حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای رودامین ب توسط SnIn4S8 : بهینهسازی فرآیند به روش سطح پاسخ
محورهای موضوعی : مطالعات آزمایشگاهی و میدانی در مورد اصلاح/کاهش آلودگی محیطی از طریق تکنیک های نوظهور
1 - گروه شیمی، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران
کلید واژه: قلع ایندیوم سولفید, رودامین ب, فرآیند فوتوکاتالیزوری, روش سطح پاسخ, سینتیک,
چکیده مقاله :
در این مطالعه، عملکرد قلع ایندیوم سولفید (SnIn4S8) در حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای رودامین ب (RhB) به عنوان یک نمونه از آلایندههای محیط زیست، مورد بررسی قرار گرفت. از طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ (RSM) جهت بهینهسازی متغیرهای عملیاتی (غلظت اولیه RhB، مقدار SnIn4S8، pH محلول و زمان تابش نور) استفاده شد. بر اساس نتایج، حداکثر راندمان حذف RhB به مقدار %15/81 در شرایط بهینه حاصل شد. راندمان تئوری حاصل از طراحی آزمایش به روش تجربی نیز تأیید شد (%96/78) و از این طریق، دقت و صحت مدل پیشنهادی مورد تأیید واقع شد. مطالعه سینتیک حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای RhB توسط SnIn4S8 نشان داد که فرآیند مذکور از مدل سینتیکی شبه درجه اول با ثابت سرعت min-1 0/047 تبعیت میکند. در واقع، فعالیت فوتوکاتالیزوری چشمگیر SnIn4S8 ناشی از ساختار گل مانند آن است که باعث افزایش جذب فوتونهای نور و جذب سطحی بیشتری از گونه آلاینده میشود.
In this study, the performance of stannum indium sulfide (SnIn4S8) was evaluated for photocatalytic degradation of Rhodamine B dye (RhB) as an environmental pollutant. Response surface methodology (RSM) was utilized to optimize the effective operating variables (initial RhB concentration, SnIn4S8 amount, solution pH, and irradiation time). Maximum removal efficiency of 81.15% was achieved under optimum conditions. This predicted result was confirmed experimentally (78.96%). The kinetics study of photocatalytic RhB removal by SnIn4S8 showed adherence to the pseudo-first-order kinetic model with a rate constant of 0.047 min-1. The outstanding performance of SnIn4S8 originated from its flowerlike hierarchical structure, which enhances light photon absorption, and increases pollutant adsorption.
[1] Sharma, V.K., Feng, M., 2019, Water depollution using metal-organic frameworks-catalyzed advanced oxidation processes: A review, Journal of Hazardous Materials, 372, 3.
[2] Aksu, Z., 2005, Application of biosorption for the removal of organic pollutants: A review, Process Biochemistry, 40, 997.
[3] Forgacs, E., Cserháti, T., Oros, G., 2004, Removal of synthetic dyes from wastewaters: A review, Environment International, 30, 953.
[4] Lim, L.B.L., Priyantha, N., Fang, X.Y., Zaidi, N.M., 2017, Artocarpusodoratissimus peel as a potential adsorbent in environmental remediation to remove toxic Rhodamine B dye, Journal of Materials and Environmental Science, 8, 494.
[5] Zheng, H., Chen, Y., Sun, X., Zheng, X., Zhang, X., Guan, X., 2024, Enhanced photocatalytic performance and mechanism of N-deficiently porous g-C3N4 in organic pollutant degradation, Materials Research Bulletin, 169, 112510.
[6] Adeyemo, A.A., Adeoye, I.O., Bello, O.S., 2017, Adsorption of dyes using different types of clay: A review. Applied Water Science, 7, 543.
[7] Kasperchik, V.P., Yaskevich, A.L., Bil’Dyukevich, A.V., 2012, Wastewater treatment for removal of dyes by coagulation and membrane processes, Petroleum Chemistry, 52, 545.
[8] Kumar, A.N., Reddy, C.N., Mohan, S.V., 2015, Biomineralization of azo dye bearing wastewater in periodic discontinuous batch reactor: Effect of microaerophilic conditions on treatment efficiency, Bioresource Technology, 188, 56.
[9] Khan, M.A., Ahmad, A., Umar, K., Nabi, S.A., 2015, Synthesis, characterization, and biological applications of nanocomposites for the removal of heavy metals and dyes, Industrial & Engineering Chemistry Research, 54, 76.
[10] Zhang, G., Wu, H., Chen, D., Li, N., Xu, Q., Li, H., He, J., Lu, J., 2022, A mini-review on ZnIn2S4-based photocatalysts for energy and environmental application, Green Energy & Environment, 7, 176.
