نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

بهینه‌سازی تثبیت نانوذرات تیتانیا بر سطح زئولیت طبیعی سمنان به روش سونوشیمی: تخریب کاتالیزوری نوری رنگ

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
مهسا ُسنجابی
نرجس کرامتی
دانشکده نانوفناوری، پردیس علوم و فناوریهای نوین، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
چکیده
در این پژوهش، نانوکاتالیزگر­های نوری تیتانیا بر پایه زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت سمنان (TiO2/CP) با تثبیت نانوذرات TiO2 بر سطح زئولیت با روش سونوشیمی سنتز و عملکرد کاتالیزوری این نمونه برای تخریب رنگ متیلن آبی بررسی شد. مهم‌ترین عوامل موثر در طراحی نانوکاتالیزگر­های نوری، مقدار زئولیت، مقدار تیتانیوم بوتوکسید به عنوان پیش ماده تیتانیا و زمان تابش امواج فراصوت با استفاده از یک روش سطح پاسخ بهینه شدند. بیشترین بازده تخریب متیلن آبی با استفاده از نمونه سنتزی در شرایط 33/0 گرم کلینوپتیلولیت، 5/0 میلی­ گرم تیتانیوم بوتوکسید و 22 دقیقه زمان تابش فراصوت بدست آمد. نمونه ­های سنتز شده توسط فنون پراش پرتو ایکس(XRD) ، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف­سنجی پاشنده­ انرژی پرتو ایکس (EDX)، طیف ­سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FT-IR) و طیف­ سنجی فرابنفش - مرئی بازتاب انتشاری (UV-Vis DRS) مشخصه­ یابی شدند. متوسط اندازه بلورک نمونه بهینه سنتزی TiO2/CPopt حدود 64 نانومتر محاسبه شد.  نتایج EDX و FTIR سنتز موفقیت‌آمیز نانوکاتالیزگر نوری TiO2/CP را تأیید کرد. نتایج مشخصه ­یابی SEM و XRD نشان داد که نانوذرات TiO2 با اندازه در حدود 80-65 نانومتر و در دو فاز بلوری روتیل و آناتاز به طور یکنواخت بر روی کلینوپتیلولیت توزیع شده است. باند گپ کاتالیزگر نوری TiO2/CPopt، eV9/3 تعیین شد. با استفاده از نمونه بهینه سنتزی TiO2/CPopt (g/L 3/0)، راندمان تخریب متیلن آبی (ppm 30) توسط کاتالیزگر نوری با تابش دو لامپ مولد نور فرابنفش (6 وات) در مدت زمان 60 دقیقه برابر با 50 درصد حاصل شد. سینتیک تخریب متیلن آبی با TiO2/CPopt از نظریه شبه درجه اول (ثابت ظاهری min-1 0069/0 ) پیروی می­ کند. نتایج آزمون پایداری با استفاده از بهترین نمونه سنتزی حاکی از پایداری مناسب آن در سه چرخه متوالی بود.
کلیدواژه‌ها
نانوذرات تیتانیا
فراصوت
کاتالیزگر نوری
کلینوپتیلولایت
متیلن آبی

موضوعات

[1] Tkaczyk A., Mitrowska K., Posyniak A., Synthetic Organic Dyes as Contaminants of the Aquatic Environment and Their Implications for Ecosystems: A Review, Sci. Total Environ., 717: 137222 (2020).
[2] Mohseni N., Haghighi M., Shabani M., Sunlight-Activated 3D-Mesoporous-Flowerlike Cl-Br Bismuth Oxides Nanosheet Solid Solution: In situ EG-Thermal-Sonication Synthesis with Excellent Photodecomposition of Ciprofloxacin, Environ. Res., 188: 109810 (2020).
[3] Mohammadzadeh M., Haghighi M., Shabani M., Self-assembled Leaf Architecture of 3D Tremella-Like (BiOCOOH)x(Bi2MoO6)1-x Solid Solution Nanophotocatalyst with Effective Photodegradation of Medication Effluent in Sun Spectrum: In-Situ Ultrasound-Induced Solvothermal Design, Chem. Eng. J., 419: 129516 (2021).
