0,1 ! ( )journal.rums.ac.ir/article-1-3367-fa.pdf · 0,1 ! ( ) ... Title

پژوهشیمقاله

رفسنجان کیمجله دانشگاه علوم پزش

1133- 1146 ،1395 اسفند، 15 دوره

رفیتی توسط نانوذرات سبز آهن در ظبررسی احیاي فتوکاتالیستی کروم شش

: یک مطالعه آزمایشگاهیهاي آبیمحلول

5کامیار یغماییان، 4محمدي، محمود علی3زادهرامین نبی ،2، رسول خسروي1صمديزهرا

4/12/95 پذیرش مقاله: 1/12/95 دریافت اصالحیه از نویسنده: 24/8/95 ارسال مقاله به نویسنده جهت اصالح: 26/4/95 دریافت مقاله:

چکیده

زا براي زا و جهشعنوان عاملی سرطانکه به است یسم)، یک آالینده بسیار Cr(VI)ظرفیتی (کروم شش زمینه و هدف:

. بنابراین، هدف این استهاي مطرح جهت حذف این آالینده ت. احیاي فتوکاتالیستی یکی از روشانسان شناخته شده اس

عنوان موادي دوستدار محیط زیست، جهت احیاي فتوکاتالیستی مطالعه بررسی اثر کاتالیزوري نانوذرات سبز آهن، به

)VI(Cr استاز فاضالب سنتتیک بوده.

به همراه ml 400که با استفاده از یک راکتور ناپیوسته با حجم مفید استزمایشگاهی این مطالعه از نوع آها: مواد و روش

. نانوذرات آهن به کمک عصاره برگ درخت زرشک و کلرید آهن سنتز گردید؛ شده استانجامفشار متوسط UVCالمپ

)، دوز 10 -2( pHاثر متغیرهاي بررسی گردید. در این مطالعه VI)Crسپس کارایی آنها در فرایند احیاي فتوکاتالیستی (

)، مورد بررسی قرار گرفت. mg/l200-10اولیه VI(Cr )(دقیقه) و غلظت 2- 15واکنش ()، زمان g/l 375/0 -0کاتالیست (

مشخص گردید. تجزیه و تحلیل نتایج توسط Transmission Electron Microscope (TEM)، توسط آنالیز نانوذراتاندازه

م گرفت.افزار اکسل انجانرم

. استنانومتر 40تا 20و اندازه آنها بین بوده استآمیز نشان داد که تولید نانوذرات سبز آهن موفقیت TEMآنالیز ها:یافته

pH ،کروم (آمد. بهترین شرایط براي فرایند، در غلظت به دست 2بهینه فرایندVI (50 گرم بر لیتر، با دوز کاتالیست میلی

گزارش گردید. سینتیک واکنش %100آمد و راندمان حذف در این شرایط به دستدقیقه 15زمان گرم بر لیتر و 375/0

کرد.فتوکاتالیستی از معادله سینتیک درجه دوم پیروي می

از فاضالب VI(Cr(نتایج نشان داد نانوذرات سبز آهن، کاتالیستی کارآمد در فرایند احیاي فتوکاتالیستی گیري:نتیجه

سنتتیک است.

هاي آبی، محلولظرفیتی، نانو ذرات سبز آهنلیستی، کروم ششتافتوکا ياحیا هاي کلیدي:واژه

هداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایرانبکارشناسی ارشد مهندسی دانشجوي -1

بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی بیرجند، بیرجند، ایرانمربی گروه مهندسی عضو مرکز تحقیقات عوامل اجتماعی مؤثر بر سالمت، -2

دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایراناستاد گروه مهندسی بهداشت محیط، -3

دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایراندانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط، -4

دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایراندانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط، یسنده مسئول) (نو -5

[email protected]پست الکترونیک: 021- 88950188دورنگار: 021-88954914تلفن:

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020

http://journal.rums.ac.ir/article-1-3367-fa.html

... هاي آبیرفیتی توسط نانوذرات سبز آهن در محلولظبررسی احیاي فتوکاتالیستی کروم شش 1134

1395، سال 12، شماره 15دوره رفسنجان کیمجله دانشگاه علوم پزش

مقدمه

هاي فلزي سمی است که در کروم یکی از آالینده

فاضالب صنایع مختلفی مانند تولید فوالد، آبکاري،

هاي مختلفی . کروم به شکل]1[دباغی، چرم، وجود دارد

ترین سمی Cr(VI)رد که هاي آبی وجود دادر محلول

.]1[ استشکل آن بوده و بسیار سمی و متحرك

ها و براي گیاهان، حیوانات، باکتري Cr(VI) باتیترک

هایی مانند آلرژي، انسان مضر هستند و باعث آسیب

گردد و اگزما، ناراحتی و اختالل مسیر تنفسی و ... می

، سمیت بیشتر آن در انسان، به دلیل ایجاد سرطان ریه

جلوگیري منظوربه. بنابراین، ]2[ استکلیه، معده و کبد

از تأثیر آن، بر کیفیت آب آشامیدنی و سالمت عمومی،

قبل از تخلیه به محیط به سطحی Cr(VI)باید غلظت

برسد. قبولقابل

هاي مختلفی جهت حذف این فلز سنگین تاکنون روش

تبادل اند که عبارتند از: ترسیب شیمیایی، استفاده شده

یونی، تفکیک غشایی، اسمز معکوس، الکترودیالیز، جذب

در این میان، .]4[ي فتوکاتالیستی ندهایفراو ] 3[

، اقتصادي کارآمدعنوان روشی فرایندهاي فتوکاتالیستی به

و دوستدار محیط زیست از پتانسیل باالیی براي تجزیه

هاي فلزات هاي آلی و احیاي فتوکاتالیستی یونرنگ

که . در این فرایند، هنگامی]5[برخوردار است سنگین

گیرد قرار میUV ماده کاتالیزور تحت تابش نور

شوند و به هاي آن، از مدار ظرفیت خارج میالکترون

هاي برانگیخته، از روند. الکترونحالت برانگیخته می

توانند باعث احیاي قابلیت احیاي باالیی برخوردارند و می

تواند با استفاده از می Cr(VI). ]6[د گردن هاندهیآال

به کروم زیر صورتبهقابلیت احیاکنندگی کاتالیزور

) که سمیت بسیار کمتري نسبت به Cr(III)ی (تیظرفسه

Cr(VI) ،احیا گردد.دارد

-27O2Cr+14H +O + 22Cr(III) + 7H 6 electrons

1.33 eV ]7[

Cr(III) درpHو ]8[ استنامحلول باًیتقري طبیعی ها

از 3Cr(OH) صورتبهی توسط فرایند ترسیب و راحتبه

.]9[گردد محیط خارج می

بنابراین استفاده از کاتالیست مناسب در این فرایند از

. نانوذره آهن صفر ]10[ استاي برخوردار اهمیت ویژه

پذیري ذاتی و سطح ویژه باالیی به دلیل واکنش ظرفیتی

دي را در این زمینه به خود که دارد، توجه محققین زیا

تاکنون به . تهیه این نانوذره،]11[جلب کرده است

هاي مختلفی صورت گرفته است که از جمله این روش

هاي، سنتز کربوترمال، استفاده از توان به روشها میروش

سیتریک اسید و کیتوزان و بورهیدرید اشاره کرد. نانوذره

ل وجود نیروي هاي فوق، به دلیشده به روشسنتز

هاي آن تمایل واندروالس و مغناطیسی بین مولکول

زیادي به تجمع دارد که این خود، مانع پخش نانوذره در

آن به سمت آالینده و در نهایت کاهش محلول و حرکت

.]12[گردد نانوذره می مؤثرکارایی

توجه این نانوذره روش سنتز سبز جهت تولید راًیاخ

این روش . در کرده استخود جلب محققین زیادي را به

، قند، عصاره گیاهان، هانیتامیواز مواد طبیعی، مانند

هاسمیکروارگانیمپلیمرهاي قابل تجزیه بیولوژیکی و

عنوان عامل کاهنده و پوشش براي تولید نانو ذرات به

رسد که مواد با گردد. در این میان، به نظر میاستفاده می

نه مناسب براي بیوسنتز نانوذرات پایه گیاهی، بهترین گزی

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020


1135 رانو همکا زهرا صمدي


در این روش از عصاره .]11[در مقیاس بزرگ باشند

جهتی باال دانیاکسیآنتمحصوالت طبیعی با ظرفیت

؛ ترکیبات موجود در این شودیمسنتز سبز استفاده

دهد و نانوذره آهن واکنش می محلول )III(عصاره با آهن

.]13[دهد صفر ظرفیتی را تشکیل می

بودن یسمتوان به غیرجمله مزایاي این روش می از

براي موجودات زنده و تهیه کاررفتهبهعصاره گیاهان

و دوستدار محیط زیست و ریدپذیتجدنانوذرات از مواد

گیاهان .]14[حل مشکل تجمع نانوذره اشاره کرد

مختلفی که تاکنون براي ساخت نانو ذرات به روش سنتز

توان به برگ که براي نمونه می اندشدهسبز استفاده

، گیاه اکالیپتوس ]13[درخت انار، بلوط و چاي سبز

اشاره کرد. ولی تاکنون ] 16[و زنجبیل ]12[، نعنا ]15[

سنتز این نانوذره استفاده منظوربهاز برگ درخت زرشک

استان در یبومنگردیده است. درخت زرشک یک گیاه

عنوان زائد رخت بههاي این دو برگ استخراسان جنوبی

منظوربهگردد و استفاده از برگ این درخت محسوب می

تواند موجب کاهش هزینه تولید می نانوذرهسنتز سبز

نانوذره گردد.

هاي و همکاران نشان داد که نانوذره Shahwanمطالعه

شده به روش سبز، ساختار و مرفولوژي متفاوتی با سنتز

یایی دارند و همچنین شده به روش شیمنانوذرات سنتز

شده به روش سبز راندمان چشمگیري از سنتز نانوذرات

نظر میزان حذف و سینتیک دارند و کاربرد این نانوذرات

عنوان کاتالیست در فرایند فنتون کاتالیزوري حذف به

تري را نشان رنگ، درصد حذف باالتر و سینتیک سریع

ررسی کارایی ب منظوربهي امطالعه. اما تاکنون ]17[داد

انجام )VI(این نانوذرات در حذف فتوکاتالیستی کروم

نگرفته است.

