بررسی کارایی پراکسی مونوسولفات فعال شده با نانوذرات Fe3O4 در تجزیه رنگ راکتیو بلک 5 از محلول های آبی

نوع مقاله : Research Paper

نویسندگان

1 مهندسی بهداشت محیط- دانشکده علوم پزشکی تربت جام- تربت جام- ایران

2 مهندسی بهداشت محیط، دانشکده علوم پزشکی لارستان

چکیده

چکیده
زمینه و هدف: در سال­های اخیر آزادسازی آلاینده­های پایدار از تصفیه‌خانه فاضلاب به محیط زیست منجر به مشکلات سلامتی و اکوسیستمی شده است. از این‌رو مطالعه حاضر با هدف فعال­سازی هتروژنی پراکسی مونوسولفات (PMS) با نانوذرات مگنتیک (Fe3O4) برای تجزیه راکتیو بلک 5 (RBS) انجام شد.
مواد و روشها:مطالعه حاضر در مقایسه آزمایشگاهی و ستونی برای تجزیه رنگ RB5 به‌وسیله فعال­سازی PMS با نانوذرات Fe3O4 انجام شد. تأثیر پارامترها همچون pH (3-11)، غلظت PMS (25/0-4 میلی‌مولار)، غلظت کاتالیست (50-500 میلی­گرم بر لیتر) و دمای محلول (10-50 درجه سانتی‌گراد) روی بازدهی تجزیه RB5 مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات پایداری و محدودکنندگی گونه­های واکنش‌پذیر در شرایط بهینه به‌دست آمده از تأثیر پارامترها مورد مطالعه قرار گرفت.
یافته‌ها: حداکثر بازدهی حذف رنگ (86/94%) در 250 میلی­گرم بر لیتر Fe3O4، 2 میلی مولار PMS، 7=pH و زمان واکنش 60 دقیقه به‌دست آمد. در آزمایشات مقایسه‌ای Fe3O4 فعالیت کاتالیتیک مناسبی در فعال­سازی PMS و تجزیه RB5 نسبت به فرآیند به‌تنهایی PMS و جذب نشان داد. نرخ تجزیه RB5 با افزایش دما بهبود یافت، اما با حضور آنیون‌ها در محلول­های آبی به‌دلیل مصرف گونه­های واکنش‌پذیر کاهش یافت. نانوذرات مگنتیک، فعالیت کاتالیتیکی عالی در طی چهار سیکل تجزیه متوالی زمانی در یک راکتور ستونی نشان دادند. آزمایشات مهارکنندگی تأکید کرد که هر دو رادیکال هیدروکسیل و سولفات نقش مهمی در تجزیه آلاینده ایفا می­کنند، با این‌حال رادیکال سولفات یک گونه غالب تجزیه RB5 می­باشد. راکتور ستون مداوم در نمونه سنتتیک، آب سطحی و فاضلاب نساجی بازدهی تجزیه 65/95%، 80% و 50% برای RB5 فراهم آورد.
نتیجه‌گیری: برپایه نتایج، می­توان نتیجه‌گیری کرد که فرآیند PMS/Fe3O4 یک تکنولوژی امیدوار کننده برای تجزیه RB5 از محلول­های آبی می­باشد.
نوع مقاله: پژوهشی

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the efficiency of proxymonosulfate activated with Fe3O4 nanoparticles in the degradation of reactive Black 5 dye from aqueous solutions

نویسندگان [English]

  • Mohsen Rezaei 1
  • Nezamaddin Mengelizadeh 2
1 Department of Environmental Health, Torbat Jam Faculty of Medical Sciences, Torbat Jam, Iran
2 Department of Environmental Health Engineering, Larestan University of Medical Sciences
چکیده [English]

Abstract
Background and Aim: In recent years, the release of persistent pollutants from wastewater treatment plants into the environment has led to health and ecosystem problems. Therefore, the present study aimed to activate heterogeneous peroxymonosulfate (PMS) with magnetic nanoparticles (Fe3O4) for the degradation of reactive black 5 (RB5).
Materials and Methods: The present analytical study was performed in a column scale for RB5 dye degradation by PMS activated with Fe3O4 nanoparticles. The effect of parameters such as pH (3-11), PMS concentration (0.25-4 mM), catalyst concentration (50-500 mg/L), and solution temperature (10-50 °C) on the degradation efficiency of RB5 was investigated. Stability experiments and trapping of reactive species were studied under optimal conditions obtained from the influence of parameters.
Results:The maximum dye removal efficiency (94.86%) was obtained at Fe3O4 dosage of 250 mg/L, PMS dosage of 2 mM, pH of 7, and reaction time of 60 min. In comparative experiments, Fe3O4 showed appropriate catalytic activity in PMS activation and RB5 degradation compared to the PMS process and adsorption alone. The degradation rate of RB5 improved with increasing temperature but decreased in the presence of anions in aqueous solutions due to the consumption of reactive species. Highly reactive magnetic nanoparticles showed four consecutive degradation cycles in a column reactor. Trapping experiments emphasize that both hydroxyl radicals and sulfate play an important role in the degradation of pollutants; however, sulfate radicals are the predominant species of RB5 degradation. The continuous column reactor provided 95.65%, 80%, and 50% degradation efficiencies for RB5 in synthetic, surface water, and textile wastewater samples, respectively.
Conclusion: Based on the results, it can be concluded that the PMS/Fe3O4 process is a promising technology for the degradation of RB5 from aqueous solutions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Peroxymonosulfate
  • Fe3O4
  • Reactive Black 5
  • Column reactor
References
1.             Meriç S, Kaptan D, Ölmez T. Color and COD removal from wastewater containing Reactive Black 5 using Fenton’s oxidation process. Chemosphere. 2004;54(3):435-41.
2.             Shirzad-Siboni M, Jafari SJ, Giahi O, Kim I, Lee S-M, Yang J-K. Removal of acid blue 113 and reactive black 5 dye from aqueous solutions by activated red mud. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2014;20(4):1432-7.
3.             Elwakeel KZ. Removal of Reactive Black 5 from aqueous solutions using magnetic chitosan resins. Journal of hazardous materials. 2009;167(1-3):383-92.
4.             Greluk M, Hubicki Z. Kinetics, isotherm and thermodynamic studies of Reactive Black 5 removal by acid acrylic resins. Chemical Engineering Journal. 2010;162(3):919-26.
5.             Ashrafi S, Mengelizadeh N, Dadban Shahamat Y, Zare MR, Jalil M, Berizi Z, et al. Multi‐walled carbon nanotubes‐CoFe2O4 nanoparticles as a reusable novel peroxymonosulfate activator for degradation of Reactive Black 5. Water Environment Research. 2020.
6.             Rivera M, Pazos M, Sanromán MÁ. Development of an electrochemical cell for the removal of Reactive Black 5. Desalination. 2011;274(1-3):39-43.
7.             Chatterjee S, Lim S-R, Woo SH. Removal of Reactive Black 5 by zero-valent iron modified with various surfactants. Chemical Engineering Journal. 2010;160(1):27-32.
8.             Ersöz G. Fenton-like oxidation of Reactive Black 5 using rice husk ash based catalyst. Applied Catalysis B: Environmental. 2014;147:353-8.
9.             Deng Y, Zhao R. Advanced oxidation processes (AOPs) in wastewater treatment. Current Pollution Reports. 2015;1(3):167-76.
10.           Zhou Y, Jiang J, Gao Y, Ma J, Pang S-Y, Li J, et al. Activation of peroxymonosulfate by benzoquinone: a novel nonradical oxidation process. Environmental science & technology. 2015;49(21):12941-50.
11.           Qi C, Liu X, Ma J, Lin C, Li X, Zhang H. Activation of peroxymonosulfate by base: implications for the degradation of organic pollutants. Chemosphere. 2016;151:280-8.
12.           Yan J, Li J, Peng J, Zhang H, Zhang Y, Lai B. Efficient degradation of sulfamethoxazole by the CuO@ Al2O3 (EPC) coupled PMS system: optimization, degradation pathways and toxicity evaluation. Chemical Engineering Journal. 2019;359:1097-110.
13.           Hu L, Zhang G, Liu M, Wang Q, Wang P. Synthesis of Co 3 O 4-Bi 2 O 3 using microwave-assisted method as the peroxymonosulfate activator for elimination of bisphenol A. Environmental Science and Pollution Research. 2018;25(5):4656-66.
14.           Liu J, Zhou J, Ding Z, Zhao Z, Xu X, Fang Z. Ultrasound irritation enhanced heterogeneous activation of peroxymonosulfate with Fe3O4 for degradation of azo dye. Ultrasonics Sonochemistry. 2017;34:953-9.
15.           Tan C, Gao N, Deng Y, Deng J, Zhou S, Li J, et al. Radical induced degradation of acetaminophen with Fe3O4 magnetic nanoparticles as heterogeneous activator of peroxymonosulfate. Journal of hazardous materials. 2014;276:452-60.
16.           Yan J, Zhu L, Luo Z, Huang Y, Tang H, Chen M. Oxidative decomposition of organic pollutants by using persulfate with ferrous hydroxide colloids as efficient heterogeneous activator. Separation and purification technology. 2013;106:8-14.
17.           Zhang J, Chen M, Zhu L. Activation of peroxymonosulfate by iron-based catalysts for orange G degradation: role of hydroxylamine. RSC advances. 2016;6(53):47562-9.
18.           Zhou R, Zhao J, Shen N, Ma T, Su Y, Ren H. Efficient degradation of 2, 4-dichlorophenol in aqueous solution by peroxymonosulfate activated with magnetic spinel FeCo2O4 nanoparticles. Chemosphere. 2018;197:670-9.
19.           Shahamat YD, Zazouli MA, Zare MR, Mengelizadeh N. Catalytic degradation of diclofenac from aqueous solutions using peroxymonosulfate activated by magnetic MWCNTs-CoFe 3 O 4 nanoparticles. Rsc Advances. 2019;9(29):16496-508.
20.           Deng J, Feng S, Ma X, Tan C, Wang H, Zhou S, et al. Heterogeneous degradation of Orange II with peroxymonosulfate activated by ordered mesoporous MnFe2O4. Separation and Purification Technology. 2016;167:181-9.
21.           Deng J, Ya C, Ge Y, Cheng Y, Chen Y, Xu M, et al. Activation of peroxymonosulfate by metal (Fe, Mn, Cu and Ni) doping ordered mesoporous Co 3 O 4 for the degradation of enrofloxacin. RSC advances. 2018;8(5):2338-49.
22.           Huang Y, Nengzi L-c, Zhang X, Gou J, Gao Y, Zhu G, et al. Catalytic degradation of ciprofloxacin by magnetic CuS/Fe2O3/Mn2O3 nanocomposite activated peroxymonosulfate: Influence factors, degradation pathways and reaction mechanism. Chemical Engineering Journal. 2020;388:124274.
23.           Liu J, Zhao Z, Shao P, Cui F. Activation of peroxymonosulfate with magnetic Fe3O4–MnO2 core–shell nanocomposites for 4-chlorophenol degradation. Chemical Engineering Journal. 2015;262:854-61.
24.           Pourzamania H, Jafaria E, Rozvehb M, Mohammadic H, Rostamia M, Mengelizadehd N. Degradation of ciprofloxacin in aqueous solution by activating the peroxymonosulfate using graphene based on CoFe. 2019.
25.           Ghanbari F, Jaafarzadeh N. Graphite-supported CuO catalyst for heterogeneous peroxymonosulfate activation to oxidize Direct Orange 26: the effect of influential parameters. Research on Chemical Intermediates. 2017;43(8):4623-37.
26.           Wang Z, Du Y, Liu Y, Zou B, Xiao J, Ma J. Degradation of organic pollutants by NiFe 2 O 4/peroxymonosulfate: efficiency, influential factors and catalytic mechanism. Rsc Advances. 2016;6(13):11040-8.