بخشی از مقاله
چکیده: در این مطالعه نانو ذرات هماتیت توسط روش احتراقی سنتز شدند و کارایی فتوکاتالیستی آنها با استفاده از متیلن بلو و متیل اورنج به عنوان مدلهای آلودگی بررسی شدهاند. ارزیابی فتوکاتالیستی در حضور آب اکسیژنه و تحت دمش هوا به عنوان گیرنده الکترون انجام شده است. تخریب 200cc آلودگی متیلن بلو و متیل اورنج با غلظت - 10 میلی گرم بر لیتر - در حضور یک قطره آب اکسیژنه و 3 میلی گرم فتوکاتالیست هماتیت به ترتیب در مدت 15 و 10 دقیقه انجام شد. تحت دمش هوا، تابش نور به مدت 240 دقیقه منجر به تخریب متیلن بلو و متیل اورنج به ترتیب به مقدار 48 و 38 درصد گردید.
.1 مقدمه
آلودگیهای آلی در آب جزء آلودگیهای صنعتی هستند که سمی و سرطانزا میباشند.[1] روشهای فتوکاتالیستی بخاطر مزایای آنها نسبت به روشهای قدیمی به منظور حذف آلودگی آب مورد توجه زیادی قرار گرفته است.[2] فتوکاتالیستهای نیمه هادی به منظور تخریب آلودگیهای آلی و غیر آلی استفاده شدهاند. TiO2 بطور گستردهای برای تخریب آلودگیهای محیطی تحت نور ماوراء بنفش اعمال شده است. عیب این فتوکاتالیست عدم فعال بودن تحت نور مرئی میباشد که عامل آن بزرگ بودن گاف نوار انرژی - 3/2 eV - می باشد.
[3] بنابراین استفاده از فتوکاتالیستی که از مزایایی نور مرئی در نور خورشید استفاده کند از اهمیت قابل توجهی برخوردار میباشد هماتیت بواسطهی گاف نوار کوچک، پایداری شیمیایی، و غیر سمی بودن یکی از مواد امیدوار کننده جهت استفاده از نور خورشید با بازدهی بالا میباشد.[4] اگرچه بخاطر انتقال بار کند، طول نفوذ کوتاه حفره - 2- 4nm - ، و نرخ ترکیب مجدد الکترون-حفره دارای کارایی محدودی میباشد.[8-5] هماتیت علاوه بر کاربرد فتوکاتالیستی، کاربردهای زیادی از قبیل: باطریهای لیتیمی، سنسور گاز، ابرخازن[9]، تجزیه آب برای تولید هیدروژن دارد.
روشهای مختلفی برای تولید هماتیت گزارش شده است و فعالیت فتوکاتالیستی آن برای تخریب آلودگیهای مختلفی از قبیل رودامین ب [11 ,10] 2، کونگو رد3 ، متیلن بلو و اویسین رد- 12] 4 [14، متیل اورنج [15 ,7 ,5]، روز بنگال[16] 5، اویسن ب6 و پ-نیترو فنول[4] 7، -4کلوروفنول8 و اورنج [17] II 9، اسید رد-1027 [6]، تولئن[18] 11، آنیلین[19] 12 مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه هماتیت به وسیله روش احتراقی تولید شده است و کارایی فتوکاتالیستی آن با استفاده از متیلن بلو و متیل اورنج به عنوان مدلهای آلودگی مورد بررسی قرار گرفته است. کارایی فتوکاتالیستی هماتیت در حضور آب اکسیژنه و تحت دمش هوا مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 روش انجام آزمایش
نانوذرات هماتیت با استفاده از نیترات آهن - خلوص % 99، شرکت مرک - ، اسید سیتریک - خلوص %99 ، شرکت مرک - به عنوان ماده اولیه تولید شده است. محلول حاوی کاتیون Fe2+ با انحلال نیترات آهن در آب مقطر و اسید نیتریک مهیا شد. محلول آبی حاوی اسید سیتریک و اسید نیتریک به نسبت 2/3 به 1 آماده شد. با همزدن محلول در دمای 55-65 C، pH محلول با استفاده از محلول آمونیا در مقدار 5/8 ثابت نگه داشته شد. به منظور ایجاد ژل، سل بدست آمده در دمای80 C به مدت 3 ساعت حرارت داده شد.
با افزایش دما فرایند احتراق خودبخود شروع شد و دمای ژل سیاه رنگ تا 265 C افزایش یافت. بعد از احتراق خودبخود، ژل سیاه رنگ در دمای 800 C به مدت 2 ساعت کلسینه گردید. با استفاده از تفرق اشعه ایکس - PHILIPS,model:PW1800 - و TEM - LEO912AB - و - PD -303 - UV- vis به ترتیب ساختار کریستالوگرافی، مورفولوژی و اندازه دانهها، و گاف نوار انرژی هماتیت مورد بررسی قرار گرفت.
