حذف رنگ متیلن بلو از پساب با استفاده از Fe-BTC
محورهای موضوعی : مهندسی محیط زیست
1 - دانشگاه صنعتی قم
کلید واژه: Fe-BTC, چارچوب آلی فلزی, فوتو کاتالیست ماورای صوت, رنگ متیلن بلو,
چکیده مقاله :
در این تحقیق ماده آلی فلزیFe-BTC (آهن-بنزن تری کربوکسیلات) تهیه شده با تابش فراصوت، به عنوان یک کاتالیست نوری جهت تخریب رنگ متیلن بلو (MB) از درون آب استفاده شده است. اثرات دما (50 و 70 درجه سانتی گراد) و زمان تابش (90 و 120 دقیقه) برای تهیه این ماده مورد بررسی قرار گرفت. نانوذرات تهیه شده Fe-BTC عملکرد نورکافتی خوبی را از خود نشان داده و در محدوده دمایی120-70 سانتیگراد ییشترین فعالیت را در حذف رنگ متیلن بلو دارا بود. این عملکرد نتیجه دو عامل مهم شامل مهار فرآیند نوترکیبی حامل های بار و افزایش سطح کاتالیست نوری است. سرعت واکنش تخریب رنگ متیلن بلو از معادله سرعت شبه مرتبه اول لانگمویر پیروی می کند. نمونه Fe-BTC70-120 به دلیل ذرات کوچکتر و همچنین نوترکیب الکترون-حفره کمتر، بیشترین تخریب رنگ را از خود نشان داد.، این تخریب رنگ نتیجه خواص اکسید کنندگی رادیکال هیدروکسیل است. آزمون ها، پایداری نمونه را برای سه دوره مصرف نشان داد. استفاده از فوتوکاتالیست Fe-BTC با فعالیت و پایداری بالا، می تواند انتخاب نوینی در تصفیه پساب های رنگی باشد.
Fe-BTC (benzene tricarboxylic) synthesized by ultrasonic irradiation as a novel photo catalyst was investigated for degradation of methylene blue (MB)by UV/ photo catalyst system. In this study, for the first time, a facile ultrasonic method was employed to prepare Fe-BTC. The effects of temperature (50 and 70 °C) and irradiation time (90 and 120 min) were investigated to get the optimum photo catalyst. The nanoparticles of the synthesized Fe-BTC obtained were smaller and more homogeneous than those previously reported. The synthesized Fe-BTC samples showed good photocatalytic performance. The Fe-BTC 70-120 sample has shown the highest photocatalytic activity. The enhanced photocatalytic performance was related to two important factors which are the inhibition of the recombination process of the charge carriers and also the increase in the total area of the photo catalyst. The kinetics of degradation in this study has followed Langmuir-Hinshelwood pseudo-first-order theory. The Fe-BTC70-120 sample due to smaller particles and lower electron-hole recombination showed the highest photocatalytic degradation. The results of the mechanism showed the reactivity of hydroxyl radical oxidation in methylene blue degradation. The stability test also showed the high stability of Fe-BTC70-120 sample for three cycles. Photocatalytic degradation of MB by Fe-BTC with high activity and recycling stability may provide a new choice for wastewater treatment
[ 1]. L. Xiyi, Y. Pi, Q. Xia, Zh Li, J. Xiao, Appl. Catal. B 192, 72 (2016)
[2]. F.Z. Haque, R. Nandanwar, P. Singh, Optik 128, 191 (2017)
[ 3]. N. Assi, M.S. Tehrani, P. Aberoomand Azar, S.W. Husain, J. Iran. Chem. Soc. 2017, 14, 221
[ 4]. M. Mousavi, A. Habibi–Yangjeh, ShR. Pouran, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2018, 29, 1719
[ 5]. M. Pirhashemi, A. Habibi-Yangjeh, S.R. Pouran, J. Ind. Eng. Chem. 2018, 62, 1
[ 6]. S.E. Moradi, A.M. Haji Shabani,, S. Emami, S. Dadfarnia. J. Iran. Chem. Soc. 13, 1617 (2016)
[ 7]. A. Kozlova, V.N. Ekaterina, Z. Panchenko, N. Hasan, M.N. Abedin Khan, Timofeeva, S. Hwa Jhung, Catal. Today, 266, 136 (2016)
[ 8]. J.J. Du, Y.P. Yuan, J.X. Sun, F.M. Peng, X. Jiang, L.G. Qiu, A.J.Xie, Y.H. Shen, J.F. Zhu, J. Hazard. Mater. 190, 945 (2011)
