شماره ركورد
34378
پديد آورنده
منصوره ايمني
عنوان
تهيه فتوكاتاليزور TiO2 براي هم افزايي جذب و تجزيه فتوكاتاليستي آمونياك از پساب صنعتي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/28
استاد راهنما
سيد مهدي علوي.مهران رضايي
استاد مشاور
سيد مهدي علوي.مهران رضايي
دانشكده
مهندسي شيمي،نفت و گاز
چكيده
آمونياك يكي از رايجترين آلايندههاي منابع آبي است كه ميتواند اثرات زيانباري بر محيطزيست و سلامت انسان و ساير موجودات داشته باشد. بر همين اساس، سازمان بهداشت جهاني حداكثر غلظت مجاز آمونياك در آب آشاميدني را 1/5 ميليگرم بر ليتر تعيين كرده است. ازاينرو، يافتن روشهاي كارآمد و سازگار با محيطزيست براي حذف آلودگي آمونياك از آب همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. در سالهاي اخير، فرايندهاي فتوكاتاليستي بهعنوان راهكاري نوين و مؤثر در مقابله با آلودگيهاي زيستمحيطي معرفي شدهاند. در اين ميان، فتوكاتاليستها بهويژه در تصفيه فاضلابهاي حاوي آمونياك با غلظت پايين، مزاياي چشمگيري همچون انعطافپذيري بالا، كاهش هزينهها و جلوگيري از توليد آلايندههاي ثانويه را ارائه دادهاند. در اين پژوهش، فعاليت فتوكاتاليستي سه فتوكاتاليست TiO2 خالص بر پايه كربن فعال،TiO2 بر پايه متاكائولن وMIL-101(Fe)⁄TiO2 در حذف آمونياك از محلول آبي بررسي شد. نتايج نشان داد كه فتوكاتاليستMIL-101(Fe)TiO2 به دليل ساختار مزوحفره، پراكنش يكنواخت TiO2 و تسهيل انتقال جرم، بالاترين كارايي حذف آمونياك را دارد. در مقابل، TiO2 بر پايه كربن فعال بهرغم سطح ويژه بالا، به علت غالب بودن ميكروحفرات و ايجاد پديده سايهاندازي نوري، عملكرد فتوكاتاليستي ضعيفتري از خود نشان داد. اين نتايج برتري چارچوب فلزي-آلي MIL-101(Fe) را بهعنوان بستر مناسب در فرايند جذب-فتوتخريب آمونياك تاييد ميكند. در اين پژوهش، فتوكاتاليست نوين MIL-101(Fe)⁄TiO2به روش هيدروترمال سنتز شد. در فرايند سنتز، ابتدا ساختار متخلخل MIL-101(Fe) با استفاده از پيشماده فلزي(كلريد آهن 6 آبه) و ليگاند آلي(ترفتاليك اسيد) تهيه شد و سپس ذرات TiO2 بهمنظور بهبود خواص نوري و الكتروني بر سطح آن بارگذاري گرديد. فتوكاتاليست سنتز شده با استفاده از آزمونهاي XRDو BET مشخصهيابي شد؛ همانطور كه نتايج آزمون BET نشان داد، سطح ويژه نمونههاي MIL-101(Fe) ،TiO2 و كامپوزيت MIL-101(Fe)⁄TiO2 بهترتيب برابر با 43/1، 8/1 و 76/4 مترمربع بر گرم محاسبه شد. افزايش قابلتوجه سطح ويژه در نمونه MIL-101(Fe)⁄TiO2 نسبت به اجزاي منفرد، بيانگر نقش مؤثر ساختار چارچوب فلزي-آلي در ايجاد تخلخل بيشتر و فراهمسازي سايتهاي فعال سطحي است. نتايج اين آزمونها تشكيل يك ساختار متخلخل همراه با توزيع يكنواخت ذرات TiO2 در بستر MIL-101(Fe) ، را تأييد كرد كه در نهايت منجر به افزايش سطح ويژه مؤثر و بهبود پتانسيل فتوكاتاليستي نمونه MIL-101(Fe)⁄TiO2 شد. الگوهاي پراش پرتو ايكس مربوط به TiO2 خالص،MIL-101(Fe) خالص و MIL-101(Fe)⁄TiO2 با نسبتهاي جرمي مختلف نشان داد كه فاز آناتاز TiO2 و ساختار چارچوب فلزي-آلي MIL-101(Fe) بهطور كامل حفظ شدند و هيچگونه فاز ناخواسته يا تبديل ساختاري در فرآيند تهيه MIL-101(Fe)⁄TiO2 رخ نداد. كه فاز آناتاز TiO2 و چارچوب MIL-101(Fe) بدون تشكيل فاز ناخواسته حفظ شدند. با افزايش سهمTiO2 ، شدت پيكهاي آناتاز افزايش و پيكهاي MIL-101(Fe) تضعيف شد كه ميتواند به پرشدن جزئي منافذ چارچوب نسبت داده شود. عدم مشاهده پيكهاي اضافي نشاندهنده عدم تبديل فازي و پايداري ساختاري اجزا در فرآيند ساخت كامپوزيت است. همچنين، تحليل طيف بازتابي پراكنده (DRS) كاهش گاف انرژي نوري و بهبود جذب در ناحيهي مرئي را نشان داد كه بيانگر تقويت عملكرد فوتوكاتاليستي كامپوزيت تحت تابش نور مرئي ميباشد. بهمنظور بررسي نقش جذب سطحي در حذف آمونياك، آزمايشها پيش از تابش نور بهمدت 60 دقيقه در شرايط تاريكي انجام شد. نتايج نشان داد كه فرآيند جذب بهتنهايي سهم قابلتوجهي در كاهش غلظت آمونياك داشته و با افزايش غلظت اوليه، راندمان جذب تا حدود 50-55 درصد افزايش يافته و سپس بهدليل اشباع تدريجي سايتهاي فعال به حالت پايدار رسيده است. پس از آغاز تابش، راندمان حذف بهطور محسوسي افزايش يافت كه بيانگر وجود همافزايي مؤثر بين جذب سطحي و تجزيه فتوكاتاليستي است. بهطور كلي، جذب اوليه آمونياك در مرحله تاريكي نقش مهمي در افزايش كارايي كلي فرآيند فتوكاتاليستي