Reduction of Nitrate Ion from Water using Nano-Copper Based Electrocatalyst
Loading...
Date
2021-04-21
Authors
نصّار عزت نصّار, هبة
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
جامعة النجاح الوطنية
Abstract
الزيادة المطردة في تركيز أيون النترات في المياه السطحية والجوفية، دفعت العديد من الباحثين إلى العمل على تطوير طرق آمنة لإزالة النترات من المحاليل المائية. هذا ويعتبر المسبب الأساسي لهذا التلوث، الاستخدام المفرط وغير المسؤول للأسمدة النيتروجينية في المجال الزراعي.
إنّ الهدف الرئيس لهذا البحث هو تطوير أقطاب كهربائية جديدة، آمنة بكلفة قليلة وكفاءة عالية من أجل الاختزال الكهروكيميائي للنترات من المحاليل المائية. في هذا البحث تمت عملية الاختزال الكهروكيميائي بتثبيت مقدار محدد من الجهد الكهربائي على القطب الكهربائي في المحاليل المائية. وأثناء التجارب تم قياس تركيز أيونات NO3-المتبقية، و الأيونات المتكونة من -NO2 و NH4+.
في هذا البحث، تم الاختزال الكهروكيميائي للنترات من المحاليل المائية باستخدام خلية كهروكيميائية غير مجزَأة تحتوي على ثلاثة أقطاب كهربائية. و كان القطب المرجعي في الخلية هو قطب (SCE)، واستخدمت صفيحة من البلاتين ( Pt) كمصعد، وتم استخدام أحد الأقطاب المحضّرة في هذا البحث كمهبط في كل تجربة.
تم تحضير ثلاث مجموعات مختلفة من الأقطاب الكهربائية في هذه الدراسة، حيث تم استخدام شرائح زجاجية مغطاة بطبقة رقيقة موصلة من أكسيد القصدير المطعَم بالفلور (FTO/Glass) كركيزة لتحضير الأقطاب المختلفة. تم استخدام شرائح النحاس وشرائح FTO/Glass للمقارنة. تم تحليل الأقطاب و فحصها باستخدام المسح المجهري الالكتروني (SEM) والتحليل الطيفي المشتت لطاقة العناصر(EDS)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، و التحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية (XPS). تم فحص السلوك الكهروكيميائي للأقطاب الكهربائية التي تم تحضيرها عن طريق القياس الدوري لتغير فرق الجهد (CV).
شملت الفئة الأولى الأقطاب الكهربائية FTO/Cu، التي تم تحضيرها بالترسيب الكهربائي للنحاس على سطح FTO. تمت عملية الترسيب عند فرق جهد -0.80 فولت باستخدام محلول (CuSO4 0.01 مول/لتر + 0.10 KCl مول/لتر )، و تمت عملية ترسيب أخرى للنحاس باستخدام محلول (0.85 CuSO4 مول/لتر + H2SO40.55 مول/لتر). القطب الذي تم تحضيره عن طريق الترسيب الكهربائي للنحاس على سطح FTO من المحلول الثاني تم تسميته FTO/Cu-b و استخدم في تجارب الاختزال الكهروكيميائي للنترات من المحاليل المائية، لأنه أظهر ثباتاً أكثر من القطب الكهربائي الآخر.
النسبة المئوية لازالة النترات بوساطة القطبFTO/Cu-b كانت تكافيء 39.90% ، و كانت نسبة الانتقائية لتحول النترات إلى نيتروجين 35.13%. إنّ هذه النسبة أفضل من تلك التي تم الحصول عليها باسخدام قطب النحاس عند نفس الظروف، حيث كانت نسبة ازالة النترات 35.13% و انتقائية النيتروجين 1.10% و ذلك عند فرق جهد مقداره -1.80 فولت ولمدة ساعتين من التحليل الكهروكيميائي.
اشتملت المجموعة المحضّرة الثانية على أقطاب FTO/Gr التي تم تحضيرها عن طريق تطبيق طبقة رقيقة من الغرافيت على سطح FTO . تم العمل على زيادة كفاءة هذا القطب عن طريق الترسيب الكهربائي للنحاس على سطح FTO/Gr من محلول ( 0.85 CuSO4مول/لتر + H2SO4 0.55 مول/لتر)، و سمي هذا القطب FTO/Gr-Cu.
