تجزیه نوری و حذف مالاشیت گرین از آب با استفاده از نانو فتوکاتالیست دی‌اکسید تیتانیوم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه شیلات، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا (ص) بهبهان، ایران

2 کارشناسی ارشد آلودگی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا (ص) بهبهان، ایران

3 کارشناسی ارشد تکثیر و پرورش آبزیان، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا (ص) بهبهان، ایران

10.22034/jest.2019.10834

چکیده

زمینه و هدف: مالاشیت گرین به‌طور گسترده به‌عنوان یک قارچ­کش، باکتری­کش و انگل­کش در صنعت آبزی­پروری استفاده می­شود. این ترکیب همچنین به‌عنوان یک عامل رنگ غذایی، افزودنی­های غذایی، مواد ضدعفونی‌کننده پزشکی، و همچنین به‌عنوان یک رنگ در صنایع ابریشم، پشم، کنف، چرم، پنبه، کاغذ، و آکریلیک استفاده می‌شود. ازاین‌رو، حذف مالاشیت گرین از پساب سیستم­های پرورش ماهی و صنایع نساجی، کاغذسازی و آکریلیک، به‌منظور پیشگیری از تأثیر نامطلوب آن بر ارگانیسم­های آبزی ضروری است. در این مطالعه، تجزیه مالاشیت گرین با استفاده از نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم تحت شرایط نوری UV بررسی شد.
روش بررسی: به این منظور، تأثیر پارامترهایی ازجمله غلظت­های مختلف مالاشیت گرین (5/3، 7 و 14 میلی­گرم بر لیتر)، غلظت نانوکاتالیست (30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم) و pH های مختلف (5، 7 و 9) در شرایط ثابت دمایی 25 درجه سانتی­گراد و شدت نور UV ثابت (12 وات، 230 ولت و فرکانس 50 هرتز) در طی 180 دقیقه موردمطالعه قرار گرفت.
یافته­ها: بهترین نرخ تجزیه نوری مالاشیت گرین، در غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر مالاشیت گرین، 9: pH و 60/2 میلی­گرم نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم مشاهده شد. اگرچه با افزایش نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم رانده‌مان و نرخ حذف مالاشیت گرین افزایش یافت، اما افزایش بیش­تر فتوکاتالیست تأثیری در افزایش رانده‌مان تجزیه نوری ندارد. افزایش pH (9) ممکن است از طریق افزایش تولید رادیکال­های آزاد بیش­تر نرخ حذف مالاشیت گرین افزایش یافت. افزایش غلظت اولیه مالاشیت گرین سبب کاهش رانده‌مان و نرخ حذف مالاشیت گرین گردید.
بحث و نتیجه­گیری: ازاین‌رو تجزیه نوری مالاشیت گرین در حضور نانو فتوکاتالیست دی‌اکسید تیتانیوم تابعی از pH، غلظت اولیه مالاشیت گرین و غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره ده، دی ماه 98

تجزیه نوری و حذف مالاشیت گرین از آب با استفاده

از نانو فتوکاتالیست دی‌اکسید تیتانیوم

 

مهدی بنایی[1]*

mahdibanaee@yahoo.com

امیر زیدی[2]

 مریم رضایی[3]

تاریخ دریافت: 21/05/95

تاریخ پذیرش: 29/10/95

چکیده

زمینه و هدف: مالاشیت گرین به‌طور گسترده به‌عنوان یک قارچ­کش، باکتری­کش و انگل­کش در صنعت آبزی­پروری استفاده می­شود. این ترکیب همچنین به‌عنوان یک عامل رنگ غذایی، افزودنی­های غذایی، مواد ضدعفونی‌کننده پزشکی، و همچنین به‌عنوان یک رنگ در صنایع ابریشم، پشم، کنف، چرم، پنبه، کاغذ، و آکریلیک استفاده می‌شود. ازاین‌رو، حذف مالاشیت گرین از پساب سیستم­های پرورش ماهی و صنایع نساجی، کاغذسازی و آکریلیک، به‌منظور پیشگیری از تأثیر نامطلوب آن بر ارگانیسم­های آبزی ضروری است. در این مطالعه، تجزیه مالاشیت گرین با استفاده از نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم تحت شرایط نوری UV بررسی شد.

