مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

1. مقدمه

             استراتژی فراگیر برای ساخت رنگ های آلی  برای کاربردهای سلول خورشیدی، اتصال بخش های اهداکننده الکترون (D) را در حالت زمین، از طریق یک واحد لینکر به بخش تقسیم کننده (A) که الکترون- کمبود در حالت زمین، که به عنوان استراتژی کشش-فشار شناخته می شود [1-5]. پس از تحریک نور، یک فرآیند انتقال بار بین مولکولی (ICT) از بخش D به A القا می شود، جایی که الکترون بیشتر به باند هدایت (CB) نیمه هادی منتقل می شود [1،6،7] . برای جذب حداکثری نور خورشید، خواص نوری و الکترونیکی رنگ های استفاده شده بوسیله تغییر قسمت های D یا A و همچنین تغییر طول واحد لینکر رخ می دهد[8]. چندین واحد پذیرنده برای این منظور از جمله قطعات سایانواکریلیک و رودانین استفاده شده است [1،8]. این دو بخش به شدت در رنگ های مختلف آلی استفاده می شود [1،9]. هر یک از این بخش ها دارای دلایل(منافع و مضرات) خود هستند و بسته به شرایط کار دارد [10]. با این حال، تأثیر تنوع واحدهای پذیرنده عمدتا به تغییر پاسخ طیفی رنگ مورد استفاده و / یا نیروی موثر ترمودینامیکی بین LUMO رنگ تحریک شده و CB است که به نوبه خود متاثر از تراکم فوتوگرام و ولتاژ مدار باز مقادیر در سلول های خورشیدی است[1،9،11،12]. گزارش های بسیار کمی در مورد تغییرات پارامترهای جنبشی، بویژه تزریق الکترون و بازترکیب، به محض تغییر واحد های D یا A مورد بحث قرار گرفته است [6]. با این وجود، این مقاله نشان دهنده دینامیک تزریق الکترونی برای چهار رنگ  با عملکرد خوب، بدون فلز و اندولین اما با چهار واحد پذیرنده شناخته شده به نامهای D131، D102، D149 و D205 است که واحد D را به اشتراک می گذارد (ساختار شیمیایی در شکل 1 را ببینید.) همانطور که در شکل 1 دیده می شود، D131 یک گروه سینوآکریلیک دارد، D102 دارای یک مولکول رودانین است، D149 دارای دو مولکول رودانین است و D205 دارای زنجیره اکتیل اضافی در بالای دو بخش ردانین است. سلول های خورشیدی مبتنی بر D131، D102 و D149 با استفاده از ZnO، کارایی بالایی را در بین رنگ های دیگر اندولین نشان داده اند که به حدود 5٪ می رسد [13]. در نانومواد TiO2، سلول خورشیدی مبتنی بر D131 دارای راندمان بالاتر (حدود 1/5 درصد)، نسبت به سایر بر اساس D149 و D102 است که بالاترین میزان جریان تولید شده را به علت اتصال قوی الکترونیک بین گروه سینوآکریلیک حمل می کند، که در آن LUMO مستقر شده و TiO2 روی سطح است [14-16]. با توسعه طراحی ساختاری، در شرایط مشابه زنجیرۀ طولانی Octyl در D205  در مقایسه با D149 و D102  با توجه به تاخیر فرایند بازترکیب الکترون منجر به بهبود بهره وری 7.1٪ می شود [17].  با کمک عامل ضد تجمع، کارایی حدود  9.5٪ و 9.0٪ بر روی نانوکریستالین-TiO2 می تواند به ترتیب توسط D205 و D149 به دست آید [18]. لازم به ذکر است که اولین پیشرفت رنگ های اندولین که جذب این رنگ ها می شود، توسط D149 به دست آمد که در آن مقدار بهره وری 8.2٪ می تواند به دست آید [19]. از اطلاعات فوق می توان دید که بهره وری بدون درک عمیق از دینامیک الکترونی مرتبط با ساختار رنگ قابل اندازه گیری است. بنابراين، رابطه بین ساختار بنیادی اين رنگها با آروماتيك و ديناميك الكترون، عمدتا تزريق الكترون، قطعا دانش ما را به سمت ترکیب كردن رنگها بیشتر خواهدکرد. برای انجام این کار، جذب گذرا فوق العاده ای در محدوده میانی اشعه مادون قرمز (fs-IR) در این مطالعه مورد استفاده قرار می گیرد تا پویایی الکترون را در رنگ های جذب شده اندولین در CB TiO2 دنبال کند. پروب fsIR از قبل برای سیستم های مختلف برای مشاهده تزریق الکترون استفاده شده است [20-24]. جذب حالت گذرای الکترون به طور معمول از 3333 تا 111111 نانومتر با شکل بدون حالت خاص متغیر است [25]. اخیرا حساسیت fs-IR نسبت به الکترونهای تزریقی در CB در نیمه هادی ها به دلیل عدم جذب الکترونیک از سایر گونه ها مانند رنگ های آلی کاتیونی [26-28] بیشتر شده است. این مزیت منحصر به فرد از پروب MID-IN برای استفاده از فرایند تزریق الکترون برای چهار رنگ جذب شده روی TiO2، D131، D102، D149 و D205 استفاده می شود. دینامیک fs-IR نشان می دهد در اینجا تغییرات شدیدی در حرکت الکترون  در طول تغییر قسمت پذیرنده برای رنگ مورد مطالعه وجود دارد. 

2. نتایج و بحث

            رنگ های اندولین شامل واحد D، D131، D102 و D149 در تولوئن است. ماهیت حالت برانگیختگی D یک حالت محلی برانگیخه (LE) است که پس از اتصال واحدهای پذیرنده در رنگ های در حال ظهور به حالت انتقال بار داخل مولکولی (ICT) تبدیل می¬شود[16،19،29،30]. همانطور که مشاهده می شود، با افزایش قدرت واحدهای پذیرنده متصل به واحد D (λmax abs ≈ 375 نانومتر)، از سینوآکریل (D131، λmax abs ≈ 460 نانومتر) تا قسمت های ردانین (λmax abs ≈ 500, D102 نانومتر، λmax abs ≈ 535 ,D149 نانومتر و ,D205 λmax 535 نانومتر)، جابجایی باتوکرومیک قابل مشاهده است. این توانایی های پذیرنده قبل از آن در تئوری کار Tangui [16] نشان داده شده است، که در آن لحظه دوقطبی شدن توسط ca  فاکتور دو قسمتی طی رفتن از گروه سینوآکریلیک در D131 به دو بخش Rhodanine در D149 افزایش می یابد. این طیف جذبی احتمالا به دلیل اثر تجمع، پس از جذب این رنگها در TiO2 گسترش یافته است، که در شکل 2B برای D149 در TiO2 نشان داده شده است. گسترش های مشابه برای رنگ های دیگر گزارش شده است [31-34]. با این حال، همانطور که قبلا در ناحیه مرئی نشان داده نشده است با استفاده از پروب fs-IR در اندازه گیری ها، مسئله تجمع بر روی تحرکات مشاهده شده ، تحت تاثیر قرار نمی گیرد [32]، از این رو منطقه طیف کاری تنها به الکترون های مرتعش در  CB از TiO2 حساس اند[26،27]. 

             همانطور که در شکل 3 نشان داده شده، رنگ های جذب شده روی TiO2 در ناحیه مرئی با 410 نانومتر برانگیخته شده اند و در ناحیه میانی IR در 4900 نانومتر مورد بررسی قرار می گیرند، جایی که نشانه دینامیک الکترون در CB در TiO2 می تواند دنبال گردد، پروفیل های جنبشی مختلف را می توان بسته به ساختار رنگ مشاهده کرد. در زمان صفر، سیگنال تزریق الکترون در 4900 نانومتر تولید می شود، که نشان دهنده فرآیند انتقال الکترون از رنگ برانگیخته به CB TiO2 است، به شکل 3 نگاه کنید. خارج از زمان صفر، ثابت های زمان تزریق آهسته برای D102، D149 و D205، به جز D131، می تواند تشخیص داده شود. بعدها، سیگنال به دلیل فرآیند بازترکیب الکترون بین الکترونها در CB از TiO2 به رنگهای اکسیده شده بر روی سطح، شروع به محو شدن می کند، اما بازسازی کامل الکترون ها فراتر از زمان مطلوب ما از اندازه گیری های جاری است،حدود 5 نانوثانیه. بنابراین، تجزیه و تحلیل دقیق برای فرآیند بازترکیب الکترونی انجام نشده است. جدول 1 خلاصه ثابت های زمانی به دست آمده از تطابق مسیرهای جنبش با استفاده از اجزای چند گانه را نشان میدهد. برای بهترین دانش در حال حاضر، ثابت زمانی تزریق الکترون، به ترتیب در مقیاس زمانی پیکوثانیه، برای رنگ های بنیادی به ندرت مشاهده شد و به طور کامل شناخته نشد [6]. حتی برای رنگ D149 که به شکل اسپکتروسکوپی در نیمه رساناها مورد مطالعه قرار گرفته است، فقط اجزای تزریق الکترون از 100-250 fs مشاهده شد [35-37]. به احتمال زیاد فرآیند تزریق آهسته به دلیل استفاده از پروب قابل مشاهده برای تشخیص این فرایند حیاتی مشاهده نشده است که در آن همپوشانی بین سیگنال های جذب الکترون، رنگ اکسید شده و حالت تحریک رنگ های  تزریق نشده بر روی سطوح، انجام تجزیه و تحلیل داده ها را کاملا چالش برانگیز کرده است. با این وجود، قبلا، فرآیند تزریق الكترون D149 در سراسرسلول خورشیدی  كه توسط طیف mid-IR مورد بررسی قرار گرفت، نتایج مشابهی با نتایج این كار داشت [23]. 

            داده های تطبیق داده شده  رفتار دو بعدی برای رنگ های مورد بررسی به جز رنگ D131  نشان می دهد , تنها یک دوره تعریف شده استفاده می شود (جدول 1). ظاهرا، تمام رنگ ها با بخش رودانین (D102، D149 و D205)  تزریق آهسته تر الکترون را بر حسب پیکوثانیه نشان می دهند و پس از جایگزینی بخش رودانین توسط گروه سینوآکریل، در D131 تنها یک مولفه تزریق سریع 150fs نشان داده شده است (جدول 1 ) به نظر می رسد مقدار دومین ثابت زمانی تزریق با تعداد بخشهای موجود رودانین افزایش می یابد ، D149> D102 (جدول 1).  برای توضیح بیشتر، D102، با یک بخش ردانین ، ثابت زمانی دوم را در حدود 1.7 ps و برای D149، با دو بخش ردانین، دارای یک مولفه  30ps با دامنه بالا 50٪ است (جدول 1). با این حال، برای D205 که مشابه D149 است (شکل 1 را ببینید)، ثابت زمانی دوم تزریق پایین تر از D149 است، اگرچه آنها تعداد برابر از بخشهای رودانین را به اشتراک می گذارند، این می تواند به دلیل وجود زنجیره ای اضافی  alkyl در D205 باشد که مانع از حرکت پیچشی در حالت برانگیخته میشود (شکل 1). انتظار می رود که حضور مولفه دوم تزریق آهسته الكترون در D102، D149 و D205 به علت وجود گروه پذیرنده قوی توسط بخش رودانین باشد كه در D131 قوی تر از واحد سایانوكریك در D131 است [16]. وجود یک گروه پذیرنده قوی می تواند منجر به انتقال بار بین مولکولی پیچیده (TICT) / ایزومری شده در سطوح نیمه هادی شود که به نوبه خود می تواند به علت تزویج ضعیف بین رنگ کاتیونی و سطوح مرتعش CB در TiO2 منجر به روند تزریق آهسته و روند بازترکیب آهسته گردد [26،38،39]. برای تأیید وجود وضعیت TICT / ایزومریز روی TiO2، محاسبات تئوری سختی لازم است که در حال حاضر در حال ساخت هستند. با این حال، برای تأیید سهم تحرکات بزرگ در سطوح نیمه هادی با یک ترفند ساده ی تجربی، یک لایه پلیمر PMMA به صورت فیزیکی بر روی D205 جذب شده روی TiO2 توزیع میشود. PMMA به عنوان مانع تحرکات بزرگ مشاهده شده در رنگ ها و مولکول های محلول می شود، شناخته شده است [32]. پس از استفاده از PMMA، پروفیل تزریق الکترون به طور قابل توجهی تغییر کرده است، در حالی که طول عمر تزریق D205 / TiO2 حدودا 1.2ps است که با استفاده از PMMA در بالای لایه D205 سریعتر شده به 0.7  پیکوثانیه میرسد. (شکل 3B و جدول 1) این تغییرات در نرخ تزریق الکترون با استفاده از PMMA، وجود تحرکات گسترده ای از رنگ های جذب شده قبل از تزریق را تایید می کند. حضور حالت TICT یا یک حالت ایزومری شده روی سطوح نیمه هادی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است و قبلا برای سایر رنگهای آلی [26،29،32،38،40،41] نشان داده شده است. مهمتر از همه، حضور حالت تزریق TICT / ایزومری شده منجر به کاهش سرعت فرآیند بازترکیب الکترون می شود [26،38،41]. این نیز در شکل 3B نشان داده شده است، که برای همان مقدار الکترون های تزریقی (تحرکات نرمالیزه شده)، بازترکیب الکترون برای D131 به علت تزویج قوی بین ICT از D131 کاتیونی و CB از TiO2سریع تر از سایر رنگ ها با بخش های رودانین است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، برای همان مقدار الکترون های تزریق شده، بازترکیب الکترون برای D149 و D205 در زمان فعلی بسیار مشابه است که می تواند عملکرد مشابه دو رنگ را در شرایط استاندارد نشان دهد [18]. به عنوان مثال، سلول های خورشیدی بر اساس هر دو رنگ، D149 و D205، کارایی مشابهی را به ترتیب 8.2 و 8.4 درصد نشان داد [18]. اگرچه زنجيره اکتيل در D205 مقدار الكترون تزريق شده از حالت TICT / ايزومري را به دليل دامنه پایینتر از اجزاي تزريق الكترون هاي كوچك (جدول 1) كاهش مي دهد، زنجيره اكتيل همچنان براي كاهش تجمع موجود در سطوح نيمه هادي و عملکرد بالا را در سلول های خورشیدی حائز اهمیت است [18]. بنابراین، خواص شناخته شده برای رودانین به عنوان یک گروه پذیرنده قوی که طیف رنگ جذب شده روی سطح را به سمت منطقه IR جذب می کند، اجازه می دهد که رنگ، جذب فوتون بیشتری داشته باشد، همچنین می تواند باعث شکل گیری وضعیت TICT /ایزومری شود که تاثیر مستقیمی روی فرآیندهای تزریق الکترون و فرایند بازترکیب دارد. 

