نانوساختارهای تهیه شده از کانی طبیعی ایلمنیت برای تخریب سریع آلاینده دارویی فورازولیدون با فرایند فنتون ناهمگن

محورهای موضوعی : شیمی کاربردی

حمیده حقیقت ¹ , مهرانگیز فتحی نیا ² , سیاوش فتحی نیا ³

1 - استادیار گروه شیمی، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران.
2 - استادیار گروه شیمی، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران.
3 - دانشجوی دکتری مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1401/03/24 تاریخ پذیرش : 1401/06/16 تاریخ انتشار : 1401/09/01

کلید واژه: امواج فراصوت, فرایند فنتون ناهمگن, کانی طبیعی ایلمنیت, فورازولیدون, لایه‌برداری فاز مایع,

چکیده مقاله :

در این مطالعه برای نخستین بار نانوساختارهای ایلمنن-هماتن از کانی طبیعی ایلمنیت با روش لایه برداری فیزیکی در فاز مایع در حضور امواج فراصوت برای تخریب سریع آلاینده دارویی فورازولیدون تهیه شدند. هدف از پژوهش حاضر افزایش بازده کاهش آهن (II) در فرایند فنتون ناهمگن با تهیه نانوساختارهای ایلمنن-هماتن از کانی طبیعی آن بود. کارایی حلال های آلی مانند دی متیل فرمامید، N-متیل-2-پیرولیدین، ایزوپروپیل و تولوئن برای تولید نانوساختارهای مربوط طی فرایند لایه برداری در حضور امواج فراصوت و همچنین، کارایی نانوکاتالیست به دست آمده در فرایند فنتون ناهمگن برای تخریب آلاینده دارویی فورازولیدون بررسی شد. مطالعه ها نشان داد فرایند لایه برداری در فاز مایع با امواج فراصوت در حضور حلال دی متیل فرمامید موفقیت آمیز بوده و شکاف باند نوار به ترتیب از 57/3 در کانی طبیعی ایلمنیت به 2/2 الکترون ولت در نانوکاتالیست تهیه شده از آن کاهش یافت، به گونه ای که قابلیت جذب نور و بازده تخریب آلاینده دارویی فورازولیدون تحت نور مرئی افزایش و پس از 60 دقیقه به بیشینه 5/95% رسید. مقادیر بهینه عامل های مؤثر برای تخریب فورازولیدون از راه طراحی آزمایش با روش سطح پاسخ (RSM) در نرم افزار Design-Expert7 مدل‌سازی شد. ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نانوکاتالیست تهیه شده با روش های پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM)، طیف سنجی تفکیک انرژی (EDS)، نقشه برداری نقطه ای، طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR)، طیف سنجی فلوئورسانس پرتو ایکس (XRF)، BET و طیف‌سنجی بازتابی پخشی (DRS) و تکرارپذیری نانوکاتالیست تهیه شده در طول 6 چرخه از فرایند، بررسی شد. ویژگی های کاتالیست به کارگرفته شده در چرخه تکرارپذیری نیز با روش های XRD و FTIR بررسی شد.

چکیده انگلیسی:

In this study, for the first time, ilmenen-hematon nanostructures were prepared from natural ilmenite mineral by the exfoliation process in the presence of ultrasound wave for rapid degradation of furazolidone contaminant. The aim of the present study was to increase the reduction efficiency of iron (II) in the heterogeneous Fenton process by preparing ilmenn-Hematon nanostructures from its natural mineral. The effect of organic solvents such as dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidine, isopropyl, and toluene to produce relevant nanostructures during the exfoliation process in the presence of ultrasound waves and as well as the effect of the obtained nanocatalyst in the heterogeneous Fenton process to degrade the pharmaceutical pollutant furazolidone, were investigated. The obtained results showed that the exfoliation process in the liquid phase by ultrasound wave in the presence of dimethylformamide solvent was successful and the band gap is reduced from 3.57 eV in the natural mineral ilmenite to 2.2 eV in the prepared nanocatalyst from it. The ability to absorb light and the degradation efficiency of furazolidone drug under visible light increased and after 60 minutes reached to a maximum of 95.5%. Optimal values ​​of effective parameters for furazolidone degradation were modeled by experimental design using the response surface method (RSM) and Design-Expert7 software. The physical and chemical characteristics of the prepared nanocatalyst were analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), dot mapping, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), Brunauer–Emmett–Teller (BET), and Diffuse reflection spectroscopy (DRS) methods and the reproducibility of the prepared nanocatalyst was investigated during 6 cycles of the process. Also, the characteristics of the catalyst used in the reproducibility cycle were studied using XRD and FTIR techniques.

منابع و مأخذ:

[1] Neyens, E.; Baeyens, J.; Journal of Hazardous Materials 98, 33-50, 2003.

[2] Gotvajn, A.Z.; Konean, Z.J.; Research Chemistry 40, 463-474, 2005.

[3] Carriazo, J.; Guelou, E.; Barrault, J.; Tatibouet, J.M.; Molina, R.; Moreno, S.; Catalysis Today 107, 126-132, 2005.

[4] Soon, A.N.; Hameed, B.H.; Desalination 269, 1-16, 2011.

[5] Liu, C.J.; Vissokov, G.P.; Jang, B.W.L.; Catalysis Today 72 173-184, 2002.

