كليدواژه :
آبگريزي , آيروژل سلولزي , پيونددهنده عرضي , كاه برنج , ماده جاذب
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: پسماندهاي زيستي نظير ليگنوسلولزها به دليل قابليت تجديد پذيري، زيست تخريب پذيري و هزينه كم براي پالايش و پاكسازي آب آلوده بسيار مورد توجه هستند. توليد جاذب هايي با ظرفيت جذبِ قابل توجه به عنوان راهكاري نوين در حذف آلودگي هاي آبي، امري ضروري است. آيروژل هاي سلولزي به دليل خواص ويژه خود نظير دانسيته كم، مساحت سطح ويژه و تخلخل زياد، از عملكرد و كارايي خوبي به عنوان جاذب برخوردارند. اين مواد از حيث فراواني در طبيعت، سادگي فرايند توليد و ارزش اقتصادي بالا جايگاه ويژه اي دارند. اين مقاله به ارزيابي كارايي آيروژل سلولزي آبگريز استخراج شده از كاه برنج در حذف حلال هاي آلي غير قابل امتزاج در آب مي پردازد.
مواد و روش ها: كاه برنج، پس از شستشو و خشك شدن، آسياب و واكس موجود در آن با استفاده از فرايند سوكسوله حاوي تركيب تولوئن/ اتانول خارج مي شود. جداسازي ليگنين با محلول كلريت سديم در محيط اسيدي انجام و سپس، نمونه خشك با محلول هيدوركسيد پتاسيم تركيب شده تا همي سلولز و سيليكا از الياف خارج گردد. سوسپانسيون با همگن ساز دور زياد مدل وايز تيز به مدت 2 ساعت و دور rpm 20000 تحت تلاطم مكانيكي شديد فيبرزدايي مي شود و سپس تحت دستگاه فراصوت با شدت زياد مدل كيونيكا با بسامد kHz 20 قرار مي گيرد. جهت توليد آيروژل سلولزي، سوسپانسيون هاي فيبرهاي سلولزي حاوي پيوند دهنده عرضي در غلظت هاي مختلف وزني (wt% 1-0/2)، تهيه مي شود. سوسپانسيون هاي حاصل پس از انجام مرحله پيش انجماد، به مدت 48 ساعت در داخل خشك كن انجمادي °C 50- مدل كريست فريز دراير-آلفا به مدت يك شبانه روز خشك مي گردد. به منظور ايجاد پوشش آبگريز بر روي سطح سلولز از ماده تري متوكسي سيلان با استفاده از روش رسوب بخار شيميايي (CVD) استفاده گرديد. تاثير اين روش در توليد آيروژل هاي آبگريز با استفاده از تكنيك زاويه تماس آب مورد مطالعه قرار گرفت. همچنين ظرفيت جذب آب، دانسيته و تخلخل، ساختار و مورفولوژي آيروژل هاي سلولزي مطالعه شد. در پايان نيز كاربرد آيروژل هاي سلولزي آبگريز تهيه شده در پاكسازي و تصفيه آب آلوده به انواع حلال هاي آلي و روغن ها مورد ارزيابي قرار گرفت.
يافته ها: در فرايند پيش انجماد استفاده از نيتروژن مايع سبب انجماد بسيار سريع هيدروژل هاي ميكرو/ نانو فيبرهاي سلولزي گرديده، درنتيجه ساختار شبكه اي آيروژل كه متشكل از الياف بسيار ظريف مي باشد، به خوبي حفظ مي شود. افزودن پيوند دهنده عرضي پلي آميد اپي كلرو هيدرين رزين سبب بهبود استحكام و پايداري ساختار آيروژل سلولزي در حالت تر مي شود. با افزايش غلظت فيبرهاي سلولزي، دانسيته آيروژل سلولزي افزايش و به طور همزمان تخلخل آن كاهش مي يابد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح مقطع آيروژل هاي سلولزي نشان دهنده ساختار متخلخل با حفراتي در ابعاد يك تا چند صد ميكرومتر است كه در آيروژل به صورت همگن و در تمام جهات توزيع يافته اند. نتايج بررسي زاويه تماس نمونه آبگريز شده نشان دهنده متوسط مقدار° 151/7 است كه داراي قابليت جذب بسيار مطلوبي براي انواع روغن (روغن پمپ، نفت خام، روغن ديزل و پارافين) و حلال هاي آلي (تولوئن، استون، دي متيل فرماميد، و كلروفرم) مي باشد.