[11] Lei, Z., You, W., Liu, M., Zhou, G., Takata, T., Hara, M., Domen, K., Li, C., 2003, Photocatalytic water reduction under visible light on a novel ZnIn2S4 catalyst synthesized by hydrothermal method, Chemical Communications, 17, 2142.
[12] Xu, P., Huang, S., Lv, Y., Chen, Y., Liu, M., Fan, H., 2018, Surfactant-assisted hydrothermal synthesis of rGO/SnIn4S8 nanosheets and their application in complete removal of Cr (VI), RSC Advances, 8, 5749.
[13] Zhang, S., Zhang, B., Jiang, Y., Xiao, Y., Zhang, W., Xu, H., Yang, X., Liu, Z., Zhang, J., 2021, In-situ constructing of one-dimensional SnIn4S8-CdS core-shell heterostructure as a direct Z-scheme photocatalyst with enhanced photocatalytic oxidation and reduction capabilities, Applied Surface Science, 542, 148618.
[14] Asoubar, S., Mehrizad, A., Behnajady, M.A., Ramazani, M.E., Gharbani, P., 2023, Hexavalent chromium reduction and Rhodamine B degradation by visible-light-driven photocatalyst of stannum indium sulfide-samarium vanadate, npj Clean Water, 27.
[15] Rajabi, H.R., Khani, O., Shamsipur, M., Vatanpour, V., 2013, High-performance pure and Fe3+-ion doped ZnS quantum dots as green nanophotocatalysts for the removal of malachite green under UV-light irradiation, Journal of Hazardous Materials, 250, 370.
[16] Rajabi, H.R., Farsi, M., 2015, Effect of transition metal ion doping on the photocatalytic activity of ZnS quantum dots: Synthesis, characterization, and application for dye decolorization, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 399, 53.
[17] Zhao, X., Su, S., Wu, G., Li, C., Qin, Z., Lou, X., Zhou, J., 2017, Facile synthesis of the flower-like ternary heterostructure of Ag/ZnO encapsulating carbon spheres with enhanced photocatalytic performance, Applied Surface Science, 406, 254.
[18] Allahveran, S., Mehrizad, A., 2017, Polyaniline/ZnS nanocomposite as a novel photocatalyst for removal of Rhodamine 6G from aqueous media: Optimization of influential parameters by response surface methodology and kinetic modeling, Journal of Molecular Liquids, 225, 339.
[19] Mehrizad, A., Gharbani, P., 2017, Novel ZnS/carbon nanofiber photocatalyst for degradation of Rhodamine 6G: Kinetics tracking of operational parameters and development of a kinetics model, Photochemistry and Photobiology, 93, 1178.
[20] Ran, R., Meng, X., Zhang, Z., 2016, Facile preparation of novel graphene oxide-modified Ag2O/Ag3VO4/AgVO3 composites with high photocatalytic activities under visible light irradiation, Applied Catalysis B: Environmental, 196, 1.
دوره 1، شماره 1، پیاپی 1 بهار 1403، صفحات 51-43 |
دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز
فصلنامه آلودگیهای محیطی و توسعه پایدار شهری
"مقاله پژوهشی"
حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای رودامینب توسط SnIn4S8: بهینهسازی فرآیند به
روش سطح پاسخ
علی مهریزاد1و2*
1دانشیار گروه شیمی، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران
2مرکز تحقیقات نانوفناوری صنعتی، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران
*نویسنده مسئول مکاتبات: mehrizad@iaut.ac.ir
(دریافت مقاله: 04/03/1403، پذیرش نهایی: 19/03/1403)
چکیده
در این مطالعه، عملکرد قلع ایندیوم سولفید (SnIn4S8) در حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای رودامینب (RhB) به عنوان یک نمونه از آلایندههای محیط زیست، مورد بررسی قرار گرفت. از طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ (RSM) جهت بهینهسازی متغیرهای عملیاتی (غلظت اولیه RhB، مقدار SnIn4S8، pH محلول و زمان تابش نور) استفاده شد. بر اساس نتایج، حداکثر راندمان حذف RhB به مقدار %15/81 در شرایط بهینه حاصل شد. راندمان تئوری حاصل از طراحی آزمایش به روش تجربی نیز تأیید شد (%96/78) و از این طریق، دقت و صحت مدل پیشنهادی مورد تأیید واقع شد. مطالعه سینتیک حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای RhB توسط SnIn4S8 نشان داد که فرآیند مذکور از مدل سینتیکی شبه درجه اول با ثابت سرعت min-1 047/0 تبعیت میکند. در واقع، فعالیت فوتوکاتالیزوری چشمگیر SnIn4S8 ناشی از ساختار گل مانند آن است که باعث افزایش جذب فوتونهای نور و جذب سطحی بیشتری از گونه آلاینده میشود.
