نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

رنگزدایی ری اکتیو بلک 5 (RB5) از محلول آبی توسط فرآیند الکتروفنتون با کاتد اصلاح شده به وسیله چارچوب‌های فلز-آلی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
محمدرضا مهر علیزاده 1
بهمن عبدالهی 2، 3
1 گروه شیمی فیزیک، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
2 مرکز پایش و نظارت بر کیفیت شرکت آب و فاضلاب استان آذربایجان شرقی، ایران
3 گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
چکیده
در این بررسی با استفاده از ادغام دو گونه ZIF-8 و ZIF-67 و پیرولیز و کلسینه کردن آنها، به عنوان الکترود کاتدی در فرآیند الکتروفنتون جهت حذف رنگ ری اکتیو بلک 5 (RB5) مورد استفاده قرار گرفت. شناسایی و ویژگی‌یابی ترکیب سنتزی با استفاده از آنالیزهای XRD، FTIR، SEM و BET انجام شد که ساختار و ریخت ­شناسی مطلوب را تأیید کرد. به کمک آنالیز ولتامتری چرخه‌ای مشخص شد که الکتروکاتالیست Co3O4-NC/CNTs نسبت به Co-NC/CNTs فعالیت بهتری دارد. اثر پارامترهای عملیاتی، از جمله چگالی جریان (mA/cm2)، pH  اولیه، غلظت اولیه RB5 (mg/L)، و زمان فرآیند (min) مورد بررسی قرار گرفت. بهینه‌سازی پارامترها از طریق روش پاسخ سطح انجام شد و نتایج نشان دادکه مقادیر بهینه برای چگالی جریان، pH، غلظت اولیه RB5 و زمان فرآیند با استفاده از Co3O4-NC-CNTs به عنوان کاتد به ترتیب mA/cm2 30، 5،  mg/L 30 و 90 دقیقه بود. تحت شرایط بهینه مقدار 69/93 درصد از RB5 حذف گردید. نتایج تایید می‌کند که کاتد Co3O4-NC/CNTs می‌تواند به طور موثر RB5 را از طریق فرآیند الکتروفنتون از آب آلوده حذف کند.
کلیدواژه‌ها
الکتروکاتالیست
ری اکتیو بلک
روش پاسخ سطح
چارچوب‌های فلزی-آلی

موضوعات

[1] استوار، فریبا؛ حسن‌زاده، مرضیه، مروری بر رنگینه‌های صنعتی پرکاربرد و روش‌های حذف آنها از آب و فاضلاب، پژوهش و فناوری محیط زیست، (5)7: 29 تا 37 (1399).
[2] Christie RM. Environmental Aspects of Textile Dyeing, Textile Institute and Woodhead, (2007).
[3] Li Y. T., Fang Q., Zhang L. I., Tao H. W., Spatial Asymmetry and Short-Term Suppression Underlie Direction Selectivity of Synaptic Excitation in the Mouse Visual Cortex, Cerebral Cortex, 28(6): 2059-2070 (2018).
[4] Liu F., Chung S., Oh G., Seo T. S., Three-Dimensional Graphene Oxide Nanostructure for Fast and Efficient Water-Soluble Dye Removal, ACS Appl Mater Interfaces, 4(2): 922-927 (2012).
[5] Azimi S.C., Shirini F., Pendashteh A., Preparation and Application of α-Fe2O3@TiO2@SO3H for Photocatalytic Degradation and COD Reduction of Woodchips Industry Wastewater, Environmental Science and Pollution Research, 28: 56449-56472 (2021).
[6] Azimi S.C., Shirini F., Pendashteh A., Treatment of Wood Industry Wastewater by Combined Coagulation–Flocculation–Decantation and Fenton Process, Water environment research, 93(3): 433-444 (2023).
[7] Shokri A., Sanavi Fard F., Water-Energy Nexus: Cutting Edge Water Desalination Technologies and Hybridized Renewable-Assisted Systems; Challenges and Future Roadmaps, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 57: 103173 (2023).
[8] Ostovar F., Abedinzadeh N., Pourkarim S., Mirblooki H., Yazdi M., Combination of Coagulation and Oxidation Processes for Treatment of Real Fish Canning Wastewater. Desalination and Water Treatment, 211: 131-40 (2021).
