چکیده

کمبود آب در ایران به عنوان یک منطقه خشک، محققان را به سمت بازگردانی و بازیافت منابع آب متمایل نموده­است. در میان تعدد روش­های ارائه شده برای تصفیه و بازیافت منابع آب، استفاده از جاذب های کربنی با خواص جذبی فوق العاده، گزینه مناسبی است. در میان این ساختارها نمد کربنی (carbon felt) متخلخل، بافته شده از الیاف کربن به دلیل دارا بودن خواص منحصر به فرد الیاف کربنی انتخاب مناسبی به عنوان پایه جاذب است. تنها مشکل این نمدها نسبت سطح به حجم کم آن­هاست، که می­توان آنرا از طریق کامپوزیت­سازی نمدکربنی با نانولوله­های کربنی رفع کرد. از این­رو هدف از این پژوهش طراحی، ساخت و مشخصه­یابی جاذب­های نانوکامپوزیتی نمد کربنی- نانولوله کربنی جهت تصفیه پساب­ها و نمک­زدایی از آب دریا است. در این راستا نانولوله­های کربنی به عنوان تقویت­کننده در جاذب کامپوزیتی بر سطح کاتالیست نیکل سنتز شد. در سنتز نانولوله­های کربنی توسط فرایند نفوذ بخار شیمیایی بهینه­سازی پارامترهای دما، زمان فرایند و هم­چنین نحوه توزیع و نشست ذرات کاتالیستی روی سطح نمدکربنی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از طرفی به دلیل اهمیت کاهش اندازه و بهبود توزیع ذرات نیکل در تعیین مورفولوژی نانولوله­های سنتز شده و سطح ویژه جاذب نانوکامپوزیتی ساخته شده، اثر پارامترهای مختلفی چون امواج اولتراسونیک، غلظت محلول و به کارگیری عامل پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. پس از ساخت کامپوزیت­ها، مشخصه­یابی به منظور ارزیابی مورفولوژی و تعیین مکانیزم رشد (SEM, FESEM, TEM and HRTEM)، ساختار شیمیایی (FTIR-ATR, Raman and XPS) و فازی (XRD) و سطح ویژه (BET) صورت گرفت. در ادامه پس از انتخاب پارامترهای بهینه ساخت نانوکامپوزیت، عملکرد جذبی جاذب نانوکامپوزیتی ساخته شده قبل و بعد از فعال­سازی شیمیایی در جذب کاتیون­های آلاینده و ایجاد کننده شوری در مدت زمان­های مختلف مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. در پایان مدل­ها سینتیکی و ایزوترم­های جذب بر داده­های آزمایشگاهی برازش شده و پیش­بینی­های احتمالی از مکانیزم جذب ارائه شد. تصاویر میکروسکوپی حاصل از نمونه­های کامپوزیتی حضور نانولوله­های کربنی با قطرهایی در محدوده نانومتری بر سطح الیاف را تایید کرده و نشان داد که با افزایش زمان فرایند CVI نانولوله­ها ساختار نانومتری خود را از دست نداده و رشد طولی دارند. این افزایش طول و در هم تنیده شدن نانولوله­های کربنی سنتز شده منجر به ایجاد یک شبکه سه بعدی پیچیده از نانولوله­های کربنی با ساختار متخلخل منحصر به فرد جهت کاربرد نمونه در تصفیه آب شده­است. نتایج هم­چنین نشان داد که استفاده از پلیمر PVP در مرحله نشست ذرات کاتالیستی روی الیاف منجر به بهبود قابل توجه توزیع ذرات شده و ساختارهای نانومتری ظریف­تر و یکنواخت­تری ایجاد می­کند. نتایج آزمون BET نیز نشان می­دهد که با استفاده از این پلیمر سطح ویژه از   m²/g80/53 تا   m²/g45/262 در زمان مشابه فرایند CVI افزایش یافته است. نتایج آزمون جذب نیز حاکی از آنست که جاذب ساخته شده پس از فعال­سازی شیمیایی توانایی کاهش میزان کاتیون­های فلزات سنگین را تا 94% درصد داراست. هم­چنین میزان جذب کاتیون­های ایجاد کننده شوری توسط جاذب پس از فعال­سازی تا 52% افزایش می­یابد. نتایج نشان داد که انطباق داده­های آزمایشگاهی جاذب تولیدی با مدل فروندلیچ بیشتر بوده و جذب به صورت چندلایه روی جاذب رخ می­دهد. بنابراین جاذب نانوکامپوزیتی ساخته شده به دلیل ساختار متخلخل منحصر به فرد، سطح ویژه مناسب و مکان­های فعال زیاد در سطح خود قابلیت جذب آلاینده­های منابع آب را دارا بوده و برای استفاده در فرایندهای تصفیه و نمک­زدایی آب مناسب می­باشد.

کلمات کلیدی: جاذب­های متخلخل، کامپوزیت نمدکربنی- نانولوله کربنی، نانولوله­های کربنی، فرایند نفود بخار شیمیایی، کاتالیست نیکل، پلی وینیل پیرولیدون، تصفیه آب، فلزات سنگین، نمک­زدایی.