[ 9]. A.R. Oveisi, A. Khorramabadi-zad, S. Daliran, RSC Adv. 6, 1136 (2016)
[10]. K.G. M.Laurier, F. Vermoortele, R. Ameloot, D.E. De Vos, J. Hofkens, J. Am. Chem. Soc. 135, 14488 (2013)
[11] M.T. Noman, J. Wiener, J. Saskova, M.A. Ashraf, M. Vikova, H. Jamshid, P. Kejzlar, Ultrason. Sonochem. 40, 41 (2018)
[12]. S. Naghizadeh-Alamdari, A. Habibi-Yangjeh, J. Iran. Chem. Soc. 12, 1961 (2015)
[13].N. Abedin Khan, J.Sung Hwa, Coord. Chem. Rev 285, 11 (2008)
[14].V. Safarifard, A. Morsali, Coord. Chem. Rev. 1 (2015)
[15].\ G. Majano, O. Ingold, M. Yulikov, G. Jeschke, J. Perez-Ramirez, Cryst. Eng. Comm. 15, 9885 (2013)
[16].Y. Yanjing, Y. Bai, F. Zhao, E. Yao, J. Yi, Ch Xuan, S. Chen, RSC Adv. 6, 67308 (2016)
[17].Y. Yang, Y. Bai, F. Zhao, E. Yao, J. Yi, Ch Xuan, S. Chen, RSC Adv. 1 (2013)
[18]. M. Sanchez-Sanchez, I. de Asua, D. Ruano, K. Diaz, Direct syn-thesis. Cryst. Growth Des. 15, 4498 (2015)
[19]. E. Rojas Garcia, E.R. Lopez Medina, M. May Lozano, I. Hernan-dez Perez, M.J. Valero, A. M. Maubert Franco, Materials. 7, 8037 (2014)
[20].M. Diaz-Garcia, M. Sanchez-Sanchez, Microporous Mesoporous Mater. 190, 248 (2014)
[21].S.Y. Hao, X.G. Ma, G.H. Cui, Ultrason. Sonochem. 37, 414 (2017)
[22]. S.J. Gregg, K.S.W. Sing, Adsorption, Surface Area and Porosity (Academic, London, 1982)
[23]. J.H. Park, W.R. Lee, Y. Kim, H. J. Lee, D. W. Ryu, W.J. Phang, C.S. Hong, Cryst. Growth Des. 14, 699 (2014)
[24]. K. Tomar, R. Rajak, S. Sanda, S. Konar, Crys. Growth Des. 15, 2732 (2015)
[25]. P. Hemalatha, M. Alagara. K. Navaneetha, S. Pandiyaraj, L. Perumal, Int. J. Chem. Phys. Sci 4, 1 (2015)
[26].\ K. Pradeev Raj, K. Sadaiyandi, A. Kennedy, R. Thamizselvi, Mater. Chem. Phys. 183, 24 (2016)
[27].X.Y. Yi, C.Y. Ma, F. Yuan, N. Wang, F.W. Qin, B.C. Hu, Q.Y. Zhang, Thin Solid Films. 636, 339 (2017)
[28]. T. Inakhunbi Chanu, D. Samanta, A. Tiwari, S. Chatterje, Appl. Surf. Sci. 391, 548 (2017)
[29]. R.S. Dariani, A. Esmaeili, A. Mortezaali. S. Dehghanpour, Optik, 127, 7143 (2016)
[30]. M. Mousumi,. M. Amrita, K. Anup, G. Kajari, B. Saibal, G. Dipuli, Appl. Surf. Sci. 402, 418 (2017)
[31]. J. Guo, J. Yang, Y. Liu, J. F. Ma, Cryst. Eng. Comm., 14, 6609 (2012)
[32]. F. Saadati, N. Keramati, M. Mehdipour Ghazi, Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 46, 757 (2016)
پژوهش و فناوری محیط زیست، 1401 7(12)، 157-166
| |||
|
|
| |
1- عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی قم-دانشکده فنی مهندسی-گروه مهندسی عمران-قم-ایران | |
چکیده | اطلاعات مقاله |
در این تحقیق ماده آلی فلزیFe-BTC (آهن-بنزن تری کربوکسیلات) تهیه شده با تابش فراصوت، به عنوان یک کاتالیست نوری جهت تخریب رنگ متیلن بلو (MB) از درون پساب استفاده شده است. اثرات دما (50 و 70 درجه سانتیگراد) و زمان تابش (90 و 120 دقیقه) برای تهیه این ماده مورد بررسی قرار گرفت. نانوذرات تهیه شده Fe-BTC عملکرد کاتالیستی نوری خوبی را از خود نشان داده و در محدوده دمای120-70 سانتیگراد ییشترین فعالیت را در حذف رنگ متیلن بلو دارا بود. این عملکرد نتیجه دو عامل مهم شامل مهار فرآیند نوترکیبی حامل‌های بار و افزایش سطح کاتالیست نوری است. سرعت واکنش تخریب رنگ متیلن بلو از معادله سرعت شبه مرتبه اول لانگمویر پیروی می‌کند. نمونه Fe-BTC70-120 به دلیل ذرات کوچکتر و همچنین نوترکیب الکترون-حفره کمتر، بیشترین تخریب رنگ را از خود نشان داد، این تخریب رنگ نتیجه خواص اکسید‌کنندگی رادیکال هیدروکسیل است. آزمون‌ها، پایداری نمونه را برای سه دوره مصرف متوالی نشان داد. استفاده از کاتالیست نوری Fe-BTC با فعالیت و پایداری بالا، می‌تواند انتخاب نوینی در تصفیه پساب‌های رنگی باشد. |