[4] Asgharian M., Mehdipour Ghazi M., Khoshandam B., Keramati N., Photocatalytic Degradation of Methylene Blue with Synthesized rGO/ZnO/Cu, Chem. Phys. Lett., 719: 1-7 (2019).
[5] حقیقی، پرهام؛ بازیاری، امین؛ علی جانی، سمیه؛ افزایش تخریب آلاینده‌ رنگی رودامین ب در آب با فوتوکاتالیست-جاذب تیتانیا-سیلیکای فلوئوردار شده، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(4): 204-197 (1401).
[6] حشمت پور، فلورا؛ اسماعیل زاده، علیرضا؛ عبدی خانی، مرضیه السادات؛ بررسی کارایی نانوکامپوزیت Sr-Ce-ZnO/HAp  در تخریب فوتوکاتالیستی آلاینده رودامین B در حضور نور مرئی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(3): 96-85 (1401).
[7] بازیاری، امین؛ فتحی، مصطفی؛ دهقانی، محمدرضا؛ تأثیر روش سنتز و حضور اکسید فلزات به عنوان ارتقاءدهنده جهت بهبود فعالیت فوتوکاتالیستی تیتانیا-سیلیکا در تخریب آلاینده رنگی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 40(4): 128-121 (1400).
[8] Jozv Khatibzdeh B., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Magnetically Separable CoFe2O4/CuO Photocatalyst for Degradation of Methylene Blue under Visible Light, J. App. Chem., 15: 21-28 (2021).
[9] Hossein Zadeh M., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Ultrasonic-Assisted Synthesis of New Photocatalyst Based on Fe-Benzentricarboxylic (Fe-BTC) Metal Organic Framework: Characterization and Photocatalytic Properties, J. Iran Chem. Soc., 16 401-409 (2019).
[10] Sharifi Pajaie S.H., Archin S., Asadpour Gh., Optimization of Process Parameters by Response Surface Methodology for Methylene Blue Removal Using Cellulose Dusts, Civ. Eng. J., 4(3): 620 (2018).
[11] Mahadik M.A., An G.W., David S., Choi S.H., Cho M., Jang J.S., Fabrication of A/R-TiO2 Composite for Enhanced Photoelectrochemical Performance: Solar Hydrogen Generation and Dye Degradation, Appl. Surf. Sci., 426: 833-843 (2017).
[12] Saadati F., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Influence of Parameters on the Photocatalytic Degradation of Tetracycline in Wastewater: A Review, Crit. Rev. Environ. Sci. Technol., 46: 757-782 (2016).
[13] Abbasi E., Haghighi M., Shokrani R., Shabani M., Copper Plasmon-Induced Cu-Doped ZnO-CuO Double-Nanoheterojunction: In-Situ Combustion Synthesis and Photo-Decontamination of Textile Effluents, Mater. Res. Bulletin, 129: 110880 (2020).
[14] Shirzad Taghanaki N., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Photocatalytic Degradation of Ethylbenzene by Nano Photocatalyst in Aerogel form Based on Titania, Iran J. Chem. Chem. Eng., 40(2): 525-537 (2021).
[15] شیرزاد طاقانکی، ندا؛ کرامتی، نرجس؛ بررسی روش ­های سنتز نانوفوتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم بر پایه سیلیکا بفرم آئروژل و میزان کارایی آن در فرایند تخریب فوتوکاتالیستی، فصلنامه دنیای نانو، 44: 51-45 (1395).
[16] فاطمی پیام، نیلوفر؛ کرامتی، نرجس؛ بررسی روش­ ها و عوامل موثر در بهبود عملکرد فوتوکاتالیستی تیتانیا بر پایه مزومتخلخل سیلیسی، نشریه مهندسی شیمی ایران، 17(99): 87-74 (1397).
[17] Akpan U.G., Hameed B.H., Parameters Affecting the Photocatalytic Degradation of Dyes Using TiO2-Based Photocatalysts: A Review, J. Hazard. Mater., 170: 520-529 (2009).
[18] Nur A.S.M., Sultana M., Mondal A., Islam S., Robel F.N., Islam A., Sumi M.S.A., A Review on the Development of Elemental and Codoped TiO2 Photocatalysts for Enhanced Dye Degradation Under UV–vis Irradiation, J. Water Process Eng.,  47: 102728 (2022).
