شماره ركورد
34025
پديد آورنده
مهناز منتظري
عنوان
بررسي عملكرد جاذبهاي آبگريز هيبريدي سهبعدي بر پايه نانواكسيد فلزي، ليگنين و سلولز بهمنظور حذف لكه روغني از آب
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1399
تاريخ دفاع
1404/5/13
استاد راهنما
دكتر رضا نوروزبيگي
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
افزايش سرعت صنعتي شدن و رشد جمعيت در دهههاي اخير منجر به آلودگي جدي محيطزيست، بهويژه منابع آبي، شده است. يكي از روشهاي نوين براي حذف آلايندههاي روغني از آب، استفاده از جاذبهاي سهبعدي متخلخل آبگريز است. در اين پژوهش، استفاده از پليساكاريدها بهويژه ليگنين و سلولزبهعنوان جاذبهاي زيستپايهي سهبعدي متخلخل و آبگريز بررسي شد. مزيت بنيادين جاذبهاي سلولزي شامل تجديدپذيري و فراواني، چگالي پايين و سطح ويژهي بالا پس از تبديل به ايروژل، شيمي سطحي غني (گروههاي هيدروكسيل فراوان) براي تنظيم آبگريزي/روغندوستي، سازگاري زيستمحيطي و امكان بازيابي با حداقل هزينه كارآمد است. همچنين در اين پژوهش، ليگنين (محصول جانبي صنعت خميركاغذ) بهعنوان مادهاي با پتانسيل بالا براي توليد جاذبهاي زيستپايه بررسي شد. ابتدا بهينهسازي استخراج ليگنين از ليكور سياه با استفاده از روش تاگوچي انجام شد و بازده 05/82 درصد به دست آمد. در مرحله دوم، امكان استفاده از ليگنين مستخرج از ليكور سياه در كاربردهاي باارزش بيشتر مانند حذف انواع آلايندههاي آلي با استفاده از جاذبهاي سهبعدي ازجمله ايروژلها بررسي شد. بهاينترتيب، ايروژل ليگنين/ سديم آلژينات آبگريز با استفاده از عوامل اتصالدهنده عرضي مختلف، با روش خشككردن انجمادي و اصلاح سطح بهمنظور ايجاد آبگريزي به روش رسوبشيميايي بخار ساخته شد و ظرفيت جذب g/g 26 را براي روغن آفتابگردان نشان داد. براي ساخت ايروژلهاي آبگريز ليگنين/سديمآلژينات از سه راهبرد اتصال عرضي استفاده شد: CaCl₂ هدليل دسترسپذيري و ژلشدن سريع، FeCl₃ براي ايجاد شبكه يوني متراكم و مستحكمتر، و گلوتارآلدئيد (GA) كه با پيوندهاي كووالانسي پايدار، تورم را كاهش ميدهد و تخلخل و كارايي را در چرخههاي جذب حفظ ميكند. با توجه به تماسهاي مكرر با آب/حلال در حذف روغن، ادامهي مسير به دليل سازگاري بيشتر گلوتارآلدهيد در سامانههاي سلولزي به عنوان اتصال دهنده عرضي انتخاب شد تا پايداري در محيط آبي و يكپارچگي جاذب در استفادههاي مكرر تضمين شود. در ادامه ليگنين اوليه بهدستآمده در شرايط بهينه از ليكور سياه، با استفاده از مالئيك انيدريد بهعنوان عامل استري كننده براي اصلاح گروه عاملي ليگنين جهت افزايش خاصيت آبگريزي آن به كار گرفته شد و اثر استفاده از آن در ساخت ايروژل ليگنين استريشده/ صمغ گوار از طريق روش خشككردن انجمادي و گلوتارآلدئيد بهعنوان اتصالدهنده عرضي بررسي شد. ايروژل بهدستآمده داراي تخلخل بالا و بسيار سبك ميباشد و ظرفيت جذب g/g 5/32 را براي روغن آفتابگردان نشان داد. در بخش سوم سلولز با استفاده از روش تيمار قليايي از پسماند كشاورزي (ليف خرما) استخراج شد و با استفاده از پيش ماده نيترات روي رشد درجاي نانواكسيد روي بر روي الياف سلولز به روش هيدروترمال انجام شد. در مرحله بعد الياف سلولز و نانواكسيد روي به همراه ليگنين استريشده بهدستآمده در شرايط بهينه از ليكور سياه از مرحله قبل و گلوتارآلدئيد بهعنوان عامل اتصالدهنده عرضي كامپوزيت شد و اثر استفاده از آن در حذف روغن بررسي شد. در ادامه، بررسي عملكرد ايروژل كامپوزيتي ساختهشده از الياف سلولز و نانواكسيد مس سنتز شده از روش هيدروترمال و ليگنين استريشده در حذف روغن ارزيابي شد. فاكتورهاي تأثيرگذار بر سنتز ايروژل ليگنوسلولزي كامپوزيت شده با نانواكسيد فلز با استفاده از روش پاسخ سطحي (RSM) بررسي و بهينه سازي پارامترهاي مؤثر بر ميزان ظرفيت جذب روغن توسط جاذب انجام شد. در سنتز ايروژل ليگنوسلولزي كامپوزيت شده با نانواكسيد روي (EL-CF/ZnO) اثر نسبت جرمي نانواكسيد روي به سلولز، نسبت مولي اكسيد روي به اوره،درصد وزني سورفكتانت (wt%) و براي ايروژل ليگنوسلولزي كامپوزيت شده با نانواكسيد مس (EL-CF/CuO) نسبت جرمي سلولز به ليگنين استري نسبت جرمي سلولز به نانواكسيد مس درصد وزني سورفكتانت (wt%) موردبررسي قرار گرفت. در شرايط بهينه