نوع مقاله: پژوهشی تاریخ دریافت: 02/05/1401 تاریخ پذیرش: 01/08/1401 دسترسی آنلاین: 25/12/1401
كليد واژه‌ها: Fe-BTC، چارچوب آلی فلزی، فوتو کاتالیست فراصوت، رنگ متیلن بلو |
| |
[1] *پست الکترونیکی نویسنده مسئول: Alizadeh_environment@yahoo.com
Journal of Environmental Research and Technology, 7(12)2022. 157-166
|
Removal of methylene blue dye from wastewater by using Fe-BTC Reza Alizadeh11*
1- Faculty member, Faculty of Technology and Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran | |||
Article Info | Abstract | ||
Article type: Research Article
Keywords: Fe-BTC, Metal organic framework, Ultrasonic photo catalyst, MB Dye | In this research, Fe-BTC (iron-benzene tricarboxylic)synthesized by Ultrasonic irradiation as a novel photo catalyst was investigated for degradation of methylene blue (MB) from water solution. The effects of temperature (50 and 70 °C) and irradiation time (90 and 120 min) were investigated for preparation of the photo catalyst. Fe-BTC nanoparticles prepared in the temperature range of 70-120 °C had the best photocatalytic performance in removing methylene blue dye. The enhanced photocatalytic performance was related to two important factors which are the inhibition of the recombination process of the charge carriers and also the increase in the total area of the photo catalyst. The kinetics of degradation in this study has followed Langmuir-Hinshelwood pseudo-first-order theory. Fe-BTC70-120 sample showed the most color degradation due to smaller particles and less electron-hole recombination. This color degradation is the result of the oxidizing properties of the hydroxyl radical. The tests showed the stability of Fe-BTC70-120 sample for three cycles. Using Fe-BTC photo catalyst with high activity and stability may provide a new choice for dye wastewater treatment.
| ||
| |||
[1] * Corresponding author E-mail address: Alizadeh_environment@yahoo.com
مقدمه
روش تخریب فوتوکاتالیستی یک فرایند مهم برای حل مشکلات زیست محیطی است (2016 et al., Xiyi). از زمان کشف سیستم‌های فوتوکاتالیستی تاکنون، بسیاری از سولفیدها و اکسیدهای فلزی مانند ZnO، CdS، Zn به عنوان کاتالیزور فعال نوری برای تخریب آلاینده‌ها در فاز گاز و مایع شناخته شده‌اند (2017 et al., Haque). مطالعات بمنظور دست یابی به کاتالیزورهای نوری جدید و خصوصا کاتالیزورهای نوری بهبود یافته، ادامه دار است. چارچوب‌های آلی-فلزی (MOFs) مواد جامد آلی فلزی هیبریدی و کریستالی با ساختارهای توسعه‌یافته هستند که می‌توانند در بسیاری از زمینه‌ها مانند جداسازی گاز، حسگرها، دارورسانی، جذب آلاینده‌ها و کاتالیزور استفاده شود (2017 et al., Assi). از آنجا که کاربردهای کاتالیزوری مواد آلی فلزی به ساختار و ویژگی‌های فیزیکی-شیمیایی آنها بستگی دارد، بنابراین با تغییر خوشه‌های فلزی و لیگاندهای آلی در ساختار این مواد، کاربردهای کاتالیزوری متفاوتی از آنها را می‌توان مشاهده کرد (2018 et al., Mousavi). هنگامی که مواد آلی فلزی در معرض تابش نور قرار می‌گیرند، می‌توانند عملکرد نورکافتی داشته باشند، بنابراین به دلیل ویژگی‌های منافذ کاملاً مشخص، مساحت سطح بالا و ساختار قابل تنظیم آنها، این مواد می‌تواند به عنوان فوتوکاتالیست‌های ناهمگن برای پالایش آلودگی‌های محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد . برخلاف کاتالیزورهای نوری معمولی، خواص فوتوکاتالیستی مواد آلی فلزی هنوز روشن نشده است (2018 et al., Pirhashemi). در این تحقیق، تخریب فوتوکاتالیستی رنگ متیلن بلو (MB) تحت تابش ماورای بنفش با استفاده از آهن و بنزن تری‌کربوکسیلات (Fe-BTC) به عنوان یک کاتالیزور نوری جدید مورد بررسی قرار گرفته است. چارچوب آلی-فلزی بر پایه آهن Fe-BTCدارای مساحت سطح بالایی است که ترکیب شیمیایی آن مشابه MIL-100 (Fe) است. ماده دوم شامل لیگاندهای BTC است که با هشت وجهی آهن هماهنگ شده است (Fe3-U30) که دارای یک راس مشترک U30 است. این هشت وجهی حاوی مکان‌های فلزی غیراشباع و هماهنگی است که در فعالیت‌های کاتالیزوری شرکت می‌کنند.. Fe (III)-MOFها می‌توانند فوتون‌هایی با انرژی برابر یا بیشتر از شکاف انرژی HOMO-LUMO خود را جذب کنند، که با شکاف نواری کاتالیزورهای نوری نیمه‌رسانای سنتی، مانند TiO2 قابل مقایسه است (2016 Moradi et al.,). زمان لازم برای تهیه این ماده نسبتاً طولانی است و همین موضوع تهیه ماده Fe-BTC با فعالیت نورکافتی و در مدت زمان کوتاه را جذاب‌تر می‌کند. اخیراً توجه زیادی به استفاده از امواج فراصوت برای سنتز مواد شده است. در این روش به‌دلیل پدیده کاویتاسیون صوتی، تغییرات فیزیکی و شیمیایی مانند تشکیل سریع، رشد و ریزش حباب‌های ناپایدار در مایعات ایجاد می‌شود که باعث تولید ذرات نانومتری و همچنین صرفه‌جویی در زمان آماده‌سازی می‌شود.در این مطالعه، برای اولین بار از روش ساده فراصوت برای تهیه Fe-BTC به عنوان کاتالیزور نوری استفاده شده است.روش ماورای صوت یک روش ساده، موثر، کم هزینه و سازگار با محیط زیست برای تهیه مواد آلی فلزی در مقیاس نانو است. مزایای سنتز ماورای صوت را می‌توان از نظر عملکرد محیطی، سادگی عملیات، انتخاب محصول، کاهش زمان واکنش و تولید اندازه ذرات کوچکتر توصیف کرد (2016 Kozlova et al.,). اثرات دمای تابش فراصوت و زمان واکنش برای بدست آوردن کاتالیزور نوری بهینه به منظور تخریب رنگ مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های سنتز شده Fe-BTC با استفاده از روش‌های FT-IR، XRD، SEM، BET و UV-Vis شناسایی شد. آزمایش‌های تخریب فوتوکاتالیستی در یک راکتور نوری معمولی انجام شده است. مطالعات سینتیکی و مکانیسم تخریب رنگ MB در سیستم Fe-BTC/UV مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها
آهن (III) نیترات Fe-(NO3)3 ، بنزن تری کربوکسیلیک اسید (H3BTC)، N,N-دی متیل فرمامید (DMF)، اتانول (Et) و متیلن بلو (MB) ساخت شرکت مرک آلمان در این تحقیق استفاده شد. متانول (Me OH) با درجه HPLC به دست آمد. تمام مواد شیمیایی این مطالعه بدون خالص‌سازی بیشتر مورد استفاده قرار گرفت. اندازه‌گیری‌های پراش پرتو ایکس XRD با استفاده از پراش‌سنج پودری(Philips PW1800) با تابش Cu K a [21 = 0.15406 نانومتر و زاویه اسکن (20) = 4060درجه انجام شد. طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) بر روی یک طیف‌سنج FTIR شیمادزو ساخت ژاپن ثبت شد (2016 Oveisi et al.,). طیف بازتاب پراکنده UV-Vis نمونه‌ها با استفاده از اسپکتروفتومتر آوانتس (Avaspec-2048-TEC) به دست آمد. محدوده آنالیز از 200 تا 800 نانومتر بوده و BaSO-4 به عنوان نمونه مرجع استفاده شد. مساحت سطحBET Brunauer-Emmett-Teller) ) و ساختار متخلخل با استفاده از دستگاه Belsorp mini اندازه‌گیری شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با استفاده از TE.SCAN Mira 3 انجام شد. آماده‌سازی واکنش دهنده‌ها به طور جداگانه با حل نمودن 10 میلی‌مول از Fe-(NO3) 3.9H20 در 30 میلی‌لیتر DMF و 10 میلی مول از H3BTC در 30 میلی لیتر DMF انجام گرفته است. دو محلول فوق با یکدیگر مخلوط شده و تحت تابش فراصوت50 کیلوهرتز در دماهای50 و 70 درجه سانتیگراد و زمان واکنش 90 و 120 دقیقه قرار گرفتند. چهار نمونه Fe-BTC با دما و زمان واکنش مندرج در جدول 1 مورد بررسی قرار گرفت. البته نمونه Fe-BTC 50-90 بعد از تابش فراصوت، به صورت ژل در نیامد، که این ممکن است به‌دلیل انرژی ناکافی واکنش در این شرایط باشد (2011 Du et al.,). سه نمونه دیگر (Fe-BTC 50-120، Fe-BTC70-90 و Fe-BTC 70-120) تهیه شده و سپس برای جداسازی و ته‌نشینی تا دمای محیط سرد شدند. بلورهای قهوه‌ای رنگ فیلتر شده، با آب دیونیزه و اتانول (20 میلی‌لیتر در 3 میلی‌لیتر) چند بار شستشو و سپس در دمای 100 درجه سانتیگراد به مدت 12 ساعت به طور کامل خشک شد.
