تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید

دیازینون یکی از پرکاربردترین سموم ارگانوفسفرره اسفت که برای کنترل آفات کشاورزی مورد استراده قرار میگیرد (1) دیازینون بر اساس طبقهبندی WHO جزء حشرهکش خطرناک متوسط میباشد (2)  این سم موجب مهار فعالیت آنز یم استیلکولین استراز میشود و احتماالا موجم آسیب سلولهای جنسی و دستگاه تولید مثل میگردد  (3)   از طریق نشت مواد شیمیایی، فاضلابهای صنعتی و روانابهای کشفاورز ی وارد منابع آب سطحی و زیرزمینی میشود (3)   حداکثر مقدار آن در آب آشامیدنی 20 میکروگرم بر لیتر توصیه شده است (4)   دیازینون در غلظت 350 نانوگرم برای موجودات آبزی سمی است (5)   بنابراین حذف آن از پساب و آب ضرور ی است. فرآیندهایی نظیر جذب، انقفاد، ته نشینی، صاف سازی و فرآیندهای شیمیایی و غشایی برای حذف آلایندها ی آب از جمله دیازینون کاربرد دارند (6)   یکی از روشهایی که قادر به اکسیداسیون مواد آلی مقاوم و تغییر ماهیت آنهاست، روشهای فتوکاتالیستی است. این روشها براساس تابش اشعه ماورای بنفش به مواد نیمه هادی به عنوان کاتالیست در تجزیه الایندهها مورد استفاده قرار میگیرد(7-9).  فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) اخیرا به عنوان یک تکنولوژی موثر و عالی برای تجزیه آلاینده های آلی غیرقابل تجزیه مورد ملاحظه قرار گرفته است(10 و 11). در این فرآیند رادیکال هیدروکسیل با یک پتانسیل اکسیداسیون بین 95/1 تا V 8/2 تولید شده و حمله میکند به آلاینده ها از طریق مسیرهای همچون افزودن  یا combination رادیکال، انتقال الکترون و abstraction هیدروژن. رادیکال هیدروکسیل است یک گونه غیرانتخابی در رفتار و واکنش می دهد سریع با گونه آلاینده های مختلف با نرخ ثابت 10⁸–10¹⁰ M⁻¹ s⁻¹ (12).  علاوه بر •OH، AOPs برپایه فرآیندهای مختلف گونه های واکنش پذیر بیشتری در تجزیه آلاینده ها درگیر می کند، که اینها می تواند شامل فرآیندهای فوتوکاتالیتیک و سیستم ها فعال سازی پراکسی مونوسولفات باشد (13و 14).

از میان فرآیندهای ذکر شده در بالا، فتوکاتالیز برپایه semiconductor یک مسیر قدرتمندی برای تجزیه کامل الاینده ها به دلیل عملکرد کاتالیتیک بالا، تولید بالای گونه های واکنش پذیر و استفاده از مواد پایدار فراهم می کند (15-16). در این فرآیند توسط فوتون هایی که سطح انرژی آنها بیش از انرژی شکاف باند آن است الکترون (e-) از باند والانس به باند conduction تحریک می گردد. در طی این مسیر، holes (h+) در باند والانس تولید شده و با H2O و OH- برای تولید •OH. واکنش می دهد. الکترون ممکن است با اکسیژن برای تولید بیشتر گونه های واکنش پذیر اکسیژنی (ROSs) همچون superoxide ions (•O2−)، hydrogen peroxide (H2O2) و •OH (15و 17) واکنش دهد.  برای تولید موثر ROSs در فرآیندهای فتوکاتالیتیک از کاتالیست های semiconductor مختلفی همچون ZnO، Fe2O3، TiO2 و ... استفاده می گردد، که از میان آنها، گرافین یک فتوکاتالیست ارزان قیمت، غیرسمی، فتواکتیویته بالا، خاصیت الکترونیکی عالی و قابل دسترس آسان است (18). با اینحال، گرافین بخاطر خاصیت نانو بودن حداسازی ان بسیار سخت می باشد . بنابراین از ترکیبات اهن برای جداسازی بهتر گرافین از اب و استفاده مجدد ان استفاده می کنند.

