31318

مطالعه ي تجربي جذب و پتانسيل حسگري نانوكامپوزيت فريت روي/گرافن اكسايد كاهش يافته‌ي عامل‌دار شده با آمين براي گاز كربن دي اكسيد

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1400

1403/07/04

احد قائمي

-

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين تحقيق، فريت روي (ZF) و نانوكامپوزيت‌هاي فريت روي/گرافن اكسيد كاهش‌يافته عامل‌دار شده با آمين (ZF/rGO-MEA) براي جذب و حسگري گاز كربن دي اكسيد مورد بررسي قرار گرفتند. تحليل‌هاي ساختاري با استفاده از تكنيك‌هاي XRD، FTIR، BET و FESEM نشان دادند كه نانوكامپوزيت‌ها داراي ساختار مناسب و سطح ويژه بالا براي جذب كربن دي اكسيد هستند. به‌طور خاص، ظرفيت جذب نانوكامپوزيت ZF/rGO-MEA30 برابر با 3.9 ميلي‌مول بر گرم در شرايط 1 بار و دماي 25 درجه سانتي‌گراد بود كه بهبود قابل توجهي نسبت به ZF خالص (2.2 ميلي‌مول بر گرم) نشان داد. براي بهينه‌سازي شرايط جذب، از روش سطح پاسخ (RSM) با طراحي مركب مركزي استفاده شد و نتايج نشان دادند كه دما، فشار و بارگذاري گرافن اكسيد كاهش‌يافته عامل‌دار شده با آمين تأثير معناداري بر ظرفيت جذب دارند. تحت شرايط بهينه (25 درجه سانتي‌گراد، فشار 9 بار و بارگذاري 32.020% وزني گرافن اكسيد كاهش‌يافته)، ظرفيت جذب به 15.788 ميلي‌مول بر گرم افزايش يافت. مدل ايزوترم فروندليچ بهترين برازش را با داده‌هاي تجربي جذب داشت و نشان داد كه جذب كربن دي اكسيد بر روي نانوكامپوزيت، فيزيكي، چندلايه‌اي و بر روي سطحي ناهمگن انجام مي‌شود. نتايج سينتيكي نيز نشان داد كه مدل سينتيكي مرتبه كسري بهترين تطابق را با داده‌ها دارد و فرآيند جذب تحت تأثير واكنش‌هاي پيچيده‌اي با مسيرهاي واكنش چندگانه است. تحليل ترموديناميكي جذب، گرمازا بودن و خودبه‌خودي بودن فرآيند جذب را تأييد كرد. در بخش انتخاب‌پذيري، نانوكامپوزيت ZF/rGO-MEA30 در دماي 25 درجه سانتي‌گراد و مخلوط گازي با نسبت CO₂/N₂ برابر با 15:85، انتخاب‌پذيري كربن دي اكسيد به نيتروژن 24 را نشان داد كه به‌طور قابل توجهي بالاتر از فريت روي خالص با انتخاب‌پذيري 16 بود. در آناليز احياي چرخه‌اي، نانوكامپوزيت ZF/rGO-MEA30 پس از 5 چرخه جذب و احيا، حدود 95.15% از ظرفيت اوليه جذب خود را حفظ كرد، كه نشان‌دهنده پايداري و تكرارپذيري بالاي اين نانوكامپوزيت در شرايط عملياتي مختلف است. در بخش حسگري، حسگرهاي مبتني بر نانوكامپوزيت ZF/rGO-MEA30 عملكرد بهتري در تشخيص CO₂ نسبت به حسگرهاي ZF نشان دادند. حسگر ZF/rGO-MEA30 زمان پاسخ كوتاه‌تر (12 ثانيه) و زمان بازيابي سريع‌تر (57 ثانيه) نسبت به حسگر ZF (زمان پاسخ 15 ثانيه و زمان بازيابي 81 ثانيه) داشت. همچنين، حساسيت حسگر ZF/rGO-MEA30 برابر با 6.42079 به ازاي هر درصد از غلظت CO₂ بود كه تقريباً دو برابر حساسيت حسگر ZF (2.94887) است. ارزيابي پايداري حسگرها در دوره 30 روزه نشان داد كه كاهش پاسخ كمتر از 7.09% براي حسگر ZF/rGO-MEA30، نشان‌دهنده عملكرد پايدار و قابل اعتماد اين حسگر در طولاني‌مدت است. اين پژوهش نشان داد كه نانوكامپوزيت ZF/rGO-MEA30 به دليل ويژگي‌هاي بهينه‌شده ساختاري و عملكردي، به‌عنوان جاذب و حسگري كارآمد براي CO₂ شناخته شده و پتانسيل بالايي براي استفاده در كاربردهاي صنعتي و محيطي دارد.