آزمایش‌ها
فعالیت نورکافتی نمونه‌های Fe-BTC جهت تخریب رنگ متیلن بلو تحت تابش پرتوهای ماورای بنفش مورد بررسی قرار گرفت. تغییر رنگ در راکتور نوری استوانه ای از جنس پیرکس انجام شد. نمونه‌هایی از محلول واکنش در فواصل زمانی معین سانتریفوژ و با استفاده از اسپکتروفتومتر شناسایی شد.از دو عدد لامپ UV 4W ، برای تابش محلول‌ها استفاده شد (2013 Laurier et al.,).در جدول 1 چهار نمونه Fe-BTC تهیه شده مورد بررسی(در دما و زمان های متفاوت)، آمده است.
جدول 1- مطالعه تهیه چهار نمونه Fe-BTC در دما و زمان متفاوت
بحث
در شکل 1 ظرف واکنش تهیه نمونه‌های Fe-BTC (در دما و زمان‌های مختلف)، نشان داده شده است، با بررسی های صورت گرفته مشخص می‌شود که نمونه‌های تهیه شده ترکیباتی با چارچوب آلی-فلزی و نیمه آمورف هستند. ماهیت نیمه آمورف نمونه‌های Fe-BTC تهیه شده نیز به‌دلیل اندازه‌های کوچک و کریستالی آنها است (2015 Tomar et al.,).
شکل 1- راکتور نوری
در طیف XRD مخلوط مواد تهیه شده، سه ماده آلی- فلزیFeBTC50-120 (1) Fe-BTC70-90 (2) Fe-BTC70-120 قابل تشخیص است، که یکی از آن ها با زاویه 11 درجه دارای بیشترین شدت می باشد، این نتیجه با مطالعات قبلی نیز مطابقت دارد (2018 Noman et al.,). در این تحقیق به دلیل عدم وجود اطلاعات کامل در مورد ویژگی‌های ساختاری این مواد نیمه آمورف، طیف مادون قرمز(IR)، نیز تهیه شده است(2014 Rojas Garcia et al.,). شکل 2 طیف FTIR نمونه‌های Fe-BTC تهیه شده به روش فراصوت را نشان می‌دهد. در طول موج کمتر از 1300 نوارهای مختلفی که به ارتعاشات لیگاند BTC اختصاص داشته و در محدوده 1300 تا 1700 قرار دارد؛ قابل مشاهده است، این نوارها مربوط به لیگاند کربوکسیلات است (2017 Yi et al.,).
Fe BTC50-120 (1
Fe-BTC70-90 (2
(3 Fe-BTC 70- 120
شکل 2- طیف FTIR نمونه‌های Fe-BTC
در مقایسه میان روش‌های قبلی و روش فراصوت، تطابق خوبی میان موقعیت پیک‌های طیف FTIR نمونه‌های Fe-BTC وجود دارد (1982 Gregg et al.,) بررسی سطح و خصوصیات نمونه‌های Fe-BTC در دما و زمان‌های مختلف با دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM انجام شد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، اندازه این ذرات در مقیاس نانومتری قرار دارد. همچنین در مقایسه با نمونه‌های تهیه شده به روش هیدروترمال، ذراتی کوچکتر و با مورفولوژی همگن مشاهده شد (2014 Park et al.,).
