سنتز سونوشیمیایی نانوذرات مغناطیسی و مطالعات جذب سطحی پارانیتروفنول از محیط آبی به وسیله کربن فعال مغناطیسی شده

یکی از روش های مناسب جهت تهیه نانوبلورهای اکسید منگنز ( ) سیستم سنتزی سونو- امولسیون با استفاده از روغن های گیاهی (روغن زیتون و بادام) و روغن معدنی (پارافین مایع) می باشد. نتایج نشان داده است که اندازه ، شکل و میزان بلورینگی نانوذرات به نوع محیط روغنی وابسته است[314]. شدت، فرکانس و نوع تابش فراصوت (مستقیم و غیر مستقیم) بر روی شکل، اندازه، توزیع اندازه نانوذرات، میزان بلورینگی و حتی ترکیب شیمیایی نانوبلورهای اکسید منگنز موثر می باشد. نانوبلورهای اکسید منگنز در محیط خنثی صرفا در حضور تابش فراصوت سنتز می گردند و در غیاب امواج فراصوت محصول تشکیل نمی گردد. حضور هوا (اکسیژن) در تهیه نانوبلورهای اکسید منگنز در حضور امواج فراصوت نقش کلیدی دارد به طوری که در اتمسفر آرگون محصول ناچیزی تشکیل می گردد. کاهش توان و شدت فراصوت منجر به افزایش اندازه نانوذرات و تشکیل ساختارهای میله ای می شود. افزایش اندازه نانوذرات در امواج فراصوت با توان کم ناشی از امواج فراصوت شوک دهنده و میکروجت هایی است که به طور پیوسته در محیط تشکیل می گردند و باعث فعال شدن سطح مشترک نانوذرات و افزایش انتقال جرم در لایه مرزی می شوند. در این شرایط فرایند پیوستگی جهت دار از طریق تجمع غیر برگشت پذیر بین ذرات اولیه رخ می دهد و همین امر منجر به افزایش اندازه ذرات می گردد. به علاوه مشاهده شده است که در حمام فراصوت با شدت پایین در محیط خنثی و در غیاب میدان مغناطیسی نانومیله تشکیل گردیده است این مشاهدات اثبات می نماید که تجمع بین نانوذرات و فرایند پیوستگی جهت دار، مکانیزم غالب در تابش فراصوت با توان پایین است. بر این اساس ایجاد شرایط حاد و افزایش تلاطم و امواج شوک دهنده در فراصوت با شدت بالا مانع از فرایند تجمع جهت دار می گردد. نتایج نشان داده است که naoh تمایل شدیدی به جذب سطحی بر روی سطح نانوذرات دارد. در این حالت naoh به عنوان عامل پوشش دهنده قوی بر روی سطح نانوذرات از رشد نانوذرات توسط مکانیزم استوالد رایپنینگ جلوگیری می نماید. به همین دلیل اندازه نانوذرات در روش کلاسیک رشد چندانی نداشته است. اما هنگامی که نانوذرات در حضور امواج فراصوت سنتز می گردند تابش فراصوت موجب واجذبی برگشت ناپذیر naoh از روی سطح نانوذرات می گردد. عمل واجذبی توسط تابش فراصوت ناشی از تاثیر پدیده کویتاسیون و فروپاشی حباب بر روی سطح نانوذرات است. بنابراین نانوذراتی که درحضور امواج فراصوت تهیه می گردند از رشد بیشتری برخوردارند[315].. تاثیر میدان مغناطیسی خارجی برای اولین بار بر محلول اولیه قبل از شروع سنتز مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت [316].. نتایج نشان می دهد که افزایش tmf از 2 تا 24 ساعت باعث افزایش زمان القا ، اندازه ذرات، میزان تشکیل نانومیله ها و کاهش مغناطش نمونه در محلول های خنثی می گردد. تاثیر میدان مغناطیسی بر روی محلول اولیه موجب به تاخیر افتادن سرعت هسته زایی و افزایش سرعت رشد بلور می