براي ايروژل EL-CF/ZnO، نسبت جرمي سلولز به نانواكسيد روي 5: 1، نسبت مولي اكسيد روي به اوره 32/0: 1 و مقدار سورفكتانت 22/0 گرم به دست آمد. همچنين مقدار بيشينه ظرفيت جذب روغن از طريق مدل 14/18 گرم بر گرم تعيين گرديد. شرايط بهينه براي ايروژل EL-CF/CuO نسبت جرمي سلولز نانواكسيد به مس 1: 4/5 نسبت جرمي سلولز به ليگنين استريشده 3/0 :1، درصد وزني سورفكتانت 22 درصد وزني نسبت به سلولز خشك به دست آمد. همچنين مقدار بيشينه ظرفيت جذب روغن از طريق مدل 56/17 گرم بر گرم تعيين گرديد؛ كه با مقدار تجربي به دست آمده براي هر دو ايروژل تفاوت چنداني ندارد (خطاي كمتر از 10 درصد). علاوه بر اين مشخصه يابي ايروژلهاي سنتز شده با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FESEM)، طيفسنجي مادونقرمز (FTIR)، پراش اشعه ايكس (XRD)، آناليز وزن سنجي گرمايي (TGA)، رزونانس مغناطيس هسته اتم هيدروژن (HNMR) و آناليز جذب و دفع نيتروژن (BET) مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج اين آناليزها بيانگر ساختار متخلخل و كارايي مطلوب جاذبها در حذف مؤثر روغن از محيطهاي آبي بودند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/27
عنوان به انگليسي
evaluating the performance of three-dimensional hybrid hydrophobic adsorbents based on nano metal oxide, lignin, and cellulose for oil spill cleanup from water
تاريخ بهره برداري
8/4/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
مهناز منتظري
چكيده به لاتين
The rapid industrialization and population growth in recent decades have led to severe environmental pollution, particularly affecting water resources. One of the novel approaches for removing oil-based pollutants from water involves using three-dimensional (3D) porous hydrophobic absorbents. In this study, we investigated polysaccharides, particularly lignin and cellulose as bio-based, hydrophobic three-dimensional porous adsorbents. Cellulose-based adsorbents offer intrinsic advantages: renewability and abundance; low density and high specific surface area after conversion to aerogels; rich surface chemistry (abundant hydroxyl groups) enabling tunable hydrophobic/oleophilic behavior; environmental compatibility; and efficient, low-cost recyclability. lignin, a byproduct of the pulp and paper industry, was investigated as a high-potential material for producing bio-based absorbents. Initially, the optimization of lignin extraction from black liquor was conducted using the Taguchi method, yielding an efficiency of 82.05%. The extracted lignin was subsequently utilized to fabricate hydrophobic aerogels using sodium alginate and various cross-linking agents (such as calcium chloride, iron chloride, and glutaraldehyde), demonstrating a high oil absorption capacity of 26 g/g for organic solvents and oils. To fabricate hydrophobic lignin/sodium-alginate aerogels, three crosslinking strategies were employed: CaCl₂ for its accessibility and rapid ionotropic gelation; FeCl₃ to form denser, mechanically stronger ionic networks; and glutaraldehyde (GA), which creates stable covalent bonds that suppress swelling and preserve porosity and performance over repeated adsorption cycles. Given the repeated water/solvent contact inherent to oil removal, GA was selected as the crosslinker for subsequent cellulose-based systems to ensure aqueous stability and maintain structural integrity under cyclic use. The second section examined the potential application of lignin extracted from black liquor in high-value applications, particularly for removing various organic pollutants using 3D absorbents such as aerogels. Accordingly, a lignin/sodium alginate-based hydrophobic aerogel was synthesized through freeze-drying and surface modification