بخشی از مقاله
چکیده:
در تحقیق حاضر ابتدا نانو پروسکایت منگنایت لانتانیم به روش هیدروترمال تهیه شد و با استفاده از نتایج وزن سنجی گرمایی عملیات کلسیناسیون در دمای 850 C انجام شد.نتایج مشخصه یابی های آزمون های XRD و FTIR نشان می دهد که ترکیب با ساختار پروسکایت و تک فاز تشکیل شده است. مطالعه خواص اپتیکی ماده تهیه شده نشان می دهد که این ماده دارای گاف نواری مناسب جهت استفاده به عنوان فوتوکاتالیست در ناحیه تابش نور مرئی می باشد. سپس کارآیی ترکیب LaMnO3 به عنوان یک فوتوکاتالیست جهت حذف ماده رنگزای کاتیونی مالاشیت سبز - MG - محلول در آب با استفاده از تابش نور مرئی حاصل از منبع LED مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از حذف مالاشیت سبز با استفاده از فرآیند اکسیداسیون فوتوکاتالیستی ناهمگن نشان می دهد که طی مدت زمان 120 دقیقه بیش از80 درصد مالاشیت سبز حذف می شود و ثابت کلی سرعت واکنش از درجه یک بوده و معادل 0,015 min-1 می باشد.
واژه های کلیدی: فوتوکاتالیست، مالاشیت سبز، پروسکایت، نانومنگنایت لانتانیم، LaMnO3
مقدمه
پسابهای حاصل از صنایع شیمیایی از قبیل تولید رنگ و پیگمنت، نساجی، چرم سازی، لوازم بهداشتی و آرایشی، کاغذ و چاپ، داروسازی و نظایر آنها دارای مقادیر معتنابعی مواد رنگزاهستند. ترکیبات رنگزا به دلیل مقاومت زیاد در برابر حذف بیوشیمیایی و سمیت بالا آسیب ها و خطرات جدی و غیرقابل جبرانی را برای میکروارگانیسم ها، آبزیان محیط زیست و حیات بشری پدید می آورند 2]، .[1 مواد رنگزا نه تنها خود ترکیبات سمی و مضر برای جانداران و محیط زیست هستند بلکه به دلیل شرکت در واکنشهای شیمیایی گوناگون موجب تولید سایر مواد سمی و مضر دیگر نیز می شوند.
روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی از قبیل تصفیه بیولوژیکی، انعقاد وشناورسازی، غشا، رزین های تبادل یونی، جذب سطحی،فنتون،فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته،تجزیه فوتوکاتالیستی و ... برای تجزیه و حذف آلاینده هایی از قبیل ترکیبات رنگزا از پساب و فاضلاب های شهری و صنعتی مورداستفاده قرار میگیرند 4]، .[3 در بین روشهای متعلق به فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته، روشهای فوتوکاتالیستی ناهمگن به سرعت در حال افزایش است. این رشد روزافزون به علت در دسترس و ارزان بودن انرژی نورانی خورشید ، پایداری و مقاومت فوتوکاتالیست ها در برابر عوامل شیمیایی و همچنین تبدیل آلاینده ها به مواد خنثی از قبیل آب و کربن دی اکسید می باشد..[5]
امروزه از اکسیدهای با ساختار پروسکایت به دلیل مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا در کاتالیست ها و فوتوکاتالیست ها استفاده روزافزونی می شود 7] ،.[6ترکیب شیمیایی مالاشیت سبز - MG - یک رنگ کاتیونی است که به مقدار زیاد در آب و اتانول حل می شود و در صنایع مختلف از جمله چاپ و سیلک، رنگرزی پشم، کتان، چرم، کاغذ و غیره به کار می رود. مالاشیت سبز تاثیرات مخرب زیادی بر سیستم ایمنی و باروری دارد و پتانسیل سرطان زایی و تخریب ژنی دارد و بنابراین ضروری است که از پساب های صنعتی حذف شود .[8]در این تحقیق ابتدا نانوساختار LaMnO3 به روش هیدروترمال تهیه شد و سپس فعالیت فوتوکاتالیستی آن به منظور تجزیه مالاشیت سبز در محلول آبی تحت تابش نور مرئی از منبع LED مورد مطالعه قرار گرفت.