گردد. میدان مغناطیسی خارجی بیشترین تاثیر را بر روی سنتز نانوبلورها در محیط خنثی و امواج فراصوت با شدت پایین دارد. تهیه نانوبلورهای منگنز فریت نیز توسط حمام فراصوت (امواج دهی غیر مستقیم و توان پایین) و روش رسوبگذاری معکوس انجام شد. نتایج نشان دادند که در چنین شرایطی مورفولوژی پولک مانند بدست آمده که نانوپولک ها دارای پهنای nm 500 می باشند. در واقع میکروجت ها و امواج شوک دهنده ناشی از تابش فراصوت سطح مشترک بین نانوذرات تشکیل شده را فعال نموده و به این ترتیب باعث افزایش انتقال جرم در لایه مرزی می گردند. در شرایط تابش دهی پیوسته، فرایند رشد از طریق مکانیزم پیوستگی جهت دار و به دلیل برخورد نانوذرات و همراستا شدن آنها انجام می پذیرد که این امر منجر به تشکیل ساختار دو بعدی پولک مانند می گردد. در بخش بعدی رشد نانوذرات مزوبلور توسط سورفکتانت های pvp و peg با وزن مولکولی های متفاوت (peg300، peg6000 و peg10000) مورد بررسی قرار گرفته است[317]. پارامترهای مختلف از قبیل زمان القا، پایداری نانوذرات، توزیع اندازه نانوذرات و یکنواختی در اندازه و شکل توسط سورفکتانت های پلیمری تحت تاثیر قرار می گیرد. نتایج نشان داده است که اندازه نهایی نانوذرات درحالتیکه از سورفکتانت با وزن مولکولی کمتر استفاده شده است، بیشتر است. بررسی های سینتیکی نیز نشان داده است که نتایج تجربی با مدل استوالد رایپنینگ در توافق است (3(n=. بنابراین نفوذ یون و یا اتم در سطح مشترک نانوذرات کنترل کننده مرحله رشد نانوذرات اولیه می باشد. نتایج نشان می دهند که جذب سطحی سورفکتانت ها بر روی نانوذرات اولیه نکته کلیدی در کنترل فرایند رشد نانوبلورهای منگنز فریت است. نانوذرات مغناطیسی منگنز فریت و مگنتیت نیز توسط روش گرمادهی محلول در حضور دو سورفکتانت peg300 و pvp به عنوان پیوند دهنده بین نانوذرات تهیه گردیدند. مطالعه اندرکنش و جذب سطحی این سورفکتانت ها بر روی سطح نانوذرات مغناطیسی و تاثیر یون فلزی منگنز و آهن در ساختار اسپینل در توزیع اندازه و شکل نانوذرات مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعات نشان دادند که جذب سورفکتانت ها بر روی سطح نانوذرات منگنز فریت بیشتر از مگنتیت می باشد. علاوه بر این، میزان جذب سورفکتانت نه تنها به یون فلزی موجود در ساختار اسپینل نانوذرات بستگی دارد بلکه به نوع خود سورفکتانت نیز وابسته است. به طوریکه جذب peg300 بر روی نانوذرات بیشتر از pvp است. این امر بر روی پایداری کلوییدی این نانوذرات در حلال های قطبی و اندازه و توزیع اندازه آنها موثر بوده است. در کار بعدی نانوبلورهای منگنز فریت در محیط اتیلن گلیکول و بدون استفاده از سورفکتانت تهیه شد و اثر انواع آنیون های مختلف (آنیون های آلی و معدنی) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که آنیون های آلی منجر به یکنواختی کمتر در شکل و اندازه می گردد. پارامترهای دیگر که مورد بررسی قرار گرفتند شامل اثر غلظت اولیه آغازگر و دما می باشد. در نهایت پایداری نانوذرات در حلال های قطبی (آب، اتانول، اتیلن گلیکول و