Author name:
قتبان ابراهيم حسن علوان
Supervisor name:
سمير حكيم كريم
Abstract:
تعرف السيلكا ذات المسام المتوسطة mesoporous silica ) ) بانها المواد التي تكون اقطار مساماتها (pore size ) تتراوح بين 2 و50 نانومتر . تمتلك هذه المواد صفات فريدة كالانتظام في المسام والمساحة السطحية العالية وحجم مسام عالي وقطر مسام منتظم واستقرارية ميكانيكية وحرارية عالية . لذلك دخلت هذه المواد في تطبيقات واسعة اهمها في عمليات الفصل والعوامل المساعدة . في هذا العمل جرى تحضير اربعة نماذج من السليكا (X,Y,W,Z) , تختلف في النسب المولية لكل من السليكا والماة الفعالة سطحيا وتختلف كذلك بطريقة التحضير , وذلك باستخدام طريقة sol - gel التي تتضمن تحللا مائيا وتكثيفا لمادة سليكات الصوديوم بوجود مواد فعالة سطحيا موجبة الشحنة وامفوتيرية كقالب . تمت عملية التحضير باستخدام طريقيتن وهي الطريقة الاعتيادية التي تتضمن اضافة سليكات الصوديوم كمصدر للسيلكا الى المحلول المائي للمادة الفعالة سطحيا الامفوتيرية ](Cocamidopropyl betaine (CAPB [ ثم بعد ذلك يضاف اليهما محلول حامض النتريك) (HNO3 بالتدريج على شكل قطرات عند درجة حرارة الغرفة .اما الطربقة العكسية فتتضمن اضافة محلول سليكات الصوديوم بالتدريج على شكل قطرات الى المحلول المحمض للمادة الفعالة سطحيا. بعد ذلك يعامل الراسب الناتج بكلا الطريقتين بعمليات الترشيح والتعتيقaging والتجفيف ثم الكلسنة بدرجة حرارة . 600 C0 شخصت السليكا المحضرة باستخدام تقنيات مطيافية الاشعة تحت الحمراء (FT - IR ) والاشعة السينية (XRD) ومجهر القوة الذرية (AFM) ومجهر المسح الالكتروني ( SEM) وقياسات امتزاز غاز N2 للمساحة السطحية والمسامية . ودلت نتائج مطيافية FT - IR على نجاح تحضير السليكا , بينما دلت نتائج AFM على ان معدل اقطار حبيبات هذه السليكا هي 82.18, 77.75 ,76.48 , 94.69 نانومتر لكل من النماذج X,Y,W,Z على التوالي . اظهرت نتائج تحليل XRD ان النماذج المحضرة ذات بلورية عالية ومن النوع ذات المسام المتوسطة وان حجوم الحبيبات المحسوبة باستخدام معادلة Scherer كانت 69, 57, 26.54, 33.59لكل من X,Y,W,Z على التوالي .اظهرت الصور الخاصة ب SEM لكل من النموذين X,Y بانها تحتوي على تجمعات من القضبان (rod) او الالياف (fiber ) بالاضافة الى منطقة غير بلورية ,ان النموذج Y الذي حضر من نسبة مولية اقل من المادة الفعالة سطحيا , يحتوي على نسبة اقل من الالياف او القضبان . اما النموذج W الذي حضر بالطريقة العكسية وباستخدام CAPB كقالب فكان على شكل حبيبات كبيرة نسبيا وذات مسامية عالية ولكن النموذج Z الذي حضر بنفس طريقة تحضير النموذج W ولكن باستخدام cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)] [ كقالب فاظهرت صور SEM بان حبيباته اصغر وبمسامية عالية ايضا . دلت نتائج تحليل امتزاز غاز N2 على كل من النموذجين Z,W بان الايزوثيرم الناتج كان من نوع IV وكان منحني التخلفية hysteresis loops ) ) من النوع H1 , وهذا يعني ان النموذجين من السليكا ذات المسام المتوسطة ومسامها من النوع الاسطواني . واكدت نتائج توزيع حجم المسام PZD بان النماذج المحضرة هي سليكا ذات مسام متوسطة وتنحصر ضمن مدى ضيق هو من 2 الى 50 نانو متر , بالاضافة الى ذلك فقد كانت المساحة السطحية (surface area ) وحجم المسامات (pore volume ) للنموذج Z هي الاعلى بين النماذج وسجلت 54.0398 m2g - 1 , 0.126368 cm3g - 1 على التوالي .استخدم النموذج Z ذو المساحة السطحية الاعلى كمادة مازة (adsorbent ) لازالة نوعين من المواد الفعالة سطحيا من محاليلها المائية , وهذه المواد الفعالة سطحيا هي كل من Nonylphenol ethoxylates (NPE) من النوع اللاايوني , Cetyldimethylbenzylammonium (BAC) من النوع موجب الشحنة . وتضمنت عملية الامتزاز على تجارب عديدة لتحديد زمن التوازن او زمن التماس contact time وكمية المادة المازة adsorbent dose وتاثير درجة الحرارة ضمن المدى ) 298 - 328K ) .ودلت النتائج ان كمية المادة المناسبة لكلا المادتين الممتزتين adsorbate هي 0.2g/50ml , امزامن التوازن فكان 90min لامتزاز NPE و95min لامتزاز BAC . طبقت معادلات Freundlich, Langmuir , Temkin لاختبار نتائج كلا عمليتي الامتزاز , واظهرت النتائج ان معادلة Freundlich كانت الافضل من بين المعادلات الثلاث . بينت الدراسات الحركية لعملية امتزاز المادتين NPE, BAC على المادة المازة Z ان مرتبة التفاعل الثانية الكاذبة Pseudo - second - order , بينما اظهرت معادلة intra - particular diffusion ان الخطوة المحددة لسرعة التفاعل هي خطوة الانتشار ولكنها ليست الخطوة الوحيدة . اما قيم الدوال الثرموداينميكية المحسوبة (∆G° ) ,( ∆H°) ,( ∆S°) في الدراسة الثرمودايمنيكية لعمليات امتزاز كلا المادتين الفعالتين سطحيا تحت الدراسة فقد اظهرت ان عملية الامتزاز كانت تلقائية spontaneous وباعثة للحرارة exothermic | Mesoporous silica (MPS) are porous materials with pore size between 2 to 50 nm. They have unique properties, including good