بخش تجربی
ترکیب LaMnO3 با استفاده از مواد اولیه KMnO4، MnCl2، La - NO3 - 3 و KOH خریداری شده از شرکت مرک آلمان انجام شد. برای محلول سازی و واکنش ها از آب دیونیزه استفاده شد. پتاس به عنوان مینرالایزر و در غلظت 15 M به کار رفت. ابتدا با استفاده از همزن مغناطیسی، حجم های معینی از هر یک از محلول های یونهای La+3 و Mn+2 بر اساس نسبت استوکیومتری در ظرف تفلونی 200 میلی لیتری با هم مخلوط شد. سپس به ترتیب حجم معینی از محلولهای KOH و KMnO4 به محلول مذکور در حین اختلاط اضافه شد و به مدت 15 دقیقه اختلاط شدید صورت گرفت تا اینکه محلول قهوه ای مایل به سیاه تشکیل شد.
سپس درب ظرف تفلونی بسته شد و در اتوکلاو جاسازی شد و واکنش هیدروترمال طی مدت 24 ساعت در دمای 200 °C انجام شد. سپس اتوکلاو به طور طبیعی با محیط همدما شد و رسوب سیاه رنگ ایجاد شده با آب دیونیزه فراوان شستشو شد. رسوب حاصل شده به مدت 12 ساعت در دمای 120 °C خشک شد. سپس پودر به دست آمده بر مبنای نتایج آزمون وزن سنجی گرمایی - TGA - به مدت 6 ساعت در دمای 850 °C کلسینه شد.برای انجام واکنش فوتوکاتالیزوری ناهمگن ابتدا مقدار 0,015 گرم از ترکیب به 30 میلی لیتر محلول آبی مالاشیت سبز - 10 ppm & pH=4,5 - اضافه شد و سوسپانسیون حاصل شده تحت تابش نور قرار گرفت و دما در 25 °C ثابت نگه داشته شد.
در فاصله های زمانی مشخص مقدار معینی از نمونه برداشته می شد و بعد از جداکردن ذرات معلق طیف UV آن گرفته می شد. آزمایش های شاهد با تابش نور به محلول مالاشیت سبز بدون فوتوکاتالیست و نیز اختلاط سوسپانسیون مالاشیت سبز و فوتوکاتالیزور در تاریکی انجام شد.الگوی پراش اشعه ی ایکس - XRD - نمونه های پودری با دستگاه پراش اشعه ی ایکس ساخت شرکت زیمنس آلمان در دمای اتاق اندازه گیری شد. آزمون وزن سنجی گرمایی - TGA - نمونه ها با دستگاه وزن سنجی حرارتی ساخت شرکت لاینسیس آلمان با نرخ حرارت دهی 5 °C/min از دمای محیط تا °C 1000 انجام شد.
نتایج و بحث
در تجزیه و تحلیل داده های حاصل از آزمون وزن سنجی گرمایی نمونه LaMnO3 مشخص شد که که در دمای 850 °C ساختار پروسکایت کاملا تشکیل می شود و در دمای بالاتر از آن مقدار جرم نمونه ثابت می شود بنابراین درجه حرارت °C 850 برای کلسینه کردن نمونه در نظر گرفته شد.نتایج پراش اشعه ایکس نمونه به دست آمده بعد از فرآیند کلسینه شدن در شکل 2 آورده داده شده است. پیک های پراش پرتوهای ایکس در شکل 2 نشان می دهد که ساختار LaMnO3 خالص پروسکایتی تشکیل شده و دارای ساختار رمبوهدرال با گروه فضایی R-3C می باشد. الگوی XRD با گزارش های مشابه از این ترکیب که با روش های دیگر ساخته شده، تطابق بسیار نزدیکی دارد .[6]
نتایج حاصل از طیف سنجی FTIR حاکی از این بود که برای ترکیب تهیه شده دو پیک جذب در 400 cm-1 و 600 cm-1 در نمودار مشاهده می شود که به ترتیب مربوط به مدهای کششی و خمشی پیوندهای می باشد که دلالت بر تشکیل ساختار پروسکایت می کنند .[6]برای محاسبه درصد حذف مالاشیت سبز در طی فرآیند فوتوکاتالیستی معادله - 1 - مورد استفاده قرار می گیرد .[4]که A0 و A به ترتیب میزان جذب حداکثر اندازه گیری شده به وسیله دستگاه اسپکتروسکوپی در زمان های اولیه مربوط به شروع واکنش و در طی واکنش در فاصله های زمانی معین میباشد.نمودار درصد حذف شیمیایی مالاشیت سبز حسب زمان در شکل 3 نشان داده شده است. همانگونه که در شکل دیده میشود طی مدت زمان 180 دقیقه بیش از 90 درصد مالاشیت سبز حذف می شود.در فرآیندهای فوتوکاتالیزوری برهمکنش های شیمیایی بین مولکول های رودامین بی و فوتوکاتالیست با مدل لانگمویر هینشلوود مطابقت دارد. این مدل رابطه بین ثابت ظاهری سرعت واکنش و غلظت آلاینده را نشان می دهد 9]،.[8 شکل 4 نشان