3. نتایج
به طور خلاصه، مقايسه ديناميك هاي الكتروني با استفاده از حسگر پروب mid-IR، به ويژه فرآيند تزريق الكترون، براي رنگ هاي اندولين شناخته شده D131، D102، D149 و D205، روند تزريق آهسته الكترون را براي رنگ هاي حاوي مولكول رودانين نشان مي دهد. این فرآیند تزریق آهسته به علت شکل گیری وضعیت TICT / ایزومری است که تاثیر مستقیمی روی فرآیند بازترکیب الکترون و عملکرد این رنگ ها در سلول های خورشیدی دارد که قبلا نشان داده شده است [19،30،42،43]. همچنین بر خلاف دیدگاه سنتی که تزریق فوق سریع الکترون ها برای رنگهایی که در سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرند، تمام تحرکات را تحت تأثیر قرار می دهد، نرخ های تزریق آهسته نیز می تواند به کارایی بالا در سلول های خورشیدی روی این رنگها کمک کند. در نهایت، این مقاله راه را برای طراحی هوشمندانه تر رنگ های آلی با توجه به فرایندهای تصویری فیزیکی واقع شده روی سطوح نیمه هادی هموار می کند.

غشای کوپلیمری جدید ضد رسوب PVDF-g-THFMA ساخته شده توسط پلیمریزاسیون رادیکالی غیرفعال شده برگشت پذیر القا شده نوری با Cu (II)

Novel anti-fouling PVDF-g-THFMA copolymer membrane fabricated via photoinduced Cu(II)-mediated reversible deactivation radical polymerization

Abstract

In this study, we fabricated a novel anti-fouling poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane using a novel amphiphilic copolymer of PVDF grafted with tetrahydrofurfuryl methacrylate (PVDF-g-THFMA). This copolymer was synthesized via photoinduced Cu(II)-mediated reversible deactivation radical polymerization. The amphiphilic copolymer was characterized by 1H nuclear magnetic resonance and Fourier transform infrared spectroscopy. The morphology of the copolymer was examined using scanning electron microscopy. The permeability and hydrophilicity of the membranes were evaluated on the basis of their pure water flux and dynamic contact angles, respectively. The anti-fouling property of the membranes was evaluated by carrying out filtration using a bovine serum albumin (BSA) solution. The PVDF-g-THFMA copolymer membranes showed a pure flux of up to 293.9 L m−2 h−1 bar−1 and a molecular weight cut off of 39.5 kDa. After the filtration of the BSA solution, the PVDF-g-THFMA copolymer membrane was washed with deionized water and the recovery ratio of the pure water flux reached a value of 89.1%. The modified membrane showed good filtration performance and anti-fouling property.

1 Introduction

Among commercial polymers, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) has received much attention as a membrane material owing to its excellent properties such as high mechanical strength, thermal stability, and outstanding chemical resistance to various organic solvents, acids, and bases [1–3]. However, the commercialization of PVDF membranes is limited. The surface energy of PVDF is very low, leading to the poor wettability and strong hydrophobic nature of PVDF membranes. Because of their hydrophobic nature, PVDF membranes are impressionable while treating aqueous solutions containing proteins. This increases the cost of operation and decreases the lifetime of PVDF membranes.

Many efforts have been made to improve the hydrophilicity of PVDF membranes. Coating a hydrophilic layer on the surface of PVDF membranes [4], grafting PVDF via various means such as ultraviolet (UV) photo irradiation, plasma, high-energy irradiation, and “living”/controlled polymerization, e.g. atom transfer radical polymerization (ATRP), and reverse atom transfer radical polymerization (RATRP) [5– 8], and introducing hydrophilic polymers [9], amphiphilic polymers, and inorganic nanoparticles into the membrane matrix have been proved to be effective in the modification of PVDF membranes [10–12].

Over the past few years, photochemically initiated ATRP, which offers the advantages of both ATRP and photopolymerization, has been studied extensively [13, 14]. Using this method, PVDF copolymers with a predetermined molecular weight and narrow molecular weight distribution can be synthesized. Compared to ATRP, photoinduced ATRP involves lower activation energy, faster reaction speed, and lower reaction temperature [15]. Yagci and co-workers developed the photoinduced Cu(II)- mediated reversible deactivation radical polymerization (RDRP) method. Cu(II) is of the utmost importance for the polymerization process in this method [16–18]. Over the past few years, photoinduced Cu(II)-mediated RDRP has received much attention and various modifications have been made to it [19]. In order to compensate for the unavoidable radical termination reactions in conventional ATRP, a high concentration of the Cu(I) catalyst is used. Cu(II)-mediated RDRP decreases the concentration of the copper catalyst used significantly without affecting the polymerization process. Compared to traditional reducing agents, light is an efficient and clean reducing agent for Cu(II). The light intensity reactor received can be changed by control the reaction equipment (the reactor was placed in it) size and polymerization time can be controlled through switching on or off light source. We can obtain polymer with certain grafting degree via control reaction equipment size and reaction time.[20]. The use of amphiphilic copolymers can improve the hydrophilicity of PVDF membranes in a single step during the membrane fabrication itself [21, 22]. Owing to their selfassembling ability, these copolymers impart a uniform pore size, narrow pore size distribution, and high water flux to PVDF membranes. The strong interactions between the bulk polymer and hydrophobic chains of amphiphilic copolymers can effectively increase their compatibility and stability in the PVDF membrane matrix [23, 24]. Amphiphilic copolymers such as PVDF grafted with poly(methyl methacrylate) (PVDF-g-PMAA), PVDF grafted with poly(hydroxyethyl methacrylate) (PVDF-gPHEMA), and PVDF grafted with poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PVDF-g-PEGMA) have been synthesized [25–27]. PVDF membranes using these amphiphilic copolymers as additives show excellent hydrophilicity and anti-fouling property. Recently, amphiphilic copolymers such as PVDF-cochlorotrifluoroethylene)-graft-poly(methyl methacrylate) (P(VDF-co-CTFE)-gPMMA) have been synthesized via photoinduced Cu(II)-mediated RDRP [28]. Motivated by these studies, we developed a PVDF amphiphilic copolymer membrane in this study. During the synthesis of PVDF amphiphilic copolymer membranes, a large number of hydrophilic segments are transferred to the membrane surface, which then self-assemble into regular pores. As a result, such membranes show good anti-fouling property and high flux.

In this study, we synthesized a novel amphiphilic copolymer of PVDF grafted with tetrahydrofurfuryl methacrylate (PVDF-g-THFMA) via photoinduced Cu(II)-mediated RDRP (a variation of ATRP) [29]. This copolymer was used to develop an anti-fouling ultrafiltration PVDF membrane via nonsolvent-induced phase separation. In this study, THFMA was used to fabricate a PVDF grafting copolymer for the first time. The results showed that photoinduced Cu(II)-mediated RDRP is an efficient approach to modify PVDF membranes. To the best of our knowledge there have been no reports on modifying PVDF membranes using this approach. The morphology of the prepared membranes was investigated using a scanning electron microscope (SEM). The performance of the PVDF-g-THFMA copolymer membranes was evaluated on the basis of their pure water flux, molecular weight cut off (MWCO), rejection of bovine serum albumin (BSA), and protein filtration experiments.

هیدروژل چیتین تقویت شده با نانوذرات TiO2 به عنوان یک جاذب آرسنیک

Chitin hydrogel reinforced with TiO2 nanoparticles as an arsenic sorbent

Abstract

In this work chitin hydrogels were reinforced with TiO2 nanoparticles acting as fillers. The mechanical and physicochemical characteristics of these hydrogels were studied by oscillatory rheology, infrared spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Small Angle X-ray Spectroscopy (SAXS). Adsorption showed to be higher at pHs below the TiO2 point of zero charge (pH ≈ 6.9). The equilibrium was achieved within 4 h following an Elovich kinetic model. The equilibrium assay showed a maximum capacity of 3.1 mg/g with better fitting for the Langmuir model. Moreover, the homogeneity/heterogeneity parameters of the Sips, Toth and Redlich–Peterson models were close to a value of 1, indicating a homogeneous sorbent/sorbate interaction. Typical natural water ions competed with As(V) for the sorption sites, being sulfate the most relevant interference. This interference was also evidenced in As(V) adsorption from natural water samples where the sorption capacity varied depending the anion composition of the sample. The reutilization of the hybrid gel was assessed up to five adsorption cycles.

1 Introduction

Arsenic presence in natural waters is a matter of concern in vast areas of Argentina, Chile, China, India, Bangladesh, among others countries. Arsenic water contamination is usually associated with non-urban zones where fast, easy application and low-cost answers are needed. With this aim several techniques have been studied, such as coagulation-coprecipitation, photocatalytic reduction, photocatalytic oxidation and adsorption using different materials [1–3].

Among As adsorbents, TiO2 has been studied in different formats and sizes, from nanoparticles to micrometric range granular particles [4–6]. It is a non-toxic compound used in pharmaceutic, cosmetic and biomedical products due to its biocompatibility [7]. However, the use of powdered TiO2 in aqueous media requires laborious separation to prevent the leakage of the particles [1,8]. In this aspect, the development of hybrid materials represents a novel strategy for the mechanical reinforcement and chemical stability of the sorbent and the prevention of the particle leakage. Examples of these hybrids are polyurethane–keratin membranes, Chitin–Kraft lignin, chitosan–sulfydryl bearing graphene oxide, sil ica–alginate–xanthan gum, etc [9–12].

In the last years, chitin based hybrids have enhanced their applicability as biomaterials thanks to novel manipulation techniques which have overcome the polysaccharide low solubility [13,14]. Chitin is a cheap polysaccharide that can be extracted from shrimp, crab shell, fungi, as well as other invertebrates such as marine sponges [15,16]. Being a waste material from food industry it is a low-cost biopolymer which is also biocompatible, biodegradable and non-toxic [7]. Although less expensive and chemically more stable in comparison with its derivative chitosan, literature still shows few approaches dedicated to pure chitin derived hydrogel materials. Most of these studies use the potentially toxic crosslinker epichlorohydrin for the obtaining of reinforced materials, such as chitin/poly(vinyl alcohol) or chitin/clay nanotubes [17,18]. Other approaches achieve the material final structure either by lyophilization or by reinforcement with high loads of graphene oxide [19–21].

