پوشش سطح ذرات آلومینا با نانوساختار اکسید روی به روش هیدروترمال برای حذف آلاینده‌های آلی آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

2 گروه مهندسی ایمنی بهداشت و محیط زیست، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

چکیده

آلودگی آب‌ها یکی از معضلات اخیر جوامع امروزی می‌باشد. در سال‌های اخیر تمرکز زیادی بر یافتن راه‌های جدید تصفیه آب شده است. خصوصاً با ظهور مواد شیمیایی جدید، روش‌های تصفیه معمول و قدیمی نمی‌تواند کارایی مناسب را نشان دهد و در نتیجه با ورود این مواد به آب آشامیدنی خطرات زیادی برای انسان‌ها ایجاد شده است. بنابراین روش‌ها و مواد جدیدی که بتواند این مواد شیمیایی را به‌طور مؤثر از آب حذف کند بسیار اهمیت دارند. جاذب‌های جدید یکی از موضوع‌های مورد توجه محققین در سال‌های اخیر بوده است. در این پژوهش طراحی و تولید پوشش سطح ذرات آلومینا با نانوذرات اکسید روی به روش هیدروترمال برای جذب سطحی آلاینده‌های آلی آب مورد بررسی قرار گرفته است. برای مشخصه‌یابی نانوکامپوزیت، از آنالیزهای پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و پتانسیل زتا استفاده شد. نتایج پراش اشعه ایکس نشان داد که نانوکامپوزیت الومینا-اکسید روی با کریستال‌های نانومتری توسط روش هیدروترمال به‌خوبی شکل گرفته است. همچنین واکنش‌های تشکیل و مکانیزم ایجاد اکسید روی نانوساختار بحث شد. نتایج ریزساختاری نشان داد اندازه ذرات اکسید روی در حدود 45 نانومتر می‌باشد و از لایه‌های نانومتری تشکیل شده‌اند. نتایج جذب نشان می‌دهد که راندمان حذف رنگ متیل اورانژ توسط نانوکامپوزیت آلومینا- نانوذرات اکسید روی در مقایسه با ذرات آلومینای تک فاز افزایش چشمگیری داشته به‌طوری‌که حدود ۹۸ درصد رنگ در مدت زمان ۱۵ دقیقه حذف شد.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Alumina Surface Coating with Zinc Oxide Nanostructures by Hydrothermal Method for Removal of Organic Pollutants from Water

نویسندگان [English]

  • S. A. Hassanzadeh Tabrizi 1
  • F. Aminsharei 2
1 Advanced Materials Research Center, Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
2 Department of Safety Health and Environment, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
چکیده [English]

Water pollution is one of the recent problems of societies. In recent years, there has been a lot of focus on finding new ways to purify water. In addition, the usual and old purification methods cannot effectively remove new chemical pollutants from water. Therefore, these pollutants inflict lots of problems including different diseases. Thus, new methods and materials that can effectively remove these chemicals from water are important. New absorbents have been one of the hot topics for researchers in recent years. In this research, alumina particles were coated with zinc oxide via hydrothermal method. The produced nanocomposites were utilized to remove organic pollutants from water. X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and Zeta potential were used to characterize the nanocomposites. X-ray diffraction results showed that an alumina-zinc oxide nanocomposite was well formed. The formation reactions of nanostructured zinc oxide on the alumina were also discussed. Microstructural studies showed that the size of zinc oxide particles was about 45 nm and zinc oxide particles were composed of nano-size layers. The adsorption results exhibited that the dye removal efficiency of the nanocomposite was significantly increased compared to the pure single-phase alumina. 98% of the methyl orange was removed by the nanocomposite sample within 15 minutes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • Hydrothermal
  • Zinc oxide
  • Alumina
  • Water pollution
  • Methyl orange