واژه‌های کلیدی: قلع ایندیوم سولفید، رودامین ب، فرآیند فوتوکاتالیزوری، روش سطح پاسخ، سینتیک
مقدمه
افزایش جمعیت جهانی و گسترش روزافزون صنعت، سبب ایجاد آلودگیهای زیست محیطی شده است که به عنوان یکی از چالش‌های مهم دنیای امروزی است. آلودگیهای محیط زیست میتواند اثرات مخربی بر جوامع انسانی و اکوسیستم داشته باشد. در سال‌های اخیر مسائل مربوط به آب در کانون توجه همگان قرار گرفته است. تشدید فعالیت‌های کشاورزی و صنعتی و دفع مواد شیمیایی به پهنه‌های آبی منجر به آلودگی سفره‌های آب‌های زیرزمینی، رودخانه‌ها، دریاچهها و اقیانوس‌ها شده است (1). آلایندههای رنگی به عنوان اولین آلاینده قابل تشخیص توسط چشم انسان، یکی از چالشبرانگیزترین مسائل زیستمحیطی هستند. آلودگی محیطهای آبی توسط مواد رنگزا نهتنها منجر به چهره نازیبای محیطهای آبی میشود، بلکه صدمات جبرانناپذیری بر اکوسیستمهای آبی وارد میکند. کدورت ایجاد شده در اثر ترکیبات رنگی، مانع از نفوذ نور خورشید به درون آب شده و از این طریق منجر به ایجاد اختلال در عملکرد و فوتوسنتز گیاهان آبزی میشود (2). صنایع نساجی از عمدهترین مصرفکنندگان آب هستند که روزانه مقدار قابلتوجهی پساب حاوی ترکیبات رنگی وارد محیط زیست میکنند. میزان مصرف مواد رنگزا در چنین صنایعی بیش از 10000 تن در سال تخمین زده میشود که با این میزان مصرف، سالیانه 1000 تن از رنگزاهای مصرفی وارد پساب چنین صنایعی میشود (3). رودامینب1 (RhB) از جمله مواد رنگزای مورد استفاده در صنایع نساجی است. همچنین به دلیل خاصیت فلوئورسانسی، به طور گستردهای در برنامه‌های زیستفناوری مانند میکروسکوپ فلوئورسانسی از آن استفاده میگردد. از این ماده رنگزا غالباً بهعنوان ردیاب برای تعیین جهت و مقدار جریان آب استفاده شده است و به عنوان ردیاب آب در صنایع سدسازي نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. رودامینب بسیار محلول در آب است و در گروه رنگ‌هاي بازي از نوع زانتان قرار می‌گیرد. سمیت این رنگزا براي انسان و حیوانات به اثبات رسـیده است و اگر بلعیده شود باعث تحریک پوست، چشم و دستگاه تنفسی میشود و به عنوان ماده سرطانزا برای جانداران به ویژه انسان محسوب میشود (5-4). با توجه به چنین آسیبهای جدی، لزوم حذف ترکیبات رنگزا قبل از ورود به محیطزیست، امری اجتنابناپذیر است. تاکنون روشهای سنتی و تکنیکهای مدرن مختلفی برای از بین بردن چنین آلایندههایی پیشنهاد و اجرا شده است. فرآیندهای انعقاد، فیلتراسیون و روشهای بیولوزیکی از جمله روشهای مورد استفاده در حذف مواد رنگزا هستند، ولی به دلیل برخی معایب از جمله سرعت حذف ناقص، آلودگی ثانویه یا تولید لجن سمی رضایت بخش نیستند (9-6). در سال‌های اخیر، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته، بهویژه فرآیند فوتوکاتالیزوری به دلیل توانایی تبدیل آلایندههای آلی و معدنی به محصولات بی‌ضرر، به عنوان فناوریهای جایگزین امیدوارکننده در نظر گرفته شدهاند. اساس کار فرآیندهای فوتوکاتالیزوری بر تابش فوتونهای نور با انرژی مناسب بر سطح نیمرسانا و متعاقب آن، برانگیختگی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی و تولید جفتهای الکترون - حفره و گونههای فعالاستوار است. در این چشم انداز، انتخاب یک نیمرسانای مناسب و کم هزینه و فعال تحت نور مرئی بسیار حائز اهمیت است. با توجه به خواص ویژه مواد سولفیدی سهتایی، تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از این ترکیبات به عنوان فوتوکاتالیزورهای نور مرئی گزارش شده است (11-10). قلع ایندیوم سولفید (SnIn4S8) یک کالکوژنید سهتایی با دو ساختار بلوری مکعبی و شش ضلعی است که با توجه به شکاف نواری نسبتاً باریک، پایداری بالا و ظرفیت جذب قوی نور مرئی، کاربردهای بالقوهای در فوتوکاتالیز