The aim of this work was to combine two low-cost, non-toxic and biocompatible compounds for the obtaining of a chemically and mechanically stable arsenic adsorbent. Herein, a chitin hydrogel reinforced with TiO2 nanoparticles was developed for As(V) adsorption. Chitin and TiO2 nanoparticles were chosen based in their lower cost in comparison with other polysaccharides and metal nanoparticles and the latter’s high surface area and arsenic sorption capacity. The nanostructure of the composites was characterized using different spectroscopic techniques and the degree of reinforcement was assessed by a rheological analysis. The As (V) adsorption performance was evaluated by means of the influence of media pH, interaction time, sorption capacity, competing ions and reutilization. The sorption capacity was also assessed against natural water samples containing natural arsenic or spiked with known concentrations.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

مدل RL پارامتریک
2.1. فرمول بندی تحلیلی
مدل RL با توجه به مدل انعکاسی پیشنهادی توسط روجین (2000) با جایگزین کردن انعکاس (رابطه 25 در مقاله روجین) با دمای سطحی به دست آمده است. جهت مطابقت تعریف نا همسانگردی ما در این تعریف (تفاوت بین دمای سمت القدم و خارج از سمت القدم) دمای سمت القدم (T_N) را که منجر به رابطه زیر می شود، معرفی کرده ایم (معادله 1 لاگوراده و اروین 2008):تفاوت اندازه های T(θ_s,θ_v.φ)- T_N نا همسانگردی برای یک زاویه مشاهداتی اوج مشخص (θ_v) و زاویه مشاهده ای آزیمومت (φ_v) ارائه شده است. تفاوت (T_HS-T_N ) (تحت عنوان ΔT_HS ) به صورت نا همسانگردی در هندسه نقطه داغ می باشد (اندیس HS نشان دهنده نقطه داغ است). θ_s زاویه اوج خورشید بوده و φزاویه آزیمومت نسبی بین خورشید (φ_s) و ناظر (φ_v) می باشد. بایستی توجه داشت که در این منظور از نقطه داغ بیشترین مقدار دمای روشنایی به دست آمده هنگام مشاهده انطباق جهت با جهت خورشید می باشد (خورشید در پشت فرض شده است): این موضوع ناشی از این حقیقت است که در جهت واقعی خورشید، هدف تنها المان های روشن شده از انعکاس نور خورشید می باشد که به عنوان گرم ترین نمونه ها نیز مطرح می باشند. هنگام مشاهده جهت صرف نظر از خورشید، می توان المان های بسیار زیادی را به وسیله حسگر مشاهده کرد که موجب کاهش دمای جهتی اندازه گیری شده می گردد. بنابراین هر دو نقطه داغ در ناحیه حرارتی و در ناحیه طیفی مادون قرمز (VNIR) قابل مشاهده مرتبط با یک پیکره بندی هندسی با مقداری تفاوت می باشند. در VNIR ناهمسانگردی جهتی اساسا به وسیله فرآیند های انتقال تابشی در سایبان حکم فرما می شود. در حوزه TIR انتقال انرژی به شرایط فیزیکی DA افزوده می شود. در حوزه TIR انتقال انرژی ترکیبی به شرایط فیزیکی DA افزوده می شوند. در واقع، این موضوع موجب حاکم شدن پروفیل قائم دمای سطحی در سایبان بر اساس شاخص های مشاهده شده آن توسط حسگر می گردد. این موضوع نشان دهنده وابستگی TIR DA با تمامی عوامل حاکم بر تبادل انرژی می باشد: سازه و ساختار سایبان (جهت تابش و همچنین نفوذ باد) شرایط هواشناسی، دسترسی آب جهت بخار آب و تعرق گیاه. علاوه براین، اثرات اینرسی حرارتی می توانند بر روی نا همسانگردی جهتی TIR تاثیر بگذارند. بر خلاف سایبان های شهری که در آنها یک انحراف کوچک در مورد موقعیت نقطه داغ نسبت به زوایای آفتار مشاهده می شود (لاگوراده و همکاران 2010)، هیچ گونه اثر قابل توجهی بر سایبان های گیاهی مشاهده نمی شود. همچنین بایستی توجه داشت که ما در این تحقیق تنها از یک سایبان گیاهی تیره استفاده می کنیم. در واقع این حالت برای سایبان شهری که طی آن معادله (1) به دست آمده است، صادق می باشد. همچنین، ما به ارزیابی کارایی آن برای گیاهان می پردازیم. حالت سایبان های ناقص مجزا مانند دشت ها (پینهیرو و همکاران 2006)، پوشش گیاهی گسترده (کابش و همکاران 2008؛ گالیویک و همکاران 2013) یا حتی محصولات خام (مانند مراکز تولید شراب لانگوراد و همکاران 2014) که در آن ناهمسانگردی جهتی TIR نشان دهنده الگو های متفاوت می باشند، در این تحقیق مورد بررسی قرار نخواهند گرفت.

شکل 1 نشان دهنده توانایی رابطه تحلیلی (3) جهت بیان نا همسانگردی با مقادیر دلخواه K=0.1 و 2 و ΔT_HS=1 و 3 درجه و با موقعیت خورشید (φ_S=210، θ_s=25) متناظر با زمان ثبت در ابتدای بعد از می باشد. پارامتر های K و ΔT_HS در این قسمت تنها جهت ایجاد محدوده ای واقعی از مقادیر نا همسانگردی ارائه شده اند. شکل 1a نشان دهنده نا همسانگردی جهتی (رنگ خاکستری) شبیه سازی شده به وسیله RL (با K=2 و ΔT_HS=3) می باشد. در این قسمت نمایش نمودار در مختصات قطبی مورد استفاده قرار گرفته است (لاگوراد و همکاران 2010). این قسمت نشان دهنده جهت نمایش (نسبت به موقعیت ناظر) می باشد: شعاع بر اساس زاویه دید آزیموت φ_v جهت گیری شده اند و دوایر هم محور متناظر با زوایای دید اوج θ_v می باشند. روش ساده تصور این نمودار، فرض کردن وجود یک ناظر فرض کننده قرار گرفته در محور قائم عبوری از نمودار قطبی و توجه به سطح در جهات متناظر با جهات نمودار قطبی می باشد. به طور مثال در صورتی که ناظر به سمت جلو N-NE نگاه کند (φ_v=30، با زاویه نمای اوج θ_v=25، حداکثر ناهمسانگردی شکل می گیرد. این موضوع با حقیقت بیان می شود که المان های سایبان به صورت مستقیم نسبت به خورشید قرار گرفته اند. آنها نشان دهنده گرم ترین المان ها می باشند، زیرا آنها تنها متمرکز بر اثر تابش مستقیم برخورد به سطح می باشند. حداکثر اثر نا همسانگردی هنگامی به دست می آید که نمای سطح در جهت دقیق مطابق با خورشید باشد و خورشید در پشت المان قرار گیرد که این حالت تحت عنوان نقطه داغ شناخته می شود. موقعیت خورشید نیز در شکل 1a با رنگ سفید در موقعیت مخالف با نقطه داغ در دیاگرام قطبی نشان داده شده است.
ساختار جهتی نا همسانگردی نشان داده شده به وسیله معادله (3) تقریبا مطابق با نتایج آزمایشگاهی قبل (نمودار قطبی شکل 2 در این مقاله با توجه به تحقیق لاگوراده و همکاران 2010، 2000). می باشد.
شکل 1b نشان دهنده نا همسانگردی (ΔT(θ_v, θ_s,0 محاسبه شده با توجه به معادله 3 شبیه سازی شده با RL در صفحه اصلی خورشید برای چهار حالت می باشد (K=0.1 و ΔT_HS=1C؛ K=0.1 و ΔT_HS=3c، k=2 و ΔT_HS=1، k=2 و ΔT_HS=3C). مطابق انتظار، ΔT_HS موجب حکم فرما شدن نا همسانگردی در نقطه داغ می گردد در حالی که K شکل تغییرات نا همسانگرادی را با زوایای دید اوج تنظیم می کند. افزایش مقدار K نشان دهنده کاهش دامنه نا همسانگردی در محدوده تغییرات θ_v با شکل تیز تر نا همسانگردی در اطرف نقطه داغ می باشد. این رفتار مطابق انتظار می باشد، به طوری که مرتبط با ارائه تابع f بوده و همچنین در شکل 3 مقاله روجین (2000) نشان داده شده است.
مقادیر k و ΔT_HS تحت عنوان پارامتر های مدل RL دارای یک مقدار یکسان نمی باشند. بر اساس تحقیق روجین (2000)، k در محدوده اپتیکال دارای ارتباط نزدیکی به سازه سایبان در یک شاخص ناحیه صفحه ای مشخص LAI بوده و به وسیله LAI/4 برای یک شاخ و برگ تصادفی (مانند سایبان کروی) قابل جهت گیری می باشد. احتمال استفاده از این تقریب برای TIR به صورت دقیق تر در بخش 3.3 مورد ارزیابی قرار می گیرد. متغیر ΔT_HS که به تعیین پدیده نقطه داغ می پردازد، بستگی به فرآیند اعمال هواشناسی در سطح و بر روی وضعیت آب سطحی دارد. بنابراین ΔT_HS به عنوان اولویت و به عنوان یک متغیر که بیان آن دشوار می باشد، اشاره می شود.
در این مقاله، ما تنها توانایی مدل RL را جهت نشان دادن نا همسانگردی جهتی مورد بررسی قرار می دهیم. این موضوع به عنوان یک عامل ضروری پیش از انجام صحت سنجی به شمار می آید که بایستی در قسمت دوم انجام شود. در واقع، این فرآیند در ابتدا به کالیبراسیون مدل نیاز دارد به نحوی که بایستی بتوان پارامتر های K و ΔT_HS را نسبت به شرایط موجود برآورد کرد. این موضوع در انتهای مقاله مورد اشاره قرار می گیرد. بنابراین پروتوکل مورد نظر ما جهت دستیابی به بهترین توجیه از پارامتر های مدل RL در یک وضعیت آماری بر روی مجموعه داده ها تشکیل شده است که به صورت اندازه گیری یا شبیه سازی می باشد. این موضوع موجب ارائه برآوردی از مقادیر ΔT_HS و k حاصل از روش معکوس سازی جهت ارزیابی نهایی خطا و ارزیابی دقت می گردد.

2.1. ارزیابی آزمایشگاهی RL
2.1.1. داده های آزمایشگاهی
این بخش در تلاش است تا سازگاری مدل RL را به وسیله یک مقایسه نسبت به پایگاه های داده آزمایشگاهی موجود نشان دهد. اندازه گیری ها در طی 2 آزمایش میدانی انجام شده در شهر (لاگوراده و اروین 2008) و یک سایبان جنگلی (لاگوراده و همکاران 2000) به دست آمده اند. پروتوکل اندازه گیری مبتنی بر استفاده از دوربین های هوایی TIR مستقر بر روی یک هواپیمای کوچک می باشد. دوربین ها مجهز به لنز های زاویه گسترده بوده و در بالای هواپیما با یک زاویه انحراف جهت افزایش محدوده زوایای اوج مشاهده ای مورد بررسی مستقر شده اند. چندین خطر پرواز کوتاه که در جهت مخخالف در حال پرواز بوده اند، همگی در مرکز ناحیه مورد نظر به یکدیگر رسیده اند (ناحیه شهری یا جنگل). خط اول در صفحه خورشیدی اصلی به پرواز در آمده و خط دوم در صفحه عمود پرواز کرده است. سپس خطوط اضافی در جهت هایی با زاویه ±45 درجه از صفحه اصلی نشان داده شده اند. ترکیب هشت قطعه پروازی موجب به دست آوردن اندازه گیری های جهتی TIR برای زوایای اوج θ_v تا مقدار 60 درجه با پوشش کلی همه جهت های مشاهداه ای آزیموت می گردد. اساس این روش مبتنی بر این حقیقت است که این روش به میانگین گیری نا همگنی های مکانی ناحیه مورد مطالعه (خیابان ها، حیات ها، میدان ها، نواحی کوچک و غیره) و تغییرات زمانی (ناشی از فشار جریان اتسمفری، لاگوراده و همکاران 2015) می پردازد. می توان جزئیات دقیق پروتوکل را در دو مقاله مرجع فوق از لاگوراده و همکاران (2000) و لاگوراده و اروین (2008) مشاهده کرد.
ناحیه شهری مرکز شهر تولوز بوده و در چارچوب آزمایش CAPITOUL (میسون و همکاران 2008) مورد مطالعه قرار گرفته است. مرکز شهر تولوز ناحیه ای حدود 2x3km می باشد. این قسمت به صورت متراکم با حیات های کوچک یا باغ ها درون واحد های ساحتمانی ساخته شده است و دارای پوشش گیاهی بسیار کم (حدود %8) در چند خیابان یا در پارک ها می باشد. بیشتر ساختمان ها قدیمی بوده و مصالح استفاده شده شامل آجر برای دیوار و کاشی برای بام می باشد. میانگین ارتفاع دیوار ها حدود 15 متر است. خیابان ها در تمامی جهات جهت گیری شده و دارای عرض های مختلفی می باشند. یک مطالعه یکنواخت به صورت دلخواه با تفسیر تصاویر هوایی انجام شده است؛ این ناحیه به اندازه کافی جهت در نظر گرفتن المان های مشخصه مرکز شهر و جهت استخراج نا همسانگردی TIR نمایشی بزرگ می باشد.
آزمایش دوم در یک باغ درختان کاج در لی بری (44.44 شمالی و 0.46 غربی)، به عنوان محل آزمایشگاهی INRA واقع در نزدیکی بوردو انجام شده است. این ناحیه دارای یک باغ 350x500m با قدمت 26 ساله با میانگین ارتفاع 17.6 متر برای درختان (در سال 1996) می باشد. تراکم این ناحیه به میزان 518 اصله درخت در هر هکتار می باشد. میانگین فاصله بین درختان 4.7 متر است. LAI حدود 3.1 است. زمین به صورت کامل توسط سایبان پوشانده نشده است و سطح پوشش آن به میزان حدود %70 برآورد می شود. علاوه براین، باغ به صورت ردیفی (با زاویه حدود 35 درجه آزیموت از شمال) کاشته شده است، اما فاصله بین ردیف ها و درختان (4 و 4.7 متر) تقریبا مشابه بوده و باغ به صورت یکدست و یکنواخت می باشد.
برای قسمت های 2 سطحی، اندازه گیری ها در میانه روز انتخاب شده اند. جدول 1 نشان دهنده موقعیت خورشید در شروع و انتهای هر مرحله می باشد.
برای هر توالی اندازه گیری (برای هر نمودار قطبی آزمایشگاهی)، برازش مدل RL و بازیابی ΔT_HS و K در بازه [0,50] زوایای اوج با گام 1 درجه و در بازه [0,360] با گام 1 درجه برای جهت های آزیموت انجام شده است. بدین منظور، ما از روش بهینه سازی خودکار fminsearch پیشنهادی در جعبه ابزار بهینه سازی متلب استفاده کرده ایم.