بنابراین در این مطالعه از برگ درخت زرشک، جهت

بررسی با هدف تولید نانوذره آهن به روش سنتز سبز،

این ظرفیتی توسط احیاي فتوکاتالیستی کروم شش

استفاده گردیده است. هاي آبیدر محلول نانوذره

هااد و روشمو

این مطالعه از نوع آزمایشگاهی بوده و در آزمایشگاه

محیط دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی شیمی

انجام شده است. ابتدا برگ 1394بیرجند در سال

هاي کشاورزي اطراف شهر درخت زرشک، از زمین

زانیم سازي،آوري گردید و پس از آمادهبیرجند جمع

لیتر آب میلی 1000شد و به آن گرم از آن، وزن 60

گراد به درجه سانتی 80مقطر اضافه گردید و در دماي

، پس آمدهدستبهساعت حرارت داده شد. عصاره 1مدت

میکرون، 45/0( خألاز رسیدن به دماي محیط از صافی

1/0ساخت کشور آلمان) عبور داده شد و با محلول

زرشک: کلرید عصاره 1به 4موالر کلرید آهن، با نسبت

آهن، مخلوط و به مدت یک ساعت، توسط دستگاه

ساخت کشور ،Elmasonic E 30Hمدل (اولتراسونیک

دهندهنشانبه هم زده شد. ظهور رنگ تیره، )آلمان

عنوان . نانوذرات تولیدي به]14[ تولید نانوذرات بود

کاتالیست، در فرایند احیاي فتوکاتالیستی کروم

هاي آبی استفاده گردید.لظرفیتی از محلوشش

لیتر و میلی 400راکتور آزمایشگاهی با حجم مفید

فشار متوسط (شرکت فیلیپس) با توان UVCالمپ

) براي واکنش فتوکاتالیستی 1وات، (شکل 18 یاسم

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




مورد استفاده قرار گرفت. طول موج تولیدي این المپ،

ساعت و داراي 8000نانومتر، طول عمر آن 7/253

در فاصله یک مترمربعوات بر 294تا 282ابش شدت ت

متر، طول سانتی 1/20، داراي UVCمتر بود. المپ سانتی

متر و سانتی 5بود و درون غالفی از جنس کوارتز به قطر

در مرکز راکتور قرار گرفته بود. این راکتور در دماي

دماي داشتننگهثابت منظوربهکرد و محیط کار می

در محیط خارجی راکتور کنندهخنکن آب نمونه، از جریا

استفاده گردید.

، از محلول Cr(VI)هاي مختلف تهیه غلظت منظوربه

گرم بر لیتر دي کرومات پتاسیم، میلی 1000استوك

بیترت نیا بهساخت شرکت مرك آلمان استفاده گردید؛

گرم از دي کرومات پتاسیم 8292/2ابتدا مقدار که

ساخت کشور ،HR-200مدل ( مخصوصتوسط ترازوي

ژاپن) وزن شده و سپس در یک بالن یک لیتري، توسط

لیتر رسانده شد و 1تقطیر، به حجم دو بارآب مقطر

از روي محلول استوك تهیه موردنظرهاي سپس غلظت

400 هاشیآزماي گردید. براي انجام سازقیرقشد و

داخل به موردنظربا غلظت شدههیتهلیتر از محلول میلی

عنوان کاتالیست تولیدي به نانوذرهراکتور منتقل گردید و

گرم بر لیتر) به نمونه 125/0- 0/ 375با غلظت مشخص (

اضافه شده و بالفاصله راکتور فعال گردید. پس از گذشت

میکرون 42/0توسط صافی هانمونه، موردنظرزمان

(ساخت کشور آلمان) صاف گردید و سپس براي سنجش

.]18[ظرفیتی مورد استفاده قرار گرفت روم ششمیزان ک

با بررسی مطالعات صورت گرفته، مشخص شد که

pHبر فرایند فتوکاتالیستی مؤثرین متغیرهاي ترمهم

کروم محلول اولیه، غلظت فتوکاتالیست، غلظت اولیه

)VI( نیز از طریق رهایمتغمحدوده .استو زمان واکنش

تعیین گرفتهانجامات تست و بررسی مطالعانجام پري

محلول اولیه با دامنه pHگردید. بنابراین در این مطالعه،

)، دوز کاتالیست 2- 3- 4- 7-6-5- 10-9-8( 10-2

0، 125/0 - 25/0 -375/0بر لیتر ( گرم 375/0- 125/0

2- 5 -10- 15دقیقه ( 2- 15گرم بر لیتر)، زمان واکنش

و 200(گرم بر لیتر میلی 10-200و غلظت اولیه دقیقه)

گرم بر لیتر)، مورد بررسی میلی 25-10 - 50- 75 -100

صورتبههاي در هر مرحله . آزمایش]18- 19[قرار گرفت

و تغییر دادن یکی از آنها پارامترهاهمه داشتننگهثابت

انجام گرفت. براي اطمینان از نتایج، هر مرحله از آزمایش

از دو بار تکرار و میانگین نتایج گزارش شد و پس

آمدن بهترین شرایط در هر به دستمحاسبه راندمان و

. ]18[مرحله، مقدار بهینه متغیرها مشخص گردید

انجام گرفت. 1محاسبه راندمان فرایند توسط رابطه

:رابطه 1

به ترتیب برابر غلظت اولیه و نهایی tC و 0Cکه در آن

Cr(VI) 19[ است گرم بر لیترمیلی برحسب[.

با Cr(VI)واکنش لهیوسبهظرفیتی غلظت کروم شش

کاربازاید در شرایط اسیدي و سپس سنجش فنیلدي 5/1

توسط دستگاه جادشدهیاجذب محلول رنگی

شرکت Unico-UV 2100 UV/VISاسپکتروفتومتر (

و نانومتر تعیین گردید 540یونیکو آمریکا) در طول موج

Cr(III)به Cr(VI)ي اطمینان از احیا منظوربههمچنین،

ی موجود در تیظرفسهو تعیین میزان آن، غلظت کروم

پساب فاضالب سنتتیک خروجی از راکتور، در شرایط

شرایطی که در آن احیاي کامل غلظت مشخص ( نهیبه

Cr(VI) یاتماتفاق افتاده است)، با کمک دستگاه جذب

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




)Atomic absorption spectrophotometer varian 240

در کتاب شدهارائهي هاروشر آمریکا) و بر اساس کشو

گیري اندازه ]20[ي آب و فاضالب هاشیآزمااستاندارد

گردید.

TEMخصوصیات ظاهري و اندازه نانوذرات توسط آنالیز

تهیه تصویر منظوربهمشخص گردید. در این آنالیز

یک الیه صورتبهنانوذرات سبز آهن، نمونه (نانوذرات)

گرید مسی با پوشش کربن قرار داده شد و روينازك بر

در زیر میکروسکوپ الکترونی تحت بمباران الکترونی قرار

. این آزمون توسط دانشکده فنی دانشگاه ]12[گرفت

در این مورداستفادهتمام مواد تهران انجام گرفته است.