در مطالعه حاضر سنتز نانوکامپوزیت G–CoFe2O4  بوسیله روش هیدروترمال شیمیایی انجام خواهد گرفت مشخصات نانوکامپوزیت بوسیله FTIR، XRD، SEM، TEM و  BET تعیین خواهد شد. تاثیر فاکتورهای عملیاتی همچون غلظت اولیه آلاینده، دوز فتوکاتالیست، شدت و زمان تشعشع مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. آزمایشات مقایسه ای برای درک بهتر ترکیب گرافن و CoFe2O4  در شرایط یکسان انجام شده و قابلیت بازیافت کاتالیست برپایه آزمایشات سیکل واکنش متوالی مورد بررسی قرار خواهد گرفت

pH بهینه فرایند تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید چقدر است؟

زمان تماس بهینه برای فرایند تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید چقدر است؟

مقدار کاتالیست بهینه در فرایند تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید چقدر است؟

غلظت اولیه بهینه دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید چقدر است؟

توان بهینه لامپ در فرایند تجزیه فتوکاتالیست دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید چقدر است؟

تعیین pH بهینه  فرایند تجزیه فتوکاتالیستی  دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید

تعیین زمان تماس بهینه برای فرایند تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید

تعیین مقدار کاتالیست بهینه در فرایند تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید

تعیین غلظت اولیه بهینه دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید

تعیین توان بهینه لامپ در فرایند تجزیه فتوکاتالیستی دیازینون با استفاده از نانوکامپوسیت منگتیت کبالت و گرافین اکساید

اب و فاضلاب و وزارت نیرو

جذب سطحی:فرایندی است که در جریان آن مولکولها به سطح جسمی جامد می چسبند.بانیروهای سست بلند برد مانندنیروی واندروالسی آغاز و با نیروهای کوتاه برد مانند یونی و فلزی پایان می یابد.

گرافن اکساید:ماده ای دو بعدی است که به صورت تک لایه،با ساختار شش ضلعی و کریستالی ساخته شده است و بر روی صفحاتش،گروه های اکسیژنی وجود دارد.

تجربی-آزمایشگاهی

نمونه های سنتیک ساخته شده در آزمایشگاه

طراحی آزمایشات بصورت سیستم RSM انجام خواهد شد که برابر با 29 ران خواهد بود 

سطح مورد مطالعه برای دما بین 30 تا 90 دقیقه

برای پی اچ بین 3 تا 11

برای غلظت دیازینون بین 5 تا 50 میلی گرم در لیتر

برای دوز جاذب بین 0.2 تا 0.6 گرم در لیتر

روش نمونه گیری نمونه های سینتیک ساخته شده در آزمایشگاه

در آزمایشگاه و با استفاده از نمونه‌های سینتیک ساخته شده محلول نهایی توسط اسپکتروفتومتر تعیین مقدار می‌شود.

شرح آزمایش: این مطالعه از نوع تجربی- کاربردی می‌باشد که به صورت ناپیوسته در مقیاس آزمایشگاهی، در دمای محیط آزمایشگاه انجام خواهد گرفت. در این آزمایش کلیه مواد شیمیایی ساخت شرکت سیگما با گرید آزمایشگاهی و درجه خلوص بالا  مورد استفاده قرار خواهد گرفت.  عمل هم زنی نمونه ها با استفاده از همزن مغناطیسی با سرعت 180 دور در دقیقه انجام خواهد شد. جهت تنظیم pH از اسیدکلریدریک و سود یک دهم نرمال  استفاده خواهد شد.

مشخصات پایلوت:

راکتور از دو قسمت تشکیل شده است 1- محفظه اصلی (محفظه واکنش): که دارای حجم مفیدی برابر با 500 میلی لیتر خواهد بود که کل مراحل آزمایش در آن انجام خواهد گرفت. 2 – محفظه ثانویه: که محفظه اصلی را در بر گرفته و برای کاهش دمای حاصل از تابش لامپ UV، توسط جریان مداوم آب است. لامپ UV مستقیما در بالای محفظه واکنش قرار داده شد و دیواره خارجی راکتور توسط فویل آلومینیم پوشانده خواهد شد.

جهت تهیه محلول استوک مقدار 1 گرمدیازینون در یک لیتر آب مقطر حل خواهد شد تا غلظت 1000 میلی گرم در لیتر بدست بیاید و سپس با رقیق سازی محلول استوک غلظت های دیگر نیز تهیه خواهد شد.  نمونه  تهیه شده درون یخچال نگهداری خواهد شد. جهت کاهش خطای آزمایشگاهی محلول استوک  به صورت هفتگی تهیه می شود.

از محلول استوک جهت تهیه غلظت های میانی استفاده خواهد شد آزمایشات در چند مرحله زیر اجرا خواهد شد.

