تخريب فوتوکاتاليستي يک نمونه رنگ آزو به کمک نانوکامپوزيتهاي بر پايه 2TiO اصلاح شده با فلزهاي Pd ،Pt و Ni

عباس بشارتي سيداني*+ تهران ،دانشگاه صنعتي مالک اشتر

محمدرضا غلامي
تهران ،دانشگاه صنعتي شريف، دانشکده شيمي

چكيده:نانوذرههاي 2TiO به روش سل ـ ژل سنتز شد. اصلاح نانوذرههاي تهيه شده با فلزهاي واسطه Pd ،Pt و Ni انجام شد. فوتوکاتاليستهاي تهيه شده با روشهاي DRS ،SEM ،BET ،XRD و FT-IR شناسايي شدند. سينتيک و بازدهي تخريب فوتوکاتاليستي يک نمونه رنگ آزو AB92 مورد بررسي قرار گرفت .تأثير پارامترهايي مانند غلظت کاتاليست، اسيدي بودن محيط، غلظت رنگ، دماي کلسيناسيون و همچنين نوع فلز دوپه شده بر روي ميزان بازدهي فرايند تخريب مورد بررسي قرار گرفت .نتيجههاي تجربي نشان داد که سرعت تخريب فوتوکاتاليستي به شدت تحت تأثر pH بوده و همچنين مشخص شد، بهترين دماي کلسيناسيون 055 درجه ميباشد.

واژههاي كليدي: نانوذرهها، 2TiO، سل ـ ژل، رنگ آزو، تخريب فوتوکاتاليستي.

KEY WORDS: Nanoparticles, TiO2, Sol-gel, Azo dye, Photocatalytic degradation.
مقدمه
آلايندههاي رنگي ناشي از صنايع گوناگون يکي از منابع مهم آلودگيهاي سامانه زيستي)1( ميباشند. حضور آنها در پسابها و مقاومت چشمگير آنها در برابر تخريب، حيات سامانه زيستي را به خطر مياندازد .
رنگ، ماهيت آب را تحت تأثير قرار داده و از نفوذ آب به فضاي داخلي جريانهاي آبي ميکاهد و همچنين ميزان فعاليت فتوسنتزي را کاهش ميدهد .پارهاي از رنگها جهشزا و سرطانزا ميباشند .
مشکلهاي عمدهاي که براي سامانه زيستي به وجود ميآورد در پارچهها و تجهيزها ايجاد ميکنند [3 ، 1]. اسيد آبي 29 )AB92( از بيشترين مسايل پيش رو در اين زمينه ميباشد [6-1] . صنايع رنگرزي يکي از رنگهاي آزوي اسيدي مورد استفاده در صنايع رنگرزي و داراي بسياري از ترکيبهاي آلي رنگي ميباشند که حضور هميشگي نساجي بوده که داراي فرمول شيميايي 3C26H16O10S3N3Na ميباشد .