آزمایش محصول شرکت مرك آلمان بود و تجزیه و

انجام شد. 2007افزار اکسل توسط نرم هادادهتحلیل

تغییرات غلظت صورتبهسینتیک واکنش

کنندهنییتعو شودمیدر واحد زمان اشاره دهندهواکنش

باشند. در این مطالعه سینتیک سرعت واکنش می

نتیکی شبه درجه اول و دوم واکنش یمعادالت س

3و 2رابطه صورتبهفتوکاتالیستی بررسی گردیدند که

ن شده است.در زیر بیا

Ln(Ct/C0) = -k1t :رابطه 2

Ln((1/Ct) – (1/C0)) = k2t :رابطه 3

در )VI(به ترتیب غلظت کروم Ctو C0در این روابط

k2و k1دهند. یم) را نشان tواکنش (ابتدا و انتهاي زمان

ي واکنش درجه اول و درجه دوم هاثابتبه ترتیب

به ترتیب از روي شیب توانند یم k2و k1هستند. مقدار

Ln((1/Ct) – (1/C0))و tدر مقابل C0) Ln(Ct/نمودار

.]17[تعیین گردند tدر مقابل

اپیوسته و مشخصات آنن UVCشماتیک راکتور - 1 شکل

نتایج

نشان داده شده 1در شکل TEMنتایج مربوط به آنالیز

شود که نانوذرات نتایج مشخص می بر اساسکه است

باشند و کروي بوده و داراي ساختار پوسته و هسته می

.استنانومتر 40تا 20اندازه آنها بین

شده از نانوذرات سبز آهن گرفته TEMآنالیز تصویر -2 شکل

تولیدشده به کمک برگ درخت زرشک

در )VI( کروم ياولیه محلول بر کارایی احیا pHاثر

فرایند فتوکاتالیستی در حضور نانوکاتالیست سبز آهن

نشان داده شده است. 1م بر لیتر) در نمودار گر 125/0(

، راندمان حذف استکه در این نمودار مشخص طورهمان

؛) در شرایط اسیدي بیشتر بوده استVI( کروم

و برابر pH 2که حداکثر راندمان حذف، در طوريبه

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




در شرایط قلیایی، راندمان است اما درصد بوده 45/53

در اي پیدا کرده است و مالحظهفرایند کاهش قابل

درصد رسیده است. با توجه به 10بیشترین مقدار خود به

بهینه براي مراحل بعد pHعنوان به pH 2نتایج حاصله،

در نظر گرفته شد.

احیا راندماناثر تغییرات دوز نانوکاتالیست سبز آهن بر

طورهماننشان داده شده است. 2) در نمودار VIروم (ک

مشخص است، با افزایش مقدار 2که در نمودار

اي پیدا مالحظهنانوکاتالیست، راندمان احیا، افزایش قابل

راندمان حذف، در دوزهاي صفر، کهيطوربهکند می

67/3گرم بر لیتر به ترتیب برابر 375/0 و 25/0، 125/0

. استدرصد 100درصد و 91/81رصد، د 83/36درصد،

عنوانگرم بر لیتر به 375/0با توجه به نتایج غلظت

غلظت بهینه نانوکاتالیست براي مرحله بعد در نظر گرفته

شد.

اثر زمان واکنش فتوکاتالیستی بر راندمان احیا کروم

)VI( 375/0نانوکاتالیست سبز آهن با غلظت در حضور

دقیقه 15 و 10، 5، 2ي هازمانمدتگرم بر لیتر و در

، استمشخص 3که در نمودار طورهمان بررسی گردید.

با افزایش زمان تماس، کارایی فرایند افزایش یافته

8/47دقیقه برابر 2راندمان حذف در زمان کهيطوربه

درصد رسیده 100دقیقه، به 15و در زمان درصد بود

15فرایند، بهینهاست. با توجه به نتایج حاصله، زمان

دقیقه در نظر گرفته شد.

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




ظرفیتی بر راندمان بررسی اثر غلظت اولیه کروم شش

375/0دقیقه و در حضور 10، زمان pH 2احیاي آن، در

عنوان کاتالیست انجام گرم بر لیتر نانوذره سبز آهن به

؛ نتایج استمشخص 4نمودار که در طورهمانگرفت و

دمان حذف با افزایش غلظت کرومکاهش ران دهندهنشان

)VIگرم میلی 10در غلظت کهيطوربهباشد؛ ) اولیه می

درصد را شاهد هستیم و 68/99بر لیتر، راندمان حذف

یابد و با کاهش می جیتدربهبا افزایش غلظت، راندمان

گرم بر لیتر، به کمترین میلی 200 رسیدن به غلظت

سد.ردرصد می 92/28میزان خود، یعنی

طرح شبه درجه اول و دوم سینتیک واکنش احیاي

گرم بر لیتر میلی 50) با غلظت VIفتوکاتالیستی کروم (

الف و ب نمایش داده 5در نمودار زمانعنوان تابعی از به

، ضرایب استکه در نمودار مشخص طورهمانشده است.

) سینتیک شبه درجه اول و شبه درجه دوم به 2R( نییتع

باشند و بر اساس ضرایب می 99/0و 96/0برابر ترتیب

شود که در این نمودارها مشخص می آمدهدستبه تعیین

ب) بهتر دوم (ي آزمایشگاهی با واکنش درجه هاداده

) و ثابت سرعت واکنش 2Rهمخوانی دارند (میزان باالتر

)Kبه ترتیب ) نیز در معادله سینتیک درجه اول و دوم

.است 32/0و 27/0برابر

احیاي طرح شبه درجه اول واکنش (الف) - 5نمودار

(ب) طرح شبه درجه دوم واکنش . ) VI(کروم فتوکاتالیستی

.) VI(کروم احیاي فتوکاتالیستی

) در فرایند VIسرنوشت کروم ( نییمنظور تعبه

) موجود در پساب فرایند، IIIفتوکاتالیستی، غلظت کروم (

تهاي فرایند فتوکاتالیستی در شرایط بهینه و در ان

که نتایج نشان داد که به ازاي هر ي شدریگاندازه

گرم بر لیتر میلی 96/0، شدهحذف) VIگرم کروم (میلی

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




کند که ) تولید شده است. این نتایج ثابت میIIIکروم (

و در حضور نانوکاتالیست UV ) درون راکتور VIکروم (

) احیا شده III( کامل به کروم طوربه باًیتقرسبز آهن

صورتبهي قلیایی و خنثی هاpH) در IIIاست. کروم (

3Cr(OH) گردد.می نینشته سرعتبه

بحث

pH ي مهم در انجام فاکتورهااولیه محلول، یکی از

ظرفیتی است و واکنش احیاي فتوکاتالیستی کروم شش

سطحی کاتالیست و روند انتقال بر باراین به دلیل اثر آن،

کرومات در هاي ديباشد. یونمی ندهایفرار این الکترون د

زیر در تعادل هستند: صورتبهي آبی هامحلول

+ + 2H2−4↔ 2CrO−

4O ↔ 2HCrO2+ H2−7O2Cr

]21[

هاي کرومات در آب بستگی به هاي مختلف یونشکل

pH محلول دارد. درpHهاي ي اسیدي یونها−4HCrO و

2−7O2Cr لول هستند؛ در هاي غالب موجود در محگونه

پروتونه شده و شدتبهاین شرایط سطح کاتالیست هم

هاي که این خود باعث جذب یون استداراي بار مثبت

ي سطح کاتالیست و در نتیجه تسهیل بر روکرومات،

فرایند احیاي فتوکاتالیستی کروم شش به کروم سه

زیر صورتبهدر این شرایط شدهانجامگردد. واکنش می

است:

2−7O2Cr + 14 +H + 6 −

cbe ↔ 2 Cr (III) + 7 O 2H

]22[

شود؛ تر میسطح کاتالیست منفی مروربه pHبا افزایش

هاي کرومات موجود در بنابراین تمایل آن براي جذب یون

یابد که نتیجه آن، کاهش تدریجی روند محلول کاهش می

دلیل دیگر .است pHظرفیتی با افزایش احیاي کروم شش

باالتر ي هاpH) در VIراندمان احیاي کروم ( کاهش

ي سطح کاتالیست به شکلبر رو اشدهیاحرسوب کروم

3Cr(OH) 22 [باشدهاي فعال آن میو پوشاندن سایت-

21[ .Farzana و همکارش نیز در مطالعه خود به این

نتیجه رسیدند که راندمان احیاي فتوکاتالیستی کروم

)VI در ،(pH 2 را داشته است و با بیشترین مقدار

ي قلیایی به هاpHسیر آن کاهشی بوده و در pHافزایش

بر بار pHکمترین مقدار رسیده است و دلیل آن را اثر

سطحی کاتالیست و در نتیجه کاهش نیروي جاذبه

هاي کرومات موجود الکترواستاتیک بین کاتالیست و یون

با نتایج همچنین این نتایج .]19[ اندکردهدر محلول بیان

و همکاران مطابقت Machado توسط شدهانجاممطالعه

.]23[دارد

منظوربه، ازیموردنتعیین حداقل مقدار کاتالیست

رسیدن به حداکثر راندمان حذف یک آالینده، در مورد

هاي فتوکاتالیستی ضروري است. با توجه به نتایج واکنش

بسیار ریتأثنانوکاتالیست در باال، تغییرات مقدار شدهارائه

با افزایش دوز کهيطوربهزیادي بر راندمان دارد

گرم بر لیتر، راندمان 375/0 به 125/0نانوکاتالیست از

حاصل شده قهیدق 15 زمانمدتدرصد در 100 حذف

نانوذرات توجهقابلي و اثر کارآمد دهندهنشاناست که

لیستی کرومسبز آهن در کارایی فرایند احیاي فتوکاتا

)VI.است (

توجیه کرد که افزایش گونهنیاتوان این نتایج را می

هاي مقدار کاتالیست موجب افزایش تعداد الکترون

گردد و در نتیجه سطح تماس آالینده با می دشدهیتول

یابد و تعداد بیشتري از افزایش می دشدهیتولهاي الکترون

گردد که میی احیا تیظرفسهظرفیتی به کروم کروم شش

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




استنتیجه آن، افزایش راندمان فرایند فتوکاتالیستی

]22[ . Valari و همکاران نیز در تحقیقات خود به این

از P25-2TiOنتیجه رسیدند که با افزایش دوز کاتالیست

36) نیز از VIگرم بر لیتر، راندمان حذف کروم ( 4تا 5/0

ده دقیقه رسی 120 زمانمدتدرصد در 100درصد به

هاي فعال است و دلیل آن را افزایش تعداد سایت

اندکردهبا افزایش غلظت آن بیان زمانهمکاتالیست

100؛ با این تفاوت که در این مطالعه مقدار راندمان ]21[

گرم اتفاق افتاده است ولی در مطالعه 4درصد در دوز

شده به روش سبز در حاضر استفاده از نانوکاتالیست سنتز

د فتوکاتالیستی غلظت کاتالیست را به حداقل فراین

گرم 375/0درصد تنها با مصرف 100رسانده و راندمان

کاتالیست نانوذره سبز حاصل گردیده است.