[19] Zeebaree A.Y.Sh.,  Zeebaree S.Y.Sh., Rashid R.F., Haji Zebari O.I., Sadiq Albarwry A.J., Fathi Ali A., Sharaf  Zebari A.Y., Sustainable Engineering of Plant-Synthesized TiO2 Nanocatalysts: Diagnosis, Properties and Their Photocatalytic Performance in Removing of Methylene Blue Dye From Effluent. A Review, Curr. Res. Green Sustain. Chem., 5: 100312 (2022).
[20] Saadati F., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Synthesis of Nanocomposite Based on Semnan Natural zeolite for Photocatalytic Degradation of Tetracycline Under Visible Light, Adv. Environ. Technol., 2: 63-70 (2016).
[21] Jiang C., Lee K.Y., Parlett C.M.A., Bayazit M.K., Lau C.C., Ruan Q., Moniz S.J.A., Lee A. F., Tang J., Size-Controlled TiO2 Nanoparticles on Porous Hosts for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production, Appl. Catal., A: Gen., 521: 133-139 (2016).
[22] Shen S., Guo L., Hydrothermal Synthesis, Characterization, and Photocatalytic Performances of Cr Incorporated, and Cr and Ti Co-Incorporated MCM-41 as Visible Light Photocatalysts for Water Splitting, Catal. Today, 129: 414-420 (2007).
[23] Saadati F., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Optimization of Photocatalytic Degradation of Tetracycline using Titania Based on Natural Zeolite by Response Surface Approach, J. Water Chem. Technol., 42(1) 30-35 (2020).
[24] Khodadoust S., Sheini A., Armand N., Photocatalytic Degradation of Monoethanolamine in Wastewater Using Nanosized TiO2 Loaded on Clinoptilolite, Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc., 92: 91-95 (2012).
[25] Najafabadi A.T., Taghipour F., Cobalt Precursor Role in the Photocatalytic Activity of the Zeolite-Supported TiO2-Based Photocatalysts Under Visible Light: A Promising Tool Toward Zeolite-Based Core–Shell Photocatalysis, J. Photochem. Photobiol. A., 248: 1-7 (2012).
[26] Kanakaraju D., Kockler J., Motti C.A., Glass B.D., Oelgemöller M., Titanium Dioxide/Zeolite Integrated Photocatalytic Adsorbents for the Degradation of Amoxicillin, Appl. Catal. B., 166: 45-55 (2015).
[27] Anil P., Reddy P.A.K., Srinivas B., Durgakumari V., Subrahmanyam M., Solar Photocatalytic Degradation of the Herbicide Isoproturon on a Bi–TiO2/Zeolite Photocatalyst, Toxicol. Environ. Chem., 94: 512-524 (2012).
[28] Mohamed R.M., Mkhalid I.A., Abdel Salam M., Barakat M.A., Zeolite Y from rice Husk Ash Encapsulated with Ag-TiO2: Characterization and Applications for Photocatalytic Degradation Catalysts, Desalination Water Treat., 51: 7561-7569 (2013).
[29] Zhang W., Xiao X., Zheng L., Wan C., Fabrication of TiO2/MoS2@Zeolite Photocatalyst and its Photocatalytic Activity for Degradation of Methyl Orange Under Visible Light, Appl. Surf. Sci., 358: 468-478 (2015).
[30] Nagarjuna R., Challagulla S., Alla N., Ganesan R., Roy S., Synthesis and Characterization of Reduced-Graphene Oxide/TiO2/Zeolite-4A: A Bifunctional Nanocomposite for Abatement of Methylene Blue, Mater. Des., 86: 621-626 (2015).
[31] Yener H.B., Yılmaz M., Deliismail Ö., Özkan S.F., Clinoptilolite Supported Rutile TiO2 COMPOSITES: SYNTHESIS, CHARACTERIZATION, and Photocatalytic Activity on the Degradation of Terephthalic Acid, Sep. Purif. Technol., 173: 17-26 (2017).
[32] Us Saqib N., Adnan R., Shah I., Zeolite Supported TiO2 with Enhanced Degradation Efficiency for Organic dye Under Household Compact Fluorescent Light, Mater. Res. Express, 6: 095506 (2019).