دارد. پینگفان 2 و همکارانش (۲۰۱۸) کامپوزیت دوتایی قلع ایندیوم سولفید و گرافن اکسید کاهش یافته (rGO/SnIn4S8) را به روش هیدروترمال سنتز کردند و کاربرد آن در حذف یون Cr(VI) از محلولهای آبی را بررسی کردند. مشخصه‌یابی کامپوزیت سنتز شده نشان داد که نانوصفحات SnIn4S8 به طور یکنواخت بر روی سطح rGO توزیع شدهاند و کامپوزیت سنتز شده فعالیت فوتوکاتالیزوری بسیار خوبی را تحت نور مرئی از خود نشان داد (12). در سال 2021 زانگ3 و همکارانش تخریب فوتوکاتالیزوری رنگزای متیل اورانژ و فلز سنگین Cr(VI) را در حضور کاتالیزور CdS/SnIn4S8 و تحت نور مرئی مورد بررسی قرار دادند. نتایج داد که بیش از %8/98 از فلز سنگین (20 میلی گرم بر لیتر) و تقریباً تمام ماده رنگزا (15 میلی گرم بر لیتر) در مدت زمان کمتر از 24 دقیقه تخریب شدند (13). هدف از تحقیق حاضر، ارزیابی عملکرد فوتوکاتالیزوری قلع ایندیوم سولفید (SnIn4S8) با ساختار ویژه گل مانند در حذف رنگزای RhB از محلولهای آبی تحت تابش نور مرئی است. برای ارزیابی نقش متغیرهای عملیاتی و بهینهسازی فرآیند از طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ4 (RSM) استفاده شد. همچنین، سینتیک فرآیند فوتوکاتالیزوری نیز مورد ارزیابی قرار گرفت.
روش تحقیق
مواد
رنگزای رودامینب (C28H31Cl N2O3) از شرکت مرک آلمان خریداری شد. پودر قلع ایندیوم سولفید (SnIn4S8) با ساختار گل مانند طی تحقیق جداگانهای سنتز شد (14).
روش‌ها
آزمایشهای فوتوکاتالیزوری در درون یک کریستالیزور بر روی همزن مغناطیسی با همزدن mL 100 از محلول RhB با غلظت و pH مناسب به همراه مقدار معینی از کاتالیزور (SnIn4S8) انجام شد. ابتدا سوسپانسیون حاصل در تاریکی به مدت یک ساعت همزده شد تا تعادل جذب-واجذب بررسی شود. سپس، تابشدهی با استفاده از لامپ مرئی اوسرام (W 300) مجهز به فیلتر حذف کننده نور UV که در قسمت بالای یک محفظه چوبی نصب شده بود انجام شد. پس از مدت زمانهای معین، مقدار مناسبی از محلول، نمونهبرداری شد و پس از عمل سانتریفیوژ، مقدار جذب محلول با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر تک شعاعی در طول موج جذب ماکزیمم رنگزای RhB (nm 553) تعیین شد.
جهت بدست آوردن آثار اصلی و متقابل متغیرهای مستقل تأثیرگذار بر میزان پاسخ در بررسی حذف RhB توسط فرآیند فوتوکاتالیزوری از طراحی آزمایش استفاده شد.
طراحی آزمایش دانشی است که به کمک آن میتوان اثرپذیری هر یک از عوامل موثر بر فرآیند را بر مشخصههای خروجی به شکل یک معادله بیان نمود. از اهداف طراحی آزمایش میتوان به کاهش تعداد آزمایشها، کاهش هزینهها و ارزیابی برهکمنش متقابل بین متغیرها اشاره کرد. حذف فاکتورهای غیرضروری، تعیین میزان خطا و تعیین شرایط بهینه از دیگر اهداف طراحی آزمایش میباشد. از جمله روشهای پرکاربرد طراحی آزمایش میتوان به روش سطح پاسخ اشاره کرد. روش سطح پاسخ یا روش رویه پاسخ که به اختصار RSM نامیده میشود، مجموعهای از تکنیکهای آماری است که در بهینهسازی فرآیندهایی بکار میرود که پاسخ مورد نظر تحت تأثیر تعدادی از متغیرهاست. شمای گرافیکی مدل ریاضی سبب تعریف واژه سطح یا رویه پاسخ شده است. با کمک این طرح آماری، تعداد آزمایشها کاهش یافته و کلیه ضرایب مدل رگرسیون درجه دوم و اثر متقابل فاکتورها قابل برآورد هستند. روش سطح پاسخ کمکی مضاعف برای یافتن حالت بهینه فاکتورها میکند و نشاندهنده چگونگی تأثیر فاکتورها بر نتایج آزمایش است. در این روش، پاسخ به صورت یک سطح یا رویه ارائه میشود و از یک چند جملهای برای مدل‌سازی پاسخ استفاده میگردد. مدل مرتبه دوم به صورت رابطه (1) است:
(1) 
در اين رابطه y پاسخ، βo ضريب ثابت، βi βiضريب اثرات خطي، βii ضريب اثرات مربعي، βij βijضريب اثرات متقابل، xi و xjمتغيرها و ε مقدار باقیمانده است.