2.2.2. ارزیابی RL نسبت به یک سایبان شهری
آزمایش اول مدل RL نسبت به داده های آزمایشگاهی برای مرکز تولوز در دو تاریخ سال های 2004 و 2005 پیشنهاد شده است (4 اکتبر حدود ساعت 11 و 25 فوریه ساعت 14:10). بایستی توجه داشت که با توجه به موقعیت محل نزدیک به طول جغرافیایی 0، می توان زمان ها را به صورت مشابه بر حسب UTC یا LTC در این مقاله بیان کرد. از UTC در این مقاله استفاده می شود. تاریخ های پاییز و زمستان موجب شده است تا نقطه داغ متناظر با زوایای خورشیدی اوج بزرگ حدود 50 و 60 درجه باشد و مدل نسبت به نا همسانگردی اندازه گیری شده نسبت به صفحه اصلی برازش شده است (با جمع تمامی اندازه گیری ها در صفحات تشکیل شده بین صفحه خورشیدی اصلی). تناظر بین اندازه گیری ها و شبیه سازی های RL به عنوان نتیجه ای از بهترین برازش به صورت نسبتا مناسب با ضریب همبستگی 0.96 و 0.93 و خطای جذر میانگین ریشه (RMSE) 0.5 درجه و 1 درجه برای 4 اکتبر و 25 اکتبر می باشند (شکل 11 مقاله لاگوراده و اروین 2008).
نتایج ارائه شده نسبت به شهری مشابه در طی آزمایش CAPITOUL مشابه در شرایط تابستانی (15 ژولای 2004) با برازش مدل RL بر کل پایگاه داده آزمایشگاهی برای تمامی جهات آزیموت و برای زوایای دید اوج 0≤θ_v≤50 به دست آمده اند. نتایج در شکل 2a و b برای ساعت 11:30 UTC و در شکل 2d و e برای ساعت 14:00 UTC نشان داده شده اند.
تناظر کلی برای هر دو حالت برقرار می باشد. تغییرات موقعیت نقطه داغ با زمان روز نیز نشان داده شده است. با این حال توزیع مقادیر نا همسانگردی در اطراف نقطه داغ در داده های آزمایشگاهی برای جهت های دید آزیموت نسبت به شمال، غرب و شرق قابل مشاهده می باشند. این موضوع برای زمان موجود، غیر قابل توصیف می باشد، اما می توان آن را مرتبط با جهت های خیابان در شهر (دو بلوار عمود NW-SE جهت گیری شده و NE-SW در تصاویر هوایی شهر (شکل 1 تحقیق لاگوراده و همکاران 2010)) دانست. نمودار های توزیع در شکل های 2c و f نشان دهنده درجه اطمینان مدل RL می باشند. می توان تمایل RL به برآورد دست پایین اندازه گیری ها برای زوایای اوج بزرگتر از 40 درجه را مشاهده کرد. انحراف گروهی از نقاط از خط 1:1 در شکل 2c مرتبط با توزیع اندازه گیری های آزمایشگاهی در اطراف نقطه داغ مطابق توضیحات فوق می باشد. علی رغم این موضوع، علائم جهتی به خوبی با ضریب همبستگی بزرگتر 0.8 و RMSE کمتر از 1 درجه به تصویر کشیده شده اند.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

2.2.4. سیالیت سیمان
زاویه گذار پودر با استفاده از روش تزریق در FT-1048 با استفاده از استاندارد چینی GB11986-89 اندازه گیری شد. 2 هزار کیلوگرم سیمان توزین شد و سپس به وسیله یک قیف به صورت مخروطی روی میز آزمایش قرار داده شد. شعاع (R) و ارتفاع (H) مخروط اندازه گیری شد. در نهایت زاویه گذار (α) با توجه به معادله (1) محاسبه گردید.

2.2.5. BFE،SE ، تراکم پذیری و تراوایی هوای سیمان
BFE،SE و مقدار افت فشار هوا در پودر آسیاب شده در تنش نرمال مین با استفاده از یک آنالیزگر چند منظور پودر در FT-4 اندازه گیری شد(فریمن تکنولوژی). تراکم پذیری با توجه به معادله (2) که در آن P0 دانسیته در فشار 0 کیلوپاسکال و Pp دانسیته در تنش نرمال مشخص می باشد. محاسبه شد.

2.2.6. پراش سنجی اشعه x پودر
ترکیب فاز با استفاده از پرش سنج rigaku Smartlab 3000A با پرتو دهی cukα (λ=0.154nm) ارزیابی گردید. تیوب اشعه x در 35kv و 30mA عمل می کرد. آرایش نوری شامل یک شکاف انشعاب ثابت (1/2°) و یک آشکار ساز D/tex بود. اندازه گیری ها با استفاده از هندسه بازتابی ϴ-ϴ ارائه گردید. داده در 10° تا 70 ° در مد پیوسته جمع آوری گردید.

2.2.7. اسکتروسکوپی انتقال مادون قرمز فوریه
اسپکروسکوپی انتقال مادون قرمز فوریه (FT-TR) نیز برای آنالیز ترکیب فازی با مطالعه ارزش های ملکولی سیمان مورد استفاده قرار گرفت. طیف FT-TR در یک اسپکترومتر علوم حرارتی نیکول IS5 در گستره 400 تا 4000cm-1 ضبط گردید. KBr به عنوان مرجع استفاده شد. نسبت KBr به سیمان 1:50 بود. سیمان و KBr با یکدیگر مخلوط شد و سپس قبل از اندازه گیری از درون یک ساچمه فلزی عبور داده شد.

2.2.8. ویژگی های فیزیکی
زمان تنظیم و یکنواختی نرمال خمیر سیمان با توجه به استاندارد چینی GB/T1346 با استفاده از یک ماشین vicat تعیین گردید. خمیر سیمان از سیمان و اب تهیه شد نسبت آب به سیمان برابر 0.5 بود.

2.2.9. ویژگی های مکانیکی
مقاومت فشاری و خمشی ملات ها بر اساس استاندارد چینی GB/T17671-1999 اندازه گیری شد. ملات ها با ماسه، سیمان و آب استاندارد چینی تهیه شد. نسبت وزن پودر سیمان/ ماسه/ آب 1:3.0:0.5 استفاده شد.

3. بحث و نتیجه گیری
3.1. تاثیر آلکانول آمین های جدید بر نرمی سیمان
بقایای غربالگری (45Mm) برای سیمان با بدون آلکانول آمین های آسیاب شده به مدت 15،20،25،30و35 دقیقه در شکل 2 نشان داده شده است. بقایای غربالگری در همه نمونه ها با گذشت زمان کاهش می یابد. الکانول آمین های جدید (DEIPA,EDIPA,THEED) به ویژه DEIPA و EDIPA بقایای غربال را برای سیمان تحت شرایط یکسان آسیاب کاهش داد. با افزایش آلکانول آمین های DEIPA و EDIPA در همان زمان آسیاب یکسان، بقایای غربالگری کاهش یافت. THEED در مقایسه با EDIPA و DEIPa تاثیر کمتری بر بقایای غربالگری داشت. تفاوت های بقایای غربالگری بین سیمان خام و سیمان دارای DEIP با افزایش زمان آسیاب افزایش یافت EDIPA در درجات بالاتر تاثیر بیشتری بر فرایند سایش داشت. در مقایسه با TEA ، اثرات THEED بر باقی مانده غربالگری در زمان طولانی تر بسیار کمتر از است.
مساحت سطح ویژه نیز برای شناسایی نرمی سیمان استفاده شد. مساحت سطوح ویژه برای سیمان های با و بدون 0.015%آلکانول آمین در شکل 3 نشان داده شده است. مساحت سطح ویژه برای سیمان حاوی DEIPA و EDIPA کمتر بود در حالیکه برای سیمان حاوی THEED در مقایسه با سیمان شاهد در زمان آسیاب مشخص بیشتر بود.
در مرحله ابتدایی آسیاب، ذرات شکسته می شوند و ترک های جدید، مکان های فعال و بازهای الکترواستاتیک جدید روی سطح تحت نیروی مکانیکی ایجاد می شود و منجر به شکاف های جدید و اجتماع ذرات نرم به علت بارهای الکتریکی، نرم می شود. DEIPA و EDIPA تری آلکانول آمین هایی با ساختار مشابه TEA هستند[14] (شکل 1 را ببینید). DEIPA و EDIPA روی سطح شکاف ها جذب می شود و مکان های فعال را می پوشاند و تنش خارجی مورد نیاز رشد شکاف ها را کاهش می دهد و از تجمع ذرات در مرحله ابتدایی آسیاب جلوگیری می کند. از طرف دیگر DEIPA و با کاهش بارهای الکترواستاتیک در مراحل بعدی از تجمع مجدد ذرات ریز جلوگیری می کند. THEED یک آلکانول آمین با مشخصات ساختاری خاص دو آمین است. دو اتم نیتروژن در دو انتهای ملکول، روی سطوح دو ذره جذب می شود. ابعاد فضایی THEED بسیار کمتر از محدوده اندازه پودری است. در نتیجه اثرات آسیاب THEED در مقایسه با DEIPA و EDIPA بسیار کمتر است.

3.2. توزیع اندازه ذرات
منحنی های توزیع اندازه ذره برای سیمان با و بدون 0.051% الکانول آمین آسیاب شده به مدت 25 دقیقه در شکل 4 نشان داده شده است. توزیع اندازه ذره به طور عام برای همه نمونه ها از توزیع نرمال پیروی می کند. منحنی های توزیع اندازه ذره برای سیمان با آلکانول آمین ها پوشانی بسیاری دارد اما با منحنی سیمان خالص هم پوشانی ندادر. حجم ذرات با اندازه 1 تا 5 Mm برای سیمان خالص در مقابسه با سایر نمونه ها بیشتر است. با این وجود بقایای غربال (45Mm) و مساحت سطح ویژه برای سیمان حاوی DEIPA و EDIPA در مقایسه با سیمان خالص کمتر است. این نتیجه را می توان به تجمع ذرات ریز به علت بارهای الکترواستاتیکی نسبت داد.

3.3. سیالیت و آسیاب سیمان
زاویه گذار در ابتدا تشخیص جریان پذیری پودرها به کار می رود. یک پودر با زاویه گذار کوچکتر جریان پذیری بیشتری دارد. شکل 5 زوایای گذار سیمان با بدون آلکانول آمین ها را برای آسیاب به مدت 25 دقیقه نشان می دهند. DEIPA ،EDIPA و TEA و TIDA به طور چشمگیری زوایای گذار پودر را کاهش می دهد . زوایای گذار با افزایش آلکانول آمین، زاویه گذار برای سیمان با DEIPA کمتر از زاویه گذار سایر نمونه ها است.
BFE برای حرکت پودر پیش آماده شده با یک جریان ثابت ضروری است و نیز پارامتر مهمی برای شناسایی تغییرات قابلیت جریان است. یک پودر با BFE کمتر، قابلیت جریان بیشتری برای انتقال پنوماتیک دارد و منجر به فشرده شدن پودر سیمان می گردد. آلکانول آمین های جدید مثل DEIPA و EDIPA موجب کاهش چشمگیر BFE حتی زمانیکه مقدار آن ها 0.015% باشد، می شود در حالیکه THEED اثر کمتری دارد( در جدول 2 نشان داده شده است). BFE سیمان حاوی DEIPA و EDIPA به ترتیب 26% و 16% در مقایسه با سیمان خالص کاهش یافت و این امر نشان میدهد که افزودن EDIPA و DEIPA برای انتقال پنوماتیک و فشرده سازی سیمان مناسب است.