Farzana خود به بررسی اثر و همکارش در مطالعه

هاي شده به دانهآغشته 2TiO تغییرات دوز کاتالیست

50غلظت با )VIکیتوزان، بر روند احیاي کروم (

دقیقه پرداختند و 60 زمانمدتگرم بر لیتر در میلی

نتایج نشان داد که با افزایش غلظت کاتالیست تا مقدار

، افزایش ازآنپسیابد و مشخص، راندمان نیز افزایش می

ی بر افزایش راندمان توجهقابل ریتأثغلظت کاتالیست

. اما در مطالعه حاضر، افزایش غلظت]19[نداشته است

گرم بر لیتر اثر 375/0به 125/0کاتالیست از

با کهيطوربهی بر راندمان حذف داشت؛ توجهقابل

گرم بر لیتر، کروم 375/0رسیدن غلظت کاتالیست به

)(VI 15 زمانمدتگرم بر لیتر در میلی 50با غلظت

کامل حذف گردیده است که این طوربهدقیقه

ت سبز آهن در احیاي قابلیت باالي نانوذرا دهندهنشان

.استظرفیتی کروم شش

مشاهده گردید که افزایش زمان 3نمودار با توجه به

گردد و بعد از گذشت تماس منجر به افزایش راندمان می

حاصل )VI( درصد کروم 100دقیقه، احیاي 15زمان

تواند مربوط به افزایش تعداد گردید که دلیل آن می

با افزایش زمان تماس مانزهم، دشدهیتولهاي الکترون

نور با سطح کاتالیست و در نتیجه افزایش سرعت احیاي

و همکاران در مطالعه خود Das .]24باشد [ )VIکروم (

به این نتیجه رسیدند که با افزایش زمان تابش نور به

ساعت راندمان احیاي فتوکاتالیستی کروم 4بیشتر از

)VI به مقدار ثابتی تاًینها) نیز افزایش یافته است و

رسیده است و با مطالعه حاضر همخوانی دارد

]24[.Valari و همکاران در مطالعه خود موفق به حذف

گرم بر لیتر، در میلی 50با غلظت )VIدرصد کروم ( 100

، مورداستفادهدقیقه توسط کاتالیست 120 زمانمدت

ن ، با این تفاوت که در مطالعه اخیر راندما]21[ انددهیگرد

درصد 100کمتري به زمانمدتدر )VIحذف کروم (

ی در افزایش توجهقابلرسیده و افزایش زمان تماس، اثر

دقیقه 15به 2راندمان داشته است و با افزایش زمان از

درصد 100درصد به 47از )VIراندمان حذف کروم (

رسیده است. نتایج مربوط به سینتیک واکنش هم

نش از معادله سینتیک درجه دوم تبعیت واک دهندهنشان

که این است 99/0و ضریب تعیین 32/0با ثابت سرعت

به )VIسرعت باالي تغییرات غلظت کروم ( دیمؤخود

باشد.ازاي تغییرات زمان می

ظرفیتی بر راندمان حذف بررسی اثر غلظت کروم شش

فتوکاتالیستی آن، نشان داد که با افزایش غلظت کروم

از قبیل دوز پارامترهاشرایطی که دیگر ظرفیتی در شش

راندمان احیا نیز استکاتالیست و زمان واکنش ثابت

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




گرم بر میلی 10در غلظت کهيطوربه؛ ابدییمکاهش

200و با رسیدن غلظت به است درصد 100لیتر راندمان

تواند که این می ابدییمدرصد کاهش 94/28به راندمان

فزایش غلظت آالینده در توجیه شود که ا گونهنیا

شرایطی که مقدار نانوکاتالیست و در نتیجه تعداد

شود که هاي فعال سطح آن ثابت باشد، باعث میسایت

) کافی VIبراي احیاي کروم ( دشدهیتولهاي الکترون

.]24[نبوده و در نتیجه کارایی فرایند کاهش یابد

و Wuنتایج این مطالعه با نتایج حاصله از مطالعه

همکاران مطابقت دارد؛ آنها در مطالعه خود به این نتیجه

50به 10از )VIدست یافتند که با افزایش غلظت کروم (

100گرم بر لیتر، راندمان احیاي کروم به ترتیب از میلی

دقیقه کاهش یافته 60 زمانمدتدرصد در 86درصد به

هاي فعال است و دلیل آن را مربوط به کاهش سایت

اند یست، به دلیل افزایش غلظت آالینده، دانستهکاتال

]25[ .Sun و همکاران نیز در مطالعه خود ذکر کردند که

طوربه) VIراندمان احیاي فتوکاتالیستی کروم (

ی به غلظت ورودي آن بستگی دارد؛ آنها در توجهقابل

مطالعه خود به این نتیجه رسیدند که با افزایش غلظت

گرم بر لیتر، راندمان حذف میلی 30به 10) از VIکروم (

مقایسه بهتر منظوربه. ]26[یابد کاهش می جیتدربهنیز

اثر غلظت اولیه کروم بر کارایی فرایند، نیاز است راندمان

هاي مختلف، هاي مختلف و در زمانفرایند در غلظت

در مطالعه خود به این نتیجه Shabanي گردد. ریگاندازه

) با VIبراي حذف کامل کروم ( ازینموردرسید که زمان

یابد و آن را طبق افزایش غلظت اولیه آن افزایش می

توجیه کرد که با افزایش گونهنیاالمبرت -قانون بیر

هایی که به سطح کاتالیست برخورد غلظت، تعداد فوتون

بیشتري زمانمدتیابد و در نتیجه، کنند کاهش میمی

بنابراین، ) انجام گیرد.VI(الزم است تا احیا کامل کروم

هاي مختلف بررسی بهتر رفتار سیستم در غلظت منظوربه

هاي ي راندمان فرایند در زمانریگاندازه)، VIکروم (

.]22[ مختلف ضرورت دارد

گیرينتیجه

ی نتایج نشان داد که سنتز نانوذرات سبز آهن طورکلبه

آمیز بوده است و به کمک برگ درخت زرشک موفقیت

عنوان کاتالیست، در فرایند اربرد این نانوذرات بهک

ظرفیتی ي در احیاي کروم ششمؤثرفتوکاتالیستی، بازده

گرم بر لیتر 375/0این کاتالیست با دوز کهيطوربهدارد؛

50 ) با غلظتVIدرصد کروم ( 100موفق به احیاي

دقیقه گردید. 15 زمانمدتگرم بر لیتر در میلی

تشکر و قدردانی

بررسی «با عنوان اينامهپایان )بخشی از(این مقاله حاصل

کارایی ذرات نانو سبز آهن در فرایند فتوکاتالیستی حذف کروم