[9] استوار، فریبا؛ صمدی، ناصر؛ انصاری، رضا، استفاده از روش اکسیداسیون پیشرفته فنتون جهت تصفیه پساب­های حاوی آلاینده‌های نفتی، شیمى کاربردی، (61)16: 85 تا 100 (1400).
[10] Shokri A., A Kinetic Study and Application of Electro-Fenton Process for the Remediation of Aqueous Environment Containing Toluene in a Batch Reactor, Russian Journal of Applied Chemistry, 90: 452-457 (2017).
[11] Shokri A., Nasernejad B., Sanavi Fard M., Challenges and Future Roadmaps in Heterogeneous Electro-Fenton Process for Wastewater Treatment, Water, Air, & Soil Pollution, 234(3): 153 (2023).
[12] Sirés I., Brillas E., Upgrading and Expanding the Electro-Fenton and Related Processes, Current Opinion in Electrochemistry, 27: 100686 (2021).
[13] Liu J., Cunning B. V., Daio T., Mufundirwa A., Sasaki K., Lyth S. M., Nitrogen-Doped Carbon foam as a Highly Durable Metal-Free Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Solution, Electrochim Acta, 220: 554-561 (2016).
[14] Zhou L., Zhou M., Hu Z., Bi Z., Serrano K. G., Chemically Modified Graphite Felt as an Efficient Cathode in Electro-Fenton for p-Nitrophenol Degradation, Electrochim Acta, 140: 376-383 (2014).
[15] Oh M.H., Yu T., Yu S.H., Lim B., Ko K.T., Willinger M.G., Seo D.H., Kim B.H., Cho M.G., Park J.H., Kang K., Galvanic Replacement Reactions in Metal Oxide Nanocrystals, Science, 340(6135): 964-968 (2013).
[16] Li X., Wang B., Cao Y., Zhao S., Wang H., Feng X., Zhou J., Ma X., Water Contaminant Elimination Based on Metal-Organic Frameworks and Perspective on Their Industrial Applications, ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 7(5): 4548-4563 (2019).
[17] Su D.S., Zhang J., Frank B., Thomas A., Wang X., Paraknowitsch J., Schlögl R, Metal-Free Heterogeneous Catalysis for Sustainable Chemistry, ChemSusChem: Chemistry & Sustainability Energy & Materials, 3(2): 169-180 (2010).
[18] Du L., Xing L., Zhang G., Sun S., Metal-Organic Framework Derived Carbon Materials for Electrocatalytic Oxygen Reactions: Recent Progress and Future Perspectives, Carbon, 156: 77-92 (2020).
[19] Su P., Zhou M., Lu X., Yang W., Ren G., Cai J., Electrochemical Catalytic Mechanism of N-Doped Graphene for Enhanced H2O2 Yield and in-Situ Degradation of Organic Pollutant, Appl Catal B, 245: 583-595 (2019).
[20] Wang H., Maiyalagan T., Wang X., Review on Recent Progress in Nitrogen-Doped Graphene: Synthesis, Characterization, and Its Potential Applications, ACS Catalysis, 2(5): 781-794 (2012).
[21] Zulfa L. L., Hidayat A. R., Utomo W. P., Subagyo R., Kusumawati E. N., Kusumawati Y., Hartanto D., Widyastuti W., Ediati R., Facile Synthesis of Ni-ZIF-8 with Improved Photodegradation Performance for Methylene Blue, Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 10: 100828 (2024).
[22] مهر علیزاده، محمدرضا، عبدالهی، بهمن، تهیه الکتروکاتالیست NiTiO3 جهت تصفیه پساب حاوی آلاینده رنگ آزو به کمک فرآیند اکسایش آندی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)42: 91 تا 104 (2023).
[23] Chen Q., Tian L., Ruan M., Liu Y., Peng C., Cui W., Liang W., Shan S., Hu T., HKUST-1/ZIF-67 Nanocomposites as Heterogeneous Cu–Co-Bimetallic Fenton-like Catalysts for Efficient Removal of Methylene Blue, ACS Applied Nano Materials, 7(2): 2370-2381 (2014).
[24] Azimi S.C., Shirini F., Pendashteh A., Synthesis, Characterization, and Application of α‐Fe2O3@TiO2@SO3H Photo‐Fenton Catalyst for Photocatalytic Degradation of Biologically Pre‐Treated Wood Industry Wastewater, Water Environment Research, 94(3): e10695 (2022).
[25] Gupta V.K., Application of Low-Cost Adsorbents for Dye Removal–A Review, Journal of environmental management, 90(8): 2313-2342 (2009).
