توصيفگر ها :
تيتانيوم دي اكسيد , فوتوكاتاليست , متيلن بلو , سريم , شكاف نواري
چكيده فارسي :
با توجه به افزايش نياز به منابع آب و آلوده شدن بسياري از منابع آبي، تصفيه آبها و پسابها از اهميت زيادي برخوردار است. از سوي ديگر با توجه به هزينههاي بالا تأمين انرژي استفاده از روشهاي كه بتواند هزينههاي انرژي تصفيه پساب را كاهش دهد مورد توجه بسياري از محققان بوده است. يكي از روشهاي پيشنهادي استفاده از مواد فوتوكاتاليستي است كه ميتواند با استفاده از نور خورشيد بهعنوان يك انرژي پاك و ارزان قيمت فرآيند تصفيه پسابها را انجام دهد. يكي از مواد مورد استفاده بهعنوان فوتوكاتاليست تيتانيوم دياكسيد بوده كه خواص نوري و فوتوكاتاليستي مناسبي براي تصفيه آلايندههاي آلي از پساب دارد. علي رقم آنكه تيتانيوم دياكسيد مزاياي فراواني دارد، معايبي نيز دارد كه راندمان فرآيند تصفيه پساب را كاهش ميدهد. يكي از نقاط ضعف تيتانيوم دياكسيد انرژي شكاف نواري آن است كه موجب ميشود تيتانيوم دياكسيد در طول موجهاي ماوراءبنفش فعال شود. از اهداف اين پژوهش افزودن عنصر سريم بهصورت آلايش شده بهمنظور كاهش انرژي شكاف نواري تيتانيوم دياكسيد و افزودن عنصر مس به¬صورت آلايش شده به¬منظور ايجاد خواص آنتي باكتريالي براي نانوكامپوزيت است. همچنين استفاده از روشهايي كه بتواند قابليت جداسازي آسان و بازيابي تيتانيوم دياكسيد را فراهم كند از اهميت بالايي برخوردار است. در پژوهش حاضر سنتز نانوكامپوزيت آهن اكسيد آلايش شده با مس–تيتانيوم دي¬اكسيد آلايش شده با سريم بهعنوان يك فوتوكاتاليست مؤثر در تصفيه پسابها انجام شده است. به نظر ميرسد به كمك اين روش ميتوان چالشهاي پيش روي تيتانيوم دياكسيد بهعنوان يك ماده فوتوكاتاليستي در محدوده نور مرئي را برطرف كرد و با گسترش دامنه خاصيت فوتوكاتاليستي اين ماده در محدوده نور مرئي كاربرد گستردهاي را مورد استفاده قرار داد. بهمنظور مشخصه¬يابي نانوكامپوزيت سنتز شده از آزمون طيفسنج مرئي-ماوراءبنفش استفاده شد كه نتايج نشان ميدهد آلايش شدن سريم بر روي نانوكامپوزيت سنتز شده موجب كاهش انرژي شكاف نواري و بهبود خواص نوري و فوتوكاتاليستي نانوكامپوزيت شده است. همچنين آزمونهاي پراش پرتو ايكس، طيف¬سنجي سريه فوريه فروسرخ، ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني همراه با طيفسنج پرتو ايكس پراكنده انرژي، مغناطيسسنج نمونه ارتعاشي، طيفسنجي بازتابي پراكنده، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، BET و پتانسيل زتا صحت و عملكرد مناسب نانوكامپوزيت سنتز شده را تائيد كرد. بر اساس نتايج آزمون طيفسنج مرئي-ماوراءبنفش، استفاده از سريم آلايش شده توانست انرژي شكاف نواري تيتانيوم دياكسيد را از 2/3 الكترونولت به 4/2 الكترونولت كاهش دهد و از اين طريق ميتوان نانوكامپوزيت سنتز شده را در طول موجهاي مرئي بكار گرفت. نتايج آزمون پراش پرتو ايكس نشان ميدهد، صفحات بلوري مربوط به فاز آناتاز و روتيل براي نانوكامپوزيت سنتز شده بهوضوح قابل مشاهده است. همچنين افزودن سريم باعث غالب شدن فاز آناتاز بر روتيل در نانوكامپوزيت شده است. بر طبق نتايج آزمون طيفسنجي سريه فوريه فروسرخ، نوارهاي مربوط به پيوندهاي Cu-O و Fe-O بهخوبي نشان دهندهي سنتز موفق نانوكامپوزيت نهايي است كه تركيبات شيميايي مورد نظر براي انجام فرآيند تخريب آلاينده در آن بهخوبي سنتز شده است. طبق نتايج آزمون مغناطيسسنج نمونه ارتعاشي، نانوكامپوزيت سنتز شده داراي خاصيت پارامغناطيسي بوده كه بهراحتي با ايجاد يك ميدان مغناطيسي ميتوان آن را جداسازي كرد. همچنين نانوكامپوزيت سنتز شده داراي اندازه ذرات حدوداً 40 تا 45 نانومتر است. همچنين بررسي عملكرد نانوكامپوزيت در تخريب متيلن¬بلو نشان ميدهد اين نانوكامپوزيت در شرايط بهينه عملياتي (زمان واكنش برابر با 85/3 ساعت، درصد سريم آلايش ¬شده برابر با 64/2 درصد، ميزان نانوكامپوزيت برابر با 08/20 ميلي¬گرم و منبع نور ماوراءبنفش) قادر به تخريب بيش از 92/86 درصد آلايندهها متيلن¬بلو از پساب¬هاي صنعتي است. در نهايت بررسي پايداري نانوكامپوزيت نشان ميدهد كه نانوكامپوزيت سنتز شده قادر است پس از 5 چرخه استفاده مجدد همچنان عملكرد قابل قبولي براي تخريب آلايندهها داشته باشد.
چكيده انگليسي :
