تولید فتوکاتالیستی هیدروژن از پساب صنعتی حاوی آلاینده های آلی توسط نانوکامپوزیت TiO2/ZrO2

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 11، دوره 9، شماره 34 - شماره پیاپی 2، بهمن 1397، صفحه 147-154   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

حسن کوهستانی^*

استادیار، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

تاریخ دریافت: 01 بهمن 1396،  تاریخ بازنگری: 30 فروردین 1397،  تاریخ پذیرش: 11 بهمن 1397 

چکیده

در این مقاله، تولید هیدروژن همزمان با حذف آلاینده های آلی (متیل نارنجی و یون سیانید) از پساب صنعتی و توسط فتوکاتالیست TiO2-10%ZrO2 با موفقیت انجام شد. این تحقیق جهت نیل به دو هدف تولید هیدروژن بعنوان یک سوخت تجدیدپذیر و پارک و نیز حذف آلاینده های موجود در پساب های صنعتی صورت گرفته است. با توجه به اینکه این کامپوزیت در مقاله قبلی سنتز شده است، تاکید اصلی بررسی اثر متغیرهای عملیاتی مانند غلظت آلاینده، pH محلول و زمان تابش می باشد. نتایج نشان داد که فعالیت فتوکاتالیستی کامپوزیت TiO2-10%ZrO2 با افزایش pH کاهش می یابد و کاربرد آن به pHهای اسیدی محدود می شود. غلظت آلاینده ها اثر مهمی بر نرخ تولید هیدروژن داشته است به گونه ای که اثر این عامل بر نرخ تولید هیدروژن با مدل سینتیکی لانگمیر-هنشلوود همخوانی دارد. در واقع بهبود فعالیت فتوکاتالیستی در تولید هیدروین می تواند به کاهش بازترکیب الکترون-حفره از طریق مصرف حفره توسط آلاینده توجیه شود. از این طریق به راحتی الکترون برای احیای هیدروژن قرار خواهد گرفت. به همین دلیل در ابتدای زمان تابش، نرخ تولید هیدروژن بالا بوده و با کاهش غلظت آلاینده نرخ تولید هیدروژن کاهش می یابد. در ضمن نتایج نشان داد که در شرایط آزمایشگاهی خاصی، بهبود چشمگیری در نرخ تولید هیدروژن توسط TiO2-10%ZrO2 همزمان با حذف متیل نارنجی و یون سیانید ایجاد می شود.

کلیدواژه‌ها

تولید هیدروژن؛ یون سیانید؛ پساب صنعتی؛ TiO2-ZrO2؛ حذف همزمان

عنوان مقاله [English]

Photogeneration of hydrogen from industrial wastewater containing organic pollutants by using TiO2/ZrO2 nanocomposite

نویسندگان [English]

Hassan Koohestani

Faculty of Materials and Metallurgical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.

چکیده [English]

The simultaneous production of hydrogen and degradation of organic pollutants (methyl orange and cyanide ion) was successfully achieved using TiO2-10%ZrO2 photocatalyst which was synthesized in our previous study. With this catalyst, the degradation of methyl orange (or cyanide ion) was accompanied by the concurrent production of H2. The effects of operational variables, including pollutant concentration, solution pH and irradiation time, on the rate of hydrogen production were investigated. The activity of TiO2-10%ZrO2 gradually decreased with increasing pH, which makes its application of limited to the acidic pH region. The effect of concentration of the pollutants on the hydrogen generation rate is consistent with a Langmuir-Hinshelwood kinetic model. The enhanced photocatalytic activity could be explained in terms of reduced electron-hole recombination via hole consumption by pollutants. It is concluded that, under certain experimental conditions, it is possible to obtain significantly enhanced rates of photoinduced hydrogen production from TiO2-10%ZrO2 with simultaneous degradation of methyl orange and cyanide ion.

کلیدواژه‌ها [English]

Hydrogen production, TiO2-ZrO2, industrial wastewater, cyanide ion, simultaneous degradation

مراجع

References:

1.   Patsoura, A., D.I. Kondarides, and X.E. Verykios, Photocatalytic degradation of organic pollutants with simultaneous production of hydrogen. Catalysis Today, 2007. 124(3): p. 94-102.

