خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی فوتوکاتالیست های TiO2

خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی فوتوکاتالیست های TiO2 – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

خواص خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی بارگذاری شده با استفاده از فوتوکاتالیست های TiO₂ اصلاح شده – N,C

چکیده

فعالیت فوتوکاتالیستی خمیر سیمان حاوی فوتوکاتالیست های TiO₂ هم – اصلاح شده نیتروژن و کربن (TiO₂-N,C) با استفاده از تجزیه مدل آلودگی آب با مواد آلی (قرمز راکتیو ۱۹۸) تحت منبع نور مرئی / ماوراء بنفش مورد ارزیابی قرار گرفت. این مورد مشخص گردید که ورق های سیمانی حاوی فوتوکاتالیست های TiO₂-N,C از کارایی فوتوکاتالیستی بالاتری در مقایسه با ورق های حاوی TiO₂ غیر اصلاح شده برخوردار می باشند.

کلمات کلیدی: خود تمیز شوندگی، فوتوکاتالیز، سیمان، فوتوکاتالیست، TiO₂ هم – اصلاح شده، رنگ

خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی فوتوکاتالیست های TiO2

۱-  مقدمه

غالبا تعداد زیادی از سازه های ساختمانی از ملات یا بتن ساخته شده اند. مواجهه این مواد تحت شرایط خاص محیطی (همانند شرایط نامساعد آب و هوایی، آلایندگی های رو به افزایش محیطی  و فرایندهای میکروبی) منجر به بروز تغییرات مشخصی خواهد شد که نه تنها شامل ویژگیهای ظاهری و زیبایی شناسی این گونه از ساختمان ها می باشد، بلکه چنین تغییراتی دربردارنده تجزیه فیزیکی یا خوردگی ساختمان ها نیز خواهد بود. جهت محافظت از سطوح مواد سیمانی و به حداقل رسانی تاثیر منفی شرایط محیطی بر روی ساختمان ها از فرایندهای اکسایشی پیشرفته، همانند فوتو کاتالیز ناهمگن با استفاده از تیتانیوم دی اکسید، به عنوان یک راهکار اصلی در ارتباط با صنایع ساخت و ساز، استفاده شده است [۱-۵]. TiO₂ به عنوان یک ماده کاملاً شناخته شده با قابلیت فوتوکاتالیستی تحت نور ماوراء بنفش، و ایجاد دو نوع واکنش نوری بصورت ویژگیهای ذیل، مد نظر می باشد: ویژگی آب دوستی نور- القایی و واکنش های فوتوکاتالیستی در فاز جذب [۱،۲]. ویژگی های معروف اصول توسعه پایدار و شیمی سبز سبب بکارگیری منابع انرژی تجدیدپذیر، شامل انرژی خورشیدی، شده است. فوتو کاتالیز TiO₂ به عنوان یک روش کاملاً نوید بخش در ارتباط با کاربرد نور خورشید در برانگیختگی فوتوکاتالیست تیتانیا به شمار می آید.

در این مطالعه قابلیت های خود تمیز شوندگی مواد ساختمانی سیمانی بارگذاری شده TiO₂-N,C با ویژگی خود اصلاح شده نیتروژن و کربن ارائه شده است. اصلاح کربن و نیتروژن TiO₂ تجاری جهت حاصل آوردن فوتوکاتالیست تیتانیا با قابلیت فعال شدگی تحت نور مصنوعی خورشیدی اعمال شد. رنگ مونو آزوی قرمز راکتیو ۱۹۸ به عنوان یک مدل آلایندگی آلی سطح ورق های سیمانی به کار گرفته شد.         

خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی فوتوکاتالیست های TiO2

۲- آزمایشات

۲ـ۱٫ مواد و روش ها

ورقه های سیمانی با استفاده از سیمان پورتلند CEM I 32.5R (Izolbet، لهستان) مهیا شدند. تیتانیوم دی اکسید خام (تأمین شده به وسیله Grupa Azoty Zakłady Chemiczne “Police” S.A. ، لهستان) در فرایند مهیاسازی فتوکاتالیست های TiO₂-N,C هم اصلاح شده بکار گرفته شده و متعاقباً به پودر سیمان اضافه گردید. AEROXIDE TiO₂ P25  تجاری (صنایع Evonik، آلمان) و TiO₂ از قبل خشک شده (ویژگی آغازین) نیز به عنوان ماده مرجع بکار گرفته شد. گاز آمونیاک ترکیبی (۸۵/۹۹%، Messer، لهستان) و متانول (با  خلوص ۸۰/۹۹%، POCH، لهستان) به عنوان منبع نیتروژن و کربن به ترتیب بکار گرفته شدند. آرگون گازی با رتبه خلوص گاز ۹۹۹۵/۹۹% (Messer، لهستان) نیز به عنوان گاز بی اثر بکار گرفته شد.