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده
1- مقدمه
2 آزمایش
2-1 دستگاه ها و معرف ها
2-2 تعیین مشخصات
2-3 تهیه نانوذرات مغناطیسی
آزمایشات جذب
آزمایشات دفع
نتایج و بحث
3-2-2 سینتیک جذب
3-2-3 ایزوترم های جذب سطحی
3-2-4 بازیافت جاذب
4-نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1- مقدمه
رنگ یکی از مهم ترین آلاینده های شناسایی شده در میان آلاینده های فاضلاب حاصل از نساجی می باشد. در عین حال،رنگ های آلی یا ارگانیک به طور گسترده ای در صنایع نساجی، کاغذ، چاپ، عکاسی رنگی،دارویی،چرم،محصولات آرایشی،پلاستیک وسایر صنایع استفاده می شود.بسیاری از این رنگ ها سرطان زا، موتاژنیک و تتراژنیک هستند و از این روی برای انسان، میکرو ارگانیسم ها و ماهی ها سمی هستند. حذف رنک ها از فاضلاب از نظر محیط زیستی اهمیت دارد(2). تا کنون فناوری مختلف از جمله جذب، انعقاد، فلوکوله شدن، فرایند اکسیداسیون پیشرفته،اوزوناسیون، فیلتراسیون ممبران و تصفیه بیولوژیک برای حذف رنگ ها از فاضلاب پیشنهاد شده اند(3-4). جذب یک روش جذاب برای حذف رنگ آلی به دلیل هزینه پایین آن است. از این روی بسیاری از جاذب ها نظیر کربن فعال، کائولین، رس مونت موریلونیت، گل قرمز، رس آجر پزی و. غیره قادر به رنگ زدایی فاضلاب می باشند. به عنوان یک جاذب، نانو مواد مغناطیسی با سطوح بزرگ ، خواص مغناطیسی منحصر به فرد و هزینه پایین، به یک ابزار مهم در زمینه های مختلف تبدیل شده اند. چون نانوذرات Fe3O4 زیست سازگار، با سمیت کم تر، به آسانی قابل سنتز، اقتصادی و سازگار با محیط زیست هستند، بسیاری از جاذب ها از طریق اصلاح نانوذرات Fe3O4 با ترکیبات الی متنوع تولید شده اند. با این حال تعداد کمی از مقاله هاجذب رنگ ها را با ذرات مغناطیسی کراس لینک شده با اسید آمینه نشان داده اند.
در این مطالعه ما به بررسی سنتز و رفتار جذب نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 اصلاح شده با پلی لیزین و 3-گلیکوزید اکسی پروپیل تری متوکسیلین پرداختیم. نانوذرات مغناطیسی با طیف های مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی عبوری، انکسار اشعه ایکس، تحلیل ترموگراویمتری و طیف سنج فوتوالکترون اشعه ایکس مشخص شدند. برای درک مکانیسم جذب MNP، ما به بررسی ظرفیت جذب آنیونی Fe3O4@GPTMS@P-Lys به صورت تابعی از زمان، غلظت رنگ و اسیدیته پرداختیم.MNP می تواند به طور موثری رنگ های آمیونی از جمله متیل بلو، اورانژ، آمارانث و قرمز اسیدی 18 از محلول آبی حذف کرد.
آزمایش
2-1 دستگاه ها و معرف ها
همه معرف ها دارای گرید تحلیلی بودند و بر اساس توصیه های کارخانه استفاده شدند. فریک کلرید، فروز سولفات، پلی لیزین، انیدروز سدیم کربنات و چهار رنگ آلی شامل قرمز اسیدی18، اورانژ، متیل بلو، آمارانث از سینوپرهام خریدتری شد. سدیم هیدروکسید و تولوئن از شرکت نیامچین خریداری شد.
2-2 تعیین مشخصات
اندازه ذرات و ویژگی های ریخت شناسی MNP ها با TEM مشخص شد. طیف های مادون قرمز با طیف سنج مادون قرمز نزدیک Bruker VERTEX 70 FT-IR تشخیص داده شدند. خواص مغناطیسی MNP با یک مغناطیس سنج تحلیل شدند. آنالیز گراویمتری در دمای 10 درجه در دقیقه زیر چریان نیتروژن انجام شد. آنالیزور انکسار اشعه ایکس Bruker D8 Advance با تابش Cu Ka برای اندازه گیری انکسار اشعه ایکس استفاده شد. مقادیر اسیدیته با پی اچ سنج PHS-3C اندازه گیری شد. طیف سنج UV-4100 برای تعیین غلظت رنگ های آلی در محلول استفاده شد. پتانسیل زتای مواد با PALS اندازه گیری شد. سطح مقطع ویژه و توزیع ذرات منفذی با نالیزور سطح مقطع و تخلخل اندازه گیری شد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Dye is one of the most significant identified contaminant among the various pollutants of wastewater because of its high toxicity and possible accumulation in the environment. At the same time, organic dyes are extensively used in various branches such as textile, paper, printing, color photography, pharmaceutical, leather, cosmetics, plastic and other industries [1]. Many of these dyes are carcinogenic, mutagenic and teratogenic, so they are toxic to human, microorganisms and fish species. Removal of dyes from wastewater becomes environmentally important [2]. So far, several technologies, including adsorption, coagulation, flocculation, advanced oxidation processes, ozonation, membrane filtration and biological treatment, have been developed and implemented for the purpose of removing the dyes from wastewater [3,4]. Adsorption is an attractive method for the removal of organic dye because of its low cost [5]. Therefore, many adsorbents such as activated carbon [6], kaolin [7], montmorillonite clay [8], waste red mud [9], fullers earth and fired clay [10], were reported to decolorize wastewater. As adsorbent, magnetic nanomaterial possessing large surface areas, unique magnetic properties and low cost, has become an increasingly popular tool in various fields. Because Fe3O4 nanoparticles are biocompatible, low toxic, easily synthesized, particularly economic and environmental friendly [11], many adsorbents were synthesized through surface modification of Fe3O4 nanoparticles with diverse organic compounds. However, a few papers have reported on the adsorption of dyes by the magnetic particles cross-linked with amino acid until now. In our previous work, we reported four kinds of magnetic adsorbents for removing organic dyes [12–15]. The magnetic adsorbent modified with lysine (Fe3O4@GPTMS@Lys) could remove cationic and anionic dyes. However, the maximum adsorption quantity (qm) for anionic dye is below 100 mg/g [15]. In this work, Fe3O4 nanoparticles modified with poly-lysine (Fe3O4@GPTMS@P-Lys) could enhance the maximum adsorption capacity for various anionic dyes including methyl blue (MB), orange I (OR-I), amaranth (AM) and acid red 18 (AR-18) (Fig. 1), because the number of amino group influences qm for anionic dyes and poly-lysine contains much more amino groups than lysine. We have studied the adsorption isotherms, kinetics, desorption and reuse of the MNPs. Furthermore, the Fe3O4@GPTMS@P-Lys MNPs possess high surface areas which lead to higher adsorption capacity and strong superparamagnetic properties that can be handled in an external magnetic field [16].

2. Experimental

2.1. Apparatus and reagents All reagents were of analytical reagent-grade and were used as supplied. Ferric chloride (FeCl36H2O), ferrous sulfate (FeSO47H2O), poly-lysine, anhydrous sodium carbonate (Na2CO3) and four organic dyes acid red 18 (AR-18), orange I (OR-I), methyl blue (MB), amaranth (AM) were purchased from Sinopharm Chemical. Sodium hydroxide (NaOH) and toluene were from Tianjin Guangcheng Chemical. 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) was from J&K Chemical. Aqueous solutions of organic dyes were prepared with deionized water. 2.2. Characterization The particle size and morphological characteristics of the MNPs were detected with a transmission electron microscope (TEM, JEM-1011). Infra-red (IR) spectra were recorded with an IR spectrophotometer Bruker VERTEX 70 FT-IR (Germany). The magnetic properties of the MNPs were analyzed by a vibrating sample magnetometer (VSM, JDM-13E). Thermo gravimetric analysis (TGA) involved use of an SDTQ600 thermo gravimetric analyzer (USA) at 10 C/min under nitrogen flow. A Bruker D8 Advance X-ray diffraction analyzer (Germany) with Cu Ka radiation was used for Xray diffraction (XRD) measurements. pH values were measured with a PHS-3C pH-meter (Tianyou, Shanghai). A UV-4100 spectro photometer (Hitachi) was used to determine organic dyes concentration in solution. Zeta potential of synthesized materials was measured with Zeta PALS (USA). The specific surface area and pore size distribution were performed with Surface Area and Porosity Analyzer (ASAP 2020 HD88). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was recorded on ESCALAB 250 (ThermoFisher SCIENTIFIC).

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده
1-مقدمه
2-روش آزمایش
2-1 سنتز
2-2 روش های شناسایی
2-3 کشت و تیمار سلولی
2-4 زنده مانی سلول
2-5 تحلیل آماری
3-نتایج و بحث
3-1 اندازه گیری FT-IR
3-2 اندازه گیری های TEM
3-3 اندازه گیر یهای ICP-MS
3-4 اندازه گیری های TGA
3-5 تحلیل زنده مانی سلول
4- نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1-مقدمه
سرطان سینه در طی دهه اخیر، رایج ترین سرطان در زنان در سرتاسر دنیا بوده است(1). تحقیقات در خصوص درمان سرطان سینه هم در خصوص شیوع و هم در خصوص مرگ و میر ناشی از سرطان در دهه گذشته توسعه یافته است(1.2). این تحقیقات عمدتا بر انواع درمان ها برای اشکال مختلف سرطان نظیر جراحی، رادیو درمانی و شیمی درمانی متمرکز بوده ضمن این که برخی درمان های کم تر رایج را در بر می گیرد نظیر ترمو تراپی، ایمنوتراپی و درمان هدف(3). روش های درمانی مختلف قادرند تا بیماری را تا حدودی تسکین دهند با این حال مطالعات بیشتری در زمینه های مکمل از جمله عوامل درمانی، سیستم های جدید دارو رسانی و غیره بایستی انجام شود(4-5). عوامل درمانی را می توان به مقوله های مختلف تقسیم بندی کرد: عوامل آلکلیه کننده، آنتی بیوتیک هایی که به اسید های نوکلئیک حمله می کنند، عوامل مشتق پلاتینوم نظیر کربوپلاتین یا سیس پلاتین، مهار کننده های میتوزی، اثر آنتی بیوتیکها، عوامل نوع کامپتوتسین و اصلاح کننده های پاسخ بیولوژیکی. در این ایده، هدف یابی حامل های ویژه(6) برای دست یابی به کارایی درمانی بالاتر، اهمی زیادی را در زمینه درمانی کسب کرده است و به طور ویژه، ترکیبات نانوهیبریدی با اثرات هم افزایی بالقوه نسبت به شیمی درمانی مزیت بیشتری را دارد(7).
یک بخش مهم از عوامل کارایی نظیر عوامل آلکیله کننده، آنتی بیوتیک های هدف یابی تومور و ترکیبات پلاتینوم این است عملکرد آن ها از طریق آسیب سلولی با شروع تشکیل رادیکال آزاد، تغییر وضعیت ردوکس و حضور گونه های اکسیژن واکنشی به عنوان ابعاد بیوشمیایی رایج در سلول های سرطانی می باشد(8). تنش اکسایشی تولید شده با پروکسیدان ها و آنتی اکسیدان ها منجر به آسیب سلولی شده و حضور آن در سلول های سرطانی می تواند پیامد ها و اثرات درمانی مهمی داشته باشد(2.9) و این امکان توسعه راهبرد های درمانی جدید را می دهد(10).
در طی سال های اخیر، تعداد زیادی از نانومواد توسعه یافته اند و این مواد کاربرد زیادی در سرطان در مانی پیدا کرده اند. سیستم های نانومقیاس، حامل های موثر و کارامدی برای دارو ها برای انتقال این دارو ها به بافت های خاص یا جمعیت های سلولی به دلیل کاهش اثرات جانبی کشنده محسوب می شوند. در این رابطه، نانولوله های کربنی(CNT) اجزای سیستم های دارو رسانی(4-11) به دلیل قابلیت های انتقالی آن ها و خواص فیزیکی شیمیایی آن ها محسوب می شوند. در طی دهه گذشته، این خواص منجر به استفاده از CNT ها در بسیاری از کاربرد های زیستی مهم دیگر نظیر مطالعات آنتی باکتریایی(12) و بیوسنسور ها(13) می شود.
CNT ها از لایه های نازک کربن های حلقه بنزن که به شکل یک ساختار لوله ای یکپارچه در آمده است ساخته شده است. آن ها متعلق به خانواده فلورن ها می باشند که سومین شکل الوتروپیک کربن همراه با گرافیت و الماس(14) بوده و دارای خواصی نظیر وزن فوق سبک، مقاومت مکانیکی بالا، و نیز رسانش الکتریکی و حرارتی بالا می باشد(15). نانولوله های کربنی بر طبق ساختارشان، می توانند تک دیواره ای(SWCNTs) یا چند دیواره ای (MWCNTs) باشند. عاملی سازی مناسب SWCNTs و MWCNTs امکان سازگاری زیستی و قابلیت انتشار بهتر را می دهد(8-16). دو شیوه اصلی برای افزایش ترکیب پذیری آن ها با آب وجود دارد: عاملی سازی کوالان و غیر کوالان. به منظور یافتن دارو های سرطانی جدید، هر دو رویکرد به طور گسترده ای استفاده شده اند و نانولوله های کربنی با مولکول های مختلف بار گذاری می شوند تا تولید مواد ترکیبی جدید نظیر سیستم های دارو رسانی کنند(11-17).
عاملی سازی دوگانه از طریق اکسایش و معرفی یک عامل ضد سرطانی اولین بار در سرطان درمانی نانولوله ای با سیپلاتین تست شد(12)، با این حال اندکی بعد کربوپلاتین و دوکسوروبیسین بررسی و مطالعه شد(13-14). در مقاله قبلی(18)، هدف ما معرفی دوستاکسل در SWCNTs و MWCNTs و براورد کارایی کپسوله سازی بود که برای MWCNT-COOH اهمیت زیادی داشت. بر طبق داده های شناخته شده، هر دو نوع نانولوله های کربنی اثرات مثبتی بر روی تکثیر سلول و تمایز سلول دارند(21، 3، 19).
نشان داده شده است که دو ترکیب درمانی سیس پلاتین و دوستاکسل حمل شده با MWCNT-COOH اثر مثبتی بر روی تمایز و تکثیر سلول داشتند(2). با این حال، اثرات آن ها بر روی مرگ سلول و کاربرد بالقوه آن ها در سرطان درمانی مطالعه نشده است. هدف این مقاله بررسی سنتز، شناسایی و سمیت کنترل شده این سیستم دارو رسانی دارای سیپلاتین و دستاکسل بار گذاری شده بر روی نانولوله های کربنی عاملی (MWCNTCOOH) می باشد.
هدف اصلی این مقاله بررسی پاسخ درون شیشه ای سلول های سرطان سینه، نوع MDA-MB 231 در مواجهه با CNT های عاملی و CNT های عاملی شده سیتواستاتیک می باشد.