مراجع

  1. Rafiq A, Ikram M, Ali S, Niaz F, Khan M, Khan Q, et al. Photocatalytic degradation of dyes using semiconductor photocatalysts to clean industrial water pollution. J Ind Eng Chem. 2021;97:111–28. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.02.017
  2. Zulfiqar M, Sufian S, Bahadar A, Lashari N, Rabat NE, Mansor N. Surface-fluorination of TiO2 photocatalysts for remediation of water pollution: a review. J Clean Prod. 2021;317:128354. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128354
  3. Ong S-T, Keng P-S, Lee W-N, Ha S-T, Hung Y-T. Dye waste treatment. Water. 2011;3(1):157–76. https://doi.org/10.3390/w3010157
  4. Gupta VK. Application of low-cost adsorbents for dye removal–a review. J Environ Manage. 2009;90(8):2313–42. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2008.11.017
  5. Kim Y, Kim C, Choi I, Rengaraj S, Yi J. Arsenic removal using mesoporous alumina prepared via a templating method. Environ Sci Technol. 2004;38(3):924–31. https://doi.org/10.1021/es0346431
  6. Sarda KK, Bhandari A, Pant KK, Jain S. Deep desulfurization of diesel fuel by selective adsorption over Ni/Al2O3 and Ni/ZSM-5 extrudates. Fuel. 2012; 93:86–91. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011. 10.020
  7. Huang H-K, Chih Y-K, Chen W-H, Hsu C-Y, Lin K-J, Lin H-P, et al. Synthesis and regeneration of mesoporous Ni–Cu/Al2O4 catalyst in sub-kilogram-scale for methanol steam reforming reaction. Int J Hydrogen Energy. 2021;47(88) 37542-51. https://doi. org/10.1016/j.ijhydene.2021.12.080.
  8. Hassanzadeh-Tabrizi SA, Do T-O. Sol–gel synthesis and photocatalytic activity of ZnO–Ag–Sm nanoparticles for water treatment. J Mater Sci Mater Electron. 2018;29(13):10986–91. https://doi.org/10. 1007/ s10854-018-9180-3
  9. Sansenya T, Masri N, Chankhanittha T, Senasu T, Piriyanon J, Mukdasai S, et al. Hydrothermal synthesis of ZnO photocatalyst for detoxification of anionic azo dyes and antibiotic. J Phys Chem Solids. 2022; 160: 110353. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2021. 110353
  10. Goktas S, Goktas A. A comparative study on recent progress in efficient ZnO based nanocomposite and heterojunction photocatalysts: A review. J Alloys Compd. 2021;863:158734. https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2021.158734
  11. Pournajaf R, Hassanzadeh-Tabrizi SA. Polyacrylamide synthesis of nanostructured copper aluminate for photocatalytic application. J Adv Mater Process. 2018;5(4):12–9.
  12. Sharma SK, Gupta R, Sharma G, Vemula K, Koirala AR, Kaushik NK, et al. Photocatalytic performance of yttrium-doped CNT-ZnO nanoflowers synthesized from hydrothermal method. Mater Today Chem. 2021;20:100452. https://doi.org/ 10.1016/j.mtchem. 2021.100452
  13. Li AD, Liu WC. Optical properties of ferroelectric nanocrystal/polymer composites. In: Physical Properties and Applications of Polymer Nanocomposites. Elsevier; 2010. p. 108–58. https://doi.org/10.1533/ 9780857090249.1.108
  14. Gan YX, Jayatissa AH, Yu Z, Chen X, Li M. Hydrothermal synthesis of nanomaterials. J Nanomater. 2020;2020:1–3. https://doi.org/10.1155/ 2020/8917013
  15. Puga F, Navío JA, Córdoba JM, Romero-Sarria F, Hidalgo MC. Insights into the structural and physicochemical properties of Zn-Bi-O composites for efficient photodegradation of caffeic acid, rhodamine B and methyl orange. Appl Surf Sci. 2022;581:152351. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021. 152351
