Adsorptive Removal of chromium Metal lons Using Pristine Graphene Oxide Nanoparticles

Abstract

Adsorptive Removal of Chromium Metal Ions Using Pristine Graphene Oxide Nanoparticles By: Zhoor Al-khdour Supervisor: Dr. Sami Makharza ABSTRACT Graphene oxide (GO) has recently attracted great attention due to its unique chemical and physical properties like high electrical and thermal conductivities, very high surface area and easily functionalized using biomolecules like polymer, protein, nucleic acids, etc. In the last decades, GO became of great interest in several applications such as adsorption.GO was successfully prepared in our chemical lab to be used as an adsorbent for removal of Hexavalent chromium Cr (VI) from aqueous solution. The Cr(VI) must be removed from water before it is discharged to the environment due to potentially harmful even at 0.05 mg/L concentrations.In this study, pH is an important variable to be taken into account for removing Cr(VI). The Cr(VI) could be better adsorbed by GO at acidic condition. Electrostatic interaction and redox reaction played an important role of adsorption mechanism. Kinetic studies demonstrate that Cr(VI) went fast at beginning but slowed down when the equilibrium was being approached. Further, pseudo- second –order kinetic model explained the adsorption process. The adsorption isotherm was fitted by Langmuir model. The maximum adsorption capacity of the GO was 41.27 mg/g when pH=3 at 25 oC. The equilibrium parameter (RL) at different concentrations was less than unity indicating the adsorption of Cr(VI) ions onto GO is favorable process. The thermodynamic parameter including gibbs free energy (∆Gº) at 25 oC, enthalpy change (∆Hº), and entropy change (∆Sº) were calculated which are +2.631 KJ/mol.k, +4.3 KJ/mol.k, and +5.59 J/mol.k at 30 mg/L of Cr(VI) solution respectively. The positive value of entropy reflected an increasing randomness at the solid /solution interface during the adsorption process. The positive value of ∆Hº means the adsorption is endothermic process. Index Words:Graphene oxide; Hexavalent chromium; adsorption process; Kinetic; Isotherm; Mechanis كيفية حماية البيئة المائية ومصادرها من عنصر الكروم السداسي السامCr(VI)الذي يشكل خطراِ كبيرا على صحة الانسان والبيئة؟ هذا السؤال الذي سعيت للإجابة عنه في هذا البحث، ولقد تمكنت من إزاله الكروم السداسي السام Cr(VI) من الوسط المائي بواسطة أكسيد الغرافين (Graphene oxide -GO) كمادة مازة ((Adsorbent عن طريق عمليه الامتزاز ((Adsorption وكانت أقصى نسبه يمكن تغطيها من الكروم السداسيCr(VI) على سطح واحد غرام من أكسيد الغرافين ((Adsorption capacity (qmax) ما يقارب 41.27 mg /g عندما تكون pH=3 و درجة الحرارة = 25 ºC . ولقداستخدمت أكسيد الغرافين (GO ) لميزاته العديدة من ناحية الكيميائية والفيزيائية الفريدة، ومن أهمها: وجود العديد من مجموعات الأوكسجين الوظيفية المتنوعة و مساحة سطحه الكبيرة، ولهذا الهدف قمت بتصغير حجم جزيئات أكسيد الغرافين إلى ما يقارب 200 نانوميتر ليعطي كفاءة (Effeciency) عالية لعملية الامتزاز (Adsorption) وإزالة الكروم من الوسط المائي. و تم إيجاد أن أفضل وسط لإزالة الكروم السداسي من المياه هو الوسط الحمضي، وعلاوة على ذلك وجد أن تفاعل الامتزاز ( (Adsorption يندرج تحت معدل السرعة الحركية ((Kineticrateذات الرتبهالثانيه ( (pseudo- second –order وكذلك فإن أفضل نموذج لوصف عمليه الامتزاز ((Adsorption من ناحية الديناميكا الحرارية ((Thermodyniamic هو نموذج لانجموير (Langmuir model)وحسب هذا فإن عمليه الامتزاز تحدث بطريقة الامتزاز الكيميائي ( .(Chemisorptions وأخيراً أظهرت المتغيرات الديناميكا الحرارية، أن قيمة الموجبة للمحتوى الحراري(∆Hº) تعني أن عملية الامتزاز ماصة للحرارة وأما قيمه الموجبهلانتروبيا (∆Sº ) تعني أن الفوضى والحركة كبيرة ما بين سطح الماز أكسيد الغرافين (GO) (Adsorbent ) والمعدن الكروم السداسي الممتز (Cr(VI) ) ((Adsorbate مما تزيد من فرصة الالتصاق ما بينهما وتزيد من كفاءة إزالة الكروم من الوسط المائي على سطح أكسيد الغرافين (GO ). وأيضاً بالنتائج العمليه, تم إثبات أن أكسيد الغرافين (GO) يعتبر من أفضل الممتزات (Adsorbents ) مقارنة بغيرها حسب الكثير من الدراسات السابقة، على الرغم من أنه إذا تم عمل تعديلات وإضافة مجموعات وظيفية أخرى على سطح أكسيد الغرافين (GO) ستزيد من الكفاءة (Effeciency) لإزالة الملوثات من الأوساط المائية والتي من أهمها الكروم السداسي السام (Cr(VI)).