via chemical vapor deposition using different cross-linking agents (calcium chloride, iron (III) chloride, and glutaraldehyde). The resulting aerogel exhibited an oil absorption capacity of 26 g/g for various solvents and organic oils. Furthermore, the lignin obtained under optimized conditions was esterified using maleic anhydride to modify its functional groups, enhancing its hydrophobicity. The effect of incorporating this esterified lignin in the fabrication of aerogels, along with guar gum, was investigated. The aerogel was synthesized through freeze-drying and cross-linked using glutaraldehyde. The resulting aerogel exhibited high porosity, lightweight properties, and an oil absorption capacity of 32.5 g/g for sunflower oil. In the third section, cellulose was extracted from agricultural waste (date palm fibers) using an alkaline treatment. The in-situ growth of zinc oxide (ZnO) nanoparticles on cellulose fibers was carried out using a hydrothermal method, employing zinc nitrate as a precursor. Subsequently, the cellulose fibers and ZnO nanoparticles were composited with esterified lignin extracted from black liquor under optimized conditions and cross-linked with glutaraldehyde. The effect of this composite material on oil removal was assessed. Furthermore, the performance of composite aerogels synthesized from cellulose fibers, hydrothermally synthesized copper oxide (CuO) nanoparticles, and esterified lignin was evaluated for oil absorption. Mean factors influencing the synthesis of lignocellulosic aerogels composited with metal oxide nanostructures were optimized using the response surface methodology (RSM) to enhance oil absorption capacity. For the ZnO-incorporated lignocellulosic aerogel (EL-CF/ZnO), the effects of the ZnO: cellulose mass ratio, ZnO: urea molar ratio, and surfactant weight percentage (wt%) were investigated. Similarly, for the CuO-incorporated lignocellulosic aerogel (EL-CF/CuO), the cellulose: esterified lignin mass ratio, cellulose: CuO mass ratio and surfactant weight percentage were examined. The optimized conditions for EL-CF/ZnO were found to be a ZnO” cellulose mass ratio of 1:5, a ZnO: urea molar ratio of 1:0.32, and a surfactant weight of 0.22 g, resulting in a maximum oil absorption capacity of 18.14 g/g. For EL-CF/CuO, the optimized conditions included a CuO: cellulose mass ratio of 1:5.4, an esterified lignin-to-cellulose mass ratio of 0.3:1, and a surfactant weight percentage of 22% relative to dry cellulose, yielding a maximum oil absorption capacity of 17.56 g/g. These modeled results closely matched the experimental values, with an error margin of less than 10%. Additionally, the synthesized aerogels were characterized using various analytical techniques, including field emission scanning electron microscopy (FESEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), proton nuclear magnetic resonance (¹H-NMR), and nitrogen adsorption-desorption analysis (BET). The oil removal performance of EL-CF/ZnO and EL-CF/CuO was further examined, demonstrating oil absorption capacities ranging from 16.5 to 38 g/g for EL-CF/ZnO and 16.5 to 36.8 g/g for EL-CF/CuO. These findings highlight the potential of the synthesized absorbents for effective and cost-efficient oil pollutant removal.
كليدواژه هاي فارسي
جاذب سهبعدي طبيعي , ايروژل ليگنوسلولزي , ليگنين استريشده , نانواكسيد فلز , حذف لكه روغن.
كليدواژه هاي لاتين
natural 3D sorbent , lignocellulose aerogel , esterified lignin , nano metal oxide , oil sorption
Author
Mahnaz Montazeri
SuperVisor
Dr. Noroozbeigi