کارایی فتوکاتالیستی هماتیت بر مبنای حذف متیلن بلو و متیل اورنج به عنوان مدل آلودگی بررسی شد. تخریب فتوکاتالیستی آلودگی در یک راکتور شیشهای با حجم 200 میلی لیتر همراه با همزدن مغناطیسی انجام شد. دما با استفاده از گردش آب به مقدار 30œC ثابت نگه داشته شد. یک لامپ زنون 55 وات برای انجام واکنش تحت نور استفاده گردید. 3 میلی گرم نانوذرات هماتیت به داخل 200 میلی لیتر محلول آبی متیلن بلو و متیل اورنج با غلظت 10mg.l-1اضافه گردید.
سوسپانسیون به مدت 30 دقیقه بدون نور به منظور رسیدن به تعادل همزده شد. در زمانهای معینی 5 میلی لیتر نمونه برداری شد و ذرات فتوکاتالیست توسط سانتریفیوژ جدا گردید. تغییر غلظت با استفاده از اندازهگیری مقدار جذب نور توسط دستگاه اسپکتروفتومتر - U-3010 - UV-vis ثبت گردید. با استفاده از رابطهی زیر و با اندازه گیری مقدار جذب ماکزیمم درصد تخریب آلودگی بدست آورده شد. که در آن A0 و C0 به ترتیب مقدار جذب و غلظت اولیه و At و Ct به ترتیب مقدار جذب و غلظت در زمان های مختلف می باشد.
.3 نتایج و بحث
مورفولوژی و اندازه نانو ذرات هماتیت بوسیله میکروسکوپ عبوری بررسی گردید. تصویر میکروسکوپ عبوری از نانو ذرات در شکل 1 نشان داده شده است. شکل دانهها همگن بصورت چند ضلعی با سطح صاف میباشند. همچنین میانگین اندازه دانهها در حدود 40nm میباشد الگوی پراش اشعه ایکس در شکل 2 نشان داده شده است. طبق الگوی پراش نانو پودر بدست آمده مطابق با هماتیت با ساختار کریستالی رومبوئدرال با شماره استاندارد - 00-001-1053 - می-باشد. اگر چه الگوی پراش دارای پیکهای دیگری نیز میباشد که استناد آنها به یک فاز مشخص مشکل میباشد. با استفاده از رابطهی شرر - رابطهی - 2 اندازه کریستالیت به مقدار 20nm بدست آمد.
منحنی جذب نانوذرات هماتیت.
در حضور فتوکاتالیست و H2O2 بدون تابش هیچگونه تخریب آلودگی رخ نداد. در حضور فتوکاتالیست و H2O2، تحت تابش نور مرئی رنگ متیلن بلو و متیل اورنج به ترتیب از آبی و زرد به حالت تقریبا بی رنگ تغییر پیدا کرد. تغییرات غلظت متیلن بلو و متیل اورنج در حین تخریب توسط نور در شکل - 4 - نشان داده شده است. مشاهده میشود که ماکزیمم جذب متیلن بلو در 664nm و متیل اورنج در 490nm تحت تابش نور کاهش مییابد و به ترتیب بعد از 20 و 10 دقیقه ناپدید میشود. نرخ تخریب متیل اورنج و متیلن بلو در حضور فتوکاتالیست و H2O2 یکسان میباشد، اگرچه متیلن بلو و متیل اورنج به ترتیب کاتیونی و آنیونی میباشد - شکل . - 5 بر طبق شکل - 5 - تخریب متیلن بلو و متیل اورنج تحت تابش در حضور H2O2 و بدون فتوکاتالیست با نرخ کمی رخ میدهد.
از آنجاییکه تخریب متیل اورنج در حضور H2O2 و بدون فتوکاتالیست بیشتر از متیلن بلو میباشد، اثر تخریب H2O2 تحت تابش نور روی متیل اورنج بیشتر از متیلن بلو میباشد. وقتی متیلن بلو و متیل اورنج تحت تابش نور قرار میگیرد جفت الکترون-حفره ایجاد میشود و H2O2 به عنوان پذیرنده الکترون عمل میکند و منجر به پایداری بیشتر جفت الکترون-حفره میشود. رادیکالهای هیدروکسیل - ·OH - با انجام واکنش بین H2O2 و e یا - 12 - O2· و - 13 - ایجاد میشود و رادیکالهای هیدروکسیل منجر به تخریب آلودگی میشود. همچنین H2O2 به عنوان منبع اکسیژن عمل کرده و منجر به تقویت تخریب میشود.