[33] Rahmani F., Haghighi M., Sono-Dispersion of Cr over Nanostructured LaAPSO-34 Used in CO2 Assisted Dehydrogenation of Ethane: Effects of Si/Al Ratio and La Incorporation, J. Nat. Gas Sci. Eng., 27: 1684-1701 (2015).
[34] Niyatia A., Haghighi M., Shabani M., Solar-Assisted Photocatalytic Elimination of Azo dye Effluent Using Plasmonic AgCl Anchored flower-like Bi4O5I2 as Staggered Nano-Sized Photocatalyst Designed Via Sono-Precipitation Method, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 115: 144-159 (2020).
[35] Rahmani F., Haghighi M., Mahboob S., CO2-Enhanced Dehydrogenation of Ethane over Sonochemically Synthesized Cr/Clinoptilolite-ZrO2 Nanocatalyst: Effects of Ultrasound Irradiation and ZrO2 Loading on Catalytic Activity and Stability, Ultrason. Sonochem., 33: 150-163 (2016).
[36] Xu H.,   Zeiger B.W.,   Suslick K.S., Sonochemical Synthesis of Nanomaterials,  Chem. Soc. Rev., 42: 2555-2567 (2013). 
[37] Boyjoo Y., Ang M., Pareek V., Photocatalytic Treatment of Shower Water Using a Pilot Scale Reactor, Int. J. Photoenergy, 1-7 (2012).
[38] Hatam Zadeh S., Keramati N., Mehdipour Ghazi M., Synthesis and Characterization of Ag-ZnO@Clinoptilolite for Photocatalytic Degradation of Tetracycline, J. Appl. Res. Water Wastewater, 12: 138-143 (2019).
[39] Mahalingam T., Selvakumar C., Ranjith Kumar E., Venkatachalam T., Structural, Optical, Morphological and Thermal Properties of TiO2–Al and TiO2–Al2O3 Composite Powders by Ball Milling, Physics Letters A., 381: 1815-1819 (2017).
[40] Rahmani F., Haghighi M., Vafaeian Y., Estifaee P., Hydrogen Production Via CO2 Reforming of Methane over ZrO2-Doped Ni/ZSM-5 Nanostructured Catalyst Prepared by Ultrasound Assisted Sequential Impregnation Method,  J. Power Sources, 272: 816-827 (2014).
[41] Deshmukh S. P., Kale D.P., Kar Sh., Shirsath S.R., Bhanvase B.A., Saharan V.K., Sonawane Sh. H.,  Ultrasound Assisted Preparation of rGO/TiO2 Nanocomposite for Effective Photocatalytic Degradation of Methylene Blue Under Sunlight, Nano-Struct. Nano-Objects, 21: 100407 (2020).
[42] Ullah R., Liu Ch., Panezai H., Gul A., Sun J., Wu X., Controlled Crystal Phase and Particle Size of Loaded-TiO2 Using Clinoptilolite as Support Via Hydrothermal Method for Degradation of Crystal Violet Dye in Aqueous Solution, Arab. J. Chem., 13(2): 4092-410 (2020).
[43] Ullah R., Sun J., Gul A., Bai Sh., One-Step Hydrothermal Synthesis of TiO2-Supported Clinoptilolite: An Integrated Photocatalytic Adsorbent for Removal of Crystal Violet dye from Aqueous Media, J. Environ. Chem. Eng., 8(4): 103852 (2020).
[44] Mehrabadi Z., Faghihian H., Elimination of Highly Consumed Herbicide; 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid from Aqueous Solution by TiO2 Impregnated Clinoptilolite, Study of Degradation Pathway, Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc., 204: 248-259 (2018).
[45] Nikazar M., Gholivand K., Mahanpoor K., Using TiO2 Supported on CLINOPTILOLITE as a Catalyst for Photocatalytic Degradation of Azo Dye Disperse Yellow 23 in Water, Kinet. Catal., 48: 214–220 (2007).
[46] Ullah R., Sun J., Gul A., Munir T., Wu X., Evaluations of Physico-Chemical Properties of TiO2/Clinoptilolite Synthesized via Three Methods on Photocatalytic Degradation of Crystal Violet, Chin. J. Chem. Eng., 33: 181-189 (2021).