أدّت معالجة القطب بالنحاس إلى زيادة طفيفة في نسبة ازالة النحاس من المحلول المائي، حيث كانت 24.00% و 25.69% للقطبين FTO/Gr و FTO/Gr-Cu على التوالي، بعد ساعتين من التحليل الكهروكيميائي على جهد -1.80 فولت. قد يكون هذا عائداً إلى الكمية المنخفضة من النحاس التي ترسب على سطح القطب FTO/Gr، حيث كانت النسبة الكتلية للنحاس على القطب FTO/Gr-Cu 12.92% وفقاً لتحليل EDS. من الجهة الأخرى أدى تحضير هذا القطب بهذه الآلية إلى المحافظة على ثباتية النحاس و حمايته من التأكسد، حيث أظهر فحص XRD وجود جسيمات النحاس النانوية على سطح القطب دون أكاسيده.
أما المجموعة الثالثة فقد شملت أقطاب FTO/MWCNT التي تم تحضيرها عن طريق الطلاء بالرش لمخلوط كربون متعدد الأنابيب على سطح FTO. تم تحضير القطب الجديد المحَدث FTO/MWCNT-Cu عن طريق الطلاء بالرش أيضاً للمزيج النانوي MWCNT-Cu على سطح FTO. المزيج النانوي MWCNT-Cu تم تحضيره بطرق بسيطة غير مكلفة. و كان متوسط حجوم حبيبات النحاس النانوي في هذا القطب حسب تحليل XRD هو 35.28 نانومتر.
أفضل نسبة ازالة لأيونات النترات من المياه في هذه الدراسة ناتجة حين استخدم القطب FTO/MWCNT-Cu ، حيث وصلت هذه النسبة بعد ساعتين من التحليل الكهروكيميائي على فرق جهد مقداره -1.80 فولت، إلى 65.27%. لذلك فقد تم استخدام هذا القطب في استكمال هذا البحث. عند دراسة قانون السرعة لعملية الاختزال الكهروكيمائي لأيونات النترات، وجد أنّ مقدار رتبة التفاعل هو (0.76) و أنّ ثابت سرعة التفاعل 4.50×10-3 دقيقة-1.
تم دراسة أثر العديد من العوامل على كفاءة الاختزال الكهروكيميائي لأيونات النترات بوساطة القطب FTO/MWCNT-Cu ، مثل مقدار الجهد الكهربائي المطبّق، نوع وتركيز المحلول الكهرلي المستخدم، والمسافة بين الأقطاب، و تحريك مكونات محلول النترات، و درجة الحموضة، و درجة الحرارة، و تركيز أيون النترات، و وقت الاختزال الكهروكيميائي.
تشير النتائج إلى أنّ زيادة الجهد المطبّق ودرجة الحرارة أثناء تحريك المحلول، عندما كانت المسافة بين الأقطاب 0.75 سم رفعت كفاءة اختزال النترات. عندما أجريت التجربة لسبع ساعات متواصلة، تم التخلص تقريباً من كامل أيونات النترات في المحلول، وبلغت انتقائية النيتروجين كناتج آمن ومرغوب به عن هذه العملية 65.31%. هذا يوضح مدى كفاءة و أهمية القطب FTO/MWCNT-Cu في عملية اختزال النترات من المحاليل المائية. علاوة على ذلك، أظهرت نتائج XRD وEDS للقطب الكهربائي FTO/MWCNT-Cu المستخدم و غير المستخدم ثباتية هذا القطب. كما وجد أنّ كفاءة اختزال النترات بوساطة هذا القطب لم تتغير عندما أعيد استخدام نفس القطب لثلاث تجارب متتالية عند -1.80 فولت لمدة ساعتين لكلٍ منها. كل هذا يثبت فعالية هذا القطب في ازالة أيونات النترات من المحاليل المائية بوساطة الاختزال الكهروكيميائي.
Description
قدمت هذه الأطروحة استكمالاً لمتطلبات الحصول على درجة الدكتوراة في الكيمياء بكلية الدراسات العليا في جامعة النجاح الوطنية، نابلس _ فلسطين.
Keywords
اختزال أيونات النيترات من الماء باستخدام حفاز كهربي من النحاس النانوي