نتيجه گيري: آيروژل هاي سلولزي آبگريز، به دليل دانسيته بسيار كم و تخلخل زياد از قابليت جذب مطلوب انواع حلال هاي آلي و روغن ها با ظرفيت جذب 130-g.g-1 69 برخوردار مي باشد. اين آيروژل ها مي توانند جاذب مناسبي براي جداسازي آلاينده هاي آلي از آب باشد.
چكيده لاتين :
Background and Objectives: Biological wastes such as lignocellulosic materials are on high
attention for the purification of contaminated water due to their special properties, such as
renewability, biodegradability, and low costs. However, despite its many benefits,
disadvantages such as hydrophilic structure, low adsorption capacity, and the lack of flotation
have limited the vast application of these natural materials. Therefore, the necessity of
producing novel adsorbents with significant capacity such as aerogels has been concerned.
Cellulose aerogels have good performance due to their special properties such as low density,
high specific surface area and high porosity. In this paper, the effectiveness of cellulose aerogel
adsorbents for removing oil and organic solvents from water has been studied. After the
extraction of long cellulose micro-nano fibrils from rice straw by chemical and mechanical
processes, cellulosic aerogels are fabricated and their efficacy for water pollution remediation
was evaluated. The high porous structure and very low density of these cellulosic aerogels are
highly desired for the adsorption of organic solvents and oils.
Materials and Methods: In this research, the rice straw was washed, dried, milled and
completely passed through the mesh. The straw wax was extracted using a mixture of
toluene/ethanol solution. In order to separate lignin, de-waxed rice straw was combined with a
desired amount of sodium chlorite solution in an acidic environment. After de-lignification, the
dry specimen was combined with potassium hydroxide solution until the hemicellulose and
silica were totally removed from the fibers and pure cellulose fibers remained. After extraction
of cellulose, suspension of cellulosic fibers was homogenized using high speed homogenization
and the suspension was then treated with high-intensity ultrasonic apparatus with a frequency of
20 kHz. In order to produce aerogels, the suspensions of cellulose micro-nanofibres containing
different amount of crosslinking agent were prepared in various concentrations. The suspensions
were dried in a freeze-dryer. Finally, using a chemical vapor deposition method (CVD) with
trimethoxysilane, the surface of cellulose aerogel became hydrophobic. The water adsorption
capacity of cellulose aerogels in the presence of various concentrations of the crosslinker was
determined to optimize the concentration of the crosslinker. Furthermore, the density and
porosity of cellulosic aerogels were investigated at various cellulose contents. The structure and
morphology of aerogels were evaluated using a scanning electron microscope. The application
of this cellulosic aerogel in elimination of water pollution was also studied.
Results: In the pre-freezing process, the use of liquid nitrogen resulted in the rapid freezing of
cellulose suspension which produced highly porous structure of aerogels. Adding a crosslinking
agent improved the wet strength and stability of the cellulose aerogel structure. As the
concentration of cellulose fibers increased, the density of cellulose aerogel increased and
simultaneously the porosity decreased. The scanning electron microscopic images of the crosssectional area of aerogels represented a porous structure with a pore size of one to several
hundred micrometers, distributed throughout the isotropic structure. The results of the water
contact angle test revealed a mean value of 151.7° for the coated sample, indicating the
super-hydrophobicity of the cellulose aerogel. The hydrophobic cellulose aerogel had a highly
desirable adsorption capability in the range of 130-69 g.g-1 for different types of oil (pump oil,
crude oil, paraffin, diesel oil) and organic solvents (toluene, acetone, dimethylformamide, and
chloroform).
Conclusions: Generally, very low density and high porous hydrophobic cellulose aerogel
obtained from rice straw through series of chemical and mechanical treatment, had a substantial
adsorption capacity for organic solvents and oils.