شکل 3-تصاویر SEM نمونه‌های a) Fe–BTC50−120 , b) Fe–BTC70–90 , c) Fe–BTC70–120
دمای واکنش بر رشد کریستال تأثیر گذار بوده و اندازه ذرات محصول نهایی را تعیین می‌کند (2015 Hemalatha et al.,). گرمایش سریع و یکنواخت تابش‌های فراصوت منجر به هسته شدن همگن و تشکیل کریستال‌های کوچکتر می‌شود (2015 et al, Naghizadeh-Alamdari). همچنین نمونه‌های تهیه شده در دمای 70 درجه سانتیگراد دارای اندازه ذرات کوچکتر (30 تا 50 نانومتر) و شکل یکنواخت تری نسبت به نمونه تهیه شده در دمای 50 درجه سانتیگراد است، بنابراین با افزایش دما، اندازه ذرات کاهش می‌یابد. این نتایج با مشاهدات هائو (2017 Hao et al.,). مطابقت دارد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، باند اصلی جذب نوری در محدوده 205، 185، 187 نانومتر برای Fe-BTC50-120 است. شکل4 همدما‌های جذب و دفع نیتروژن را نشان می‌دهد. Fe-BTC50-120 و Fe-BTC70-120 به ترتیب دارای بیشترین و کمترین اندازه ذرات است. تجزیه و تحلیل BET نیز برای این دو نمونه انجام شد (2008 Abedin Khan et al.,).
شکل4- منحنی‌های همدمای جذب و دفع نیتروژن نمونه‌های a) Fe–BTC50–120 b) Fe–BTC70–120
در جدول 2، اثر دما بر مساحت و قطر متوسط منافذ نمونه‌های Fe-BTC50-120 و Fe-BTC70-120 آمده است.
جدول 2-تاثیر دما بر مساحت و قطر منافذ نمونه Fe-BTC50-120 و Fe-BTC70-120
توزیع اندازه منافذ نمونه‌ها با استفاده از معادله BJH انجام شد، نمونه Fe-BTC 50-120 مساحت سطح بالاتری نسبت به Fe-BTC70-120 دارا است. نتایج نشان داد که اگرچه Fc-BTC50-120 دارای ابعاد بزرگتری است، اما به‌دلیل مورفولوژی متفاوت، سطح ویژه بیشتری دارد. (2015 Safarifard et al.,). شکل 5 توزیع اندازه منافذ نمونه‌های تهیه شده ماده جاذب با استفاده از معادله BJH است (2013 et al., Majano,).
شکل 5-توزیع اندازه منافذ نمونه‌های Fe-BTC70-120 و Fe-BTC70-120 با استفاده از BJH
تخریب رنگ MB محلول آبی ppm 25 تحت تابش ماورای بنفش با استفاده از 5/0 گرم پودر Fe-BTC به عنوان کاتالیزور نوری انجام شد. شکل 6 نشان می‌دهد که Fe-BTC 70-120 فعالیت نورکافتی بیشتری دارد.راندمان تخریب رنگ با این نمونه در حدود 54% در 90 دقیقه است، در حالی که راندمان تخریب ماده Fe-BTC50-120 و Fe-BTC70-90 به ترتیب 52% و 38% است.
شکل 6- مقایسه فعالیتنورکافتی مواد Fe-BTC 70-120 ، Fe-BTC70-90 و50-120 Fe-BTC
فعالیت نوری بیشتر نمونه Fe-BTC70-120 به دلیل ذرات کوچکتر و نوترکیب الکترون-حفره کمتر است. از آنجایی که در فرآیند فوتوکاتالیستی، ابتدا آلاینده جذب شده و سپس بر روی سطح کاتالیست تجزیه می‌شود، افزایش سطح نمونه یا کاهش اندازه نانوذرات باعث افزایش سرعت جذب و افزایش راندمان تخریب می‌شود (2014 Diaz-Garcia et al.,). همچنین Fe-BTC70-90 کمترین راندمان تخریب را به دلیل نوترکیب حفره الکترون بالاتر و جذب نور کمتر دارد. در مطالعات قبلی، راندمان تخریب رنگ متیلن بلو تحت تابش پرتوهای ماوراء بنفش بوسیله چارچوب‌های آلی- فلزی مانند MIL-53(Fe) و MIL-53(Fe)-r Go به ترتیب 3% و 35% گزارش شده است (2015 Sanchez-Sanchez et al.,). مطابق شکل 7 منحنی‌های سینتیک تخریب رنگ متیلن بلو توسط نمونه‌های سنتز شده Fe-BTC از نوع شبه مرتبه اول لانگمویر پیروی می‌کند.