روش بررسی: به این منظور، تأثیر پارامترهایی ازجمله غلظت­های مختلف مالاشیت گرین (5/3، 7 و 14 میلی­گرم بر لیتر)، غلظت نانوکاتالیست (30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم) و pH های مختلف (5، 7 و 9) در شرایط ثابت دمایی 25 درجه سانتی­گراد و شدت نور UV ثابت (12 وات، 230 ولت و فرکانس 50 هرتز) در طی 180 دقیقه موردمطالعه قرار گرفت.

یافته­ها: بهترین نرخ تجزیه نوری مالاشیت گرین، در غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر مالاشیت گرین، 9: pH و 60/2 میلی­گرم نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم مشاهده شد. اگرچه با افزایش نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم رانده‌مان و نرخ حذف مالاشیت گرین افزایش یافت، اما افزایش بیش­تر فتوکاتالیست تأثیری در افزایش رانده‌مان تجزیه نوری ندارد. افزایش pH (9) ممکن است از طریق افزایش تولید رادیکال­های آزاد بیش­تر نرخ حذف مالاشیت گرین افزایش یافت. افزایش غلظت اولیه مالاشیت گرین سبب کاهش رانده‌مان و نرخ حذف مالاشیت گرین گردید.

بحث و نتیجه­گیری: ازاین‌رو تجزیه نوری مالاشیت گرین در حضور نانو فتوکاتالیست دی‌اکسید تیتانیوم تابعی از pH، غلظت اولیه مالاشیت گرین و غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم است.

واژه­های کلیدی: دی­اکسید تیتانیوم، مالاشیت گرین، تجزیه نوری، فتوکاتالیست، ماوراءبنفش

 


 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.10,December, 2019

 

 

 

 


Photo Degradation and Removal of Malachite Green from Water, Using Nano Titanium Dioxide Photo Catalyst

 

Mahdi Banaee[4]*

mahdibanaee@yahoo.com

Amir Zeidi[5]

 Maryam Rezaei[6]

Accepted: 2017.01.18

Received: 2016.08.11

Abstract

Background and Objective: Malachite greenis an extensively used biocide in the aquaculture industry, and is highly effective against important protozoal and fungal infections. It is also used as a food coloring agent, food additive, and medical disinfectant as well as a dye in the silk, wool, jute, leather, cotton, paper, and acrylic industries. Therefore, the elimination of malachite green in wastewater of aquaculture and textile, paper and acrylic industries is essential in order to prevent its adverse effects on aquatic organisms. In this study, degradation of malachite green with titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) under UV light was investigated.

Method: For this reason, the effects of parameters such as different concentrations of malachite green (3.5, 7 and 14 mg L-1) and the Nano-catalyst concentrations (1.30, 2.60, and 5.20 mg) in constant temperature (25°C) and constant UV intensity (12 W, 230 V, 50 Hz) during 180 minutes were studied.

Findings: The best degradation rate of malachite green was found in the concentration of 3.5 mg L-1 malachite green, pH: 9, and 2.60 mg of TiO2 NPs. Although with an increase in titanium dioxide nanoparticles the efficiency and removal rate of malachite green increased, the increase in the photo catalyst had no effects on increasing the efficiency of photo degradation. An increase in pH (9) may improve the removal rate of malachite green through increasing free radicals. An increase in the initial concentration of malachite green decreased the efficiency and removal rate of malachite green.

Discussion and Conclusion: Therefore, the photo degradation of malachite green in the presence of TiO2 NPs photo catalyst could be a function of pH, the initial concentration of malachite green and concentration of TiO2 NPs.

Keywords:titanium dioxide, malachite green, photo degradation, photo catalyst, UV.


مقدمه

 