مطالعه از نوع طراحی ترکیب مرکزی5 (CCD) و مدل مرتبه دوم بود. در این روش تأثیر چهار متغیر مستقل، شامل غلظت اولیه RhB، مقدار کاتالیزور، pH و مدت زمان تابشدهی بر میزان پاسخ (راندمان حذف RhB) بررسی شد که حدود و سطوح این متغیرها در جدول (1) آورده شده است.
جدول (1): متغیرها و سطوح آنها در طراحی آزمایش به روش RSM
متغیر | محدوده و سطوح متغیرها | ||||
(2-) α - | 1- | 0 | 1+ | (2+) α + | |
[RhB]0 (mg L-1) | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
[Catalyst]0 (g L-1) | 5/0 | 75/0 | 1 | 25/1 | 5/1 |
pH | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 |
Time (min) | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 |
نتایج و بحث
طراحی آزمایش و بهینهسازی فرآیند حذف فوتوکاتالیزوری رنگزای RhB توسط SnIn4S8 تحت تابش نور مرئی با استفاده از طراحی ترکیب مرکزی (CCD) بر پایه RSM انجام شد. با توجه به حدود و سطوح متغیرهای عملیاتی مندرج در جدول (1)، آزمایشهای فوتوکاتالیزوری با نرمافزار DX-7 مطابق جدول (2) طراحی شد.
جدول (2): آزمایشات طراحی شده به همراه نتایج تجربی و تئوری
شماره آزمایش | پارامترهای عملیاتی | راندمان حذف (%) | ||||
[RhB]0 (mg L-1) | [Catalyst]0 (g L-1) | pH | Time (min) | تجربی | تئوری | |
1 | 4 | 75/0 | 5 | 60 | 11/63 | 46/63 |
2 | 8 | 75/0 | 5 | 60 | 83/54 | 57/52 |
3 | 4 | 25/1 | 5 | 60 | 82/73 | 38/72 |
4 | 8 | 25/1 | 5 | 60 | 92/61 | 91/60 |
5 | 4 | 75/0 | 9 | 60 | 89/71 | 03/73 |
6 | 8 | 75/0 | 9 | 60 | 20/60 | 97/60 |
7 | 4 | 25/1 | 9 | 60 | 10/84 | 80/85 |
8 | 8 | 25/1 | 9 | 60 | 21/73 | 19/73 |
9 | 4 | 75/0 | 5 | 120 | 13/76 | 82/75 |
10 | 8 | 75/0 | 5 | 120 | 57/66 | 52/65 |
11 | 4 | 25/1 | 5 | 120 | 68/78 | 56/78 |
12 | 8 | 25/1 | 5 | 120 | 17/69 | 70/67 |
13 | 4 | 75/0 | 9 | 120 | 08/84 | 75/85 |
14 | 8 | 75/0 | 9 | 120 | 20/73 | 31/74 |
15 | 4 | 25/1 | 9 | 120 | 43/90 | 36/92 |
16 | 8 | 25/1 | 9 | 120 | 09/80 | 37/80 |
17 | 2 | 00/1 | 7 | 90 | 26/81 | 95/78 |
18 | 10 | 00/1 | 7 | 90 | 05/54 | 04/56 |
19 | 6 | 50/0 | 7 | 90 | 32/67 | 76/66 |
20 | 6 | 50/1 | 7 | 90 | 47/81 | 71/81 |
21 | 6 | 00/1 | 3 | 90 | 51/55 | 31/59 |
22 | 6 | 00/1 | 11 | 90 | 64/85 | 51/81 |
23 | 6 | 00/1 | 7 | 30 | 25/68 | 79/68 |
24 | 6 | 00/1 | 7 | 150 | 17/89 | 31/88 |
25 | 6 | 00/1 | 7 | 90 | 89/70 | 47/70 |
26 | 6 | 00/1 | 7 | 90 | 93/67 | 47/70 |
27 | 6 | 00/1 | 7 | 90 | 80/73 | 47/70 |
28 | 6 | 00/1 | 7 | 90 | 28/71 | 47/70 |
29 | 6 | 00/1 | 7 | 90 | 43/69 | 47/70 |
30 | 6 | 00/1 | 7 | 90 | 51/69 | 47/70 |
تعداد 30 آزمایش بر اساس پیشنهاد نرم افزار انجام شد که پس از وارد کردن نتایج تجربی در نرم افزار، معادله چند جملهای برای پیش‌بینی مقادیر راندمان حذف RhB پیشنهاد شد:
(2) 
برای تجزیه و تحلیل مدل از روش تحلیل واریانس استفاده شد که بر اساس این تحلیل مشخص شد که معادله پیشنهاد شده از صحت و دقت مناسبی برخوردار است (مقدار F: 29/56؛ مقدار p: کمتر از 0001/0).