  16. Brouckaert CJ, Brouckaert BM, Ekama GA. Integration of complete elemental mass-balanced stoichiometry and aqueous-phase chemistry for bioprocess modelling of liquid and solid waste treatment systems–Part 1: The physico-chemical framework. Water SA. 2021;47(3):276–88. https:// doi.org/10.17159/wsa/2021.v47.i3.11857
  17. Basnet P, Chatterjee S. Structure-directing property and growth mechanism induced by capping agents in nanostructured ZnO during hydrothermal synthesis—A systematic review. Nano-Structures & Nano-Objects. 2020;22:100426. https://doi.org/10.1016/j. nanoso.2020.100426
  18. Sen SK, Barman UC, Manir MS, Mondal P, Dutta S, Paul M, et al. X-ray peak profile analysis of pure and Dy-doped α-MoO3 nanobelts using Debye-Scherrer, Williamson-Hall and Halder-Wagner methods. Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol. 2020;11(2):25004. https://DOI 10.1088/2043-6254/ab8732
  19. Nanda KK, Maisels A, Kruis FE, Fissan H, Stappert S. Higher surface energy of free nanoparticles. Phys Rev Lett. 2003;91(10):106102. https://doi: 10.1103/ PhysRevLett.91.106102
  20. Chowdhury A, Jesmeen SR, Hossain MM. Removal of dyes from water by conducting polymeric adsorbent. Polym Adv Technol. 2004;15(11):633–8. https://doi.org/10.1002/pat.521
  21. Shahabuddin S, Sarih NM, Mohamad S, Baharin SNA. Synthesis and characterization of Co3O4 nanocube-doped polyaniline nanocomposites with enhanced methyl orange adsorption from aqueous solution. RSC Adv. 2016;6(49):43388–400. https:// doi.org/10.1039/C6RA04757B
  22. Khatun MM, Islam A, Yan C, Nesa MJ. Enhanced Photocatalytic Properties of g-C3N4/ZnO/Attapulgite (CNZATP) Composite Nano-Mineral Materials on Methylene Blue Dye Degradation. Water, Air, Soil Pollut. 2023;234(2):84. https://doi.org/10.1007/ s11270 -023-06074-5
  23. Thielmann F, Naderi M, Ansari MA, Stepanek F. The effect of primary particle surface energy on agglomeration rate in fluidised bed wet granulation. Powder Technol. 2008;181(2):160–8. https://doi.org/ 10.1016/j.powtec.2006.12.015
  24. Hu DD, Zhuang J Bin, Ding ML. A review of studies on the granular agglomeration mechanisms and anti-agglomeration methods. Key Eng Mater. 2012;501:515. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.501.515
  25. Zhong Y, Wang Z, Gao J, Guo Z. A thermodynamic model for agglomeration/defluidization of metal powders based on solid surface energy. Powder Technol. 2016;301:1144–7. https://doi.org/10.1016/j. powtec.2016.07.068
  26. Ali NS, Jabbar NM, Alardhi SM, Majdi HS, Albayati TM. Adsorption of methyl violet dye onto a prepared bio-adsorbent from date seeds: Isotherm, kinetics, and thermodynamic studies. Heliyon. 2022;8(8). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e10276
  27. Sadeghi M, Moradian M, Tayebi H-A, Mirabi A. Removal of Penicillin G from aqueous medium by PPI@ SBA-15/ZIF-8 super adsorbent: Adsorption isotherm, thermodynamic, and kinetic studies. Chemosphere. 2023;311:136887. https://doi.org/10. 1016/j.chemosphere.2022.136887
  28. Subbaiah Munagapati V, Wen H-Y, Gollakota ARK, Wen J-C, Andrew Lin K-Y, Shu C-M, et al. Removal of sulfonated azo Reactive Red 195 textile dye from liquid phase using surface-modified lychee (Litchi chinensis) peels with quaternary ammonium groups: Adsorption performance, regeneration, and mechanism. J Mol Liq. 2022;368:120657. https:// doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120657
  29. Mahmoodi NM. Equilibrium, kinetics, and thermodynamics of dye removal using alginate in binary systems. J Chem Eng Data. 2011;56(6):2802–11. https://doi.org/10.1021/je101276x

 

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 42، شماره 4
اسفند 1402
صفحه 33-44

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی