکل 2. نمودار DLS نانوذرات نقره سنتز شده

همان­طور که از شکل 1 مشاهده می­شود حداکثر طول موج جذب محلول کلوئیدی نانوذرات نقره برابر 465 نانومتر می­باشد که این مقدار از مشخصات جذبی نانوذرات نقره در ناحیه مرئی-فرابنفش بوده و در توافق با یافته­های دیگر پژوهشگران می­باشد [19]. با توجه به شکل 2 نیز ملاحظه می­شود میانگین سایز ذرات نقره سنتز شده برابر 13/43 نانومتر می­باشد.

3-2- شناسائی پودر کف دریا

جهت شناسائی عناصر و اجزاء سازنده پودر کف دریا از تکنیک طیف­سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF) استفاده شد که نتایج حاصل در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1. نتایج آنالیز XRF پودر کف دریا

با توجه به نتایج مندرج در جدول 1 ملاحظه می­شود که قسمت اعظم پودر از اکسید کلسیم تشکیل شده است.

3-3- شناسائی نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا

به منظور ارزیابی ریخت شناسی (مورفولوژی) کامپوزیت تهیه شده و نیز بدست آوردن نقشه نقطه به نقطه (Dot mapping) آن، از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) استفاده شد که تصاویر  حاصل در شکل­های3 و4  نشان داده  شده است.

شکل 3. تصویر FE-SEM نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا

شکل 4. Dot mapping نانو بیوکامپوزیت نقره-پودر کف دریا

با توجه به تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و نقشه نقطه به نقطه نانو بیوکامپوزیت تهیه شده (شکل­های 3و4) ملاحظه می­شود که توزیع نانوذرات نقره در بستر پودر کف دریا بصورت کاملاً یکنواخت می­باشد که حاکی از موفقیت در تثبیت و نگهدای نانوذرات نقره در بستر کامپوزت می­باشد که این امر می­تواند در کاربرد نانوذرات نقره در زمینه­های رفع آلودگی ترکیبات آلی نقش بسزائی ایفا کند.

4-    نتیجه­گیری

طیف جذبی UV-Vis و نمودار DLS مؤید سنتز نانوذرات نقره با قطر متوسط 13/43 نانومتر می­باشد. شناسائی ترکیب شیمیایی پودر کف دریا با تکنینک XRF نشان داد که بخش اعظم آن از اکسید کلسیم تشکیل شده است. تصاویر حاصل از FE-SEM و   Dot mapping  حاکی از آن است که توزیع ذرات نقره در بستر پودر کف دریا بصورت یکنواخت صورت پذیرفته است.

5-    مراجع

[1] X. Fan, F. Zhang, G. Zhang, J. Du, Dyes Pigments, 75 (2007) 189.

[2] C. J. Liao, T. L. Chung, W. L. Chen, S. L. Kuo, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 265 (2007) 189.

[3] Y. H. Hwang, D. G. Kim, H. S. Shin, Journal of Hazardous Materials, 185 (2011) 1513.

[4] T. Almeelbi, A. Bezbaruah, Journal of Nanoparticle Research, 14 (2012) 900.

[5] M. Agrwal, D. Patel, International Journal of Environmental Research, 9 (2015) 1055.

[6] G. Riahi, D. Guillemot, M. Polisset-Thfoin, A. A. Khodadadi, J. Fraissard, Catalysis Today, 72 (2002) 115.

[7] M. M. Hossain, M. A. Al-Saleh, M. A. Shalabi, T. Kimura, T. Inui, Applied Catalysis: A, 274 (2004) 43.

[8] F. Marahel, M. Ghaedi, S. Nasiri Kokhdan, Fresenius Environmental Bulletin, 21 (2012) 163.

[9] H. H. Nersisyan, J. H. Lee, H. T. Son, C. W. Won, D. Y. Maeng, Material Research Bulletion, 38 (2003) 949.

[10] A. Panacek, L. Kvitek, R. Prucek, M. Kolar, R. Vecerova, N. Pizurova, Journal of Physical Chemistry, 110 (2006) 16248.

[11] S. Shrivastava, T. Bera, A. Roy, G. Singh, P. Ramachandrarao, D. Dash, Nanotechnology, 18 (2007) 103.

[12] B. Reidy, A. Haase, A. Luch, K. A. Dawson, I. Lynch, Materials, 6 (2013) 2295.

[13] E. Sumesh, M. S. Bootharaju, A, T. Pradeep, Journal of Hazardous Materials, 189 (2011) 450.

[14] J. Pal, M. Kanti Deb, D. K. Deshmukh, D. Verma, Applied Water Science, 3 (2013) 367.

[15] A. Ebeling, V. Hartmann, A. Rockman, A. Armstrong, R. Balza, J. Erbe, D. Ebeling, Computational Water, Energy, and Environmental Engineering,  2 (2013) 16.

[16] T. Ahmed, Z. Ahmad Bhatti, F. Maqbool, Q. Mahmood Faridullah, S. Qayyum, N. Mushtaq Desalination and Water Treatment, 57 (2016) 1.

[17] J. Cadman, S. Zhou, Y. Chen, Q. Li, Journal of Bionic Engineering, 9 (2012) 367.

[18] M. R. Shushizadeh, E. Moghimi Pour, A. Zare, Z. Lashkari, Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre, 6 (2015) 133.

[19] A. R.Kiasat, R. Mirzajani, F. Ataeian, M. Fallah-Mehrjard, Chinese Chemical Letters, 21 (2010) 1015.