2.   Chatterjee, D. and S. Dasgupta, Visible light induced photocatalytic degradation of organic pollutants. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 2005. 6(2): p. 186-205.

3.   Koohestani, H. and S.K. Sadrnezhaad, Photocatalytic Activity of Immobilized Geometries of TiO2. Journal of Materials Engineering and Performance, 2015. 24(7): p. 2757-2763.

4.   Patsoura, A., D.I. Kondarides, and X.E. Verykios, Enhancement of photoinduced hydrogen production from irradiated Pt/TiO2 suspensions with simultaneous degradation of azo-dyes. Applied Catalysis B: Environmental, 2006. 64(3): p. 171-179.

5.   Li, Y., G. Lu, and S. Li, Photocatalytic transformation of rhodamine B and its effect on hydrogen evolution over Pt/TiO2 in the presence of electron donors. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2002. 152(1): p. 219-228.

6.   Zheng, X.-J., et al., Research on photocatalytic H2 production from acetic acid solution by Pt/TiO2 nanoparticles under UV irradiation. International Journal of Hydrogen Energy, 2009. 34(22): p. 9033-9041.

7.   Zieliñska, B., E. Borowiak-Palen, and R.J. Kalenczuk, Photocatalytic hydrogen generation over alkaline-earth titanates in the presence of electron donors. International Journal of Hydrogen Energy, 2008. 33(7): p. 1797-1802.

8.   Kiwi, J. and M. Grätzel, Optimization of conditions for photochemical water cleavage. Aqueous platinum/TiO2 (anatase) dispersions under ultraviolet light. The Journal of Physical Chemistry, 1984. 88(7): p. 1302-1307.

9.   Kim, J., Y. Park, and H. Park, Solar Hydrogen Production Coupled with the Degradation of a Dye Pollutant Using TiO2 Modified with Platinum and Nafion. International Journal of Photoenergy, 2014. 2014.

10. Wang, X. and X.-y. Li, Photocatalytic hydrogen generation with simultaneous organic degradation by a visible light-driven CdS/ZnS film catalyst. Materials Science and Engineering: B, 2014. 181: p. 86-92.

11. Koohestani, H. and S.K. Sadrnezhaad, Photocatalytic degradation of methyl orange and cyanide by using TiO2/CuO composite. Desalination and Water Treatment, 2016. 57(46): p. 22029-22038.

12. Koohestani, H. and S.K. Sadrnezhaad, Improvement in TiO2 photocatalytic performance by ZrO2 nanocompositing and immobilizing. Desalination and Water Treatment, 2016. 57(58): p. 28450-28459.

13. Li, Y., G. Lu, and S. Li, Photocatalytic production of hydrogen in single component and mixture systems of electron donors and monitoring adsorption of donors by in situ infrared spectroscopy. Chemosphere, 2003. 52(5): p. 843-850.

14. Li, Y., G. Lu, and S. Li, Photocatalytic hydrogen generation and decomposition of oxalic acid over platinized TiO2. Applied Catalysis A: General, 2001. 214(2): p. 179-185.

15. Kim, J., D. Monllor-Satoca, and W. Choi, Simultaneous production of hydrogen with the degradation of organic pollutants using TiO2 photocatalyst modified with dual surface components. Energy & Environmental Science, 2012. 5(6): p. 7647-7656.

16. Konstantinou, I.K. and T.A. Albanis, TiO2-assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations: a review. Applied Catalysis B: Environmental, 2004. 49(1): p. 1-14.

17. Koohestani, H., Photocatalytic removal of chromium (VI) by using TiO2 nanoparticles in the presence of cyanide. Scientific Journal Management System, 2018. 10(33): p. 31-38.

18. Li, Y., et al., Photocatalytic hydrogen generation in the presence of glucose over ZnS-coated ZnIn2S4 under visible light irradiation. international journal of hydrogen energy, 2010. 35(13): p. 7116-7126.