همچنین به منظور ارزیابی اعتبار مدل، مقادیر باقیمانده (اختلاف بین پاسخهای تجربی و تئوری) محاسبه شد. در شکل (1) توزیع مقادیر باقیمانده بر حسب درصد فراوانی حاصل (توزیع نرمال) رسم شده است. خطی بودن منحنی توزیع نرمال برای باقیماندهها بیانگر صحیح بودن مدل ارائه شده است.
شکل (1): منحنی فراوانی توزیع نرمال بدست آمده از روش RSM
پس از مطالعات آماری مبنی بر بررسی دقت و صحت مدل ارائه شده توسط RSM، نمودارهای سه بعدی (سطح پاسخ) ناشی از اثرات متقابل متغیرهای عملیاتی بررسی شد.
شکل (2): سطوح پاسخ تأثیر متغیرهای عملیاتی مؤثر بر حذف فوتوکاتالیزوری RhB
مطابق شکل (2-الف) راندمان حذف رنگزا با افزایش غلظت اولیه رنگزا کاهش یافته است. چندین دلیل قانع‌کننده برای این پدیده میتوان بیان کرد. اولاً افزایش غلظت اولیه رنگزا منجر به تشدید پراکندگی نور و کدورت محلول میشود و بنابراین نفوذ نور مرئی به درون محلول و به تبع آن جذب فوتونها به وسیله سطح کاتالیزور کاهش مییابد. ثانیاً در غلظت بالای رنگزا تشکیل گونههای اکسید کننده به دلیل پوشیده شدن سطح فعال کاتالیزور با مولکول‌های رنگزا کاهش مییابد. ثالثاً حضور تعداد محدودی از گونههای اکسید کننده نظير رادیکال‌های هیدروکسیل نمی‌تواند پاسخگوی تعداد زیادی از مولکول‌های رنگزا باشد (16-15). همچنین مطابق شکل (2-ب) راندمان حذف رنگزا با افزایش مقدار کاتالیزور افزایش یافته است. در واقع افزایش مقدار کاتالیزور موجب افزایش تعداد جایگاه‌های فعال موجود و به تبع آن افزایش تعداد مولکول‌های رنگزای جذب سطحی شده میشود. به همین ترتیب با افزایش مقدار کاتالیزور، تعداد فوتونهای نور مرئی جذب شده و در نتیجه تعداد الکترون- حفره‌های تولید شده افزایش مییابد (17).
با توجه به شکل (2-ب) راندمان حذف RhB با افزایش pH محلول و مدت زمان تابشدهی افزایش مییابد. دلیل اصلی افزایش راندمان حذف رنگزا با افزایش مقدار pH محلول را میتوان به برهمکنش‌های الکترواستاتیکی میان مولکول‌های رنگزا و سطح کاتالیزور نسبت داد. در حالیکه رنگزای RhB یک ترکیب کاتیونی است؛ برهمکنش‌های جاذبه الکترواستاتیکی میان مولکول‌های رنگزا و سطح پوشیده شده کاتالیزور با یون‌های هیدروکسید در محیطهای قلیایی منجر به افزایش جذب سطحی مولکول‌های رنگزا بر روی سطح SnIn4S8 میشود و بدین ترتیب با افزایش فرصت حمله گونههای فعال به مولکول‌های رنگزا راندمان حذف افزایش مییابد. این نتایج در توافق خوبی با یافته‌های تحقیقات دیگر است (19-18). همچنین از شکل (2-ب) ملاحظه میشود هنگامی که محلول سوسپانسیون رنگزا و پودر SnIn4S8 در مدت زمانهای طولانی‌تر در معرض تابش مرئی قرار می‌گیرند، راندمان حذف افزایش مییابد. در حقیقت با افزایش مدت زمان تابش دهی، قدرت نفوذ فوتونهای نور مرئی افزایش یافته در نتیجه تولید گونههای فعال افزایش مییابد (20).
بهینهسازی فرآیند حذف فوتوکاتالیزوری RhB با SnIn4S8 تحت تابش نور مرئی نشان داد که حدود %15/81 از رنگزا تحت شرایط بهینه (mg L-1 4 غلظت اولیه RhB، g L-1 25/1 کاتالیزور، 9 pH= و مدت زمان تابشدهی 115 دقیقه) حذف میشود. انجام آزمایشهای تجربی تحت شرایط بهینه نیز نشان داد که راندمان حذف بیش از %78 میباشد که نزدیکی مقادیر تجربی و تئوری راندمان حذف، تأکیدی دوباره بر دقت و صحت مدل ارائه شده میباشد.
مدل سینتیکی لانگمویر - هینشلوود6 از جمله مدلهای سینتیکی متداول در بررسی سینتیک سیستم‌های ناهمگن نظیر فرآیندهای فوتوکاتالیزوری است. در این تحقیق نیز از این مدل برای مطالعه سینتیک حذف RhB توسط فرآیند فوتوکاتالیزوری استفاده شد. برای این منظور، آزمایشها در شرایط بهینه پیشنهاد شده RSM در محدوده زمانی 120 دقیقه انجام شد. از رسم نمودار lnC0/Ct برحسب تغییرات زمان (شکل 3)، ضریب همبستگی (R2) برابر 982/0 حاصل شد که حاکی از پیروی فرآیند مورد مطالعه از مدل سینتیکی شبه مرتبه اول لانگمویر- هینشلوود با ثابت سرعت min-1 047/0 است.
شکل (3): نمودار سینتیک حذف فوتوکاتالیزوری RhB توسط SnIn4S8 تحت تابش نور مرئی
نتیجهگیری
در این تحقیق، فعالیت فوتوکاتالیزوری قلع ایندیوم سولفید (SnIn4S8) در حذف رنگزای رودامینب (RhB) تحت تابش نور مرئی مورد ارزیابی قرار گرفت. تأثیر پارامترهای عملیاتی، نظیر غلظت اولیه RhB، مقدار کاتالیزور، pH محلول و مدت زمان تابش دهی با طراحی آزمایش به روش RSM در ارزیابی عملکرد فوتوکاتالیزوری SnIn4S8 مورد بررسی قرار گرفت و فرآیند بهینهسازی توسط طراحی ترکیب مرکزی نشان داد که تحت شرایط بهینه (mg L-1 4 غلظت اولیه RhB، g L-1 25/1 از SnIn4S8، 9 pH= و مدت زمان تابشدهی 115 دقیقه) بیش از %81 از رنگزا حذف شد. این نتیجه تئوری از راه آزمایش تجربی با راندمان حذف %96/78 به اثبات رسید که تأکید بر دقت و صحت مدل ارائه شده است. مطالعات سینتیکی بر پایه رابطه لانگمویر - هینشلوود صورت پذیرفت و بر اساس نتایج مشخص شد که فرآیند مذکور از مدل سینتیکی شبه درجه اول با مقدار ثابت ظاهری min-1 047/0 پیروی میکند.
تعارض منافع
نویسنده هیچگونه تعارض منافعی برای اعلام ندارد.
منابع
[1] Sharma, V.K., Feng, M., 2019, Water depollution using metal-organic frameworks-catalyzed advanced oxidation processes: A review, Journal of Hazardous Materials, 372, 3.
[2] Aksu, Z., 2005, Application of biosorption for the removal of organic pollutants: A review, Process Biochemistry, 40, 997.
[3] Forgacs, E., Cserháti, T., Oros, G., 2004, Removal of synthetic dyes from wastewaters: A review, Environment International, 30, 953.
[4] Lim, L.B.L., Priyantha, N., Fang, X.Y., Zaidi, N.M., 2017, Artocarpusodoratissimus peel as a potential adsorbent in environmental remediation to remove toxic Rhodamine B dye, Journal of Materials and Environmental Science, 8, 494.
[5] Zheng, H., Chen, Y., Sun, X., Zheng, X., Zhang, X., Guan, X., 2024, Enhanced photocatalytic performance and mechanism of N-deficiently porous g-C3N4 in organic pollutant degradation, Materials Research Bulletin, 169, 112510.
[6] Adeyemo, A.A., Adeoye, I.O., Bello, O.S., 2017, Adsorption of dyes using different types of clay: A review. Applied Water Science, 7, 543.
[7] Kasperchik, V.P., Yaskevich, A.L., Bil’Dyukevich, A.V., 2012, Wastewater treatment for removal of dyes by coagulation and membrane processes, Petroleum Chemistry, 52, 545.
[8] Kumar, A.N., Reddy, C.N., Mohan, S.V., 2015, Biomineralization of azo dye bearing wastewater in periodic discontinuous batch reactor: Effect of microaerophilic conditions on treatment efficiency, Bioresource Technology, 188, 56.
[9] Khan, M.A., Ahmad, A., Umar, K., Nabi, S.A., 2015, Synthesis, characterization, and biological applications of nanocomposites for the removal of heavy metals and dyes, Industrial & Engineering Chemistry Research, 54, 76.