The rapid pace of industrial and urban growth has significantly heightened the demand for clean water resources worldwide. This surge has been met with challenges, particularly due to the escalation of industrial effluents and the lack of proper regulation in waste disposal practices, ultimately posing grave risks to the environmentʹs delicate balance. One of the most pressing issues arising from this scenario is water pollution, which not only endangers human health but also leads to the loss of biodiversity in aquatic ecosystems an alarming and widely recognized concern in environmental conservation efforts. Conventional methods for removing pollutants from water sources have proven to be insufficient in dealing with the scale of contamination observed today, necessitating a shift towards exploring innovative approaches. In this context, the utilization of advanced photocatalytic semiconductor-based materials is emerging as a promising solution for effectively combating water pollution through the destruction of harmful contaminants during wastewater treatment processes. This shift towards more sustainable and efficient technologies signifies a crucial step towards preserving our precious water resources for future generations. In the present research, the synthesis of magnetite nanocomposite doped with copper-titanium oxide doped with cerium has been carried out as an effective photocatalyst in wastewater treatment. With the help of this method, the challenges faced by titanium dioxide as a photocatalytic material in the visible light range can be solved and by expanding the range of photocatalytic properties of this material in the visible light range, it can be widely used. Therefore, in the first step, Ce-TiO2/Fe3O4-Cu nanocomposite structures were synthesized. To characterize the synthesized nanocomposite, a UV-Vis test was used, and the results show that cerium doping on the synthesized nanocomposite has reduced the band gap and improved the optical and photocatalytic properties of the nanocomposite. Also, XRD, FTIR, FESEM, EDS, VSM, BET, and zeta potential tests confirmed the accuracy and proper performance of the synthesized nanocomposite. After that, the performance of the synthesized nanocomposite in the wastewater treatment process and the removal of methylene blue and rhodamine B pollutants was investigated. The results show that this nanocomposite has good optical and photocatalyst properties, which can treat industrial effluents that contain large amounts of various pollutants such as methylene blue and rhodamine B, and also provide a suitable purified effluent due to its antibacterial properties. The UV-Vis test results indicate that using contaminated cerium could decrease the band gap energy of titanium dioxide from 2.3 V to 2.4 V. The XRD and FTIR tests show that the synthesized nanocomposite has appropriate crystallinity and contains the desired chemical compounds for effective pollutant degradation. The VSM test confirms that the synthesized nanocomposite exhibits paramagnetic properties and can be easily separated using a magnetic field. Additionally, the nanocomposite has a particle size of about 40-45 nm. When tested for methylene blue degradation, the nanocomposite demonstrated optimal performance under specific conditions (reaction time equal to 3.85 hours, percentage of doped cerium equal to 2.64%, amount of nanocomposite equal to 20.08 mg, and ultraviolet light source), achieving more than 86.92% pollutant removal from industrial wastewater. Furthermore, the stability investigation revealed that the synthesized nanocomposite maintains acceptable degradation performance after 5 reuse cycles.