تخریب فتوکاتالیستی پساب حاوی رنگ نساجی آبی-اسید 92 با اکسید تنگستن آلایش شده با پالادیم بر بستر گرافن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه محیط‌زیست، پژوهشکده علوم و فناوری‌های انرژی، آب و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 مربی، گروه آب، پژوهشکده علوم و فناوری‌های انرژی، آب و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی نفت، گاز و پتروشیمی، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران

چکیده

با پیشرفت تکنولوژی و گسترش صنایع، آلودگی‌های محیط‌زیستی در حال افزایش است. تنوع و گستردگی کاربرد انواع مواد شیمیایی در صنایع مختلف مانند نساجی و کشاورزی و در نهایت ورود پسماندهای این صنایع به محیط‌زیست تهدیدی جدی برای اکوسیستم‌های آبی است. روش‌های اکسیداسیون پیشرفته‌ بر پایه تولید گونه‌های فعال مانند رادیکال‌های هیدروکسیل می‌توانند دسته وسیعی از آلودگی‌ها را به‌طور غیرانتخابی تخریب کنند. در میان روش‌های اکسیداسیون پیشرفته،‌ فتوکاتالیست‌های ناهمگن که در آنها از نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود، در تصفیه آبهای آلوده بسیار مورد توجه هستند. در این پژوهش، نانوریبون‌های اکسید تنگستن آلایش شده با نانوذرات پالادیم بر بستر گرافن به‌عنوان فتوکاتالیست برای تخریب رنگ نساجی آبی-اسید 92 استفاده شدند. نانوریبون‌های WO3 به روش‌ حلال گرمایی بر بستر گرافن سنتز شدند و با نانوذرات پالادیم احیا شده به روش‌های مختلف آلایش شدند. تأثیر افزایش پالادیم و گرافن بر مورفولوژی سطح و فعالیت فتوکاتالیستی نانوریبون‌های WO3 با استفاده از تکنیک‌های پراش اشعه ایکس، تخلخل‌سنجیBET، میکروسکوپ روبشی الکترونی، تبدیل فوریه مادون قرمز، طیف‌سنجی بازتابی مرئی- ماورابنفش، طیف‌بینی فوتوالکترون پرتو ایکس بررسی‌شد. نتایج حاصل از آنالیز تخلخل‌سنجیBET نشان داد که سنتز نانوریبون‌های اکسید تنگستن بر بستر گرافن اکساید و احیا فتوکاتالیست حاصله در اتمسفر هیدروژن باعث افزایش مساحت سطح فتوکاتالیست حاصله تا دو برابر شد. در ادامه، توانایی فتوکاتالیست ساخته شده در تخریب رنگ نساجی آبی- اسید 92 در حضور نور مرئی بررسی شد و ثابت سرعت واکنش تخریب محاسبه شد. نتایج به‌دست آمده نشان ‌داد که نانوکامپوزیت‌ احیا شده در مجاورت گاز H2 در مقایسه با سایر نمونه‌ها دارای بیشترین سرعت تخریب رنگ min-1 3-10 * 8 با کارایی 60 درصد است. این نانوکامپوزیت با داشتن مساحت سطح زیاد، جذب مولکول‌های واکنش‌دهنده رنگ را روی سایت‌های فعال سطح آسان می‌سازد، در نتیجه سرعت تخریب آلاینده جذب شده روی سطح فتوکاتالیست تا حدی زیادی افزایش می‌یابد. در نهایت مدل‌های سینیتیکی مختلف به‌منظور بررسی سینتیک واکنش استفاده شد و در هر مورد ضریب تعیین محاسبه شد. نتایج حاصله از تطابق داده‌های تجربی با معادلات مذکور نشان داد که سینتیک تخریب رنگ مطابق با مدل لانگمیر- هینشلود، مکانیسم شبه‌درجه اول دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Pd@WO3-Graphene as an Effective Visible-Light Photocatalyst for Degradation of Acid-Blue-92 Textile Dye