شکل 7– سینتیک تخریب رنگ متیلن بلو توسط نمونه‌های Fe-BTC
روند مشابه در تخریب نوری رنگ MB توسط دیگر محققین نیز گزارش شده است (2016 Yanjing et al.,). برای توضیح سینتیک فرآیندهای کاتالیزوری ناهمگن. سینتیک Langmuir-Hinshelwood (LH) رایج ترین مدل است. (1) 37 که در آن C غلظت متیلن بلو (ppm) در لحظه i است، Co غلظت متیلن بلو (ppm) در - 0 (دقیقه) و k ثابت سرعت واکنش (در دقیقه) است. از شیب خط مستقیم می‌توان ثابت سرعت را محاسبه کرد.مقادیر ثابت سرعت واکنش نشان داد که سرعت تخریب با استفاده از Fe-BTC 70-120 بیشتر از سایر نمونه‌ها است. نرخ بالاتر تخریب به دلیل ذرات کوچکتر و نوترکیب الکترون-حفره کمتر است. ماده فعال نوری نقش مهمی در فرآیند نورکافتی ایفا می‌کند. مجموعه‌ای از آزمایش‌های کنترل‌شده با استفاده از جاذبهای مختلف رادیکالی برای درک مکانیسم واکنش احتمالی برای تخریب نوری MB بر روی کاتالیزورهای Fe-BTC تهیه شده با پرتو فراصوت انجام شد(شکل 8).
شکل 8- حذف رنگ با جاذبهای Fe-BTC در محیط حاوی رادیکال‌های متفاوت
ترکیبات رادیکالی متانول و اتانول برای حذف گونه‌های فعال ، به پساب رنگی افزوده شد (2013 Yang et al.,). از مقایسه راندمان تخریب نمونه‌های سنتز شدهFe-BTC ، مشاهده شد که افزودن متانول و اتانول کارایی تجزیه MB را کاهش می‌دهد .به عبارت دیگر، رادیکال‌های فعال هیدروکسیل عامل موثر در تجزیه فوتوکاتالیستی متیلن بلو توسط این کاتالیزورهای نوری است. شکل 10 آزمایشاتی را با استفاده از جاذبهای رادیکالی در تخریب نوری رنگMB توسط نمونه‌های Fe-BTC را نشان می‌دهد.کاهش رنگ در راکتور حاوی ماده Fe-BTC70-90 کمتر از نمونه‌های دیگر بود که این نشان از تأثیر کمتر عوامل بر فرآیند تخریب متیلن بلو است.همچنین، نتایج نشان داد که رادیکال‌های هیدروکسیل در این مطالعه مؤثرتر از الکترون‌ها در فرآیند تخریب فوتوکاتالیستی رنگ MB است. برای بررسی پایداری Fe-BTC تهیه شده توسط تابش اولتراسونیک، آزمایش‌های بازیافت با Fe-BTC70-120 انجام شد، که بالاترین فعالیت فوتوکاتالیستی را نشان می‌داد. مراحل بازیافت با جداسازی کاتالیزور توسط سانتریفیوژ انجام شد .فعالیت فوتوکاتالیستی ثابت، تا سه چرخه در شکل 9نشان داده شده است.
شکل 9- درصد تخریب نورکافتی رنگ با Fe-BTC در سه اجرا
نتیجه گیری
این تحقیق برای اولین بار به منظور تهیه چارچوب فلزی-آلی Fe-BTC به روش فراصوت و مطالعه فعالیت نورکافتی آن برای تخریب متیلن بلو انجام شده است. تأثیر دما و زمان‌های مختلف واکنش تابش مافوق صوت بر عملکرد فوتوکاتالیستی آنها مورد بررسی قرار گرفت.تجزیه و تحلیل XRD،FTIR و SEM نشان داد که نمونه‌های Fe-BTC تهیه شده با روش اولتراسونیک از نظر ساختاری مشابه روش‌های قبلی است و اندازه ذرات کوچکتر و یکنواختی دارند. نمونه‌های سنتز شده Fe-BTC عملکرد نورکافتی خوبی دارند. نمونه Fe-BTC 70-120 دارای بیشترین فعالیت فوتوکاتالیستی در تخریب رنگ است. عملکرد فتوکاتالیستی بیشتر به دو عامل مهم مربوط می‌شود که عبارت است از مهار فرآیند نوترکیبی حامل‌های بار و همچنین افزایش سطح کاتالیزور نوری.نمونه Fe-BTC 70-120 دارای ذرات کوچکتر و نوترکیبی الکترون-حفره کمتری است و از این رو به ترتیب به افزایش سطح Fe-BTC70-120 و کاهش بازترکیب الکترون-حفره کمک کرده است.سینتیک تخریب در این مطالعه از معادله شبه مرتبه اول لانگمویر-هینسلوود پیروی می‌کند. نتایج مکانیسم واکنش‌پذیری رادیکال هیدروکسیل (OH) را در تخریب عکس متیلن بلو نشان داد. آزمایشات بعمل آمده همچنین پایداری بالای نمونه Fe-BTC70-120 را برای سه مرحله نشان داد