)VIاست که با ارشد در مقطع کارشناسی ») از فاضالب

حمایت دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی، درمانی

کاري دانیم از همخود الزم می بر .اجرا شده است تهران

دانشگاه علوم پزشکی بیرجند، دانشکده بهداشت و آزمایشگاه

ي مربوط به هاشیآزماآب و فاضالب این دانشکده که انجام

این کار تحقیقاتی در این محل انجام گردید، کمال تشکر و

قدردانی را داشته باشیم.

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




References

[1] Yu R-F, Chi F-H, Cheng W-P, Chang J-C.

Application of pH, ORP, and DO monitoring to

evaluate chromium (VI) removal from

wastewater by the nanoscale zero-valent iron

(nZVI) process. Chem Eng J 2014; 255: 568-76.

[2] Doke SM, Yadav GD. Process efficacy and

novelty of titania membrane prepared by

polymeric sol–gel method in removal of

chromium (VI) by surfactant enhanced

microfiltration. Chem Eng J 2014; 255: 483-91.

[3] Ngah WW, Hanafiah MAKM. Removal of heavy

metal ions from wastewater by chemically

modified plant wastes as adsorbents: a review.

Bioresource Technol 2008; 99(10): 3935-48.

[4] Dozzi MV, Saccomanni A, Selli E. Cr (VI)

photocatalytic reduction: effects of simultaneous

organics oxidation and of gold nanoparticles

photodeposition on TiO 2. J Hazard Mater 2012;

21: 188-95.

[5] Hashemzadeh F, Gaffarinejad A, Rahimi R. Porous

p-NiO/n-Nb 2 O 5 nanocomposites prepared by

an EISA route with enhanced photocatalytic

activity in simultaneous Cr (VI) reduction and

methyl orange decolorization under visible light

irradiation. J Hazard Mater 2015; 286: 64-74.

[6] Devi LG, Kavitha R. A review on non metal ion

doped titania for the photocatalytic degradation of

organic pollutants under UV/solar light: role of

photogenerated charge carrier dynamics in

enhancing the activity. Appl Catal B-Environ

2013; 140: 559-87.

[7] Dayan A, Paine A. Mechanisms of chromium

toxicity, carcinogenicity and allergenicity: review

of the literature from 1985 to 2000. Hum Exp

Toxicol 2001; 20 (9): 439-51.

[8] Owlad M, Aroua MK, Daud WAW, Baroutian S.

Removal of hexavalent chromium-contaminated

water and wastewater: a review. Water Air Soil

Poll 2009; 200(1-4): 59-77.

[9] Wei S, Li J, Liu L, Shi J, Shao Z. Photocatalytic

effect of iron corrosion products on reduction of

hexavalent chromium by organic acids. J Taiwan

Inst Chem Eng 2014; 45(5): 2659-63.

[10] Morgada ME, Levy IK, Salomone V, Farías SS,

López G, Litter MI. Arsenic (V) removal with

nanoparticulate zerovalent iron: effect of UV

light and humic acids. Catal Today 2009; 143(3):

261-8.

[11] Huang L, Weng X, Chen Z, Megharaj M, Naidu

R. Green synthesis of iron nanoparticles by

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




various tea extracts: comparative study of the

reactivity. Spectrochim Acta A Mol Biomol

Spectrosc 2014; 130: 295-301.

[12] Prasad KS, Gandhi P, Selvaraj K. Synthesis of

green nano iron particles (GnIP) and their

application in adsorptive removal of As (III) and

As (V) from aqueous solution. Appl Surf Sci

2014; 317: 1052-9.

[13] Machado S, Pinto S, Grosso J, Nouws H,

Albergaria JT, Delerue-Matos C. Green

production of zero-valent iron nanoparticles using

tree leaf extracts. Sci Total Environ 2013; 445: 1-

8.

[14] Weng X, Huang L, Chen Z, Megharaj M, Naidu

R. Synthesis of iron-based nanoparticles by green

tea extract and their degradation of malachite. Ind

Crops Prod 2013; 51: 342-7.

[15] Pourmortazavi SM, Taghdiri M, Makari V,

Rahimi-Nasrabadi M. Procedure optimization for

green synthesis of silver nanoparticles by aqueous

extract of Eucalyptus oleosa. Spectrochim Acta A

Mol Biomol Spectrosc 2015; 136: 1249-54.

[16] Kumar KP, Paul W, Sharma CP. Green synthesis

of gold nanoparticles with Zingiber officinale

extract: characterization and blood compatibility.

Process Biochem 2011; 46(10): 2007-13.

[17] Shahwan T, Sirriah SA, Nairat M, Boyacı E,

Eroğlu AE, Scott TB, et al. Green synthesis of

iron nanoparticles and their application as a

Fenton-like catalyst for the degradation of

aqueous cationic and anionic dyes. Chem Eng J

2011; 172(1): 258-66.