[10] Zhang, G., Wu, H., Chen, D., Li, N., Xu, Q., Li, H., He, J., Lu, J., 2022, A mini-review on ZnIn2S4-based photocatalysts for energy and environmental application, Green Energy & Environment, 7, 176.
[11] Lei, Z., You, W., Liu, M., Zhou, G., Takata, T., Hara, M., Domen, K., Li, C., 2003, Photocatalytic water reduction under visible light on a novel ZnIn2S4 catalyst synthesized by hydrothermal method, Chemical Communications, 17, 2142.
[12] Xu, P., Huang, S., Lv, Y., Chen, Y., Liu, M., Fan, H., 2018, Surfactant-assisted hydrothermal synthesis of rGO/SnIn4S8 nanosheets and their application in complete removal of Cr (VI), RSC Advances, 8, 5749.
[13] Zhang, S., Zhang, B., Jiang, Y., Xiao, Y., Zhang, W., Xu, H., Yang, X., Liu, Z., Zhang, J., 2021, In-situ constructing of one-dimensional SnIn4S8-CdS core-shell heterostructure as a direct Z-scheme photocatalyst with enhanced photocatalytic oxidation and reduction capabilities, Applied Surface Science, 542, 148618.
[14] Asoubar, S., Mehrizad, A., Behnajady, M.A., Ramazani, M.E., Gharbani, P., 2023, Hexavalent chromium reduction and Rhodamine B degradation by visible-light-driven photocatalyst of stannum indium sulfide-samarium vanadate, npj Clean Water, 27.
[15] Rajabi, H.R., Khani, O., Shamsipur, M., Vatanpour, V., 2013, High-performance pure and Fe3+-ion doped ZnS quantum dots as green nanophotocatalysts for the removal of malachite green under UV-light irradiation, Journal of Hazardous Materials, 250, 370.
[16] Rajabi, H.R., Farsi, M., 2015, Effect of transition metal ion doping on the photocatalytic activity of ZnS quantum dots: Synthesis, characterization, and application for dye decolorization, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 399, 53.
[17] Zhao, X., Su, S., Wu, G., Li, C., Qin, Z., Lou, X., Zhou, J., 2017, Facile synthesis of the flower-like ternary heterostructure of Ag/ZnO encapsulating carbon spheres with enhanced photocatalytic performance, Applied Surface Science, 406, 254.
[18] Allahveran, S., Mehrizad, A., 2017, Polyaniline/ZnS nanocomposite as a novel photocatalyst for removal of Rhodamine 6G from aqueous media: Optimization of influential parameters by response surface methodology and kinetic modeling, Journal of Molecular Liquids, 225, 339.
[19] Mehrizad, A., Gharbani, P., 2017, Novel ZnS/carbon nanofiber photocatalyst for degradation of Rhodamine 6G: Kinetics tracking of operational parameters and development of a kinetics model, Photochemistry and Photobiology, 93, 1178.
[20] Ran, R., Meng, X., Zhang, Z., 2016, Facile preparation of novel graphene oxide-modified Ag2O/Ag3VO4/AgVO3 composites with high photocatalytic activities under visible light irradiation, Applied Catalysis B: Environmental, 196, 1.
Environmental Pollutions and Sustainable Urban Development, Spring 2024, Vol. 1, Issue 1, Serial No. 1, pages 43-51.
|
[1] Rhodamine B
[2] Pingfan
[3] Zhang
[4] Response surface methodology
Central composite design
[6] Langmuir–Hinshelwood
“Research article”
Photocatalytic removal of Rhodamine B dye by SnIn4S8: Optimization of process by response surface methodology
Ali Mehrizad1,2*
1Department of Chemistry, Tabriz Branch, Islamic Azad University, Tabriz, Iran
2Industrial Nanotechnology Research Center, Tabriz Branch, Islamic Azad University, Tabriz, Iran
*Corresponding author: mehrizad@iaut.ac.ir
(Received: 24 May 2024, Accepted: 8 June 2024)
Abstract
In this study, the performance of stannum indium sulfide (SnIn4S8) was evaluated for photocatalytic degradation of Rhodamine B dye (RhB) as an environmental pollutant. Response surface methodology (RSM) was utilized to optimize the effective operating variables (initial RhB concentration, SnIn4S8 amount, solution pH, and irradiation time). Maximum removal efficiency of 81.15% was achieved under optimum conditions. This predicted result was confirmed experimentally (78.96%). The kinetics study of photocatalytic RhB removal by SnIn4S8 showed adherence to the pseudo-first-order kinetic model with a rate constant of 0.047 min-1. The outstanding performance of SnIn4S8 originated from its flowerlike hierarchical structure, which enhances light photon absorption, and increases pollutant adsorption.
Conflict of interest: None declared.
Keywords: Stannum indium sulfide, Rhodamine B, Photocatalytic process, Response surface methodology, Kinetics
