علوم و مهندسی آب و فاضلاب

علوم و مهندسی آب و فاضلاب

بهینهسازی حذف متیل اورانژ از محلول‌ آبی با استفاده از نانو فتوکاتالیست TiO2-ZnO سنتز شده بهروش سل-ژل: کاربرد روش سطح پاسخ (RSM

نوع مقاله : مقالات علمی

نویسندگان
1 دانش‎آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه گلستان، علی‎آباد کتول، ایران.
2 استادیار گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه گلستان، علی‎آباد کتول، ایران.
10.22112/jwwse.2026.540204.1459
چکیده
در این پژوهش، نانوکامپوزیت TiO2-ZnO با هدف ارتقای عملکرد فتوکاتالیستی در سه نسبت وزنی متفاوت )1:3، 3:1 و 1:1( بهروش سل-ژل سنتز شد. به‌منظور شناسایی ساختار بلوری، مورفولوژی سطح، گروه‌های عاملی، گاف انرژی و خواص نوری نمونه‌ها از آزمون‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM)، طیف‌سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه (FT-IR) و طیف‌سنجی UV-Vis استفاده شد. کارایی فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت‌های سنتزشده برای حذف رنگ متیل اورانژ (MO) از محلول آبی تحت تابش نور فرابنفش (UV) ارزیابی شد. در طراحی آزمایش‌ها از روش سطح پاسخ (RSM) مبتنی بر طراحی مرکب مرکزی (CCD) استفادهشد تا تأثیر چهار متغیر شامل شدت تابش نور (18-6 وات)، غلظت اولیه رنگ ( ppm30-10)، مدت زمان واکنش (5/5-0/2 ساعت) و مقدار کاتالیست (1/9-0/0 گرم بر لیتر) بر بازده حذف رنگ مورد بررسی و مدلسازی قرارگیرد. حذف رنگ متیل اورانژ عمدتاً از طریق اکسیداسیون فتوکاتالیستی توسط نانوکامپوزیت TiO2-ZnO صورتگرفت و pH آزمایش‌ها در مقدار ثابت 4 حفظ شد. برپایه نتایج تحلیل واریانس، مدل رگرسیونی توسعهیافته با مقدار ضریب تعیین (R2) بیشتر از 99/0 و ضریب احتمال (p-value) کمتر از 0001/0، تطابق و دقت آماری مناسبی را در پیش‌بینی راندمان حذف رنگ نشانداد. شرایط بهینه برای دستیابی به حداکثر بازده حذف رنگ معادل 36/96%، شامل غلظت اولیه رنگ ppm 68/13، شدت تابش UVA برابر با 55/17 وات، مدت زمان واکنش 37/2 ساعت و مقدار کاتالیست 62/0 گرم بر لیتر تعیین شد. جذب نوری تقویت‌شده در ناحیه UV نسبت به هر یک از نانو ذرات منفرد TiO2 و ZnO نشان‌دهنده کارایی بالای نانوکامپوزیت سنتز ‌شده در تجزیه این آلاینده‌ آلی است.
کلیدواژه‌ها

طهماسبی، ع.، صرافزاده، م.ح.، و غفاری، س.ب.، (1402)، "بهینهسازی فرآیند اکسیداسیون پیشرفته رادیکال سولفاتی برای کاهش مواد آلی فاضلاب کارخانه خمیر و کاغذ با استفاده از روش سطح پاسخ"، علوم و مهندسی آب و فاضلاب، 8(3)، 47-58، https://doi.org/10.22112/JWWSE.2023.370878.1334.
علیمحمدی، ف.، قبادینژاد، ز.، و برقعی، س.م.، (1403)، "بهینهسازی شرایط رنگزدایی رنگReactive Red 194  از پساب سنتتیک توسط کپک بومی Trametes speciesعلوم و مهندسی آب و فاضلاب، 9(3)، 29-41،
https://doi.org/10.22112/jwwse.2024.420674.1377.
فرهادیان، م.، ساکی، آ.، و داوری، ن.، (1396)، "بررسی عوامل موثر فرآیندی در تخریب علف‌کش بنتازون درآب‌های آلوده توسط نانواکسیدهای فلزی تیتانیوم (IV) وآهن (III) برپایه زئولیت طبیعی"، علوم و مهندسی آب و فاضلاب، 2(3)، 21-32، https://doi.org/10.22112/jwwse.2018.92536.1037.
Asadzadeh Patehkhor, H., Fattahi, M., and Khosravi-Nikou, M., (2021), Synthesis and characterization of ternary chitosan-TiO2-ZnO over graphene for photocatalytic degradation of tetracycline from pharmaceutical wastewater”, Scientific Reports, 11(1), 24177, https://doi.org/10.1038/s41598-021-03492-5.
Bakardjieva, S., Stengl, V., Szatmary, L., Subrt, J., Lukac, J., Murafa, N., Niznansky, D., Cizek, K., Jirkovsky, J., and Petrova, N., (2006), “Transformation of brookite-type TiO2 nanocrystals to rutile: Correlation between microstructure and photoactivity”, Journal of Materials Chemistry, 16(18), 1709-1716, https://doi.org/10.1039/B514632A
Bokhari, T.H., Ahmad, N., Jilani, M.I., Saeed, M., Usman, M., Haq, A.U., Rehman, R., Iqbal, M., Nazir, A., and Javed, T., (2020), “UV/H2O2, UV/H2O2/SnO2 and Fe/H2O2 based advanced oxidation processes for the degradation of disperse violet 63 in aqueous medium”, Materials Research Express, 7(1), 015531, https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab6c15.
Bui, D.P., Huu Pham, H., Minh Cao, T., and Van Pham, V., (2020), “Preparation of conjugated polyvinyl chloride/TiO2 nanotubes for Rhodamine B photocatalytic degradation under visible light”, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 95(10), 2707-2714, https://doi.org/10.1002/jctb.6466.
Dai, M., Yang, C., Yang, L., Lin, Y., He, S., Li, X., Niu, Q., and Wu, S., (2025), “Performances and mechanisms of catalytic ozonation for paint wastewater via catalysts of Fe-Mn deposited within graphitized beads of γ-Al2O3”, Journal of Cleaner Production, 495, 145099, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.145099.
Daneshvar, N., Salari, D., and Khataee, A., (2004), “Photocatalytic degradation of azo dye acid red 14 in water on ZnO as an alternative catalyst to TiO2”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 162(2-3), 317-322, https://doi.org/10.1016/S1010-6030(03)00378-2.
Davoodi, Y., and Shafeeyan, M.S., (2024), “Tailoring photocatalytic performance through Fe-doped TiO2/ZnO for effective remediation of organic contaminants”, Water Resources and Industry, 31, 100239, https://doi.org/10.1016/j.wri.2024.100239.
Di Paola, A., Bellardita, M., and Palmisano, L., (2013), “Brookite, the least known TiO2 photocatalyst”, Catalysts, 3, 36-73, https://doi.org/10.3390/catal3010036.
Enayati Ahangar, L., Movassaghi, K., Emadi, M., and Yaghoobi, F., (2016), “Photocatalytic application of TiO2/SiO2-based magnetic nanocomposite (Fe3O4@SiO2/TiO2) for reusing of textile wastewater”, Nanochemistry Research, 1(1), 33-39, https://doi.org/ 10.7508/ncr.2016.01.004.
Helmy, E.T., El Nemr, A., Mousa, M., Arafa, E., and Eldafrawy, S., (2018), “Photocatalytic degradation of organic dyes pollutants in the industrial textile wastewater by using synthesized TiO2, C-doped TiO2, S-doped TiO2 and C, S co-doped TiO2 nanoparticles”, Journal of Water and Environmental Nanotechnology, 3(2), 116-127, https://doi.org/10.22090/jwent.2018.02.003.
Jafari, A.J., Kakavandi, B., Kalantary, R.R., Gharibi, H., Asadi, A., Azari, A., and Takdastan, A., (2016), “Application of mesoporous magnetic carbon composite for reactive dyes removal: Process optimization using response surface methodology”, Korean Journal of Chemical Engineering, 33(10), 2878-2890, https://doi.org/10.1007/s11814-016-0155-x.
Khaki, M.R.D., Shafeeyan, M.S., Raman, A.A.A., and Daud, W.M.A.W., (2018), “Evaluating the efficiency of nano-sized Cu doped TiO2/ZnO photocatalyst under visible light irradiation”, Journal of Molecular Liquids, 258, 354-365, https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.11.030.