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
)1( Echosystem )2( Anthraquinone
49
حذف رنگ از پسابهاي مربوط به پسابهاي صنعتي به علت آنها در معرض نور خورشيد باعث تخريب آنها و توليد آلايندههاي خطرناک ازجمله راديکالهاي سرطانزا ميشود .رنگهاي اسيدي بهطور عموم در حمامهاي رنگي داراي اسيد وارد ساختار الياف پارچه لباس ميشوند. بيشتر رنگهاي اسيدي داراي يک يا دو گروه سولفونات )SO3Na( بوده که باعث انحلال آن در آب و تشکيل پيوند آن با الياف داراي سايتهاي کاتيوني ميشود .بهکارگيري اين دسته بهويژه ساختارهاي مونوآزو و آنتراکينون)1(، گستره وسيعي از رنگهاي روشن را تاکنون روشهاي گوناگوني براي حذف گونههاي آلي موجود در پسابهاي صنايع رنگرزي و نساجي به کار گرفته شده است که از آن جمله مي توان لخته سازي، جذب سطحي و اکسايش پيشرفته را نام برد .اکسايش، فرايندي تخريبي است که اجزاي آلي صنايع رنگي را به کمک افزايش اکسندههاي قوي، اکسيد کرده و از محيط حذف ميکند [2-7] . اکسايش گونههاي هدف ،بهطور معمول با واکنش مستقيم با اکسندهها، فوتوليز فرابنفش) UV( و يا عمل همزمان تابش فرابنفش در ترکيب با ازون و يا هيدروژن پراکسيد انجام ميشود [11، 11] . فرايندهاي اکسايش پيشرفته)1( )AOPs( بر پايه توليد گونههاي ابر فعال از قبيل OH˚ و 2-O˚ که به هنگام جذب تابش توسط يک کاتاليست نيمهرسانا در محيط داراي آب و اکسيژن ايجاد ميشوند، استوار ميباشند [16-19] . فوتوکاتاليستي ناهمگن يکي از رويکردهاي قابلاعتماد در اين زمينه ميباشد .
بر اساس اين روش برانگيزش نوري يک فوتوکاتاليست نيمهرسانا به کمک جذب تابشي با انرژي معادل يا بزرگتر از انرژي نوار نيمهرسانا انجام ميشود [99-11]. استفاده از فرايندهاي فوتوکاتاليستي با توجه به ويژگيهاي يگانه آنها مانند تجزيه کامل آلاينده به مواد معدني مانند آب و کربن دي اکسيد، سادگي اجرا و نياز نداشتن به تجهيزهاي پيچيده و قابليت بالا در حذف انواع آلاينده در مدت زمان کوتاه، مورد توجه پژوهشگران بسياري قرار گرفته است[93].
از بين موادي که بهطور عمده به عنوان کاتاليست استفاده ميشوند،
2TiO و ZnO بيشتر از بقيه کاربرد دارند که اين امر به دليل ويژگيهاي فيزيکي مانند انرژي و طولموج باند گپ، آسان بودن اجرا و اقتصادي بودن آنهاست [92].
کاربرد عمده 2TiO بهعنوان فوتوکاتاليست را ميتوان به دليلهايي مانند قيمت کم، پايداري شيميايي، ويژگيهاي الکتروني و نوري و همچنين غير سمي بودن آن نسبت داد [91، 3، 9].
فعاليت فوتوکاتاليستي 2TiO به فاز بلوري، اندازه ذره و مورفولوژي آن بستگي دارد. انرژي نوار فازهاي آناتاز و روتيل 2TiO به ترتيب 93/3 و 19/3 الکترونولت ميباشد .بهطور معمول آناتاز فعاليت فوتوکاتاليستي بهتري نشان ميدهد. بااينحال عيبهاي عمده مربوط به اين فاز عبارت هستند از: مساحت سطح ويژه کم ،پايداري گرمايي اندک، قدرت مکانيکي ضعيف، تبديل فاز به روتيل در دماهاي بالا و مقاومت سايشي کم [96، 3]. کاربرد 2TiO به ناحيه
محدودي از پرتو خورشيدي محدود ميشود. جفت کردن 2TiO
-3022564365

34
با نيمهرساناهاي با انرژي نوار کم و دوپه کردن يونهاي فلزهاي واسطه، جذب نور را به بازهي مرئي گسترش ميدهد [39-97].
در اين پژوهش فوتوکاتاليستهاي بر پايه 2TiO با روش سل ـ ژل تهيه شد و پس از اصلاح با فلزهاي پالاديم، پلاتين و نيکل فعاليت فوتوکاتاليستي آنها در تخريب رنگ AB92 که يک رنگ آزو است مورد بررسي قرار گرفت .نتيجههاي مربوط به بررسي تأثير پارامترهايي همچون غلظت کاتاليست، غلظت رنگ ،pH و دماي کلسيناسيون بر روي بازدهي فرايند ارايه شد.

بخش تجربي
تهيه فوتوکاتاليست
براي تهيه نانوذرههاي 2TiO، ابتدا 1 گرم تتراايزوپروپيل ارتوتيتانات به مخلوط داراي 79/11 گرم اتانول و 36/1 گرم اتانول آمين افزوده شده و به مدت 9 ساعت هم زده شد. در مرحله بعدي مخلوط داراي 79/11 گرم اتانول و 39/1 گرم آب بهتدريج به آن افزوده شد. سوسپانسيون مورد نظر به مدت 9 ساعت ديگر هم زده شد تا اينکه ژل تشکيل شد. ژل به دست آمده به مدت 92 ساعت در دماي اتاق نگهداري شد تا حلال تبخير شود. سپس فراورده در 111 درجه سلسيوس خشک و به مدت 3 ساعت در دماهاي
311، 211، 111، 611، 711 و 011 درجه سلسيوس کلسينه شد.