و بهبود راندمان حذف آلاينده ايفا كرده است. سپس اثر پارامترهاي مختلف بهصورت تكمتغيره بر حذف آمونياك از پساب تحت تابش نور بررسي شد. نتايج نشان دادهاند كه در شرايط بهينه شامل مقدار 5/0 گرم بر ليتر كامپوزيت، غلظت اوليه آمونياك برابر با 125 ميليگرم بر ليتر و زمان تابش نور به مدت 2 ساعت، كامپوزيت MIL-101(Fe)⁄TiO2 توانسته عملكرد بالايي با راندمان حذف 2/93 درصد ارائه دهد. اين راندمان بالا به ساختار متخلخل و سطح ويژه بالاMIL-101(Fe) و نيز توزيع يكنواخت TiO2 در بستر كامپوزيت نسبت داده شد كه منجر به افزايش جذب گونههاي آلاينده و بهبود جداسازي جفتهاي الكترون-حفره گرديد.مقايسه نتايج نشان داد كه كامپوزيت MIL-101(Fe) ⁄TiO2 نسبت به TiO2 يا MIL-101(Fe) بهتنهايي، كارايي بسيار بالاتري در حذف آمونياك دارد. اين پژوهش براي نخستين بار از كامپوزيت MIL-101(Fe)⁄TiO2 در تصفيه پسابهاي حاوي آمونياك بهره گرفته و رويكردي نوين، مؤثر و سازگار با محيطزيست براي بهكارگيري فناوري فتوكاتاليستي در تصفيه فاضلابهاي صنعتي ارائه گرديد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/20
عنوان به انگليسي
Preparation of TiO2 Photocatalyst for Synergistic Adsorption and Photocatalytic Degradation of Ammonia from Industrial Wastewater
تاريخ بهره برداري
10/20/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
منصوره ايمني
چكيده به لاتين
Ammonia is one of the most common contaminants in aquatic environments and can exert detrimental effects on ecosystems, human health, and other living organisms. Accordingly, the World Health organization (WHO) has established a maximum permissible concentration of ammonia in drinking water of 1.5 mg L⁻¹. Therefore, the development of efficient and environmentally friendly methods for the removal of ammonia from water has consistently attracted significant research interest. In recent years, photocatalytic processes have been introduced as innovative and effective approaches for mitigating environmental pollution. In this context, photocatalysts—particularly in the treatment of ammonia-contaminated wastewater at low concentrations—offer notable advantages, including high operational flexibility, reduced costs, and prevention of secondary pollutant formation.In the present study, the photocatalytic performance of three photocatalysts—pure TiO₂ supported on activated carbon, TiO₂ supported on metakaolin, and the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite—was investigated for ammonia removal from aqueous solutions. The results demonstrated that the MIL-101(Fe)/TiO₂ photocatalyst exhibited the highest ammonia removal efficiency, attributed to its mesoporous structure, uniform dispersion of TiO₂ particles, and enhanced mass transfer. In contrast, TiO₂ supported on activated carbon, despite its relatively high specific surface area, showed inferior photocatalytic performance due to the dominance of micropores and the occurrence of light-shielding effects. These findings confirm the superiority of the metal–organic framework MIL-101(Fe) as an effective support for the adsorption–photodegradation of ammonia.In this research, the novel MIL-101(Fe)/TiO₂ photocatalyst was synthesized via a hydrothermal method. During the synthesis process, the porous MIL-101(Fe) framework was first prepared using a metal precursor (iron(III) chloride hexahydrate) and an organic ligand (terephthalic acid). Subsequently, TiO₂ particles were loaded onto the surface of MIL-101(Fe) to enhance its optical and electronic properties. The synthesized photocatalysts were characterized using X-ray diffraction (XRD) and Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analyses. According to BET results, the specific surface areas of MIL-101(Fe), TiO₂, and the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite were calculated to be 43.1, 18.0, and 76.4 m² g⁻¹, respectively. The significant increase in the surface area of the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite compared to its individual components highlights the crucial role of the metal–organic framework in generating additional porosity and providing abundant active surface sites. These results confirm the formation of a porous structure with uniform dispersion of TiO₂ particles within the MIL-101(Fe) matrix, ultimately leading to an enhanced effective surface area and improved photocatalytic potential of the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite.X-ray diffraction patterns of pure TiO₂, pure MIL-101(Fe), and MIL-101(Fe)/TiO₂ composites with different mass ratios revealed that the anatase phase of TiO₂ and the crystalline framework of MIL-101(Fe) were fully preserved, with no undesirable phases or structural transformations occurring during composite preparation. With increasing TiO₂ content, the intensity of anatase diffraction peaks increased while the characteristic peaks of MIL-101(Fe) gradually weakened, which can be attributed to partial pore filling within the framework. The absence of additional diffraction peaks confirms the phase stability and structural integrity of both components during composite formation. Furthermore, diffuse reflectance spectroscopy (DRS) analysis indicated a reduction in the optical band gap and enhanced absorption in the visible-light region, suggesting improved photocatalytic activity of the composite under visible-light irradiation.To evaluate the role of surface adsorption in ammonia removal, experiments were conducted for 60 minutes under dark conditions prior to light irradiation. The results showed that adsorption alone contributed significantly to the reduction of ammonia concentration. With increasing initial ammonia concentration, adsorption efficiency increased to approximately 50–55% and then reached a plateau due to the gradual saturation of active sites. Upon initiation of light irradiation, the removal efficiency increased markedly, indicating a strong synergistic effect between surface adsorption and photocatalytic degradation. Overall, the initial adsorption of ammonia during the dark phase played a crucial role in enhancing the overall photocatalytic efficiency and improving pollutant removal performance.Subsequently, the effects of various operational parameters on ammonia removal under light irradiation were investigated using a one-factor-at-a-time approach. The results indicated that under optimal conditions—including a composite dosage of 0.5 g L⁻¹, an initial ammonia concentration of 125 mg L⁻¹, and a light irradiation time of 2 hours—the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite achieved a high removal efficiency of 93.2%. This high performance was attributed to the porous structure and large surface area of MIL-101(Fe), as well as the uniform dispersion of TiO₂ within the composite matrix, which enhanced pollutant adsorption and improved electron–hole pair separation. Comparative analysis demonstrated that the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite exhibited significantly higher ammonia removal efficiency than either TiO₂ or MIL-101(Fe) alone.This study is the first to employ the MIL-101(Fe)/TiO₂ composite for the treatment of ammonia-contaminated wastewater, presenting a novel, efficient, and environmentally friendly approach for the application of photocatalytic technology in industrial wastewater treatment.
كليدواژه هاي فارسي
آمونياك،MIL-101(Fe) ⁄TiO2" )، حذف و تجزيه فتوكاتاليستي
كليدواژه هاي لاتين
: Ammonia, MIL-101(Fe)/TiO2 ,Photocatalytic degradation, Photocatalytic removal
Author
Mansoure Imeni
SuperVisor
Dr.Seyed Mahdi Alavi