Menazea, A., and Awwad, N.S., (2020), “Antibacterial activity of TiO2 doped ZnO composite synthesized via laser ablation route for antimicrobial application”, Journal of Materials Research and Technology, 9(4), 9434-9441, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.05.103.
Mortazavian, S., Saber, A., and James, D.E., (2019). “Optimization of photocatalytic degradation of acid blue 113 and acid red 88 textile dyes in a UV-C/TiO2 suspension system: Application of response surface methodology (RSM)”, Catalysts, 9(4), 360, https://doi.org/10.3390/catal9040360.
Murcia, J.J., Cely, Á.C., Rojas, H.A., Hidalgo, M.C., and Navío, J.A., (2019), “Fluorinated and platinized titania as effective materials in the photocatalytic treatment of dyestuffs and stained wastewater coming from handicrafts factories”, Catalysts, 9(2), 179, https://doi.org/10.3390/catal9020179.
Pozan, G.S., and Kambur, A., (2014), “Significant enhancement of photocatalytic activity over bifunctional ZnO-TiO2 catalysts for 4-chlorophenol degradation”, Chemosphere, 105, 152-159, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.01.022.
Ramírez-Franco, J.H., and Zea-Ramírez, H.R., (2016), “Decontamination of industrial textile wastewater using photocatalysis”, Dyna, 83(196), 80-85, https://doi.org/10.15446/dyna.v83n196.47446.
Shafeeyan, M.S., Daud, W.M.A.W., Houshmand, A., and Arami-Niya, A., (2012), “The application of response surface methodology to optimize the amination of activated carbon for the preparation of carbon dioxide adsorbents”, Fuel, 94, 465-472, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.11.035.
Silviana, S., Darmawan, A., Subagyo, A., and Dalanta, F., (2019), “Statistical approaching for superhydrophobic coating preparation using silica derived from geothermal solid waste”, ASEAN Journal of Chemical Engineering, 19(2), 91-99, https://doi.org/10.22146/ajche.51178.
Tryba, B., Toyoda, M., Morawski, A.W., Nonaka, R., and Inagaki, M., (2007), “Photocatalytic activity and OH radical formation on TiO2 in the relation to crystallinity”, Applied Catalysis B: Environmental, 71(3-4), 163-168, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2005.12.036.
Wang, J., Mi, W., Tian, J., Dai, J., Wang, X., and Liu, X., (2013), “Effect of calcinations of TiO2/ZnO composite powder at high temperature on photodegradation of methyl orange”, Composites Part B: Engineering, 45(1), 758-767, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.09.053.
Wang, Y., Duan, W., Liu, B., Chen, X., Yang, F., and Guo, J., (2014), “The effects of doping copper and mesoporous structure on photocatalytic properties of TiO2”, Journal of Nanomaterials, 2014(1), 178152, https://doi.org/10.1155/2014/178152.
Wu, L., Jimmy, C.Y., and Fu, X., (2006), “Characterization and photocatalytic mechanism of nanosized CdS coupled TiO2 nanocrystals under visible light irradiation”, Journal of molecular catalysis A: Chemical, 244(1-2), 25-32, https://doi.org/10.1016/j.molcata.2005.08.047.
Xiao, S., Zhao, L., Leng, X., Lang, X., and Lian, J., (2014), “Synthesis of amorphous TiO2 modified ZnO nanorod film with enhanced photocatalytic properties”, Applied Surface Science, 299, 97-104, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.01.192.
Zakir, O., Ait-Karra, A., Idouhli, R., Khadiri, M., Dikici, B., Zegzouti, A., Abouelfida, A., and Outzourhit, A., (2025), “A study on the influence of metal Ag, Cu, and Fe doping on the morphological, structural, and photocatalytic activity of TiO2 nanostructures”, Journal of Alloys and Compounds, 1010, 177141, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177141.
Zhang, R., Ma, Y., Lan, W., Sameen, D.E., Ahmed, S., Dai, J., Qin, W., Li, S., and Liu, Y., (2021), “Enhanced photocatalytic degradation of organic dyes by ultrasonic-assisted electrospray TiO2/graphene oxide on polyacrylonitrile/β-cyclodextrin nanofibrous membranes”, Ultrasonics Sonochemistry, 70, 105343, https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105343.
Zheng, X., Li, D., Li, X., Chen, J., Cao, C., Fang, J., Wang, J., He, Y., and Zheng, Y., (2015), “Construction of ZnO/TiO2 photonic crystal heterostructures for enhanced photocatalytic properties”, Applied Catalysis B: Environmental, 168, 408-415, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.01.001.
دوره 11، شماره 1
بهار 1405
صفحه 75-91

  • تاریخ دریافت 22 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 21 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش 01 دی 1404