رنگ قرمز راکتیو مونوآزوی ۱۹۸ ـ ۱۹۸RR (BorutaKolor، لهستان) با وزن مولکولی ۹۶۸ g/mol  همراه l_max =  ۵۱۷  nm بعنوان یک مدل آلایندگی آلی مورد استفاده قرار گرفت. ورقه های حاصله در محلول رنگ به حجم ۵ میلی لیتر (۵۰۰ mg/L) به مدت ۱ ساعت خیسانده شدند. متعاقباً، ورقه های سیمانی اشباع شده در دمای ۹۰ درجه سلسیوس برای ۲۴ ساعت خشک شدند.

فرایند پرتودهی ورقه های سیمانی برای ۱۰۰ ساعت با استفاده از لامپ های نور مرئی / ماورای بنفش (LUMILUX  T8، ۸  W  each، OSRAM  GmbH، لهستان) با شدت تابش ۴/۰ W/m² UV و توان ۰/۲۶ W/m² Vis اعمال شد. میزان تجزیه رنگ با استفاده از فناوری UV–vis/DR و با کاربرد یک دستگاه طیف نورسنج V-650 (Jasco، ژاپن) مجهز به سیستم کروی شکل یکپارچه، برای حاصل آوردن طیف بازتاب،ی مشخص شد (BaSO₄ نیز به عنوان مرجع مورد استفاده قرار گرفت).

الگوهای پراش اشعه X که در این مقاله ارائه شده اند با استفاده از دستگاه پراش سنج X’Pert  PRO با تابش Cu  Ka (l = 0.15406 nm) حاصل آمد. اندازه کریستالیت آناتاز در سطح میانگین از پیک تراش آناتاز در حد ۲q = 25.3° و با استفاده از فرمول Scherrer مشخص شد. برآوردهای جذب N₂ در ۷۷ K برای تعیین مقادیر مساحت سطح خاص یا نسبت مساحت سطحی (S_BET) با استفاده از دستگاه SI Quadrasorb مشخص شد (Quantachrome Instruments ، ایالات متحده). با توجه به حصول شرایط خلأ در یک سطح بالا قبل از اندازه گیری کلیه نمونه ها به مدت ۲۴ ساعت تحت فرایند گاز زدایی در ۹۰ درجه سلسیوس قرار گرفتند. میزان کل کربن و نیتروژن در نمونه های TiO₂-N,C هم اصلاح شده به وسیله آنالیز کننده کربن Multi N/C مجهز به مدول های مرتبط و با بهره گیری از سیستم احتراق دمای بالای HT  ۱۳۰۰ (Analytic  Jena، آلمان) و آنالیزگر عنصری ONH  ۸۳۶ (Leco  Corporatio، ایالات متحده) مورد سنجش قرار گرفت.

۲ـ۲٫ راهکارهای مهیا سازی

۲ـ۲ـ۱٫ مهیاسازی فتوکاتالیستهای TiO₂-N,C هم اصلاح شده

در ابتدا، ماده خام TiO₂ ×H₂O با استفاده از محلول آمونیاکی ۲۴۰ میلی لیتر (۵/۲ wt%) شسته شده و متعاقباً با آب مقطر شستشو داده شد تا آنکه مقدار pH آن به ۸/۶ برسد. متعاقباً سوسپانسیون حاصله نیز فیلتر شده و بعداً دوغاب TiO₂ حاصله برای مدت ۲۴ ساعت در دمای ۱۰۵ درجه سلسیوس به منظور حذف باقیمانده های آمونیوم و مولکول های آب جذب شده بر روی سطح پودر تیتانیوم دی اکسید تحت فرآوری پیش خشک سازی قرار گرفت. در مرحله دوم، بوته کوآرتز با ۱۵ گرم TiO₂ از قبل خشک شده در بخش مرکزی کوره لوله مانند قرار داده شده و در دمای ۱۰۰ الی ۶۰۰ درجه سلسیوس (۵°C/min) تحت جریان گاز آرگون (۱۰۰ mL/min) حرارت داده شد. متعاقباً، به هنگامی که دما به نقطه مطلوب رسید، گاز بی اثر جایگزین گاز آمونیاک ترکیبی گردید و با استفاده از بطری Dreschel حاوی ۵۰ میلی لیتر متانول، با سرعت جریان ۲۰۰ mL/min جوشانده شد. دمای نهایی این فرایند برای یک مدت اضافه ۵/۱ ساعت همچنان حفظ شد.

۲ـ۲ـ۲٫ مهیاسازی نمونه های خمیر سیمان

مقدار مختلف فتوکاتالیست های TiO₂-N,C حاصل آمده (جدول ۱) به سیمان خام اضافه و به صورت مکانیکی با استفاده از ملات پورسلین ترکیب شد. پودر همگن حاصل آمده متعاقباً با آب ترکیب گردید (نسبت آب به سیمان w/c = 0.48). در صورت کاربرد کامپوزیت سیمانی حاوی ۵ wt% فتوفسفات P25 تجاری، نسبت بیشتر آب به سیمان نیز  (w/c = 0.80)  بکار گرفته می شود. ذکر این نکته ضروری است که نسبت آب به سیمان ۲۳/۰ اجازه آب پوشی یا هیدراسیون کامل سیمان را خواهد داد، اما این نوع از ترکیبات به سختی قابل کاربرد هستند که علت آن را می توان عدم کاربرد پذیری آسان آنها دانست [۱۱]. آب بیشتر سبب بروز حفره های اضافه ای می گردد که تحت عنوان منافذ موئینه ای خوانده شده و تأثیر زیادی بر روی استحکام و نفوذ پذیری بتن دارد [۱۲].

خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی فوتوکاتالیست های TiO2

۳- نتایج و مباحث

۳ـ۱٫ ساختار و خواص بافتی نمونه های خمیر سیمان

الگوی پراش اشعه X که برای سیمان خام (Cm)، فتوکاتالیست TiO₂-N,C/600 و ماده Cm  +  TiO₂-N,C/600 (حاوی ۱۰ wt% TiO₂-N,C/600) اندازه گیری شده است در شکل ۱ نشان داده شده است. این مورد مشخص شد که اضافه نمودن فتوکاتالیست تیتانیای هم اصلاح شده به سیمان خام از تأثیر خاصی بر روی ترکیب فاز مواد فتوکاتالیست سیمانی شکل گرفته نهایی برخوردار نمی باشد. مقایسه الگوهای XRD ارزیابی شده برای سیمان خالص با TiO₂-N,C/600 مشخص کننده وجود پیک های اضافه ای می باشد که برای فازهای آناتاز و روتیل در ۲q = 25.3° و ۲۷٫۴° به ترتیب مشخص شده اند. با این وجود، داده های ارائه شده در جدول ۲ به طور آشکار معرف آن می باشند که دمای فرآوری از تأثیر معنی داری بر روی ترکیب فاز فتوکاتالیست های حاصله برخوردار می باشد. به علاوه ذکر این نکته ضروری است که بر مبنای اطلاعات حاصل آمده به وسیله تأمین کننده، TiO₂ خام حاوی فاز بی ریخت و مقادیر جزئی دانه های روتیل می باشد. بنابراین، وجود روتیل در نمونه ها خشک شده در دماهای پایین تر را نمی توان در ارتباط با فرایند تغییر شکل فاز دانست. در جدول ۲ میزان نسبی مشارکت فاز کریستالین (آناتاز و روتیل) نشان داده شده است. دمای بالای اصلاح (۱۰۰ تا ۳۰۰ درجه سلسیوس)  سبب تغییر شکل  فاز  بی ریخت  به ساختار آناتاز در مقایسه با  TiO₂  آغازین  می شود. با این وجود، پهنای کامل پیک آناتاز در نیمه حداکثری (FWHM) مشخص کننده افزایش در مقدار فاز آناتاز می باشد، که به صورت معادل با کاهش در میزان فاز بی ریخت در طی فرایند اصلاح در دمای ۱۰۰ الی ۳۰۰ درجه سلسیوس به شمار می آید. پهنای کامل پیک آناتاز در نیم بیشینه سبب می شود تا قابلیت توصیف ویژگی بلورینگی فتوکاتالیست برحسب اندازه کریستالیت و کرنش یا تغییر شکل شبکه ای را داشته باشیم. به طور کلی، هر چه که پیک آناتاز باریکتر باشد، بلورینگی بیشتری در فتوکاتالیست رخ خواهد داد [۱۳، ۱۴]. کاربرد صرف به عنوان دمای کلسینه بالای ۶۰۰ درجه سلسیوس سبب بروز تغییر شکل نسبی فاز از آناتاز به روتیل خواهد شد. بر این مبنا، افزایش اندازه های کریستالین (از ۶/۹ ca. به ۵٫۳۳ nm) و کاهش آشکار در مساحت سطح خاص (از ۲۷۷ به ۲۹ m²/g) با دمای کلسینه را  نیز  می توان مشاهده نمود.

۳ـ۲٫ فعالیت فتوکاتالیستی نمونه های خمیر سیمان

فعالیت فتوکاتالیستی خمیرهای سیمان آماده شده حاوی (TiO₂) اصلاح نشده، TiO₂-N,C هم – اصلاح شده یا فتوکاتالیست های تجاری با استفاده از راهکار تجزیه رنگ RR198 انجام شده تحت فرایند تابش دهی نور مرئی ماورای بنفش مورد ارزیابی قرار گرفت (جدول ۴). به علاوه، همانگونه که در شکل ۴ نشان داده شده است، نورهای انتخابی نمونه های سیمان نشان دهنده تجزیه تدریجی رنگ می باشند.

در ابتدا، ورق های سیمانی خالص (نمونه Cm) در محلول رنگ RR198 خیسانده شده که نشان دهنده حذف اندک ماده ترکیبی پس از زمان طولانی تابش (۱۰۰ ساعت) به واسطه رنگ رفتگی مدل استفاده شده می باشد. به طور کلی، وجود فتوکاتالیست مبتنی بر TiO₂ سبب ایجاد نوعی ویژگی خود تمیز شوندگی نمونه ورق سیمانی می شود. نرخ تجزیه رنگ نسبتاً پر رنگ RR198 ارزیابی شده برای نمونه Cm + TiO₂ نیز مشخص گردید. این تأثیر احتمالاً به واسطه وجود مقادیر جزئی نمونه های نیتروژن بر روی سطح فتوکاتالیست، حاصل آمده از آب آمونیاک، می باشد که در طی شستشوی مرحله TiO₂ آغازین بکار گرفته شده است. از این مبحث چنین بر می آید که حتی میزان اندک نیتروژن در ساختار تیتانیوم دی اکسید سبب ارتقای فعالیت فتوکاتالیستی آن خواهد شد [۲۲، ۲۳]. به علاوه، میزان بالاتر تجزیه RR198 را می توان برای نمونه های سیمانی حاوی مواد افزودنی هم – اصلاح شده مشخص کرد. ارتقای نرخ تجزیه رنگ بر روی نمونه های خیسانده شده حاوی فتوکاتالیست های TiO₂-N,C هم – اصلاح شده به طور آشکار در مقایسه با نمونه های Cm + P25 قابل رؤیت می باشد. به واسطه ترکیب P25 (30-20 wt% روتیل و ۸۰-۷۰ wt% آناتاز) [۱۸] و کاف باند پرانرژی (۲/۳ eV برای آناتاز و ۰۳/۳ برای روتیل)، P25 دارای فعالیت محدودی تحت نور مرئی می باشد [۱۹ـ ۲۱]. بنابراین، اضافه نمودن فتوکاتالیست تجاری به مواد سیمانی می تواند صرفاً به میزان اندکی سبب ارتقای فعالیت فتوکاتالیستی آن شود.

خود تمیز شوندگی ورق های سیمانی فوتوکاتالیست های TiO2

۴- نتیجه گیری

مقاله جاری احتمال ارتقای خواص خود تمیز شوندگی مواد سیمانی از طریق بکارگیری فتوکاتالیست های  مبتنی بر تیتانیای  هم- اصلاح شده نیتروژن و کربن را مورد بررسی قرار می دهد. قابلیت خود تمیز شوندگی ورقه های سیمانی، مهیا شده از طریق تجزیه مدل ترکیبی آلی (رنگ راکتیو ۱۹۸ قرمز) تحت شرایط نور مرئی ماورای بنفش، مورد ارزیابی قرار گرفت. نتیجه حاصله مبین نرخ تجزیه رنگ بر روی نمونه های سیمانی بر مبنای ترکیب کمی و کیفی مواد می باشد. افزایش فعالیت نوری ورقه های سیمانی به طور ابتدا به ساکن در ارتباط با ویژگی بلورینگی مواد افزودنی Tio₂-N,C، کربن و احتمالاً میزان نیتروژن می باشد. بر این اساس، بهترین قابلیت خود تمیز شوندگی به وسیله ورقه های سیمانی حاوی ۱۰ درصد وزنی فتوکاتالیست Tio₂-N,C/300، پس از ۱۰۰ ساعت قرارگیری در معرض تابش نور مرئی ماورای بنفش مشاهده شد.