2-روش آزمایش
2-1 سنتز
نانولوله های کربنی چند دیواره ای (MWCNTs) از شرکت سیگما الدریخ با 90 درصد کربن و D×L 10-15 nm × 0.1-10 μm خریداری شدند که با رسوب بخار شیمیایی کاتالیزوری ساخته شده بودند. عاملی سازی از طریق اکسیداسیون با انتشار آن ها در 8 درصد اسید سولفوریک و التراسونیکاسیون در 50 درجه به مدت 48 ساعت مطابق با MWCNT-COOH(20) صورت گرفت. داروها (سیس پلاتین و دوستاکسل) و محلول 7 درصد NaCl از بازار های دارویی خریداری شد. سیپلاتین (CDDP, 20 mg)در محلول اب نمک حل شده و سپس MWCNT-COOH افزوده شد. دوستاکسل ( داکس 20 میلی گرم) به محلول افزوده شده و MWCNT-COOH افزوده شد. سپس هر دو سوسپانسیون به مدت 48 ساعت در 50 درجه اولتراسونیکات شده و فیلتر شدند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Breast cancer seems to be the most common cancer in women all over the world in the last decade [1]. Being so agressive for both incidence and mortality, research concerning breast cancer therapy has been widely developed in the last decade [1,2]. The research was focused mainly on the common types of treatment for different forms of cancer, such as surgery, radiotherapy and chemotherapy, but has also involved less common therapies, such as thermotherapy, immunotherapy, and targeted therapy [3]. The treatment modalities were able to partially alleviate the burden of this terible disease, but much more needs to be done in complementary fields, including materials as therapeutic agents, new systems for drug delievery, etc. [4,5] and this fact enhances research in the field. The therapeutic agents can be divided into various categories: alkylating agents, antibiotics which attack nucleic acids, platinum derivative agents as cisplatin, carboplatin or oxiplatin, mitotic inhibitors, antimetabolites, camptothecin type agents, and biological response modifiers. In this idea targeting specific carriers [6] to achieve higher therapeutic efficacy is gaining more importance in the pharmaceutical field and specifically, the nanohybrid compounds with potential sinergetic effects is posed to edge over chemotherapy [7]. An important part of efficacy agents such as the alkylating agents, the tumor targeting antibiotics, and the platinum compounds, is that they act by generating cellular damage by initiating free radical formation, the altered redox status and the presence of reactive oxygen species (ROS) being common biochemical aspects in cancer cells [8]. Oxidative stress is generated by an imbalance favouring prooxidants and/or disfavouring antioxidants, potentially leading to cellular damage and its presence in cancer cells could have important treatment implications [2,9] and allow the development of novel therapeutic strategies [10]. In recent years, lots of nanomaterials were developed and some of the most promising and exciting applications involve their use in cancer therapy. The nanoscale systems have proved to be efficient carriers for drugs to specific tissues or cell populations due to decreased deleterious side effects. In this context, carbon nanotubes (CNTs) are considered possible components of delivery systems [4,11], due to their transporting capabilities and their physicochemical properties. Over the past decade, such properties resulted in the use of CNTs in many other important bioapplications, such as antibacterial studies [12] and biosensors [13]. CNTs are formed by thin sheets of benzene ring carbons rolled up into the shape of a seamless tubular structure. They belong to the family of fullerenes, the third allotropic form of carbon, along with graphite and diamond [14] and present properties such as ultralight weight, high mechanical strength, as well as high electrical and thermal conductivity [15]. According to their structure, CNTs can be single-walled (SWCNTs) and multi-walled (MWCNTs). The appropriate functionalization of SWCNTs and MWCNTs allows a better biocompatibility and dispersability [8,16]. There are two main ways to increase their water miscibility; covalent and noncovalent functionalizations. In the search for new cancer drugs, both approaches have been widely used, and functionalized nanotubes have been loaded with various molecules to generate new hybrid materials as drug delivery systems [11,17]. Double functionalization via oxidation and introduction of an anticancer agent was firstly tested in nanotube cancer therapy with cisplatin [12], but soon after, carboplatin and doxorubicin were also investigated [13,14]. In our previous paper [18], our goal was to introduce docetaxel in SWCNTs and MWCNTs, and to estimate encapsulation efficiency, which was better for MWCNT-COOH. According to known data, both types of CNTs had positive impacts on cell proliferation and differentiation [2,3,19]. It has been shown that two therapeutic compounds, cisplatin and docetaxel, carried by MWCNT-COOH, had positive impacts on cell proliferation and differentiation [2]. However, their effect on cell death and potential usage in cancer treatment are still absent. The present paper is focused on the synthesis, characterization and controlled toxicity of such a drug delivery system simultaneously containing cisplatin and docetaxel loaded on functionalized carbon nanotubes (MWCNTCOOH). The aim of this paper was to investigate the in vitro response of a cancer breast cell line, MDA-MB 231, to exposure to functionalized CNTs and citostatic dopped functionalized CNTs.

2. Experimental procedure

2.1. Synthesis Multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) were purchased from Sigma Aldrich having more than 90% carbon basis and D×L 10-15 nm × 0.1-10 μm, produced by Catalytic Chemical Vapor Deposition (CCVD). Functionalization via oxidation was achieved by their dispersing (3.0 g) in 8% sulfuric acid and ultrasonication at 50°C for 48 hours, to afford MWCNT-COOH [20]. The drugs (cisplatin and docetaxel) and 7% NaCl solution were purchased from the pharmaceutical markets. Cisplatin (CDDP, 20 mg) was dispersed in saline solution (5 mL) and then MWCNT-COOH (0.5 mg) was added. Docetaxel (DOX, 20 mg) was dispersed in saline solution (10 mL) and then MWCNT-COOH (0.5 mg) was added. Subsequently, both suspensions were ultrasonicated for 48 hours at 50°C and filtered.

استفاده از سوسپانسیون اکسید گرافن کاهش یافته توسط گلوکز در فوتوترمال تراپی سرطان

The use of a glucose-reduced graphene oxide suspension for photothermal cancer therapy

A single-step green method for effective reduction and functionalization of graphene oxide (GO) by glucose was developed. Then, efficacy of the glucose-reduced GO sheets in photothermal therapy of LNCaP prostate cancer cells was investigated in vitro. The GO suspension reduced and functionalized by glucose in the presence of Fe catalyst showed a biocompatible property with an excellent near-infrared (NIR) photothermal therapy efficiency better than hydrazine-reduced GO, single-wall and multi-wall carbon nanotube suspensions which even showed some levels of toxicities. For complete destruction of the cancer cells at some time intervals of NIR irradiation (e.g., 0.5 and 12 min with a power density of 7.5 W cm−2), minimum concentrations of the reduced GO sheets (i.e., 1 and 0.05 mg mL−1) were obtained. The high photothermal therapy efficiency and biocompatibility of the glucose-reduced GO sheets were assigned to functionalization of the reduced sheets by gluconate ions which also prevented their aggregation. Our results suggest that the glucose-reduced GO sheets can be used as biocompatible and efficient photothermal agents in upcoming nanotechnology-based cancer therapies without any common functionalization by polyethylene glycol.

1 Introduction

Although valuable techniques (such as surgery, chemotherapy, radiotherapy, and sometimes a combination of them) have been developed in the area of cancer therapies, there are still important obstacles (e.g., severe adverse reactions1,2 and low efficiency versus resistant cancer cells3,4) which should be resolved. In recent years, photothermal nanotherapy has been proposed for effective treatment of advanced-stage cancer, with low side effects.5
7 It relies on heat generation in a nanomaterial upon near-infrared (NIR) photoexcitation and destroying cancer cells by excessive local heating.

Graphene (as a monolayer or a few layers of sp2 -bonded carbon atoms having a honeycomb lattice structure) with unique physicochemical properties (e.g., see ref. 8) has attracted much attention. Furthermore, being very similar to carbon nanotubes (CNTs), graphene is capable of absorbing NIR radiation, because of its delocalized electron arrangement. This absorbed radiation can be given off to vibrational modes of the graphene i.e., transformation into thermal energy, which results in raising the temperature of the cancerous tissue and structural changes in the cellular and protein configurations.9 Hence, graphene sheets with an excellent thermal conductivity10 and a high effective surface area (as the thinnest sheet) can be considered as one of the most effective nanomaterials in photothermal nanotherapy applications.