گلیسرول) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داده است که پایداری نسبتا خوبی در حلال های اتیلن گلیکول و گلیسرول حاصل شده است که می تواند مربوط به ویسکوزیته بالای آنها باشد. تهیه نانوذرات مگنتیت نیز توسط ترکیب روش امواج فراصوت و محیط اتیلن گلیکول بدون استفاده از سورفکتانت یکی دیگر از کارهایی است که مورد بررسی قرار گرفت[318]. پایداری نانوذرات مگنتیت در حلا ل های قطبی نیز مطالعه شد اما بیشترین بررسی و آنالیز در مورد پایداری این نانوذرات در اتانول بوده است. این شیوه سنتزی نتایج مفیدی را در برداشت: 1- هیچ گونه سورفکتانت در این روش مورد استفاده قرار نگرفت، 2- آماده سازی نانوذرات مگنتیت و آبدوست نمودن سطح نانوذرات در یک مرحله انجام گرفت، 3- در این روش بر خلاف روش های دیگر پلی ال که دردمای جوش حلال انجام می گیرد، سنتز نانوذرات در دمای پایین انجام گرفت، 4- نانوذرات آبدوست مگنتیت به آسانی در آب و دیگر حلال های قطبی قابل پراکندگی هستند و 5- نانوذرات مغناطیسی بدست آمده حتی بعد از یک سال در اتانول پایداری خوبی را نشان دادند.البته این نکته قابل توجه است که در این روش شدت امواج فراصوت نقش کلیدی در پوشش دهی سطح نانوذرات توسط لیگاند های آلی را به عهده دارد. در بخش آخر، کربن فعال و نانوکامپوزیت مغناطیسی تهیه گردید، مشخصه یابی شد و جهت حذف آلاینده پارانیتروفنل مورد استفاده قرار گرفت[319]. سطح مخصوص برای کربن فعال m2/g 447 بدست آمد اما سطح مخصوص در نانوکامپوزیت های مغناطیسی با نسبت های (1:8) و (1:5) به ترتیب m2/g 435 و m2/g 340 بود. جذب سطحی مولکول پارانیتروفنل بر روی کربن فعال در ph های اولیه مختلف تفاوت چندانی نشان نداد. ظرفیت جذبی و بازدهی حذف با افزایش محتوای نانوذرات مگنتیت بر روی سطح کربن فعال کاهش یافت. دو مدل ایزوترمی لانگمویر و فرندلیچ بر روی نمونه ها بررسی شد. همه نمونه ها به غیر از نمونه کربنی در حضور امواج که از مدل لانگمویر تبعیت می کرد، با مدل فرندلیچ تطابق داشتند. سرعت جذب مولکول پارانیتروفنل با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم همخوانی داشت. در مقایسه بین نتایج حاصل از اثر امواج فراصوت و شرایط کلاسیکی سرعت جذب و مقدار جذب شده به ویژه با افزایش غلظت آلاینده در حضور امواج فراصوت و بر روی سطح کربن فعال افزایش نشان می دهد. در مورد کربن فعال مقدار ثابت سرعت نفوذ درون ذره ای که در حضور تابش فراصوت به دست آمده است بیشتر از حالت کلاسیک است. زیرا تابش فراصوت باعث افزایش انتقال جرم در روی سطح جاذب می شود. نانوکامپوزیت مغناطیسی حاصل را می توان به راحتی توسط یک آهن ربا از محیط خارج نمود و بعد از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی آنها را به راحتی دوباره در محیط آبی پراکنده کرد. در این کار کربن فعال از مواد ارزان قیمت تهیه شده که دارای سطح و ظرفیت جذبی بالا می باشد. ترکیب کربن فعال با نانوذرات مگنتیت منجر به تهیه نانوکامپوزیت مغناطیسی شده که به دلیل خاصیت سوپرپارامغناطیسی توانمندی استفاده در سیستم فیلتراسیون مغناطیسی را دارا است.