منابع
Abedin Khan,N.,Sung Hwa,J. Coord. (2008) Chem. Rev 285, 11
Assi,N.,Tehrani,M.S.,Aberoomand Azar,P.,Husain,S.W. (2017) J. Iran. Chem. Soc., 14, 221
Du,J.J.,Yuan,Y.P.,Sun,J.X.,Peng,F.M.,Jiang,X.,Qiu,L.G.,Xie,A.J.,Shen,YH.,Zhu,J.F.(2011) J.Hazard. Mater. 190, 945
Diaz-Garcia,M., Sanchez-Sanchez,M. (2014) Microporous Mesoporous Mater. 190, 248
Gregg, S.J. , Sing, Adsorption, K.S.W. Surface Area and Porosity (Academic, London, 1982)
Hao, S.Y., Ma, X.G. , Cui, Ultrason. G.H. (2017) Sonochem. 37, 414
Hemalatha,P.,Alagara.M.,Navaneetha,K.,Pandiyaraj,S., Perumal,L. (2015) Int. J. Chem. Phys. Sci 4, 1 Pradeev
Haque, F.Z., Nandanwar, R., Singh,P. (2017) Optik 128, 191
Kozlova,A.,Ekaterina,V.N.,Panchenko,Z.,Hasan,N.,Abedin Khan,MN.,Timofeeva, S.(2016) Catal. Today, 266, 136
Laurier, K.G. M.,Vermoortele,F.,Ameloot,R., De Vos, D.E.(2013)J. Hofkens, J. Am. Chem. Soc. 135, 14488
Majano,G.,Ingold,O.,Yulikov,M.,Jeschke,G.,Perez-Ramirez,J. (2013) Cryst. Eng. Comm. 15, 9885
Moradi,SE.,Haji Shabani,,M,Emami.,S,Dadfarnia.,S.(2016) J. Iran. Chem. Soc. 13, 1617
Mousavi,M.,Habibi–Yangjeh,A., Pouran,Sh.R.(2018) J. Mater. Sci. Mater. Electron, 29, 1719
Naghizadeh-Alamdari,S.,Habibi-Yangjeh,A. (2015) J. Iran. Chem. Soc. 12, 1961
Noman, M.T., Wiener, J., Saskova, J., Ashraf, M.A., Vikova, M., Jamshid,H.,Kejzlar,P.(2018) Ultrason. Sonochem. 40, 41
Oveisi,A.R.,Khorramabadi-zad,A.,Daliran,S.(2016) RSC Adv. 6, 1136
Park, J.H. , Lee, W.R., Kim, Y., Lee, H. J., Ryu, D. W., Phang, W.J. , Hong, C.S. Cryst. (2014) Growth Des. 14,699
Pirhashemi,M.,Habibi-Yangjeh,A.,Pouran,S.R(2018) J. Ind. Eng. Chem, 62, 1
Rojas Garcia,E.,Lopez Medina,E.R.,May Lozano,M.,Hernan-dez Perez,L.,Valero,M.J.,Maubert Franco,A.M. (2014) Materials. 7, 8037
Raj,K.,Sadaiyandi,K., Kennedy,A.,Thamizselvi,R. (2016) Mater. Chem. Phys. 183, 24
Safarifard,V., Morsali,A., Coord. (2015) Chem. Rev. 1
Sanchez-Sanchez,M.,de Asua,L.,Ruano,D.,Diaz,K., Direct syn-thesis. (2015)Cryst. Growth Des. 15, 4498
Tomar, K., Rajak,R.,Sanda,S.,Konar,S. Crys. Growth Des. (2015) 15, 2732
Xiyi,L., Pi,Y., Xia,Q.,Li., Zh,& Xiao.,J. (2016)J. Appl Catal. B ,192, 72
Yanjing,Y.,Bai,Y.,Zhao,F.,Yao,E.,Yi,J., Ch Xuan, S. Chen, (2016) RSC Adv. 6, 67308
Yang,Y.,Bai,Y.,Zhao,F.,Yao,E.,Yi,J. Ch Xuan, S. Chen, (2013) RSC Adv. 1
Yi, X.Y. , Ma, C.Y., Yuan, F. , Wang, N. Qin, F.W., Hu, B.C. , Zhang, Q.Y. (2017) Thin Solid Films. 636, 339