بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی مؤثر بر تخریب فنول در یک سیستم فتوکاتالیستی تحت تابش نور مرئی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، تهران ایران

2 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

هدف: فنول و مشتقات محلول آن در آب از مهم‌ترین آلاینده‌های سمی هستند. در سال‌های اخیر استفاده از MOFها به‌عنوان فتوکاتالیست برای تصفیه پساب توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ترکیب یک MOF با یک نیم‌رسانا که بتواند بازترکیب الکترون-حفره را به حداقل برساند می‌تواند در واکنش‌های فتوکاتالیستی بسیار مؤثر باشد.
مواد و روش: در این پژوهش کامپوزیت‌های TiO2/MIL88 با درصدهای مختلف از تیتانیوم دی‌اکسید با استفاده از روش هیدروترمال تک‌مرحله‌ای سنتز شده و برای حذف فنول در یک فتوراکتور شش‌ضلعی مورد بررسی قرار گرفت. طراحی شش‌ضلعی منحصربه‌فرد راکتور، سطح در دسترس برای تابش را افزایش می‌دهد و منجر به حذف مؤثرتر آلاینده‌ می‌شود. به‌منظور رسیدن به بالاترین راندمان تخریب متغیرهای: مقدار فتوکاتالیست، زمان واکنش، غلظت فنول، pH و غلظت هیدروژن پراکسید ml/L)) به‌عنوان پارامترهای مؤثر بر فرآیند تخریب فتوکاتالیستی انتخاب شدند. به‌منظور طراحی آزمایش‌ها از نرم‌افزار DesignExpert استفاده شد و از میان روش‌های RSM روش باکس بنکن انتخاب گردید.
 نتایج آنالیزهای مشخصه یابی کاتالیست نشان داد که کامپوزیت TMA10 به‌درستی سنتز شده است. با استفاده از این کامپوزیت، شرایط بهینه برای حداکثر راندمان تخریب فنول (96/95 درصد) به‌صورت: غلظت اولیه فنول 58 میلی‌گرم در لیتر،pH برابر با 51/7، زمان واکنش 61/68 دقیقه، غلظت هیدروژن پراکسید برابر باmL/L  18/0، و مقدار کاتالیست برابر g/L 4/0 به دست آمد.
نتیجه‌گیری: نتایج آزمایش‌های فتوکاتالیستی نشان داد که کامپوزیت TMA10 )10نسبت مولی (TiO2:MOF عملکرد بهتری نسبت به سایر کامپوزیت‌ها در تخریب فنول دارد. آنالیز فتولومینسانس (PL) نشان داد که عملکرد بهتر کامپوزیت TMA10 به علت کاهش بازترکیب الکترون حفره در آن است. همچنین تجزیه‌وتحلیل آنالیز واریانس نشان داد که مدل درجه دوم به‌خوبی با داده‌ها برازش داده  می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]           Wang, K.-H., et al., Photocatalytic degradation of 2-chloro and 2-nitrophenol by titanium dioxide suspensions in aqueous solution. Applied Catalysis B: Environmental, 1999. 21(1): p. 1-8, https://doi.org/10.1016/S0926-3373(98)00116-7.
 
[2]           Poulopoulos, S., F. Arvanitakis, and C. Philippopoulos, Photochemical treatment of phenol aqueous solutions using ultraviolet radiation and hydrogen peroxide. Journal of hazardous materials, 2006. 129(1-3): p. 64-68, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.06.044.
 
[3]           Luenloi, T., et al., Photodegradation of phenol catalyzed by TiO2 coated on acrylic sheets: Kinetics and factorial design analysis. Desalination, 2011. 274(1-3): p. 192-199, https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.02.011.
 
[4]           Calvete, M.J., et al., Hybrid materials for heterogeneous photocatalytic degradation of antibiotics. Coordination Chemistry Reviews, 2019. 395: p. 63-85, https://doi.org/10.1016/j.ccr.2019.05.004.
 
[5]           Hashimoto, K., H. Irie, and A. Fujishima, TiO2 photocatalysis: a historical overview and future prospects. Japanese journal of applied physics, 2005. 44(12R): p. 8269, https://doi.org/10.1143/JJAP.44.8269.
 
