حذف متيلن بلو از محلول‌هاي آبي با استفاده از نانوصفحات گرافن اكسايد: مطالعه‌ سينتيك و ايزوترم

Removal of methylene blue from aqueous solution using graphene oxide nanosheets: kinetic and isotherm study

- امروزه رنگ‌هاي مصنوعي به طور گسترده در صنايع مختلفي از قبيل نساجي، كاغذ، چرم، مواد غذايي، صنايع آرايشي، پلاستيك‌سازي، لاستيك‌سازي، چاپ و كارخانجات توليد رنگ مورد استفاده قرار مي‌گيرند. تخليه‌ي اين تركيبات به درون منابع آبي، به دليل ماهيت بسيار پايدار اين تركيبات يكي از منابع مهم آلودگي آب محسوب مي‌شود. در اين مطالعه نانوصفحات گرافن‌اكسايد براي حذف رنگ كاتيوني متيلن‌بلو از محلول آبي مورد استفاده قرار گرفته است. گرافن اكسايد با استفاده از روش اصلاح شدهي هامر كه شامل اكسيداسيون گرافيت در حضور اكسيدكنندههاي قوي و در دماهاي مختلف است، سنتز گرديد. براي بررسي خصوصيات فيزيكي گرافن اكسايد از الگوي طيف مادون قرمز و پراش پرتو ايكس استفاده شد. نتايج پراش اشعه ايكس شان‌دهنده ساختار كريستالي 0 0 1 براي گرافن اكسايد و تاييد كننده سنتز صحيح گرافن اكسايد به همراه گروه‌هاي عاملي اكسيژن دار بر روي سطح آن بود. همچنين الگوي مربوط به طيف مادون قرمز نشان دهنده‌ي ساختار لايه اي كربن به همرا گروه‌هاي عاملي مختلف مانند كربوكسيل، هيدروكسيل، كربونيل و غيره بر روي سطح جاذب بود. طي اين مطالعه جذب متيلن‌بلو بر روي گرافن‌اكسايد در شرايط مختلف از قبيل زمان تماس (1 تا 4 ساعت)، دوز جاذب (05/0 تا 7/0 گرم بر ليتر)، pH محلول (3 تا 9) و غلظت اوليه رنگ (50 تا 400 ميلي‌گرم بر ليتر) مورد آزمون قرار گرفت. نتايج نشان داد كه با افزايش دوز جاذب، درصد جذب متيلن بلو بر روي گرافن اكسايد افزايش مييابد. با افزايش pH محلول رنگي از 3 به 6، مقدار جذب متيلن بلو افزايش يافته و پس از آن با افزايش pH محلول از 6 به 9 مقدار جذب كاهش مييابد. همچنين با افزايش غلظت اوليهي محلول رنگي درصد جذب رنگ به طور معنيداري كاهش مييابد. نتايج آزمايشات نشان داد كه بيشترين مقدار جذب (910 ميلي گرم بر گرم)، در شرايطي با دوز جاذب 05/0 گرم بر ليتر، غلظت اوليه 50 ميلي‌گرم بر ليتر، زمان تماس 2 ساعت و 6pH= اتفاق مي‌افتد كه اين مقدار جذب در مقايسه با تحقيقات مشابه صورت گرفته توسط ديگر محققان بسيار زياد است و نشان دهندهي كارايي بالاي گرافن اكسايد سنتز شده در اين پژوهش است. سينتيك جذب با استفاده از سه مدل سينتيكي الوويچ، شبه مرتبه اول و شبه مرتبه دوم مورد بررسي قرار گرفت. مطالعه سينتيك نشان داد كه حداكثر مقدار جذب پس از دو ساعت اتفاق مي‌افتد و سينتيك جذب از فرم خطي مدل سينتيكي شبه مرتبه دوم پيروي ميكند و همبستگي نسبتا بالايي نيز با مدل سينتيكي الوويچ دارد. ايزوترم جذب در محدوده‌ي pH 3 تا 9، غلظت اوليه‌ي 50 تا 400 ميلي‌گرم بر ليتر و دوز جاذب 05/0 تا 7/0 گرم بر ليتر در دماي 25 درجه سلسيوس و با استفاده از دو مدل ايزوترمي فروندليچ و لانگمير بررسي شد. داده‌هاي تعادلي نشان از همبستگي بسيار بالاي ايزوترم با مدل لانگمير و عدم همبستگي داده ها با مدل فروندليچ داشت. نتايج اين تحقيق نشان داد كه گرافن اكسايد با داشتن سطح ويژهي بسيار بالا و وجود گروههاي عاملي اكسيژن دار متعدد بر روي سطح آن از كارايي بسيار بالايي براي حذف آلايندههاي كاتيوني از محيطهاي آبي برخوردار است.

Today, Synthetic dyes are widely used by many industries such as textile, paper, leather, food, cosmetics, plastics and rubbers, printing and coloring purposes. Discharge of this substances into the water resources is an important source of water pollution, because of the high stability of these compounds. In this study, graphene oxide nanosheets have been used for the adsorption of methylene blue, a cationic dye from aqueous solution. Graphene oxide was synthesized using modified Hummer method, including oxidation of graphite in the presence of strong oxidants at different temperatures. The physical characteristics of graphene oxide nanosheets studied using Fourier transform infrared (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). The adsorption of the methylene blue onto the graphene oxide nanosheets has been carried out at different experimental condition such as contact time (1- 4 hours), adsorbent dosage (0.05 - 0.7 g/l), pH of solution (3 - 9) and initial concentration of dye (50 – 400 mg/l).The results showed that with increasing adsorbent dosage, removal percentage of methylene blue onto graphene oxide was increased. Also adsorption of methylene blue was increased by increasing pH of dye solution from 3 to 6 and then decreased from pH 6 to 9. Dye adsorption was significantly reduced with increasing initial dye concentration. The results show that the maximum adsorption (910 mg/g) under these conditions; adsorbent dosage of 0.05 g/l, initial concentration of 50 mg/l, two hours contact time and pH=6, compared with similar studies conducted by other researcher was very high adsorption, reflects the efficiency of graphene oxide that synthesized in this study. The kinetic of adsorption data analyzed using three kinetic models such as elovich model, pseudo first-order model and pseudo second order model. Kinetic study indicated that the maximum adsorption was reached at two hours and follows the linear form of pseudo second-order kinetic model and also have a relatively high correlation with the elovich kinetic model. The adsorption isotherm has been investigated using two Freundlich and Langmuir isotherm models in the pH range of 3 to 9, initial concentration of 50 to 400 mg/l and the adsorbent dosage of 0.05 to 0.7 g/l in 25 °C. The equilibrium data fitted to the Langmuir isotherm model well and did not fitted to the Freundlich model. Results of this study shows that, graphene oxide nanosheets by having a high specific surface area and the presence of numerous oxygen-containing functional groups on the surface, can be known as a good adsorbent for the adsorption of cationic pollutants from aquatic environments.