[6] Sun, J.H.; Shi, S.H.; Lee, Y.F.; Sun, S.P.; Chemical Engineering Journal 155, 680-683, 2009.

[7] Ghanbari, H.; Shafikhani, M.A.; Daryalaal, M.; Ceram. Int. 45, 20051-20057, 2019.

[8] Masoumi, Z.; Tayebi, M.; Lee, B.K.; Ultrasonics sonochemistry 72, 105403, 2021.

[9] Nicolosi, V.; Chhowalla, M.; Kanatzidis, M.G.; Strano, M.S.; Coleman, J.N.; Science 340, 1226419-18, 2013.

[10] Tyurnina, A.V.; Tzanakis, I.; Morton, J.; Mi, J.; Porfyrakis, K.; Maciejewska, B.M.; Grobert, N.; Eskin, D. G.; Carbon 168, 737- 747, 2020.

[11] Zhou, Z.; Li, L.; Liu, X.; Lei, H.; Wang, W.; Yang, Y.; Wang, J.; Cao, Y.; Journal of Molecular Liquids 324, 115116, 2021.

[12] Munonde, T.S.; Zheng, H.; Nomngongo, P.N.; Ultrason. Sonochem. 59, 104716, 2019.

[13] Hu, X.Z.; Xu, Y.; Yediler, A.; Journal of Agricultural and Food Chemistry 55, 1144-1149, 2007.

[14] Ali, B.H.; General Pharmacology: The Vascular System 20, 557-563, 1989.

[15] Babulal, S.M.; Chen, T.W.; Chen, S.M.; Al-Onazi, W.A.; Al-Mohaimeed, A.M.; Catalysts 11, 1397, 2021.

[16] Timperio, A.M.; Kuiper, H.A.; Zolla, L.; Xenobiotica 33, 153-167, 2003.

[17] Aronson, J.K.; "Furazolidone, in Meyler's Side Effects of Drugs", Sixteenth Edition, Elsevier, Oxford, 465, 2016.

[18] Zolfaghari, R.; Rezai, B.; Bahri, Z.; Mahmoudian, M.; Journal of Sustainable Metallurgy 6, 643-658, 2020.

[19] Parapari, P.S.; Irannajad, M.; Mehdilo, A.; Minerals Engineering 92, 160- 167, 2016.

[20] García-Muñoz, P.; Pliegoa, G.; Zazoa, J.A.; Bahamonde, A.; Casas, J.A.; Journal of Environmental Chemical Engineering 4, 542-548, 2016.

[21] Gao, B.; Yang, C.; Chen, J.; Ma, Y.; Xie, J.; Zhang, H.; Wei, L.; Li, Q.; Du, J.; Xu, Q; RSC Advances 7, 54594-54602, 2017.

[22] Thistlethwaite, P.J.; Hook, M.S.; Langmuir 16, 4993-4998,2000.

[23] Peck, A.S.; Raby, L.H.; Wadsworth, M.E.; AIME 235, 301-307, 1966.

[24] Prakash, S., Das, B.; Mohanty, J.K.; Venugopal, R.; International Journal of Mineral Processing 57, 87-103, 1999.

[25] Wang, Y.H.; Yu, F.S.; Journal of China University of Mining and Technology 17, 35-39, 2007.

[26] Zhu, Y.-G.; Zhang, G.-F.; Feng, Q.-M.; Yan, D.-C.;  Wang, W.-Q.; Transactions of Nonferrous Metals Society of China 21, 1149-1154. 2011.

[27] Ghamami, Sh.; Kazemi, A.; Bagheri, N.; Journal of Applied Chemistry 55, 189-206, 2019.

[28] Yao, Z.-M.; Li, Z.-H.; Zhang, Y.; J. Colloid Interface Sci. 266, 382-389, 2003.

[29] Chen, Y.H.; Synthesis 357, 136-139, 2011.

[30] Kasiri, M.B.; Aleboyeh, H.; Aleboyeh, A.; Applied Catalysis B: Environmental 84, 9-15, 2008.

[31] Tekbaş, M.; Yatmaz, H.C.; Bektaş, N.; Microporous and Mesoporous Materials 115, 594-602, 2008.

[32] Chen, A.; Ma, X.; Sun, H.; Journal of Hazardous Materials 156, 568-575, 2008.

[33] Lam, F.L.Y.; Hu, X.; Catalysis Communications 8, 2125-2129, 2007.

[34] Neamţu, M.; Zaharia, C.; Catrinescu, C.; Yediler, A.; Macoveanu, M.; Kettrup, A.; Applied Catalysis B: Environmental 48, 287-294, 2004.

[35] Liu, Ch.-J.; Zou, J.; Yu, K.; Cheng, D.; Han, Y.; Zhan, J.; Ratanatawanate Ch.; Jang B.W.-L.; Pure and Applied Chemistry 78, 1227-1238, 2006.

[36] Liu, Y.; Wang, X.; Sun, Q.; Yuan, M.; Sun, Zh.; Xia, S.; Zhao, J.; Journal of Hazardous Materials 424, 127387, 2022.

[37] Gu, X.; Zhao, Y.; Sun, K.; Vieira, C.L.Z.; Jia, Z.; Cui, C.; Wang, Z.; Walsh, A.; Huang, S.; Sonochem 58, 104630, 2019.