So far, only a few works about photothermal therapy of cancer cells by graphene-based nanomaterials have been reported. For example, for the first time, Yang et al.11 studied photothermal therapy of cancer cells in vivo, by using nanoscale graphene oxide (nGO) sheets coated by polyethylene glycol (PEG). Then, the effect of surface chemistry and size of nanoscale graphene oxide sheets on cancer photothermal therapy using ultra-low laser power was reported by this group.12 Robinson et al.13 studied photothermal therapy of cancer cells in vitro, by using a low concentration of nanoscale reduced graphene oxide (nRGO)- PEG. Zhang et al.14 reported the synergistic effect of chemophotothermal therapy using PEGylated graphene oxide. And Markovic et al.15 found that polyvinylpyrrolidone-coated graphene nanoparticles show better performance in photothermal therapy of cancer cells in vitro than DNA or sodium dodecylbenzenesulfonate-solubilized single-wall carbon nanotubes (SWCNTs). In most of these recent works, in order to overcome the water-insolubility of hydrazine-reduced graphene oxide sheets, functionalization by PEG was used. In addition, PEG-functionalized nRGO sheets exhibited a biocompatible property, while nGO and nRGO appeared to show similar levels of toxicity.13

In fact, biocompatibility of graphene-based nanomaterials is one of the most important parameters for their applications in (especially in vivo) photothermal therapy of cancer cells. Although, there are some investigations about biocompatibility of graphene,16 interaction of extremely sharp edges of graphene sheets with cell wall membrane,17 generation of reactive oxygen species by graphene18 and trapping a live cell within the aggregated graphene sheets19 were reported as possible mechanisms for describing the cytotoxicity of graphene sheets. It was also reported that the graphene-based papers can inhibit the growth of bacteria but with a minimal cytotoxicity.20 Cytotoxicity of graphene is also reported to be dose dependent.18,21 Moreover, in the chemical exfoliation method (as one of the most efficient methods for large scale production of graphene), strong reductants such as hydrazine, which is highly toxic, are usually applied for reduction of the synthesized graphene oxide suspensions. Therefore, not only should a biocompatible reductant be selected and used for reduction of the chemically exfoliated GO suspensions (e.g., melatonin,19,22 vitamin C (L-ascorbic acid),23 sugar,24 polyphenols of green tea25 and bacteria26,27), but biocompatibility of the reduced graphene oxide suspension must also be tested for a noninvasive and harmless application of graphene-based nanomaterials in photothermal therapy. In addition, lower amounts and concentrations of graphene with higher NIR absorbance and heat transport efficiencies should be prepared and utilized for the photothermal therapy. One of the ways for achieving this is prevention from aggregation of reduced graphene oxide sheets during the biocompatible reduction process at the neutral pH.

In this work, at first, we used glucose for green reduction and functionalization of graphene oxide sheets synthesized through a chemical exfoliation method. The efficiency of reduction by glucose in the presence of a Fe catalyst was investigated. The biocompatibility of the glucose-reduced graphene oxide was examined and compared to the biocompatibility of hydrazinereduced graphene oxide, without using any PEGylation which is usually applied for functionalization of the reduced sheets. Then, the biocompatible glucose-reduced graphene oxide suspension was used for NIR photothermal therapy of human prostate cancer cells in vitro. For some various NIR irradiation times, the minimum GO concentration required for complete lysis of the cancer cells was obtained. Efficiency and biocompatibility of the graphene-based nanomaterials in photothermal therapy were also compared with those of single-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs).

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

تمام آزمایش‌ها با پارامترهای شار اسپری یکسان (ازجمله فشار هوا، نرخ جریان هوا، فشار آب، نرخ جریان آب و دمای آب) انجام شدند. برای شرح توزیع شار حرارتی در دماهای متفاوت صفحه، از تصاویر الگوهای شار روان کار استفاده شد. در قسمت چهارم، نتایج تصاویر مادون‌قرمز اسپری ارائه شده و مورد بحث قرار گرفته شدند. تصاویر مادون‌قرمز اطلاعاتی در مورد توزیع دمایی در مخروط پاشش ارائه دادند. قسمتی از اسپری که دمایی بالاتر از دمای محیط داشت به‌عنوان منطقه تحت تأثیر حرارت(HAZ) انتخاب گشت. تصاویر متعددی مربوط به مراحل اولیه و زمان های بعد از آن نشان داده شده و مورد بحث قرار گرفته شدند. بااینکه نتایج برای شرایطی بیان شدند که نازل در طول فرایند مکان ثابتی داشته است اما می توان از نتایج HFS و تصاویر مادون‌قرمز برای روش های دیگری ازجمله پالسی و روبشی نیز استفاده کرد. می توان از داده های به دست آمده در این تحقیق برای تولید روان کارهای جدید و یا برای انتخاب روش مناسب اعمال آن ها بر روی قالب ها استفاده نمود. نتایج HFS و تصاویر مادون‌قرمز می توانند برای بررسی اثر سرمایش روان کار در شرایط صنعتی مورد استفاده قرار گیرند.

2. تجزیه روان کار
قسمت SDT2960 دستگاه TA اندازه گیری های TGA و DTA را هم‌زمان انجام داد. داده‌های TGA کسر اجزای فرار را با بررسی تغییرات وزنی در حین گرم شدن نمونه ارائه دادند. داده های DTA مناطق دمایی و اندازه جریانات بحرانی را در طی گرمایش تشخیص دادند. با استفاده از دستگاه‌هایی می توان انرژی آزاد/جذب‌ شده ناشی از

) نتایج DTG (خط‌چین‌ها) و TA (خطوط پررنگ) با نرخ گرمایش C/min°5.
واکنش های شیمیایی یا تغییر فاز در حین گرمایش را نیز اندازه گیری نمود.
اندازه گیری ها در اتمسفر هوا انجام شدند. نمونه‌ها قبل از اندازه‌گیری‌های TGA/DTA خشک شدند. آزمایش-های TGA/DTA در شکل های 1 و 2 برای نرخ گرمایش 5 و C/min°10، به ترتیب نشان داده شده اند. تغییرات فیزیکی ای که دارای تغییرات انرژی بدون تغییر در جرم بوده، مثل تغییر فاز، در منحنی DTA شناسایی شدند. برای تشخیص وجود چنین پدیده ای مشتق اول توزین حرارتی(DTG)، یا df/dt– به دست آمد. همان‌گونه که در شکل b1 نشان داده شده است DTA و DTG همان دمای تحول را نشان می دهند. ازآنجایی‌که DTA و DTG همان تحول را نشان می دهند، داده های DTA برای توصیف تجزیه روان کار استفاده شدند. نمونه در دمای حدود C°250 شروع به تبخیر کرد. روان کار در سه مرحله اصلی و در دماهای 345، 390 و C°485 تجزیه شد. در تحول های اول و سوم، روان کار به‌آرامی تجزیه گشت. در مراحل اول و دوم، حدود 30% و 50%-40 روان کار تبخیر شد. تحول دوم از هر سه سریع تر بود. داده ها نشان می دهند که حداقل 70% روان کار در زیر دمای C°380 تجزیه نشده بود. این امر نشان می دهد که قبل از تزریق فلز مذاب در قالب، مقداری کافی روا ن کار بر روی قالب به‌جا خواهد ماند.
در فرایند ریخته گری تحت‌فشار، روان کار رقیق‌شده، با پاشش به سطح درونی قالب اعمال می شود. این پاشش در طی عملیات روان کاری، روان کار را در معرض دماهای بالا قرار می دهد؛ همچنین هنگام تماس با فلز مذاب نیز روان کار هر چه بیشتر گرم می شود. بدین دلیل، سینتیک رخدادهایی که باعث تجزیه روان کار می شوند در این عملیات اهمیت دارند. داده های TGA در نرخ های گرمایش 5، 10، 25 و C/min°50 به دست آمدند. دمای تحول ها با افزایش نرخ گرمایش افزایش می یابد. در نرخ های گرمایش بالا، منحنی TGA تجزیه کمتری نسبت به نرخ های گرمایش کم نشان می دهد. نتایج در شکل 2 نشان داده شده اند. این داده های TGA در نرخ های گرمایش مختلف می توانند در تعیین پارامترهای سینتیکی مورد استفاده قرار گیرند (kubicek and lesko, 1979).

3. آزمایش های اعمال روان کار
برای شبیه‌سازی شرایط روان کاری قالب، از یک صفحه گرم شده در این تحقیق استفاده شد. صفحه ی آزمایش از فولاد H13 تهیه شده که ماده ای متداول در ساخت قالب ها می باشد (شکل 3). ابعاد صفحه 10.2cm×12.7cm×1.3 cm در نظر گرفته شدند. به‌منظور کاهش اتلاف حرارت و برای اطمینان از اینکه گرما توسط اسپری به صفحه ی سرد شده هدایت می شود، صفحه ی آزمایش عایق بندی شد al., 2000). (Liu et. لبه های صفحه با استفاده از سیلیکون بسته شده تا از نفوذ

آب درون قطعات نگه دارنده صفحه در حین پاشش جلوگیری شود (Sabau andWu, 2007; Sabau and Hatfield, 2007). نازل اسپری با فاصله mm190 از صفحه ی آزمایش قرار داده شد. جهت گیری نازل به شکلی بود که مایع اسپری بر مرکز صفحه عمود باشد. نازل برای حذف تغییرات شار حرارتی ناشی از تغییر مکان و یا جهت گیری نازل با استفاده از تجهیزاتی کاملاً ثابت گردید. آزمایش ها در دماهای اولیه صفحه 150، 200 و C°300 با استفاده از روان-کار و آب دیونیزه انجام شد. دمای مایع C°25 بود. فشار مایع و هوا هر کدام MPa466/0در نظر گرفته شدند(50 psi). آزمایش ها به شکل L# وW# به ترتیب برای روان کار و آب نام‌گذاری شده و # نشان‌دهنده‌ی دمای صفحه می باشد. به‌عنوان‌مثال L150 نشان دهنده تمام آزمایش هایی است که دمای اولیه صفحه آن ها C°150 بوده است. آزمایش های مختلف، و برای هر کدام از شرایط، نشان دادند که داده های به‌دست‌آمده دارای تکرارپذیری بالایی می باشند (Sabau and Hatfield, 2007). کل نرخ اسپری عبوری از نازل cm3/s 5/10 به دست آمد. نرخ جریان جرمی مایع بر ناحیه آزمایش اندازه گیری نشد زیرا متغیر مهندسی ای نیست که بتوان به‌آسانی آن را در حین روان کاری قالب اندازه گیری کرد. بیشتر داده های تحقیقات اولیه مربوط به سرمایش اسپری به صورت شار حرارتی-دما بیان‌شده‌اند. در فرایند ریخته گری تحت‌فشار، اعمال روان کار به‌ندرت به حالت پایا می رسد زیرا روان کار در کسری از ثانیه یا چند ثانیه اعمال می شود. بدین دلیل، در این مقاله داده ها به صورت شار حرارتی-زمان و یا دمای سطحی-زمان ارائه می شوند. در این قسمت در مورد تغییرات شار حرارتی و دمای سطحی بحث خواهد شد.

3.1 حس‌گر شار حرارتی
حس‌گر شار حرارتی HFM-8/H، که توسط شرکت Vatell تأمین گردید، برای دستیابی به داده های شار حرارتی و حرارت سطحی مورد استفاده قرار گرفت. حس‌گر شار حرارتی در مرکز صفحه نصب گشت. این حس‌گر یک پیل گرم‌سنج افتراقی می باشد. اطلاعات مربوط به حس‌گر شار حرارتی توسط تولیدکننده تأمین گشته و در تحقیقات پیشین ارائه گردیده است (Sabau and Wu, 2007; Sabau and Hatfield, 2007). حس‌گرهای شار حرارتی و دما، فیلم های نازکی هستند که به روش های اختصاصی بر روی زیر لایه نشانده می-شوند. فیلم هایی که حس‌گر HFM را تشکیل می دهند، ضخامتی کمتر از mµ2 دارند. به علت ضخامت این فیلم ها زمان پاسخ این حس‌گر شار حرارتی حدوداً sµ6 می باشد. ترموکوپل حس‌گر و پیل گرم‌سنج افتراقی توسط دستگاه NIST کالیبره شدند. با کالیبره کردن، تمام ثوابت موردنیاز برای به دست آوردن شار حرارتی (W/m2) مهیا گشتند. این حس‌گر برای دماهای تا حدود C°700 طراحی شده و حساسیت آن 150±10_V/W/cm2 می باشد. برای جمع‌آوری داده ها از دستگاه تأمین‌شده توسط Dataq Instruments, Inc با سرعت Hz 60 استفاده شد. دمای سطح صفحه همان دمای اندازه گیری شده توسط ترموکوپل درون حس‌گر شار حرارتی در نظر گرفته شد، زیرا ترموکوپل در فاصله بسیار کمی از سطح جایگذاری شده است.

