Μελέτη της χρήσης νανοσωλήνων άνθρακα στην προσρόφηση βαρέων μετάλλων

Abstract

Η ρύπανση του περιβάλλοντος και ειδικά των υδάτινων και εδαφικών πόρων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της σύγχρονης εποχής. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολλές νέες τεχνολογίες για την αποκατάσταση των επιβαρυμένων περιοχών. Η χρήση των νανοσωλήνων άνθρακα αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνική, αφού οι ιδιότητες και η δομή των υλικών αυτών, δύναται να συμβάλλουν ουσιαστικά στην απομάκρυνση ανόργανων, και οργανικών ρύπων και ραδιονουκλιδίων. Ο κύριος στόχος της μεταπτυχιακής μελέτης ήταν η διερεύνηση της χρήσης νανοσωλήνων άνθρακα στην προσρόφηση βαρέων μετάλλων. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσρόφησης για να μελετηθεί η χρήση των πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα (MWCNTs) για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων (Pb2+, Cu2+, Νi2+ και Zn2+) από υδατικά διαλύματα σε συνάρτηση με την αρχική συγκέντρωση των ιόντων. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων που καθορίζουν την προσρόφηση του Νi2+ από τους πολυφλοιϊκούς νανοσωλήνες άνθρακα, όπως τα μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά των MWCNTs, το είδος της χημικής τροποποίησης, ο χρόνος εξισορρόπησης, το pH και η αναλογία όγκου διαλύματος προς μάζα MWCNTs. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των MWCNTs προσδιορίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM και TEM), με φασματοσκοπία Raman, με θερμοβαρυμετρική ανάλυση, με προσδιορισμό της ειδικής επιφάνειας και της φαινομενικής πυκνότητας. Με βάση τα αποτελέσματα παρατηρήθηκε ότι η προσρόφηση των MWCNTs ήταν υψηλή, ανεξάρτητα από το είδος και την αρχική συγκέντρωση του μετάλλου, ιδιαίτερα στις χαμηλές συγκεντρώσεις των μετάλλων (98-80%). Οι κύριες ιδιότητες των MWCNTs που ελέγχουν την προσρόφηση του Νi2+, είναι η μεγάλη ειδική επιφάνεια, η διάμετρος, η βέλτιστη κρυσταλλικότητα και η απουσία ατελειών στη δομή των νανοσωλήνων. Η χημική τροποποίηση οδηγεί σε αύξηση της προσρόφησης του Ni2+ από τους MWCNTs, εξαιτίας της παρουσίας ενεργών ομάδων στην επιφάνειά τους και συνεπώς της παρουσίας στην επιφάνεια προσρόφησης περισσότερων αρνητικών φορτίων, ικανών να προσροφήσουν Ni2+. Η χημική τροποποίηση με NaClO ευνοεί περισσότερο την προσρόφηση του Ni2+ από τους MWCNTs σε σχέση με τη χημική τροποποίηση με ΗΝΟ3. Ο χρόνος εξισορρόπησης, το pH του διαλύματος καθώς και ο όγκος διαλύματος προς μάζα MWCNTs επηρεάζουν καθοριστικά το βαθμό προσρόφησης του Ni2+ από τους MWCNTs. Συνεπώς με βάση τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης προέκυψε οτι οι MWCNTs ως προσροφητικά μέσα δύνανται να έχουν πολλές εφαρμογές για την απορρύπανση υδάτων και λυμάτων.

Removal of heavy metal ions from wastewaters and industrial wastes has received considerable attention in the recent years due to the toxicity and environmental issues that can be raised. Among the methods developed for treatment processes, the potential use of carbon nanotubes is considered as a promising technique. The carbon nanotubes exhibit significant adsorption capacity for many kinds of inorganic and organic pollutants, such as heavy metals, radionuclides and herbicides due to their properties and structure. The main purpose of the current study was to investigate the ability of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) to remove heavy metals ions from aqueous solutions. Batch experiments were adopted to study the Pb2+, Cu2+, Νi2+ and Zn2+ sorption behavior on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) under different experimental conditions as pH, initial ion concentration, contact time and the presence of surface functional groups. The morphological and structural characteristics of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were also studied. Specifically MWCNTs were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), micro-Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA) and specific surface area (BET) techniques. The tested Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) showed high ability for the removal of heavy metal ions from aqueous solutions, especially at low initial ion concentration. The high adsorption capacity of MWCNTs was attributed to their highly porous and hollow structure, their diameter and their large surface area. The presence of surface functional groups enhanced sorption ability of MWCNTs. The presence of NaClO improved better the sorption of Ni2+ ions by MWCNTs than HNO3. Sorption processes of MWCNTs are mainly affected by pH, initial ion concentration and contact time. The results of the present study suggests that MWCNTs can be utilized for the removal of heavy metals ions from aqueous solutions and that they can be a promising candidate adsorbent for environmental applications and wastewater treatment.