[18] Fazlzadeh M, Rahmani K, Zarei A,

Abdoallahzadeh H, Nasiri F, Khosravi R. A novel

green synthesis of zero valent iron nanoparticles

(NZVI) using three plant extracts and their

efficient application for removal of Cr (VI) from

aqueous solutions. Adv Powder Technol 2016. in

press

[19] Farzana MH, Meenakshi S. Photocatalytic

aptitude of titanium dioxide impregnated chitosan

beads for the reduction of Cr (VI). Int J Biol

Macromol 2015; 72: 1265-71.

[20] Association APH, Association AWW, Federation

WPC, Federation WE. Standard methods for the

examination of water and wastewater: American

Public Health Association. 1915.

[21] Valari M, Antoniadis A, Mantzavinos D, Poulios I.

Photocatalytic reduction of Cr (VI) over titania

suspensions. Catal Today 2015; 252: 190-4.

[22] Shaban YA. Effective photocatalytic reduction of Cr

(VI) by carbon modified (CM)-n-TiO2 nanoparticles

under solar irradiation. WJNSE 2013; 03(04): 154-

160

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020




[23] Machado TC, Lansarin MA, Matte N. Reduction of

hexavalent chromium: photocatalysis and

photochemistry and their application in wastewater

remediation. Water Sci Technol 2014; 70(1): 55-61.

[24] Das DP, Parida K, De BR. Photocatalytic reduction

of hexavalent chromium in aqueous solution over

titania pillared zirconium phosphate and titanium

phosphate under solar radiation. J Mol Catal A

Chem 2006; 245(1): 217-24.

[25] Wu Q, Zhao J, Qin G, Wang C, Tong X, Xue S.

Photocatalytic reduction of Cr (VI) with TiO 2 film

under visible light. Appl Catal B-Environ 2013; 142:

142-8.

[26] Sun Q, Li H, Zheng S, Sun Z. Characterizations of

nano-TiO 2/diatomite composites and their photocatalytic

reduction of aqueous Cr (VI). Appl Surf Sci 2014; 311:

369-76.

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020


... هاي آبیلولرفیتی توسط نانوذرات سبز آهن در محظبررسی احیاي فتوکاتالیستی کروم شش 1146


Investigation of Photocatalytic Reduction of Cr (VI) from Aqueous Solutions by

Using Green Iron Nanoparticles:A Laboratory Study

Z. Samadi1, R. Khosravi2, R. Nabizadeh3, M. Alimohmmadi4, K. Yaghmaeian5

Received: 16/07/2016 Sent for Revision: 14/11/2016 Received Revised Manuscript: 19/02/2017 Accepted: 22/02/2017

Background and Objective: Hexavalent chromium (Cr (VI)) is a highly toxic pollutant that isknown as a

carcinogen and mutagen agent to humans. Photocatalytic reduction is one of the known ways to remove these

contaminants. Therefore, the aim of this study was to investigate the catalytic effect of green iron nanoparticles,

as eco-friendly materials, on photocatalytic reduction of Cr (VI) from wastewater.

Materials and Methods: This is a laboratory study that has been done using a batch reactor with a 400 ml

useful volume and medium pressure UVC lamp. Iron nanoparticles were synthesized using barberry leaf extract

and iron chloride, then their performanceswere investigated in photocatalytic reduction process of hexavalent

chromium. In this study the effect of different parameters such as pH (2-10), catalyst dosage (0-0.375g/l),

reaction time (2-15min),and initial Cr (VI) concentration (10-200 mg/l) were investigated. The size of the green

iron nanoparticles were determined by Transmission Electron Microscope (TEM) analysis. Data Analysis was

performed by Excel software.

Results: TEM analysis showed that the production of green nanoparticles of iron has been successful and their

size was from 20 to 40 nm. The optimum pH equaled 2. The best conditions for the process obtained in initial

chromium concentration of 50 mg/l, catalyst dose of 0.375 g/l, and contact time of 15 minutes and removal

efficiency of 100% was reported in this condition. Photocatalytic reaction kinetics followed the second order

kinetic equation.

Conclusion: The results showed that green iron nanoparticles are efficient catalysts in the process of

photocatalytic reduction of Cr (VI) from Synthetic wastewater.

Key words: Photocatalytic reduction, Hexavalent chromium, Green iron nanoparticles, Aqueous solutions

Funding: This study was funded by Tehran University of Medical Sciences.

Conflict of interest: None declared.

Ethical approval: The Ethical Committee of Tehran University of Medical Sciences, approved the study.

How to cite this article: Samadi Z, Khosravi R, Nabizadeh R, Alimohmmadi M, Yaghmaeian K.

Investigation of Photocatalytic Reduction of Cr (VI) from Aqueous Solutions by Using Green Iron

Nanoparticles: A Laboratory Study. J Rafsanjan Univ Med Sci 2017; 15(10): 1133-46. [Farsi]

1- MSc Student in Environmental Health Engineering, Department of Environmental Health, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran

2- Instructor, Member of Family Health and Environment Research Center, Dept. of Environmental Health Engineering, School of

public Health, Birjand University of Medical Sciences, Birjand, Iran

3- Prof., Dept. of Environmental Health Engineering, School of public Health, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran

4- Associate Prof., Dept. of Environmental Health Engineering, School of Public Health, Tehran University of Medical Sciences,

Tehran, Iran

5- Associate Prof., Dept. of Environmental Health Engineering, School of public Health, Tehran University of Medical Sciences, Center

for Water Quality Research, Institute for Environmental Research, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran (Corresponding Author ) Tel: (021) 88954914, Fax: (021) 88950188, E-Mail: [email protected]

Dow

nloa

ded

from

jour

nal.r

ums.

ac.ir

at 2

3:14

+04

30 o

n W

edne

sday

Mar

ch 2

5th

2020


Documents

0,1 ! ( )*journal.rums.ac.ir/article-1-3367-fa.pdf · 0,1 ! ( )* ... Title

0,1 ! ( )journal.rums.ac.ir/article-1-3367-fa.pdf · 0,1 ! ( ) ... Title