نویسندگان [English]

  • Shahnaz Ghasemi 1
  • Mohammad Mirzaie 2
  • Arash Khosravi 3
1 Assist. Prof., Environmental Research Group, Sharif Energy, Water and Environment Institute, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
2 Instructor, Water Research Group, Sharif Energy, Water and Environment Institute, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3 Assist. Prof., Dept. of Chemical Engineering, Faculty of Petroleum, Gas and Petrochemical Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran
چکیده [English]

The fast growth of technology along with the expansion of industries has exacerbated environmental pollution. The diversity and broad application of various chemicals in the textile and agriculture industries, and eventually, the release of wastewater of such activities into the environment is a severe threat for aquatic ecosystems. Advanced oxidation methods based on the production of active species, such as hydroxyl radicals, nonselectively destroy a wide range of contaminants. Among the advanced oxidation methods, heterogeneous photocatalysts using semiconductors attracted a great deal of interest. In this project, Pd doped WO3 nanoribbons on a graphene substrate were prepared via the hydrothermal method and were used as photocatalysts to degrade a textile dye (Acid Blue 92). The effect of Pd and graphene incorporation on the surface properties, morphology, and photocatalytic activity of WO3 nanoribbons was investigated using XRD, BET, SEM, FTIR, DRS, and XPS techniques. The BET results demonstrated that the synthesis of WO3 nanoribbons on graphene oxide substrate and the reduction of obtained photocatalyst in the H2 atmosphere increased the surface area of the photocatalyst up to twice its normal size. In the next step, the ability of the photocatalyst to degrade blue-acid 92 textile dye in the presence of visible light was investigated and the degradation rate was calculated. The results confirmed that the reduced nanocomposite in the presence of H2 atmosphere in comparison with other samples has the highest dye degradation rate of 9×10-3min-1 with an efficiency of 60%. This nanocomposite, with its high surface area, facilitates the adsorption of dye-molecules on the active sites of the surface, thus greatly increasing the rate of degradation of the contaminant adsorbed on the photocatalyst surface. Eventually, different kinetic models were applied to investigate the reaction kinetics, and in each case, the correlation coefficient was calculated. The results of correlating the experimental data with the kinetics equations depicted that the dye degradation kinetics according to the Langmuir-Hinschlod model has a quasi-first-order mechanism.

کلیدواژه‌ها [English]