3.2 داده های شار حرارتی

نتایج دمای سطح و شار حرارتی به ترتیب در شکل a4 و b، برای سه حالت در نظر گرفته‌شده، نشان داده‌شده‌اند. برای حالت L150، مشاهده شد که دمای سطحی صفحه، Ts، در s8 C°25 کاهش داشته است. در s5/0 اولیه، دما ابتدا به C°135 کاهش یافته و سپس تا C°140 افزایش یافته است. این تغییرات زیگزاگی برای هر دو حالت L150 و L200 مشاهده شدند. در حالت L150 شار حرارتی به نصف کاهش یافت، تقریباً 250kW/m2. نتایج هر دو حالت L150 و L200 مشابه بوده ولی حداکثر شار حرارتی تقریباً300kW/m2 بیشتر از حالت L150 بود. از 5/0 تا s2 تغییرات دمایی بسیار کم بوده ولی شار حرارتی به کاهش یافتن ادامه داد. در s5 اخیر پاشش مقدار کمی فوق گداز به وجود آمد، مقدار کمی از مایع به جوش آمده و کاهش حرارت به‌طور عمده از طریق همرفت مایع انجام شد(Altan et al., 1991). در حالت L300 توزیع شار حرارتی و دمای سطحی تغییر یافت؛ و شار حرارتی در مقدار حداکثر خود در زمان بیشتری نسبتاً پایدار ماند. در این حالت مرحله شار حرارتی پایدار تقریباً s3 طول کشید. همچنین، تغییرات زیگزاگی Ts، که در حالت های L150 و L200 مشاهده شد، در حالت L300 مشاهده نگردید. در عوض، در s5/0 اول Ts کاهش شدید و خطی نشان داد. شبیه سازی عددی دمای سطحی مرحله اولیه نشان داد که کاهش ناگهانی دما به علت وجود شارهای سرمایشی قوی بوده است (Sabau and Wu, 2007).
برای درک هر چه بیشتر تفاوت ها بین حالت های L200و L300 الگوی مخروط پاشش و سیلان روان کار مورد بررسی قرار گرفتند. تصاویری که برای حالت های L200و L300 گرفته شدند به ترتیب در شکل a6 و b نشان داده شده اند.
اختلاف های این دو حالت به شرح زیر می باشند:
• در حالت L200 روان کار در سطح بزرگ‌تری نسبت به حالت L300 پخش شد؛
• در نزدیکی لبه های منطقه پخش‌شدگی روان کار، خطوط روان کار در حالت L200 از L300 بلندتر بوده-اند؛
• خطوط روان کار در حالت L200 از L300 ضخیم تر بوده اند؛
• مخروط پاشش در حالت L200 از نازل تا صفحه پیوسته بوده ولی در حالت L300 به‌صورت قارچی شکل بوده است.

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1. مقدمه
از زمان آغاز انقلاب صنعتی، افزایش غلظت گازهای جذب مادون قرمز در جو زمین افزایش چشمگیری یافته است.تأثیر گرم شدن آنها بر روی آب و هوای سطحی موجب تقاضای گسترده برای پیش بینی تغییرات آب و هوایی محتمل در آینده برای استفاده در مطالعات سیاستی و تاثیر آن شده است.
با این حال، منابع مختلف نامشخص، ممنوعیت صدور پیش بینی های محرمانه را ممنوع می کند. بلکه “سناریوهای” تغییر آب و هوایی احتمالی برای استفاده در مطالعات حساس و همچنین کمک به تصمیم گیری در مورد سیاست های محدود کردن انتشار گازهای گلخانه ای، تصویب استراتژی های انطباق و برنامه ریزی پیش رو توسعه می یابد.تا آنجا که عدم اطمینان در مورد آب و هوای آینده مربوط به میزان نامشخص انتشار گازهای گلخانه ای در آینده است، این عدم قطعیت نشان می دهد که تصمیم گیری های انسانی ممکن است بر تغییرات آب و هوایی آینده تأثیر بگذارد.
2.منابع ناشناخته
منابع عمده عدم اطمینان در مورد آب و هوای آینده از موارد زیربوجود می آیند:
1. عدم اطمینان در مورد انتشار و غلظت گازهای گلخانه ای آینده؛
2. محدودیت های نمایه های فیزیکی فرآیندهای مدل های اقلیمی جهانی (GCM)، که منجر به عدم اطمینان در مورد حساسیت دمای جهانی به افزایش غلظت گازهای گلخانه ای می شود؛
3. تفاوت بین مدل ها با الگوهای فضایی تغییرات اقلیمی محلی برای گرم شدن گرمایش جهانی
4. عدم اطمینان کمتر تعیین شده ی دیگر، ، مانند اثر تغییرات در گردشهای اقیانوس (از جمله El Igaio)، تغییرات آب و هوایی طبیعی، و تغییرات ناشی از آلاینده های دیگر مانند ذرات سولفات.
بر اساس گزارش پنل تغییر آب و هوا، که به عنوان IPCC شناخته می شود، انتشار گاز دی اکسید کربن، مهمترین گاز گلخانه ای انسانی، با فاکتور هفت،در 2100AD ، نامشخص هستند. حساسیت جهانی آب و هوایی معمولا به عنوان میانگین جهانی گرمایش سطحی، در تعادل ،ناشی ازدو برابر شدن میزان مواجهه با CO2 و در محدوده 1.5 تا 4.5 درجه سانتیگراد، بیان میشود. IPCC در گزارش تکمیلی خود در سال 1992 [1] این دیدگاه را تکرار می کند که در حال حاضر GCM ها در مورد جزئیات منطقه ای تغییرات آب و هوایی، حتی برای میانگین گرمایش جهانی، توافق خوبی ندارند.
3. پیشرفت به سوی سناریوهای قابل اعتماد
دو منبع اول عدم اطمینان بالا اکنون با استفاده از سناریوهای انتشار IPCC و محدوده حساسیت جهانی هوا، همراه با مدل های پارامتری گذرا (گذرزمان) سیستم جهانی جو اقیانوسی ، میتوانند قابل سنجش باشند.با توجه به تفاوت بین GCM ها در مقیاس منطقه ای، وبا توجه به نتایج شبیه سازی های اخیر و GCM بهبود یافته، پیشرفت قابل توجهی صورت گرفته است.
ما به این نتیجه رسیدیم که نتایج حاصل از GCM های مختلف باید فقط برای سناریوهای تغییرات آب و هوایی مورد توجه قرار گیرد، اگر بتوان آنها را برای شبیه سازی شرایط آب و هوایی فعلی به خوبی پذیرفت. در حالی که “پذیرش” تا حدودی ذهنی است، آزمون های آماری عینی می تواند در زمینه های شبیه سازی شده مختلف در مقایسه با زمینه های مشاهده شده،به کار رود. در سال 1991، ما این کار را برای هفت شبیه سازی مختلف GCM از آب و هوای کنونی استرالیا انجام دادیم و مجبور شدیم پنج مورد را به خاطر عدم رضایت رد کنیم، تنها و دو تا را، با رزرو، برای توسعه سناریو پذیرفتیم[2].با این حال، در سال 1993، یک تست مشابه از پنج شبیه سازی جدید GCM انجام شد که نشان داد که پنج تای جدید بهترین شان از بهترینهای هفت سال پیش،بهتر بود [3].
اخیرا، ما آزمونهای آماری را بر روی بررسی توافق میان این پنج “GCM” “قابل قبول” ، در پیش بینی های خود جهت تغییر بارش در آب و هوای کنونی (1 × CO2) و بهبود آب و هوای گلخانه ای (2 X دوبعدی) را ترجیح داده ایم.هر پنج GCM، مانند دیگران، با افزایش متوسط بارش در سطح جهانی موافق هستند و به طور عمده در عرض های بالا (مقادیر 60N یا S) افزایش می یابند.
در آزمون های آماری ما هر دوی این عوامل را حذف کرده ایم ومیزان آزادی را برای توجه به ارتباطات فضایی در تغییرات آب و هوایی در نقاط شبکه مجاور کاهش داده ایم.ما توزیع فراوانی تعداد نقاط نقاط بین 60 تا 60 را به دست آوردیم تا مشخص کنیم که چند مدل انتظار می رود که با افزایش (یا کاهش) موافق باشند اگر مدل های مقیاس منطقه ای کاربردی نباشند. سپس این مقایسه را با توزیع فرکانس توافق سطحی از پنج شبیه سازی مقایسه کردیم.
ما دریافتیم که نقاط بیشتری وجود دارد که در آن تمام پنج GCM در مسیر تغییر بارشی که شانسی مورد انتظار است توافق کرده اند.بر طبق تست های ما، تفاوت بین تعداد واقعی توافق نامه ها و حالات شانسی،از ۹۹ درصد سطح احتمالی به طور مشخص بهتر بوده است که نشان می دهد الگوهای افزایش و کاهش منطقه ای در بارش که توسط GCM ها شبیه سازی شده، تصادفی نیستند.
این نتیجه به ما اطمینان می دهد که در الگوهای تغییرات اقلیمی منطقه حداقل در مقیاس فضایی GCM موجود، مفهومی وجود دارد که نقاط شبکه چند صد کیلومترمجزا فاصله دارند (اگر چه توافق بین مدل ها تضمین نمی کند که مدل ها درست باشند). در نتیجه، ما در استفاده از طیف وسیعی از نتایج به طور خاص
نقاط شبکه، بین پنج GCM مختلف، برای برآورد طیف وسیعی از تغییرات اقلیمی منطقه ای در هر درجه گرم شدن کره زمین اعتقاد داریم.این برآوردها می تواند به هر سناریوی تغییرات آب و هوایی منطقه ای برای هر زمان در آینده با استفاده از پیش بینی های گرمایی جهانی موقت، تبدیل شوند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. INTRODUCTION

There has been a marked increase in the concentrations of infrared-absorbing gases in the atmosphere since the beginning of the industrial revolution. Their expected warming effect on the surface climate has led to a widespread demand for “predictions” of possible future climate change for use in impact and policy studies.

However, various sources of uncertainty prohibit the issuing of confident predictions. Rather, “scenarios” of possible climate change are being developed for use in sensitivity studies, and as an aid to decision making regarding policies to limit greenhouse gas emissions, the adoption of adaptive strategies, and forward planning. In so far as the uncertainties regarding future climate are related to uncertain future rates of anthropogenic emissions of greenhouse gases, these uncertainties demonstrate that human decision-making may influence future climate change.

2. SOURCES OF UNCERTAINTY

Major sources of uncertainty about future climates arise from: 6)

(ii) (iii) (iv) uncertainties about future greenhouse gas emissions and concentrations;

limitations on the physical representations of processes in global climate models (GCMs), which lead to uncertainty regarding the global temperature sensitivity to increasing greenhouse gas concentrations;

differences between models as to the spatial patterns of local climate change for a given global warming;

and other less quantifiable uncertainties, such as the effect of changes in the ocean circulations (including El Niiio), natural climate variability, and changes due to other pollutants such es sulfate particles. 

Emissions of carbon dioxide, the most important anthropogenic greenhouse gas, are uncertain at 2100AD by a factor of about seven, according to the Intergovernmental Panel on Climate Change, known as IPCC [l]. The global climate sensitivity is usually expressed as the global average surface warming, at equilibrium, due to an effective doubling of CO2 concentration, and lies in the range 1.5 to 4.5”C. IPCC, in its 1992 supplementary report [l], repeats the view that at present GCMs do not give good agreement on the regional details of climate change, even for the same global average warmings.

3. PROGRESS TOWARDS CREDIBLE SCENARIOS

The first two sources of uncertainty above are now readily quantifiable using IPCC emission scenarios and ranges of global climate sensitivity, together with highly parameterised transient (time transgressive) models of the global ocean-atmosphere system. Regarding differences between GCMs at the regional scale, considerable progress has now been made by focusing on results from the more recent and improved GCM simulations.

We have taken the view that results from different GCMs should only be considered for climate change scenarios if they can be shown to perform acceptably well in simulating the present climate. While “acceptance” is somewhat subjective, objective statistical tests can be applied to various simulated fields in comparing them with observed fields. In 1991, we did this for seven different GCM simulations of the present Australian climate, and were forced to reject five as completely unsatisfactory, accepting only two, with reservations, for scenario development [2]. However, in 1993, a similar test of five newer GCM simulations found that the worst of the newer five was better than the best of the earlier seven [3].

More recently, we have carried out statistical tests on the measure of agreement between these five more “acceptable” GCMs, in their predictions of the direction of change in precipitation between the present climate (1 x CO2) and an enhanced greenhouse climate (the 2 x CO2 simulations). All five GCMs, like others, agree on a global average increase in precipitation, and on increases preferentially at high latitudes (polewards of 60N or S).

In our statistical tests, we have eliminated both these factors, and reduced the degrees of freedom to take account of spatial correlations in the climate changes at neighbouring gridpoints. We derived a frequency distribution of numbers of gridpoints, between 60 S and 60 N, to determine how many models would be expected to agree on an increase (or on a decrease) if there were no skill in the models at the regional scale.

We then compared this with the frequency distribution of levels of agreement from the five simulations. We found that there were many more gridpoints at which all five GCMs agreed on the direction of precipitation change than would be expected by chance. According to our tests, the differences between actual numbers of agreements and those expected by chance were generally significant at better than the 99% probability level, showing that the patterns of regional increases and decreases in precipitation simulated by the GCMs are not random.

This result gives us some confidence that there is meaning in the regional climate change patterns, at least at the coarse spatial scale of the existing GCMs, which have gridpoints several hundred kilometers apart (although agreement between models does not guarantee that the models are correct).

Consequently, we have felt justified in using the range of results at particular gridpoints, between the five different GCMs, to estimate a range of possible regional climate changes per degree of global warming. These estimates can be converted to regional climate change scenarios for any time in the future using transient global warming projections.