مالاشیت گرین یک رنگ کاتیونی تری­فنیل متان است که به‌طور گسترده و سنتی در صنایع نساجی، و همچنین به‌عنوان افزودنی خوراکی در صنایع غذایی استفاده می­شود (1). اگرچه هیچ‌گاه مالاشیت گرین به‌عنوان یک داروی مجاز در دامپزشکی مورد تائید قرار نگرفت، اما از این ترکیب به‌عنوان یک قارچ­کش، باکتری­کش و انگل­کش در صنعت آبزی­پروری استفاده می­شود (2). با توجه به کارایی بالا و هزینه نسبتاً ارزان آن، پرورش‌دهندگان ماهی تمایل زیادی به استفاده از مالاشیت گرین به‌ویژه در مراکز تکثیر ماهیان دارند (3). بااین‌وجود، مصرف غیرقانونی و بیش‌ازحد مجاز مالاشیت گرین در صنعت آبزی­پروری و نفوذ آن به اکوسیستم­های آبی از طریق پساب مزارع پرورشی می­تواند تهدیدی جدی برای محیط‌زیست به‌ویژه ارگانیسم­های آبزی باشد (4). افزایش غلظت مالاشیت گرین در آب­های سطحی رودخانه­ها و نهرها ناشی از تخلیه فاضلاب­های صنعتی و استفاده بیش از مالاشیت گرین در مزارع تکثیر و پرورش آبزیان می­تواند سبب افزایش تجمع زیستی آن در بافت­های خوراکی ماهیان گردد (5-7). علاوه براین، مطالعات اخیر نشان می­دهد که مالاشیت گرین دارای پتانسیل جهش­زایی و تومورزایی است، که این امر می­تواند تهدیدی برای مصرف­کنندگان باشد (8).

ازاین‌رو، حذف مالاشیت گرین از خروجی سیستم­های پرورش ماهی و یا فاضلاب صنایع نساجی، کاغذسازی و صنایع آکریلیک، به‌منظور پیشگیری از تأثیر نامطلوب آن بر ارگانیسم­های آبزی ضروری به نظر می­رسد. با توجه به ساختار آروماتیک رنگ­هایی مانند مالاشیت گرین، تجزیه زیستی آن‌ها در محیطی به‌کندی صورت می­گیرد (9). ازاین‌رو استفاده از سیستم­های تصفیه زیستی مرسوم در حذف مالاشیت گرین از آب غیرمنطقی به نظر می­رسد. در حال حاضر با استفاده از روش­های فیزیکوشیمیایی نظیر ته­نشینی شیمیایی، عصاره­گیری حلال، رزین تبادل یونی، جداسازی غشایی، ازوناسیون، فتواکسیداسیون، انعقاد الکتریکی، شناورسازی کف، اسمز معکوس، تعویض یونی و لخته سازی می­توان مواد آلی به‌ویژه رنگ­ها را از پساب صنایع مختلف حذف کرد (1).

نتایج تجربی نشان داده که روش جدید تجزیه فتوکاتالیستی یکی از مؤثرترین روش­های تصفیه پساب­های آلوده به مواد رنگی است. در این روش، فتوکاتالیست با سیستم ذره­ای نیمه‌رسانا تحت تابش فرابنفش برانگیخته‌شده و متعاقب آن با تولید رادیکال­های آزاد منجر به تجزیه آلاینده­های آلی می­گردد (10). اکسیداسیون کامل آلاینده­ها در طی چند ساعت، عدم تشکیل متابولیت­های چند سیکلِ، در دسترس بودن کاتالیست­های با فعالیت بالا، ارزان‌قیمت بودن فتوکاتالیست و قابلیت سازگاری با سیستم فتوراکتورها با طراحی ویژه و اکسید کردن آلاینده­ها در محدوده میکروگرم در لیتر از مهم‌ترین مزایای استفاده از فتوکاتالیست­ها است (11).

امروزه از ترکیباتی نظیر اکسید تنگستن (WO3)، اکسید آهن (Fe2O3)، دی­سولفید مولیدنوم (MoS2)، سولفید کادمیوم (CdS)، اکسید زیرکونیوم (ZrO2)، اکسید روی (ZnO)، دی­اکسید تیتانیوم (TiO2) و کامپوزیت­های آن‌ها به‌عنوان فتوکاتالیست در تجزیه آلاینده­های مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند. دی­اکسید تیتانیوم به دلیل پایداری در شرایط سخت محیطی، در دسترس بودن آن ازنقطه‌نظر تجاری، فرم چندشکلی مختلف با فعالیت نوری بالا، امکان پوشش نازک بر روی بسترهای جامد نگه‌دارنده و سهولت کار در آزمایشگاه، یکی بهترین فتوکاتالیست­های است که می­تواند در تجزیه نوری آلاینده­های محیطی مورد استفاده قرار گیرد (12).

هدف از این مطالعه، بررسی امکان استفاده از نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم به‌عنوان فتوکاتالیست در تجزیه و حذف مالاشیت گرین از محلول آبی در شرایط مختلف آزمایشگاهی و همچنین تعیین عوامل فیزیکوشیمیایی مؤثر در حذف کامل مالاشیت گرین در فتوراکتورها است.

 

 


مواد و روش­ها

 

مالاشیت گرین (C52H54N4O12)، از شرکت مرک آلمان (کد تجاری 8-29-2437) و  نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم از شرکت پیشگامان نانو مواد ایرانیان  (جدول 1) خریداری گردید. کلیه مواد شیمیایی در آب یونیزه حل و سپس مورد استفاده قرار گرفت.

جذب نوری غلظت­های مختلف مالاشیت گرین (0، 65/0، 5/2، 05/4، 43/5، 7 و 14 میلی­گرم بر لیتر) و در طول‌موج 618 نانومتر قرائت و منحنی استاندارد مالاشیت گرین رسم گردید.

برای اطمینان از توانایی و قابلیت حذف مالاشیت گرین توسط نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم، ابتدا به محلول 7 میلی­گرم بر لیتر مالاشیت گرین، 1 میلی­گرم نانوذره دی­اکسید تیتانیوم افزوده شد و نمونه برای 180 دقیقه در دمای 25 درجه سانتی­گراد بر روی شیکر با سرعت 120 دور در دقیقه و در شرایط عادی آزمایشگاه قرار داده شد. یک نمونه دیگر از محلول مالاشیت گرین با غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر تهیه (75/4 :pH) و در شرایط مشابه، اما بدون افزودن نانوذره دی­اکسید تیتانیوم به مدت 180 دقیقه بر روی شیکر قرار داده شد. سپس جذب نوری نمونه­ها در طول‌موج 618 نانومتر خوانش گردید. نتایج به‌دست‌آمده از طیف­سنجی نشان داد که مالاشیت گرین در حضور نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم تجزیه خواهد شد.


 

جدول 1- ویژگی­های فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم (اقتباس از کاتالوگ شرکت پیشگامان نانو مواد ایرانیان)

Table 1-Physical and chemical properties of Nano-titanium dioxide (Adapted from catalogs of Iranian Nanomaterials Pioneers Company)

دی­اکسید تیتانیوم

80 درصد فرم آناتاز TiO2 و 20 درصد حجمی فرم روتایل TiO2

خلوص

99 درصد

اندازه متوسط ذرات (D50)

20-30 نانومتر

سطح تماس ویژه (SSA)

10-45 مترمربع بر گرم

رنگ

سفید

چگالی

46 گرم بر میلی­لیتر

اسیدیته

5/5-6

دی­اکسید تیتانیوم (TiO2)

بیش از 99 درصد

آلومینیوم (Al)

کم­تر از 17 میلی­گرم در لیتر

منگنز (Mg)

کم­تر از 65 میلی­گرم در لیتر

سیلیسیوم (Si)

کم­تر از 120 میلی­گرم در لیتر

کلسیم (Ca)

کم­تر از 75 میلی­گرم در لیتر

گوگرد (S)

کم­تر از 130 میلی­گرم در لیتر

دیگر ناخالصی­ها (Nb)

کم­تر از 80 میلی­گرم در لیتر

 

 

در این مطالعه تأثیر 3 غلظت مختلف 30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم جهت حذف غلظت­های مختلف 5/3، 7 و 14 میلی­گرم بر لیتر مالاشیت گرین استفاده‌شده است.

نمونه­ها 60 دقیقه در تاریکی و 120 دقیقه در زیر لامپ UV (12 وات، 230 ولت و فرکانس 50 هرتز) بافاصله 9 سانتی­متری از منبع نوری و در دمای 25 درجه سانتی‌گراد بر روی شیکر با 120 دور در دقیقه قرار داده شد. جذب نوری نمونه­ها نیز از 15 دقیقه یک­بار و پس از سانتریفیوژ نمونه­ها به مدت 1 دقیقه با سرعت 5000 دور در دقیقه، در طول‌موج 618 نانومتر صورت گرفت. ازآنجایی‌که pH تأثیر بسزایی بر تجزیه مالاشیت گرین دارد، این آزمایش در سه pH مختلف 5، 7 و 9 تکرار شد. ازآنجایی‌که pH مالاشیت گرین در شرایط عادی 75/4 است برای تنظیم pH از NaOH ، 1/0 نرمال استفاده شد. 