  • photocatalyst
  • Semiconductor
  • Textile Dyes
  • Tungsten oxide
  • graphene
Adhikari, S., Chandra, K. S., Kim, D. H., Madras, G. & Sarkar, D. 2018. Understanding the morphological effects of WO3 photocatalysts for the degradation of organic pollutants. Advanced Powder Technology, 29, 1591-1600.
Backhaus-Ricoult, M., Rustad, J., Moore, L., Smith, C. & Brown, J. 2014. Semiconducting large bandgap oxides as potential thermoelectric materials for high-temperature power generation? Applied Physics A, 116, 433-470.
Chen, M., Zou, L., Zhang, Z., Shen, J., Li, D., Zong, Q., et al. 2018. Tandem gasochromic-Pd-WO3/graphene/Si device for room-temperature high-performance optoelectronic hydrogen sensors. Carbon, 130, 281-287.
Chiron, N., Guilet, R. & Deydier, E. 2003. Adsorption of Cu (II) and Pb (II) onto a grafted silica: isotherms and kinetic models. Water Research, 37, 3079-3086.
Di Paola, A., Bellardita, M., Palmisano, L., Barbieriková, Z. & Brezová, V. 2014. Influence of crystallinity and OH surface density on the photocatalytic activity of TiO2 powders. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 273, 59-67.
Garrido-Cardenas, J. A., Esteban-García, B., Agüera, A., Sánchez-Pérez, J. A. & Manzano-Agugliaro, F. 2020. Wastewater treatment by advanced oxidation process and their worldwide research trends. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(1), 170.
Geim, A. K. 2009. Graphene: status and prospects. Science, 324, 1530-1534.
Ghasemi, S., Setayesh, S. R., Habibi-Yangjeh, A., Hormozi-Nezhad, M. & Gholami, M. 2012. Assembly of CeO2–TiO2 nanoparticles prepared in room temperature ionic liquid on graphene nanosheets for photocatalytic degradation of pollutants. Journal of Hazardous Materials, 199, 170-178.
Güy, N. 2020. Directional transfer of photocarriers on CdS/g-C3N4 heterojunction modified with Pd as a cocatalyst for synergistically enhanced photocatalytic hydrogen production. Applied Surface Science, 522, 146442.
Ismail, A. A., Faisal, M. & Al-Haddad, A. 2018. Mesoporous WO3-graphene photocatalyst for photocatalytic degradation of Methylene Blue dye under visible light illumination. Journal of Environmental Sciences, 66, 328-337.
Jaiswal, R., Patel, N., Dashora, A., Fernandes, R., Yadav, M., Edla, R., et al. 2016. Efficient Co-B-codoped TiO2 photocatalyst for degradation of organic water pollutant under visible light. Applied Catalysis B: Environmental, 183, 242-253.
Kaplan, A., Yuan, Z., Benck, J. D., Rajan, A. G., Chu, X. S., Wang, Q. H., et al. 2017. Current and future directions in electron transfer chemistry of graphene. Chemical Society Reviews, 46, 4530-4571.
Karthikeyan, C., Arunachalam, P., Ramachandran, K., Al-Mayouf, A. M. & Karuppuchamy, S. 2020. Recent advances in semiconductor metal oxides with enhanced methods for solar photocatalytic applications. Journal of Alloys and Compounds, 828, 154281.
Kashyap, A., Sinha, S., Barman, P. B. & Hazra, S. K. 2020. Nano layers of 2D graphene versus graphene oxides for sensing hydrogen gas. Multilayer Thin Films: Versatile Applications for Materials Engineering, 173.
Konstantinou, I. K. & Albanis, T. A. 2004. TiO2-assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations: a review. Applied Catalysis B: Environmental, 49, 1-14.
Kumar, A., Srivastava, N. K. & Gera, P. 2021. Removal of color from pulp and paper mill wastewater-methods and techniques-a review. Journal of Environmental Management, 298, 113527.
Mardare, C. C. & Hassel, A. W. 2019. Review on the versatility of tungsten oxide coatings. Physica Status Solidi (a), 216, 1900047.
Mathankumar, G., Bharathi, P., Mohan, M. K., Harish, S., Navaneethan, M., Archana, J., et al. 2020. Synthesis and functional properties of nanostructured Gd-doped WO3/TiO2 composites for sensing applications. Materials Science in Semiconductor Processing, 105, 104732.