تعیین pH بهینه : در این مرحله با ثابت نگه داشتن متغیرهای دوز نانو ذره، زمان تماس، غلظت دیازینون  و شدت لامپ UV و تنظیم pH نمونه در رنج های (3 تا 11)، اثر PH  را در حذف دیازینون بررسی خواهد شد. با استفاده از محلول استوک، غلظت 25 میلی گرم در لیتر را تهیه نموده، داخل بشر ریخته و درون راکتور قرار خواهیم داد. pH را با استفاده از اسید کلریدریک و سود تنظیم نموده و مقدار گرم نانو را اضافه نموده و در معرض لامپ UV با شدت 15 وات در زمان تماس 60 دقیقه قرار خواهیم داد. در انتهای زمان ماند، مقدار باقیمانده ی دیازینون اندازه‌گیری خواهد شد

تعیین دوز بهینه پس از تعیین pH بهینه، غلظت 25 میلی گرم در لیتر دیازینون را از محلول استوک تهیه خواهیم نمود و pH را با استفاده از اسید کلریدریک یا سود در حد pH بهینه بدست آمده از مرحله قبل تنظیم نموده و مقادیر مختلف نانو در نمونه های تهیه شده اضافه کرده و در راکتور قرار خواهیم داد و در معرض لامپ UV با شدت 15 وات و در زمان تماس 60 دقیقه قرار خواهیم داد. در انتهای زمان ماند مشخص شده، غلظت آنتی بیوتیک خروجی را تعیین می نماییم. که در این شرایط نقطه ای که دارای بیشترین درصد حذف باشد بعنوان نقطه بهینه انتخاب خواهد شد.

تعیین زمان تماس بهینه: در این مرحله با استفاده از pH بهینه و نانوذره بدست آمده از مراحل قبل و متغیر گرفتن زمان تماس، زمان تماس بهینه را بدست خواهیم آورد. همانند مراحل قبل از محلول استوک و 25 میلی گرم در لیتر آنتی بیوتیک تهیه خواهیم کرد و در داخل بشر ریخته و با استفاده از اسید کلریدریک و سود، pH را به حد بهینه خواهیم رساند و مقدار بهینه نانو ذره را به آن اضافه کرده، در داخل راکتور قرار خواهیم داد و در زمان تماس های مختلف در معرض لامپ UV قرار خواهیم داد. برای هر زمان به همین طریق عمل کرده و در نهایت با استفاده از تعیین دیازینون خروجی زمان بهینه که برابر با بیشترین حذف باشد را انتخاب می کنیم

 تعیین غلظت بهینه دیازینون  در این مرحله با ثابت در نظر گرفتن pH ، دوز نانوذره و زمان تماس بهینه بدست آمده در مراحل قبل، میزان غلظت بهینه آنتی‌بیوتیک را بدست می آوریم. به این ترتیب که، غلظتهای مختلف ازدیازینون را تهیه خواهیم کرد و متغیرهای ثابت را بر روی آنها اعمال می‌کنیم و بعد از قرار دادن نمونه ها در راکتور حاوی UV  با زمان تماس بهینه قرار خواهیم داد.

تعیین توان تابشی بهینه: در این مرحله با ثابت در نظر گرفتن pH ، دوز نانوذره، غلظت بهینه دیازینون و زمان تماس بهینه بدست آمده در مراحل قبل، میزان توان بهینه تابش فرابنفش را بدست خواهیم آورد. به این ترتیب که، غلظت دیازینون بهینه را خواهیم ساخت و متغیرهای ثابت را بر روی آنها اعمال خواهیم کرد  و بعد از قرار دادن نمونه در راکتور با زمان تماس بهینه، در معرض تابش اشعه ماورا فرابنفش به ترتیب با توان تابشی 8 و 15 و 30 وات قرار خواهد گرفت.

برای تعیین طول موج مناسب با استفاده از غلظت معین دیازینون ، بهترین طول موج انتخاب خواهد شد. با استفاده از منحنی استاندارد و فرمول زیر، میزان راندمان حذف دیازینون را محاسبه می کنیم و بالاترین عدد را به عنوان بهینه متغیر هر مرحله در نظر می‌گیریم.

               η = C0-C1/C0×100                                                                      

C0: غلظت ورودی دیازینون

C0: غلظت خروجی  دیازینون

η :درصد راندمان حذف دیازینون

پس از انجام فرایند در هر مرحله، نمونه‌های حاصل مورد آزمایش قرار خواهد گرفت و مقداردیازینون بر حسب خود دیازینون وCOD بدست خواهد آمد. در نهایت نمودار های مربوطه بر حسب درصد حذف رسم خواهد شد. همچنین با توجه به تکرار نمونه ها از معیارهای پراکندگی مثل میانگین و انحراف معیار داده ها استفاده خواهد شد 

ندارد

1.         Sajjadi S, Khataee A, Bagheri N, Kobya M, Şenocak A, Demirbas E, et al. Degradation of diazinon pesticide using catalyzed persulfate with Fe3O4@ MOF-2 nanocomposite under ultrasound irradiation. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2019;77:280-90.