مقدار رنگ مالاشیت گرین حذف‌شده تحت تأثیر تجزیه نوری نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم بر اساس معادله موازنه جرمی ذیل محاسبه گردید

                                                   

Qe: مقدار مالاشیت گرین حذف‌شده در واحد جرم نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم (میلی­گرم بر میلی­گرم)

C0: غلظت اولیه مالاشیت گرین (میلی­گرم بر لیتر)

Ce: غلظت نهایی مالاشیت گرین (میلی­گرم بر لیتر)

M: غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم (میلی­گرم بر لیتر)

V: حجم محلول

همچنین راندمان حذف مالاشیت گرین نیز بر اساس معادله زیر محاسبه شد

       :


 

نتایج

 

شکل 1- منحنی استاندارد جذب نوری غلظت­های مختلف مالاشیت گرین در طول‌موج 618 نانومتر

Figure 1-The standard curve concentrations of malachite green light absorption at a wavelength of 618 nm

 

 

هرچه غلظت مالاشیت گرین پایین­تر باشد، کارایی نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم در حذف آن بیش­تر است. نتایج نشان می­دهد که با افزایش pH نرخ حذف مالاشیت سبز از محلول آبی افزایش می­یابد. در pH ثابت، غلظت مالاشیت گرین حذف‌شده با افزایش غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم (20/5 میلی­گرم) افزایش‌یافته است. همچنین، درصد نرخ حذف مالاشیت گرین با کاهش غلظت
مالاشیت گرین اولیه، به‌طور معنی­داری افزایش می­یابد.

 اگرچه افزایش غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم از 30/1 میلی­گرم به 60/2 میلی­گرم می­تواند کارایی حذف مالاشیت گرین به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش یافت، اما بین درصد نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت­های 60/2 میلی­گرم به 20/5 میلی­گرم فتوکاتالیست دی­اکسید تیتانیوم اختلاف معنی­داری دیده نمیشود.

 

 

 

شکل 2- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر، و 5 : pH

Figure 2-Removal rate of malachite green at a concentration of 3.5 mg L-1, and pH: 5

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر، در  5 : pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم نانو ذرات   دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 33/26، 02/26 و 75/37 درصد است.

 

 

 

شکل 3- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر، و 7 : pH

Figure 3-Removal rate of malachite green at a concentration of 3.5 mg L-1, and pH: 7

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر، در 7: pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 16/69، 04/85 و 29/86 درصد است.

 

 

 

شکل 4-نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر، و 9 : pH

Figure 4-Removal rate of malachite green at a concentration of 3.5 mg L-1, and pH: 9

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 5/3 میلی­گرم بر لیتر، در 9: pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 56/89، 76/93 و 94/95 درصد است.

 

 

شکل 5- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر، و 5 : pH

Figure 5-Removal rate of malachite green at a concentration of 7 mg L-1, and pH: 5

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر، در    5: pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5  میلی­گرم نانو  ذرات   دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 17/42، 36/39 و 12/41 درصد است.

 

 

 

شکل 6- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر، و 7 : pH

Figure 6-Removal rate of malachite green at a concentration of 7 mg L-1, and pH: 7

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر، در    7: pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20 /5  میلی­گرم نانو ذرات   دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 66/37، 40/43 و 42/56 درصد است.

 

 

 

شکل 7- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر، و 9 : pH

Figure 7-Removal rate of malachite green at a concentration of 7 mg L-1, and pH: 9

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 7 میلی­گرم بر لیتر، در    9: pH و  غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5  میلی­گرم نانو ذرات   دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 76/74، 72/83 و 56/85 درصد است.

 

 

 

شکل 8- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 14 میلی­گرم بر لیتر، و 5 : pH

Figure 8-Removal rate of malachite green at a concentration of 14 mg L-1, and pH: 5

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 14 میلی­گرم بر لیتر، در  5: pH و  غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/  5 میلی­گرم نانو ذرات   دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 49/25، 27/42 و 57/47 درصد است.

 

 

 

شکل 9- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 14 میلی­گرم بر لیتر، و 7 : pH

Figure 9- Removal rate of malachite green at a concentration of 14 mg L-1, and pH: 7

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 14 میلی­گرم بر لیتر، در  7: pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5  میلی­گرم  نانو ذرات   دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 74/67، 27/71 و 01/69 درصد است.