monodispersity, with extremely high surface areas, large pore volume, controlled pore size, high mechanical and thermal stability. Therefore, the mesoporous silicates have wide applications in separation, catalysis, and adsorbent.In this work, four samples of mesoporous silica (X, Y, W, and Z) with different mole ratio of silica /surfactant and different preparation methods were prepared by sol - gel method based on the hydrolysis and condensation of sodium silicate in the presence of cationic or amphoteric surfactant as template. The synthesis was achieved by two methods : the ordinary method which includes adding of silica precursor (sodium silicate) to aqueous solution of amphoteric surfactant [Cocamidopropyl betaine (CAPB)] and then the HNO3 acid was added from burette to the mixture drop wise at room temperature. The reversible method which includes adding of silica precursor to acidified aqueous solution of surfactant [Cocamidopropyl betaine (CAPB) or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) ] at room temperature. The filtration, aging, drying and extraction of surfactant using calcination at 600C0 were done. The prepared silica and their ordered mesostructures were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X - ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), Scanning electron microscopy (SEM), and nitrogen sorption analysis. The results of FT - IR indicate that the preparation of silica were successful. AFM measurements showed that the average diameter is 82 , 77 , 76 , 94 nm for the X, Y, W, Z samples respectively. The results of XRD show that the four samples have high crystallinety with mesopores and the calculated size of particles of these samples using Scherer equation are 69, 57, 26 and 33 nm for X,Y,W,and Z respectively. SEM images show that X and Y samples contain a cluster of rods or fiber shapes in addition to porous amorphous region. The percent of rods or fiber shapes were increased in the Y sample which prepared from low percent of surfactant. When MPS prepared using reversible method with (CAPB ) surfactant (W sample ), it was noticed that large particles exists in the sample and have high porosity .But for Z sample , which prepared using reversible method with CTAB surfactant , it was noticed that small particle exists in the sample and have high porosity.The result of N2 adsorption - desorption isotherm for Z and W samples shows that it can be considered type IV. The hysteresis loops observed are typical for mesoporous materials and resemble the loops of type H1 which mean that the adsorbent has a regular cylindrical pore without intersecting channels .In addition, the PZD result confirms the presence of mesoporosity in the samples prepared and has a narrow pore size distribution (from 2 to 50 nm). The sample Z produced from sodium silicate as precursor and CTAB as cationic template has higher surface area (54.0398) m2/g and pore volume (0.126368) cm3 /g than the other.The sample of higher surface area Z was used as adsorbent for the removal of nonylphenol ethoxylates (NPE) as nonionic surfactant and Cetyldimethylbenzylammonium (BAC) as cationic surfactant from aqueous solution .The adsorption experiments were carried out to measure the adsorption as a function of contact time, adsorbent dose, and temperature in the range (298 - 328 K). The results showed 0.2 g from MPS have more adsorption capacity (R %) than other amounts for the two adsorbate, and 90min and 95 min as equilibrium time for NPE and BAC respectively.Freundlich, Langmuir, and Temkin isotherms were applied on the results and showed best fitting using Freundlich isotherm. The adsorption kinetic of NPE and BAC, on MPS matched well with Pseudo - second - order and the intraparticle diffusion model suggests that the adsorption process proceeds by surface sorption and intra - particle diffusion. In order to better understanding the effect of temperature on the adsorption process studied , the thermodynamics parameters such as standard Gibbs free energy change (∆G° ) ,standard enthalpy change ( ∆H°) and standard entropy change( ∆S°) have been calculated and the results obtained indicate that these systems were spontaneous and exothermic in nature