1403/07/21

Experimental study of adsorption and sensing potential of zinc ferrite/amine-functionalized reduced graphene oxide nanocomposite for carbon dioxide gas

9/25/2025 12:00:00 AM

In this study, zinc ferrite (ZF) and and zinc ferrite/reduced graphene oxide functionalized with amine (ZF/rGO-MEA) nanocomposites were investigated for CO₂ adsorption and sensing. Structural analyses using XRD, FTIR, BET, and FESEM techniques revealed that the nanocomposites possess suitable structures and high specific surface areas for CO₂ adsorption. Specifically, the adsorption capacity of the ZF/rGO-MEA30 nanocomposite was 3.9 mmol/g under 1 bar and 25°C, showing a significant improvement compared to pure ZF (2.2 mmol/g). To optimize the adsorption conditions, response surface methodology (RSM) with Central Composite Design was used, and the results showed that temperature, pressure, and loading of amine-functionalized reduced graphene oxide significantly affected the adsorption capacity. Under optimal conditions (25°C, 9 bar pressure, and 31.758% wt. loading of reduced graphene oxide), the adsorption capacity increased to 15.788 mmol/g. The Freundlich isotherm model best fit the experimental adsorption data, indicating that CO₂ adsorption on the nanocomposite is physical, multilayered, and occurs on a heterogeneous surface. Kinetic results also showed that the fractional-order kinetic model best matched the data, suggesting that the adsorption process is influenced by complex reactions with multiple pathways. Thermodynamic analysis confirmed that the adsorption process is exothermic and spontaneous. In the selectivity section, the ZF/rGO-MEA30 nanocomposite demonstrated a CO₂/N₂ selectivity of 24 at 25°C and a gas mixture ratio of 15:85, significantly higher than pure zinc ferrite with a selectivity of 16. In cyclic regeneration analysis, the ZF/rGO-MEA30 nanocomposite retained about 95.15% of its initial adsorption capacity after 5 adsorption-desorption cycles, indicating high stability and reproducibility under various operational conditions. In the sensing section, sensors based on the ZF/rGO-MEA30 nanocomposite performed better in CO₂ detection compared to ZF sensors. The ZF/rGO-MEA30 sensor exhibited a shorter response time (12 seconds) and faster recovery time (57 seconds) compared to the ZF sensor (response time of 15 seconds and recovery time of 81 seconds). Additionally, the sensitivity of the ZF/rGO-MEA30 sensor was 6.42079 per percent CO₂ concentration, almost double that of the ZF sensor (2.94887). A 30-day stability assessment of the sensors showed a response decrease of less than 7.09% for the ZF/rGO-MEA30 sensor, indicating stable and reliable performance over the long term. This study demonstrated that the ZF/rGO-MEA30 nanocomposite, due to its optimized structural and functional properties, is recognized as an efficient adsorbent and sensor for CO₂, with high potential for industrial and environmental applications.

جذب، كربن دي اكسيد، حسگري، فريت روي، گرافن اكسيد كاهش يافته، نانوكامپوزيت، روش سطح پاسخ

Carbon dioxide capture, Sensing, Adsorbent, Zinc ferrite, reduced graphene oxide, Nanocomposite, Response surface methodology.

Kamyar Naderi

Dr. Ahad Ghaemi