[26] Bahmani P., Rezaei Kalantary R., Esrafili A., Gholami M., Jonidi Jafari A., Evaluation of Fenton Oxidation Process Coupled with Biological Treatment for the Removal of Reactive Black 5 from Aqueous Solution, Journal of Environmental Health Science and Engineering, 11: 1-9 (2013).
[27] Lü B., Qi W., Luo M., Liu Q., Guo L., Fischer-Tropsch Synthesis: ZIF-8@ZIF-67-Derived Cobalt Nanoparticle-Embedded Nanocage Catalysts, Ind Eng Chem Res, 27: 12352-12359 (2020).
[28] Zhu Q., Tang X., Feng S., Zhong Z., Yao J., Yao Z., ZIF-8@SiO2 Composite Nanofiber Membrane with Bioinspired Spider Web-Like Structure for Efficient Air Pollution Control, J Memb Sci, 581: 252-261 (2019).
[29] Archana K., Pillai N. G., Rhee K. Y., Asif A., Super Paramagnetic ZIF-67 Metal Organic Framework Nanocomposite, Compos B Eng, 158: 384-389 (2019).
[30] Zhang Q., Zhou M., Du X., Su P., Fu W., Song G., Highly Efficient Dual-Cathode Electro-Fenton Process Without Aeration at a Wide pH Range: Simultaneously Enhancing Fe(II) Regeneration and Mineralization Efficiency, Chemical Engineering Journal, 429: 132436 (2022).
[31] Zou R., Angelidaki I., Yang X., Tang K., Andersen H. R., Zhang Y., Degradation of Pharmaceuticals from Wastewater in a 20-L Continuous Flow Bio-Electro-Fenton (BEF) System, Science of the Total Environment, 727: 138684 (2020).
[32] Midassi S., Bedoui A., Bensalah N., Efficient Degradation of Chloroquine Drug by Electro-Fenton Oxidation: Effects of Operating Conditions and Degradation Mechanism, Chemosphere, 260: 127558 (2020).
[33] Ahmadi A., Zarei M., Hassani A., Ebratkhahan M., Olad A., Facile Synthesis of Iron(II) Doped Carbonaceous Aerogel as a Three-Dimensional Cathode and its Excellent Performance in Electro-Fenton Degradation of Ceftazidime from Water Solution, Separation and Purification Technology, 278: 119559 (2021).
[34] Mohammadi H., Bina B., Ebrahimi A., A Novel Three-Dimensional Electro-Fenton System and Its Application for Degradation of Anti-Inflammatory Pharmaceuticals: Modeling and Degradation Pathways, Process Safety and Environmental Protection, 117: 200-213 (2018).
[35] Ebratkhahan M., Zarei M., Akpinar I.Z., Metin Ö., One-Pot Synthesis of Graphene Hydrogel/M (M: Cu, Co, Ni) Nanocomposites as Cathodes for Electrochemical Removal of Rifampicin from Polluted Water, Environmental Research, 214: 113789 (2022).
[36] Sisi A.J., Khataee A., Zarei M., Endogenously Doped Mixed-Oxide CoO/Co2O3 in ZIF-Derived Carbon Deposited on Graphite Felt for Electrochemical Oxidation of Pharmaceutics, Electrochimica, 14: 145069 (2024).
[37] Iranpour F., Pourzamani H., Mengelizadeh N., Bahrami P., Mohammadi H., Application of Response Surface Methodology for Optimization of Reactive Black 5 Removal by Three Dimensional Electro-Fenton Process, Journal of environmental chemical engineering, 6(2): 3418-3435 (2018).
[38] Elaouni A., El Ouardi M., Zbair M., BaQais A., Saadi M., Ahsaine H. A., ZIF-8 Metal Organic Framework Materials as a Superb Platform for the Removal and Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants: A Review, RSC advances, 12(49): 31801-17 (2022).
[39] Suhan M. B., Shuchi S. B., Anis A., Haque Z., Islam M. S., Comparative Degradation Study of Remazol Black B Dye Using Electro-Coagulation and Electro-Fenton Process: Kinetics and Cost Analysis, Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management, 14: 100335 (2020).
[40] Brillas E. Fenton, Photo-Fenton, Electro-Fenton, and Their Combined Treatments for the Removal of Insecticides from Waters and Soils. A Review, Separation and Purification Technology, 284: 120290 (2022).