[6]           Chiou, C.-H., C.-Y. Wu, and R.-S. Juang, Influence of operating parameters on photocatalytic degradation of phenol in UV/TiO2 process. Chemical Engineering Journal, 2008. 139(2): p. 322-329, https://doi.org/10.1016/j.cej.2007.08.002.
 
[7]           Batten, S.R., et al., Terminology of metal–organic frameworks and coordination polymers (IUPAC Recommendations 2013). Pure and Applied Chemistry, 2013. 85(8): p. 1715-1724, https://doi.org/10.1351/PAC-REC-12-11-20.
[8]           Yuan, Y.-P., et al., Improving photocatalytic hydrogen production of metal–organic framework UiO-66 octahedrons by dye-sensitization. Applied Catalysis B: Environmental, 2015. 168: p. 572-576, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.11.007.
 
[9]           Horcajada, P., et al., Porous metal–organic-framework nanoscale carriers as a potential platform for drug delivery and imaging. Nature materials, 2010. 9(2): p. 172-178, https://doi.org/10.1038/nmat2608.
 
[10]         Chalati, T., et al., Optimisation of the synthesis of MOF nanoparticles made of flexible porous iron fumarate MIL-88A. Journal of Materials Chemistry, 2011. 21(7): p. 2220-2227, https://doi.org/10.1039/C0JM03563G.
 
[11]         Sarwar, B., et al., Synthesis of novel MOF-5 based BiCoO3 photocatalyst for the treatment of textile wastewater. Sustainability, 2022. 14(19): p. 12885, https://doi.org/10.3390/su141912885.
 
[12]         Roy, D., S. Neogi, and S. De, Mechanistic investigation of photocatalytic degradation of Bisphenol-A using MIL-88A (Fe)/MoS2 Z-scheme heterojunction composite assisted peroxymonosulfate activation. Chemical Engineering Journal, 2022. 428: p. 131028, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131028.
 
[13]         Zilla, R., D. Purnamasari, and R. Zainul. Design of rotary photoreactor using nano Cu/TiO2 for degradation humic acid in outdoor visible light. in Journal of Physics: Conference Series. 2020. IOP Publishing, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1481/1/012039.
 
[14]         Hawari, F.Y., et al., PROTOTYPE OF HEXAGONAL PHOTO-REACTOR FOR DEGRADATION HUMIC ACID USING CU-ZNO AS A CATALYST IN VISIBLE LIGHTS. ELECTROLYTE, 2022. 1(01): p. 31-40, https://doi.org/10.54482/electrolyte.v1i01.92.
 
[15]         Chekir, N., et al., A comparative study of tartrazine degradation using UV and solar fixed bed reactors. International journal of hydrogen energy, 2017. 42(13): p. 8948-8954, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.11.057.
 
[16]         Kwak, J.-S., Application of Taguchi and response surface methodologies for geometric error in surface grinding process. International journal of machine tools and manufacture, 2005. 45(3): p. 327-334, https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2004.08.007.
 
[17]         Liu, N., et al., Ultrathin graphene oxide encapsulated in uniform MIL-88A (Fe) for enhanced visible light-driven photodegradation of RhB. Applied Catalysis B: Environmental, 2018. 221: p. 119-128, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.09.020.
 
[18]         Jamil, T.S., et al., Enhancement of TiO2 behavior on photocatalytic oxidation of MO dye using TiO2/AC under visible irradiation and sunlight radiation. Separation and purification technology, 2012. 98: p. 270-279, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.06.018.
 
[19]        Xu, W.-T., et al., Metal–organic frameworks MIL-88A hexagonal microrods as a new photocatalyst for efficient decolorization of methylene blue dye. Dalton transactions, 2014. 43(9): p. 3792-3798, https://doi.org/10.1039/C3DT52574K.
 
[20]         Tran, D.-T., A.-T. Phan, and T.-B. Pham, Boosting tetracycline degradation by integrating MIL-88A (Fe) with CoFe2O4 persulfate activators. Environmental Technology & Innovation, 2023: p. 103502, https://doi.org/10.1016/j.eti.2023.103502.