اصلاح نانوذرهها با فلزهاي واسطه
فلزهاي واسطه Pt ،Ni و Pd با درصدهاي 1/1، 1، 1/1 به عنوان ناخالصي در ساختار 2TiO با روش زير دوپه شد. در مورد 2Ni/TiO، مخلوط داراي 177/1 گرم نيترات نيکل در 79/11 گرم اتانول و 39/1 گرم آب بهتدريج به نانوذرههاي 2TiO تهيه شده در مرحله پيش افزوده شد و سوسپانسيون به دست آمده به مدت 9 ساعت هم زده شد. رسوب به دست آمده بعد از شستشو در دماي
111 درجه سلسيوس خشک و سپس کلسينه شد. روشهاي همانندي در مورد 2Pt/TiO و 2Pd/TiO به کار گرفته شد با اين تفاوت که منبع Pt نمک H2PtCl6.6H2O و منبع Pd نمک پالاديم نيترات بود.

شناسايي فوتوکاتاليستها
فازهاي بلوري مشخصه 2TiO، مساحت سطح ترکيبها، ويژگيهاي انرژي نوار و مورفولوژي سطح نمونهها به ترتيب
)1( Advanced Oxidation Processes
با روشهاي پراش اشعه ايکس)1( )XRD( مدل 4D با تابش Cu BET ،)Kα λ=1.5406 A°)، طيفسنجي بازتابش پراش)9( )DRS( مدل CINTRA 40 و ميکروسکوپي الکتروني روبشي)3( )SEM( مدلSEM-EDX XL30 شناسايي شدند. همچنين روش تجزيه کيفي براي شناسايي پيوندهاي ساختاري موجود در ترکيبها به کمک دستگاه FT-IR مدلABB BOMER MB انجام گرفت.

آزمون فوتوکاتاليستي
کليه آزمايشها در راکتوري از جنس پيرکس با دماي ثابت ،مجهز به يک لامپ اسرام 191 وات با منبع فشار جيوه بالا انجام شد.
محلول رنگ با غلظت مشخص و مقدار معيني از فوتوکاتاليستها در راکتور ريخته ميشد. محلول به مدت 11 دقيقه در تاريکي هم زده ميشد تا محيط همگن شده سپس لامپ روشن ميشد. غلظت باقيمانده رنگ نمونههاي برداشته شده در زمانهاي مختلف با دستگاه طيفسنج UV-Vis در λ= 162/2 nm اندازهگيري ميشد.

نتيجهها و بحث
شناسايي نانوذرههاي 2TiO
الگوهاي XRD نشان ميدهد که نانوذرهاي 2TiO کلسينه شده در 311 درجه بيشکل بوده و هيچ فاز بلوري ظاهر نشده است .
با افزايش دما به 211 درجه فازهاي آناتاز و روتيل بهتدريج پديدار ميشوند. همچنان که دماي کلسيناسيون بالا ميرود مقدارهاي دو فاز افزايش يافته و در دماي 111 درجه بهترين نسبت فازي آناتاز/روتيل ديده ميشود )شکل 1(. اندازه بلورهاي 2TiO با استفاده از معادله شرر [2] تعيين شد که نتيجهها در جدول 1 ارايه شده است. آشکار است که با افزايش دماي کلسيناسيون به 711 درجه، اندازه بولرهاي 2TiO بر اساس معادله شرر از 12/91 به 0/199 نانومتر افزايش مييابد.

فوتوکاتاليستهاي اصلاح شده با يونهاي فلزي
افزوده شدن يونهاي فلزهاي واسطه به نيمهرساناي 2TiO باعث کند شدن بازترکيب الکترون ـ حفره با به دام انداختن حفرهها شده و بازده فعاليت فرايند فوتوکاتاليستي را تحت تأثير قرار ميدهد [7-3]. تأثير مقدار يون فلزي دوپه شده براي فلزهاي
Scanning Electron Microscopy
)3( جدول 1ـ اندازه ذرههای 2TiO در دماهای گوناگون کلسيناسيون.

دما

)
°C
(

ذره
اندازه

(
nm
)

211

12
/
91

211

20
/
31

111

91
/
66

711

01
/
199

شدت

دما

)

°C

(

ذره

اندازه

(

nm

)

211



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید