دانلود مقاله فعالیت های سونوفتوکاتالیزوری FeCuMg و CrCuMg LDHها

چکیده

     در اینجا، FeCuMg و CrCuMg دارای دو لایه هیدروکسین (LDH) ساخته شدند و فعالیت های سونوفتوکاتالیزی آن ها با اسید آبی 113 (AB113) مقایسه شد. سونولیز به تنهایی (تنها التراسوند) منجر به کارایی رنگزدایی 13% می شود. نتایج مشابه در رابطه با کاربرد فتولیز به تنهایی با استفاده از لامپ 10-W LED به دست آمد (13.5%). فرایند جذب AB113 روی هر دو ترکیب به حدی کارایی نداشت که آلودگی های مورد نظر را پاک کند. انرژی شکاف باند 2.54 eV و 2.41 eV به ترتیب برای FeCuMg و CrCuMg  LDHs مشاهده شد که نشاندهنده فعالیت فتوکاتالیزی نسبتاً بالا در LDH همراه با Cr در مقایسه با FeCuMg LDH است. سونوفوتوکاتالیزی AB113  (50 mg  L -1 ) در مقایسه با CrCuMg  LDH  (81.1%) کارایی بیشتری نسبت به FeCuMg  LDH  (57.3%) طی زمان واکنش 60 دقیقه داشت. محصولات جانبی حدواسط در تجزیه سونوفوتوکاتالیستی رنگ آلی طی سنتز سونوفوتوکاتالیستی سه لایه فلزی نیز شناسایی شدند. علاوه بر این، فعالیت ضدباکتریایی هر دو LDHs با استفاده از روش CFU ارزیابی شد و معیارهای MBC و MIC تعیین شدند. ارزیابی ضدباکتریایی تایید کننده فعالیت ضدباکتریایی بالاتر CrCuMg  LDH نسبت به FeCuMg  LDH در برابر استافیلوکوکوس اورئوس است (S. aureus).

1.    مقدمه
     استفاده از مواد آلی لایه دار همراه با ساختارهای منظم خصوصیات ویژه ای را برای حل مشکلات انرژی پاک و مشکلات زیست محیطی اخیر ارائه می دهند (1). هیدروکسید لایه ای دوگانه (LDH) گروه بسیار مهمی از مواد هستند که به عنوان ترکیبات شبه هیدروتالکی طبیعی برای تبادل ترکیبات آنیونی مختلف، فوتوکاتالیز، پلیمریزاسیون، فتوشیمی، کاربردهای طبی، جذب آلاینده های آلی و غیرآلی و همچنین تبدیل کاتالیتیک آلودگی های مختلف کاربرد دارند (2.3). این ترکیب کاربرد گسترده ای به عنان یک کاتالیست موثر دارد و پیش ساز کاتالیزور برای سیستم های تصفیه کاتالیتی است (4-6). معمولاً، LDH یک ترکیب نانوساختاری دو بعدی از هیدروکسید فلزی با بار مثبت است که از نظر بار در تعادل است (7). لایه های شبه-بورسیت LDH حاوی جایگاه های بازی فراوان هستند که به ترکیبات اجازه می دهند تا به عنوان یک کاتالیزور بازی ناهمگن با مساحت سطح ویژه بالا، ثبات شیمیایی مناسب و انعطاف پذیری قابل توجه مورد استفاده قرار گیرند (8.9). علاوه بر این، دو یا سه فلز در لایه شبه بورسیت قرار می گیرند و به طور یکنواخت در سطح اتمی توزیع می شوند که در آن یکی از کاتیون های فلزی یک فلز انتقالی فعال با ویژگی های کاتالیزوری بالا است (10.11). در ساختار LDH، کاتیون های دو ظرفیتی با کاتیون های سه ظرفیتی جایگزین می-شوند که حاصل آن تشکیل ساختار لایه ای باردار است (12). بار مثبت ساختار از طریق آنیون های موجود در فضای بین لایه ای متعادل می شود (13).
     آب تمیز برای یک جامعه سالم جهت دستیابی به توسعه پایدار ضروری است. افزایش فعالیت های کشاورزی و صنعتی منجر به افزایش تقاضا برای منابع آبی جدید و تصفیع منابع موجود می شود (14). با این وجود، آلودگی منابع آبی از طریق فاضلاب های صنعتی حاوی فلزات سنگین و رنگ های آلی عامل نگرانی های جدی زیست محیطی است (3). علاوه بر این، وجود رنگ های آلی در منابع آبی منجر به سمیت در حیات آبی و به تبع آن انسان ها به دلیل ماهیت سرطان زایی آن می شود (15.16).
     فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPها) بر اساس تولید رادیکال هیدروکسیل (.OH) توجه زیادی را در سال های اخیر به خود معطوف کرده که به دلیل کارایی بالای آن ها در تجزیه ترکیبات آلی مقاوم است (17.18). در این میان، فرایندهای تصفیه سونوکاتالیزوری  بر پایه کاربرد التراسوند  در حضور سونوکاتالیزور مناسب .OH مورد توجه زیادی در تجزیه آلودگی های جدید قرار گرفته است (19). از این حیث، LDHها به عنوان یک سونوکاتالیزور بالقوه در نظر گرفته می شوند. فوتوکاتالیزوری ناهمگن همچنین یکی از روش های تصفیه امیدوار کننده در اصلاح محیط زیست است (20). در مورد فوتوکاتالیز، عملکرد کاتالیزوری LDHها تایید شده است (21).

4.    نتیجه گیری
     اثر دو LDH سه فلزی (FeCuMg و CrCuMg LDHs) مورد بررسی قرار گرفت و برای تجزیه سونوفوتوکاتالیزی AB113 در یک مرحله آبزی مقایسه شد. سونولیز (سونوگرافی به تنهایی) و فوتولیز (منبع نور مرئی به تنهایی) فرایندهای موثری برای رنگ زدایی نبودند. نتایج نشان داد که فعالیت سونوفوتوکاتالیزی CrCuMg LDH بیشتر از FeCuMg LDH است. نتایج روش های توصیفی از جمله SEM ، TEM ، XRD و FT-IR ساختار مناسب مواد لایه ای سنتز شده را نشان دادند؛ با این حال، نتایج تجزیه و تحلیل جذب-دفع N2 نشاندهنده مساحت سطح بالاتر CrCuMg LDH در مقایسه با FeCuMg LDH است، در نتیجه جایگاه های واکنش بیشتری را برای تشکیل گونه های رادیکال اکسیدکننده فراهم می کند. برای هر دو LDHهای Fe و Cr ترکیب شده، فعالیت سونوفوتوکاتالیزی از نظر رنگ آمیزی بالاتر از فوتوکاتالیزی و سونوکاتالیزی بود. نتایج آزمون قابلیت استفاده مجدد ثبات بالای هر دو سونوفوتوکاتالیز در پنج دوره عملیاتی متوالی با کاهش ناچیز در فعالیت سونوفوتوکاتالیزی به نمایش گذاشت. افزودن پالاینده ها رادیکال و کاهش متعاقب آن در فعالیت کاتالیزوری نقش اصلی گونه ای رادیکال فعال را در تخریب آلاینده هدف نشان داد. علاوه بر این، واسطه های شناسایی شده که در طول سونوفوتوکاتالیزی تولید می شوند، افزایش مطلوبی در معدنی شدن آلاینده های آلی قبل از تخلیه در محیط را نشان دادند. به طور کلی، LDH حاوی Cr از LDH حاوی آهن برای رنگ زدایی سونوکاتالیستی جریان های فاضلاب کارآمدتر بود. علاوه بر این، بررسی فعالیت ضد نشاندهنده توانایی بالاتر CrCuMg LDH در غیرفعال کردن S. aureus در مقایسه با FeCuMg LDH است. بنابراین، ترکیبات سنتزشده لایه ای نه تنها قادرند پساب های صنعت نساجی را به روش سونوفوتوکاتالیستی رنگ زدایی کنند، بلکه می توانند میکروارگانیسم های بیماریزای موجود در فاضلاب را قبل از تخلیه به اکوسیستم بی اثر نمایند. این موضوع قابلیت استفاده مجدد پساب تصفیه شده را برای استفاده در فرآیند صنعتی و سایر کاربردهای مفید بهبود می بخشد.

Abstract

Herein, FeCuMg and CrCuMg layered double hydroxides (LDHs) were synthesized and their sonophotocatalytic activities toward Acid blue 113 (AB113) were compared. Sonolysis alone (only ultrasound) led to the decolorization efficiency of 13.0 %. A similar result was obtained in the case of the utilization of photolysis alone using a 10-W LED lamp (13.5 %). The adsorption process of AB113 onto both compounds was not efficient to significantly remove the target contaminant. The bandgap energy of 2.54 eV and 2.41 eV was calculated for FeCuMg and CrCuMg LDHs, respectively, indicating relatively higher photocatalytic activity of Cr-incorporated LDH than FeCuMg LDH. The sonophotocatalysis of AB113 (50 mg L−1) over CrCuMg LDH (81.1 %) was more efficient than that of FeCuMg LDH (57.3 %) within the reaction time of 60 min. Intermediate byproducts of the sonophotocatalytic decomposition of organic dye over the as-synthesized tri-metal layered sonophotocatalysts were also identified. Furthermore, the antibacterial activity of both LDHs was evaluated by the CFU technique and the MBC and MIC values were determined. The antibacterial assessment confirmed the higher antibacterial activity of CrCuMg LDH than that of FeCuMg LDH against Staphylococcus aureus (S. aureus).

1. Introduction

     The utilization of inorganic layered materials with well-ordered structures provides special properties for solving clean-energy problems and recent environmental issues [1]. Layered double hydroxide (LDH) is an important class of layered materials, known as a naturally arising hydrotalcite-like compound used for the exchange of various anionic compounds, photocatalysis, polymerization, photochemistry, medical applications, adsorption of organic and inorganic pollutants as well as catalytic conversion of various contaminants [2, 3]. This compound is widely applied as an effective catalyst and the precursor of catalyst for the catalytic treatment systems [4-6]. Typically, LDH is a two-dimensional nanostructure composed of positively charged metal hydroxides which are charge-balanced [7]. The brucitelike layers of LDH contain abundant basic sites allowing the compound to be applied as a solid base heterogeneous catalyst with high specific surface area, suitable chemical stability, and remarkable flexibility [8, 9]. In addition, two or three metals placed in the brucite-like layers are uniformly distributed at the atomic level in which one of the metal cations is a catalytically active transition metal with high catalytic properties [10, 11]. In the structure of LDH, divalent cations are replaced with trivalent cations, which results in the formation of a positively charged layered structure [12]. The positive charge of the structure is balanced by the anions incorporated into the interlayer [13].

     Clean water is a necessity for a healthy society to attain sustainable development. Increasing agricultural and industrial activities lead to increased demand for new water resources and the decontamination of existing resources [14]. However, the contamination of water resources by industrial effluents containing heavy metals and organic dyes is causing serious environmental concerns [3]. Moreover, the presence of organic dyes in water resources brings about toxicity in aquatic life and subsequently, human consumers due to their carcinogenic nature [15, 16]. Advanced oxidation processes (AOPs) based on the production of hydroxyl radical (•OH) have received great attention in recent years because of their high efficiency to decompose persistent organic compounds [17, 18].

     Amongst, sonocatalytic treatment processes based on the application of ultrasound in the presence of an appropriate sonocatalyst generating •OH has gained great attention for the degradation of emerging pollutants [19]. In this case, the LDHs are considered as potential sonocatalysts. Heterogeneous photocatalysis is also one of the most promising treatment techniques in environmental remediation [20]. Regarding photocatalysis, the catalytic performance of the LDHs is verified [21].

4. Conclusions

     The effectiveness of two tri-metal LDHs (FeCuMg and CrCuMg LDHs) was evaluated and compared for the sonophotocatalytic degradation of AB113 in an aquatic phase. The sonolysis (ultrasound alone) and photolysis (visible light source alone) were not effective processes for the decolorization. The results showed more sonophotocatalytic activity of CrCuMg LDH than that of FeCuMg LDH. The results of characterization techniques including SEM, TEM, XRD, and FT-IR showed the appropriate structure of the as-synthesized layered materials; however, the results of N2 adsorption-desorption analysis displayed the higher surface area of CrCuMg LDH in comparison with FeCuMg LDH, thereby providing more reactive sites for the formation of oxidizing radical species. For both Fe and Cr-incorporated LDHs, sonophotocatalytic activity was higher than photocatalytic and sonocatalytic activity in terms of decolorization. Reusability test results exhibited the high stability of both sonophotocatalysts within five consecutive operational runs with negligible reduction in their sonophotocatalytic activity. The addition of radical scavengers and subsequent reduction in catalytic activity demonstrated the major role of active radical species in the degradation of the target pollutant. In addition, identified intermediates generated during the sonophotocatalysis revealed favorable progress in the mineralization of the organic pollutant before being discharged into the environment. In general, Cr-incorporated LDH was more efficient than Fe-incorporated LDH for the sonocatalytic decolorization of wastewater streams. Furthermore, the examination of antibacterial activity revealed a higher ability of the CrCuMg LDH to inactivate S. aureus compared to FeCuMg LDH. Thus, as-synthesized layered compounds are not only able to sonophotocatalytically decolorize textile wastewaters, but also able to inactivate pathogenic microorganisms present in the wastewater before being discharged into the ecosystem. This capability improves the reusability potential of treated effluent to be used in the industrial process and other beneficial applications.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1. مقدمه
2. مواد و روش ها
2.1. مواد
2.2. سنتز MDHهای FeCuMg و  CrCuMg 
2.3. ابزارهای تعیین خصوصیات
2.4. آزمایشات سونوفوتوکاتالیزوری
2.5.تست فعالیت ضدباکتریایی
3. نتایج و بحث
3.1. تعیین خصوصیات LDHهای سنتز شده
3.2. مقایسه فرایندهای مختلف برای حذف AB113
3.3. پارامترهای عملکردی
3.3.1. غلظت آلاینده
3.3.2. دوز سونوفتوکاتالیز
3.3.3. pH و pHpzc اولیه
3.3.4. نیروی التراسوند
3.4. وجود پالایشگرهای رادیکال ها
3.5. وجود بهبود دهنده رادیکال
3.6 آزمون های قابلیت استفاده مجدد و پایداری
3.7 . مواد حدواسط میانجی
3.8 . ارزیابی های آنتی باکتریایی FeCuMg و CrCuMg LDHs
4. نتیجه گیری
منابع

Abstract
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Materials
2.2. Synthesis of FeCuMg and CrCuMg LDHs
2.3. Characterization instruments
2.4. Sonophotocatalytic experiments
2.5. Antibacterial activity test
3. Results and discussion
3.1. Characterization of the synthesized LDHs
3.2. The comparison of different processes for the removal of AB113
3.3. Operational parameters
3.3.1. Pollutant concentration
3.3.2. Sonophotocatalyst dosage
3.3.3. Initial pH and pHpzc
3.3.4. Ultrasound power
3.4. The presence of radical scavengers
3.5. The presence of radical enhancers
3.6. Reusability and stability tests
3.7. Intermediate byproducts
3.8. The antibacterial evaluations of FeCuMg and CrCuMg LDHs
4. Conclusions
References