Nishanthi, S. T., Iyyapushpam, S., Sundarakannan, B., Subramanian, E. & Pathinettam Padiyan, D. 2014. Inter-relationship between extent of anatase crystalline phase and photocatalytic activity of TiO2 nanotubes prepared by anodization and annealing method. Separation and Purification Technology, 131, 102-107.
Nosaka, Y. & Nosaka, A. Y. 2018. Langmuir–hinshelwood and light-Intensity dependence analyses of photocatalytic oxidation rates by two-dimensional-ladder kinetic simulation. The Journal of Physical Chemistry C, 122, 28748-28756.
Padervand, M., Ghasemi, S., Hajiahmadi, S. & Wang, C. 2021. K4Nb6O17/Fe3N/α-Fe2O3/C3N4 as an enhanced visible light-driven quaternary photocatalyst for acetamiprid photodegradation, CO2 reduction, and cancer cells treatment. Applied Surface Science, 544, 148939.
Padervand, M., Gholami, K., Salari, H. & Vosoughi, M. 2019. Rapid H2O2-promoted oxidation of anazolene sodium over the [BMIM]PF=/Pt/γ-Al2O3 nanocatalyst. Journal of Nanostructures, 9, 489-497.
Padervand, M. & Jalilian, E. 2020a. Accelerated photochemical degradation of acetamipirid insecticide over the Ag/AgBr nanospheres under visible light. Journal of Water and Wastewater, 31(2), 16-23. (In Persian)
Padervand, M. & Jalilian, E. 2020b. Sheet-like binary AgBr-Bi24Br10O31 with enhanced photocatalytic activity under visible light. Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, 38(4), 77-83. (In Persian)
Padervand, M., Reza Elahifard, M., Vatan Meidanshahi, R., Ghasemi, S., Haghighi, S. & Reza Gholami, M. 2012. Investigation of the antibacterial and photocatalytic properties of the zeolitic nanosized AgBr/TiO2 composites. Materials Science in Semiconductor Processing, 15(1), 73-79.
Pelaez, M., Nolan, N. T., Pillai, S. C., Seery, M. K., Falaras, P., Kontos, A. G., et al. 2012. A review on the visible light active titanium dioxide photocatalysts for environmental applications. Applied Catalysis B: Environmental, 125, 331-349.
Qin, H., Liu, T., Liu, J., Liu, Q., Jing, X., Zhang, H., et al. 2019. Correction: controllable synthesis and enhanced gas sensing properties of a single-crystalline WO3–rGO porous nanocomposite. RSC Advances, 9,
32174-32174.
Rao, C., Biswas, K., Subrahmanyam, K. & Govindaraj, A. 2009. Graphene, the new nanocarbon. Journal of Materials Chemistry, 19, 2457-2469.
Sharma, N., Sharma, V., Jain, Y., Kumari, M., Gupta, R., Sharma, S., et al. 2017. Synthesis and characterization of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) for gas sensing application. Macromolecular Symposia, Wiley Online Library, 376(1), 1700006.
Tripathi, G., Husain, A., Ahmad, S., Hasan, Z. & Farooqui, A. 2021. Contamination of water resources in industrial zones. Contamination of Water. Health Risk Assessment and Treatment Strategies, 85-98.
Wu, Y., Xing, M., Zhang, J. & Chen, F. 2010. Effective visible light-active boron and carbon modified TiO2 photocatalyst for degradation of organic pollutant. Applied Catalysis B: Environmental, 97, 182-189.
Xue, D., Wang, J., Wang, Y., Sun, G., Cao, J., Bala, H., et al. 2019. Enhanced methane sensing properties of WO3 nanosheets with dominant exposed (200) facet via loading of SnO2 nanoparticles. Nanomaterials, 9, 351.
Yang, S., Dong, J., Yao, Z., Shen, C., Shi, X., Tian, Y., et al. 2014. One-pot synthesis of graphene-supported monodisperse Pd nanoparticles as catalyst for formic acid electro-oxidation. Scientific Reports, 4, 1-6.
Zeng, X., Wang, Z., Wang, G., Gengenbach, T. R., Mccarthy, D. T., Deletic, A., et al. 2017. Highly dispersed TiO2 nanocrystals and WO3 nanorods on reduced graphene oxide: Z-scheme photocatalysis system for accelerated photocatalytic water disinfection. Applied Catalysis B: Environmental, 218, 163-173.
Zhao, T., Ren, Y., Jia, G., Zhao, Y., Fan, Y., Yang, J., et al. 2019. Facile synthesis of mesoporous WO3@graphene aerogel nanocomposites for low-temperature acetone sensing. Chinese Chemical Letters, 30, 2032-2038.
Zhong, J. B., Li, J. Z., He, X. Y., Zeng, J., Lu, Y., Hu, W., et al. 2012. Improved photocatalytic performance of Pd-doped ZnO. Current Applied Physics, 12, 998-1001.