2.         Zhang H, Qiao J, Li G, Zhang M, Li S, Wang J, et al. Construction of coated Z-scheme Pd-BaZrO3@ WO3 composite with enhanced sonocatalytic activity for diazinon degradation in aqueous solution. Science of The Total Environment. 2019;663:97-109.

3.         Tabasideh S, Maleki A, Shahmoradi B, Ghahremani E, McKay G. Sonophotocatalytic degradation of diazinon in aqueous solution using iron-doped TiO2 nanoparticles. Separation and purification technology. 2017;189:186-92.

4.         Vera M, Nyanhongo GS, Guebitz GM, Rivas BL. Polymeric microspheres as support to co-immobilized Agaricus bisporus and Trametes versicolor laccases and their application in diazinon degradation. Arabian Journal of Chemistry. 2020;13(2):4218-27.

5.         Ayoubi-Feiz B, Mashhadizadeh MH, Sheydaei M. Degradation of diazinon by new hybrid nanocomposites N-TiO2/Graphene/Au and N-TiO2/Graphene/Ag using visible light photo-electro catalysis and photo-electro catalytic ozonation: Optimization and comparative study by Taguchi method. Separation and Purification Technology. 2019;211:704-14.

6.         Eskandari N, Nabiyouni G, Masoumi S, Ghanbari D. Preparation of a new magnetic and photo-catalyst CoFe2O4–SrTiO3 perovskite nanocomposite for photo-degradation of toxic dyes under short time visible irradiation. Composites Part B: Engineering. 2019;176:107343.

7.         Hanh NT, Van Thuan D, Khai NM, Thuy PT, Hang TTM, Vy NHT, et al. Synthesis of Co3O4 coated on N, S doped TiO2 for novel photocatalytic degradation of toxic organic pollutant in aqueous environment. Ceramics International. 2020;46(13):21610-6.

8.         Tariq N, Fatima R, Zulfiqar S, Rahman A, Warsi MF, Shakir I. Synthesis and characterization of MoO3/CoFe2O4 nanocomposite for photocatalytic applications. Ceramics International. 2020;46(13):21596-603.

9.         Mahdikhah V, Saadatkia S, Sheibani S, Ataie A. Outstanding photocatalytic activity of CoFe2O4/rGO nanocomposite in degradation of organic dyes. Optical Materials. 2020;108:110193.

10.       Dutta V, Sharma S, Raizada P, Hosseini-Bandegharaei A, Gupta VK, Singh P. Review on augmentation in photocatalytic activity of CoFe2O4 via heterojunction formation for photocatalysis of organic pollutants in water. Journal of Saudi Chemical Society. 2019;23(8):1119-36.

11.       Park CM, Kim YM, Kim K-H, Wang D, Su C, Yoon Y. Potential utility of graphene-based nano spinel ferrites as adsorbent and photocatalyst for removing organic/inorganic contaminants from aqueous solutions: a mini review. Chemosphere. 2019;221:392-402.

12.       Ghadari R, Namazi H, Aghazadeh M. Synthesis of graphene oxide supported copper–cobalt ferrite material functionalized by arginine amino acid as a new high–performance catalyst. Applied Organometallic Chemistry. 2018;32(1):e3965.

13.       Pourzamani H, Jafari E, Rozveh M, Mohammadi H, Rostami M, Mengelizadeh N. Degradation of ciprofloxacin in aqueous solution by activating the peroxymonosulfate using graphene based on CoFe2O4. Desalination and Water Treatment. 2019;167:156-69.

14.       Mengelizadeh N, Mohseni E, Dehghani MH. Heterogeneous activation of peroxymonosulfate by GO-CoFe2O4 for degradation of reactive black 5 from aqueous solutions: Optimization, mechanism, degradation intermediates and toxicity. Journal of Molecular Liquids. 2021;327:114838.

15.       Devi LG, Srinivas M. Hydrothermal synthesis of reduced graphene oxide-CoFe2O4 heteroarchitecture for high visible light photocatalytic activity: Exploration of efficiency, stability and mechanistic pathways. Journal of environmental chemical engineering. 2017;5(4):3243-55.

16.       He H-Y, Lu J. Highly photocatalytic activities of magnetically separable reduced graphene oxide-CoFe2O4 hybrid nanostructures in dye photodegradation. Separation and Purification Technology. 2017;172:374-81.

17.       Gan L, Shang S, Yuen CWM, Jiang S-x, Hu E. Hydrothermal synthesis of magnetic CoFe2O4/graphene nanocomposites with improved photocatalytic activity. Applied surface science. 2015;351:140-7.

18.       Wang H, Niu J, Long X, He Y. Sonophotocatalytic degradation of methyl orange by nano-sized Ag/TiO2 particles in aqueous solutions. Ultrasonics Sonochemistry. 2008;15(4):386-92.

ندارد