 

 

 

شکل 10- نرخ حذف مالاشیت گرین در غلظت 14 میلی­گرم بر لیتر، و 9 : pH

Figure 10-Removal rate of malachite green at a concentration of 14 mg L-1, and pH: 9

 

 

قابلیت حذف مالاشیت گرین با غلظت 14 میلی­گرم بر لیتر، در  9: pH و غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم    نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم به ترتیب 26/76، 76/77 و 55/80 درصد است.


بحث

 

در این مطالعه، تأثیر نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم در غلظت­های 30/1، 60/2 و 20/5 میلی­گرم در حذف غلظت­های مختلف از مالاشیت گرین، 5/3، 7 و 14 میلی­گرم بر لیتر در فتوراکتورهای 100 میلی­لیتری در pH های مختلف 5، 7 و 9 و دمای ثابت 25 درجه سانتی­گراد و تحت تأثیر نور UV مورد بررسی قرار گرفت. برای تنظیم pH از محلول 1/0 نرمال هیدروکسید سدیم (NaOH) استفاده شد.

برای بررسی تأثیر غلظت اولیه مالاشیت گرین، دیگر پارامترها ثابت نگه‌داشته شد و نتایج نشان داد که با کاهش غلظت مالاشیت گرین، و با ثابت در نظر گرفتن دیگر شرایط قابلیت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم در حذف مالاشیت گرین، بیش­تر است. در پی جذب UV توسط نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم، اتم­های تیتانیوم برانگیخته می­شود و همین امر سبب تجزیه فتوکاتالیستی آب به هیدروژن و اکسیژن و همچنین تولید رادیکال­های آزاد مانند هیدروکسیل (-OH)، سوپر اکسید آنیون­ها (O2-) و هیدروپراکسیل رادیکال­ها (-OOH) می­شود (13). این رادیکال­های آزاد با مالاشیت­گرین واکنش می­دهند و سبب تجزیه آن می­گردند. افزایش غلظت مالاشیت گرین ممکن است نرخ برهمکنش بین مالاشیت گرین و نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم را کاهش داد و همین امر سبب کاهش نرخ تجزیه نوری شود (14). همچنین با افزایش متابولیت­های حد واسط، رقابت بین مالاشیت گرین و متابولیت­های آن در برهمکنش بین با نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم ممکن است بر نرخ تجزیه نوری و حذف مالاشیت گرین اثر گذارد؛ ازاین‌رو با افزایش غلظت مالاشیت گرین اولیه نرخ تجزیه و حذف آن کاهش یافت. کاهش نرخ تجزیه نوری تری­تیل فسفات در حضور فتوکاتالیستی نانو دی‌اکسید تیتانیوم، با افزایش غلظت اولیه تری تیل فسفات نیز به دلیل افزایش نرخ رقابت بین ماده اولیه و متابولیت ها بر سر واکنش با رادیکال­های آزاد تولیدشده به‌واسطه دی­اکسید تیتانیوم گزارش‌شده است (15).

نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که با توجه به pH (75/4) مالاشیت گرین، با افزایش pH تا 9، نرخ حذف رنگ آبی مالاشیت گرین در مدت‌زمان 180 دقیقه بیشتر است. در محیط آبی، دی­اکسید تیتانیوم حالت آموفوتریک دارد، یعنی هم می­تواند به‌عنوان یک اسید و هم به‌عنوان یک باز وارد واکنش شیمیایی شود (16). با افزایش pH محیط نسبت به نقطه ایزوالکتریک TiO2، سطح دی­اکسید تیتانیوم غالباً منفی می­شود؛ درحالی‌که با کاهش pH گروه­های کارکردی پروتونه می­شوند و نسبت سطح بار الکتریکی مثبت افزایش می­یابد. بنابراین، ویژگی­های الکتریکی سطح TiO2 با تغییر pH تغییر می­کند (13). در شرایطی که بار الکتریکی سطح TiO2 منفی است کاتیون­ها را در مقایسه با شرایطی که بار الکتریکی صفر به‌راحتی جذب می­کند، درحالی‌که در شرایط برعکس و در pH اسیدی TiO2آنیون­ها را جذب خواهد کرد (17). در شرایط pH اسیدی سطح تولید رادیکال­های آزاد -OH بسیار اندک است، درنتیجه میزان تجزیه نوری مالاشیت گرین به‌کندی صورت می­گیرد؛ درحالی‌که با افزایش pH نرخ تشکیل رادیکال -OH افزایش می­یابد که این امر نه‌تنها زمینه را برای تولید رادیکال­های آزاد دیگر فراهم می­کند، بلکه با تغییر بار الکتریکی سطح TiO2، جاذبه الکترواستاتیک بین نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم و کاتیون­های مالاشیت گرین نیز افزایش می­یابد (13).

افزایش درصد نرخ حذف مالاشیت گرین با افزایش غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم از 30/1 میلی­گرم به 60/2 میلی­گرم ممکن است به دلیل افزایش سطح تماس نانو ذرات با مالاشیت گرین و افزایش کارایی تجزیه نوری آن است؛ اما قابلیت تجزیه نوری مالاشیت گرین با افزایش غلظت نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم از 60/2 میلی­گرم به 20/5 میلی­گرم ممکن به دلیل برهمکنش نانو ذرات با یکدیگر، سبب شد که تغییرات چندانی مشاهده نشود. البته افزایش بیش از فتوکاتالیست می­تواند کدورت محیط را افزایش که این به کاهش نفوذ UV و کاهش عملکرد فتوکاتالیست منجر خواهد شد (18).

با توجه به نتایج آزمایش­های انجام‌شده مشخص گردید که اگرچه با افزایش نانو ذرات دی­اکسید تیتانیوم رانده‌مان و نرخ حذف مالاشیت گرین افزایش یافت، اما افزایش بیشتر فتوکاتالیست تأثیری بر رانده‌مان تجزیه نوری ندارد. افزایش pH (9) سبب افزایش نرخ حذف مالاشیت گرین شد. غلظت اولیه مالاشیت گرین تأثیر بسزایی در نرخ حذف مالاشیت گرین داشت و با کاهش غلظت اولیه، رانده‌مان و نرخ حذف مالاشیت گرین افزایش یافت. اما یکی از بزرگ­ترین مشکلات استفاده از فتوکاتالیست­ها در تجزیه نوری مالاشیت گرین، تشکیل حداقل 28 متابولیت، ازجمله 4-(دی­متیل آمین) بنزوفنون است که ممکن است برای آبزیان بسیار سمی باشد (19). لذا بایستی پس از تجزیه نوری مالاشیت گرین در پی یافتن راه‌حلی مناسب جهت حذف متابولیت­های آن نیز باشیم.

 

تشکر و قدردانی

این مقاله مستخرج از طرح پژوهشی بوده و با حمایت مالی مدیریت محترم پژوهشی دانشگاه صنعتی خاتم‌الانبیا (ص) بهبهان انجام‌شده است. بدین‌وسیله نویسندگان این مقاله مراتب قدردانی و سپاس خود را از مسئولین ذی­ربط اعلام می­دارند.

 

منابع

  1. Singh, G., Koerner, T., Gelinas, J. M., Abbott, M., Brady, B., Huet, A. C., Charlier, C., Delahaut, P., and Godeffroy, S. B.,  2011. Design and characterization of a direct ELISA for the detection and quantification of leucomalachite green. Food Additives and Contaminants. Part A, Chemistry, Analalysis, Control, Exposure and Risk Assessment. 28(6): 731-739.
  2. Bilandžić, N., Varenina, I., Kolanović, B. S., Oraićb, D., and Zrnčić, S., 2012. Malachite green residues in farmed fish in Croatia. Food Control: 26(2): 393–396.
  3. Hashimoto, J. C., Paschoal, J. A., Queiroz, S. C., Ferracini, V. L., Assalin, M. R., and Reyes, F. G., 2012. A Simple method for the determination of malachite green and leucomalachite green residues in fish by a modified QuEChERS extraction and LC/MS/MS. Journal of AOAC International. 95(3): 913-922.
  4. Parshetti, G., Kalme, S., Sartale, G., and Govindwar, S., 2006. Biodegradation of malachite green by Kocuria rosea MTCC 1532. Journal of Acta Chimica Slovenica. 53: 492-498.
  5. Pourreza, N., and Elhami, S., 2007. Spectrophtometric determination of malachite green in fish farming water samples after cloud point extraction using nonionic surfactant Triton X-100. Analytica Chimica Acta, vol. 596(1), pp. 62-65.
  6. Khodabakhshi, A., and Amin, M. M., 2012. Determination of malachite green in trout tissue and effluent water from fish farms. International Journal of Environmental Health Engineering. 1: 51-56.
  7. Fallah, A. A., and Barani, A., 2014. Determination of malachite green residues in farmed rainbow trout in Iran. Food Control. 40: 100-105.
  8. Lee, J. B., Kim, H. Y., Jang, Y. M., Song, J. Y., Woo, S. M., Park, M. S., Lee, H. S., Lee, S. K., and Kim, M.,  2010. Determination of malachite green and crystal violet in processed fish products. Food Additives and contaminants: Part A. 27(7): 953-961.
  9. Yong, L., Zhanqi, G., Yuefei, J., Xiaobin, H., Cheng, S., Shaogui, Y., Lianhong, W., Qingeng, W., and Die, F., 2015. Photodegradation of malachite green under simulated and natural irradiation: kinetics, products, and pathways. Journal of Hazardous Materials. 285: 127-136.
  10. Devipriya, S., and Yesodharan, S., 2005. Photocatalytic degradation of pesticide contamination in water. Solar Energy Materials and Solar Cells. 86(3): 309-348.
  11. Konstaninou, I. K., and Albanis, T. A., 2003. Photocatalytic transformation of pesticides in aqueous titanium dioxide suspensions using artificial and solar light. Applied Catalysis B: Environmental. 42(4): 319-335.
  12. Kabra, K., Chaudhary, R., and Sawhney, R. L., 2004. Treatment of hazardous organic and inorganic compounds through aqueous-phase photocatalysis:  A review. Industrial and Engeneering Chemistery Research. 43: 7683-8696.
  13. Chen, C. C., Lu, C. S., and Chung, Y. C., 2007. UV light induced photodegradation of malachite green on TiO2 nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 141: 520–528.
  14. Rabindranathan, S., Devipriya, S., and Yesodharan, S., 2003. Photocatalytic degradation of phosphamidon on semiconductor oxides. Journal of Hazardous Materials. 102(2): 217-229.
  15. Arbab, P., Seedi, M., and Fakhraie, H. 2012., Photocatalytic degradation of triethyl phosphate using nano TiO2. Water and Wastewater. 3(83): 103-111.
  16. Zhao, J., Hidaka, H., Takamura, A., Pelizzetti, E., and Serpone, N., 1993. Photodegradation dation of surfactants. 1. Zeta-potential measurements in the photocatalytic oxidation of surfactants in aqueous titania dispersions. Langmuir. 9: 1646–1650.
  17. Li, X., Liu, G., and Zhao, J., 1999. Two competitive primary processes in the photodegradation of cationic triarylmethane dyes under visible irradiation in TiO2 dispersions. New Journal of Chemistry. 23: 1193-1196.
  18. Wu, R. J., Chen, C. C., Chen, M. H., and Lu, C. S., 2009. Titanium dioxide-mediated heterogeneous photocatalytic degradation of terbufos: Parameter study and reaction pathways. Journal of Hazardous Materials. 162(2): 945-953.
  19. Pérez-Estrada, L. A., Aguera, A., Hernando, M. D., Malato, S., and Fernandez-Alba, A., 2008. Photodegradation of malachite green under natural sunlight irradiation: Kinetic and toxicity of the transformation products. Chemosphere. 70: 2068–2075.

 

 

 



[1]  - استادیار گروه شیلات، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا (ص) بهبهان، ایران  (*نویسنده مسئول مکاتبات)

[2]  - کارشناسی ارشد آلودگی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا (ص) بهبهان، ایران

[3]  - کارشناسی ارشد تکثیر و پرورش آبزیان، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا (ص) بهبهان، ایران

[4]-  Assistant Professor, Aquaculture Department, Natural Resources and Environment Faculty, Behbahan Khatam Al-anbia University of Technology, Behbahan, Iran  (Corresponding Author)

[5]-  M.Sc, Environmental Pollution, Natural Resources and Environment Faculty, Behbahan Khatam Al-anbia University of Technology, Behbahan, Iran

[6]-  MSc in Aquaculture, Natural Resources and Environment Faculty, Behbahan Khatam Al-anbia University of Technology, Behbahan, Iran

 

  1. Singh, G., Koerner, T., Gelinas, J. M., Abbott, M., Brady, B., Huet, A. C., Charlier, C., Delahaut, P., and Godeffroy, S. B.,  2011. Design and characterization of a direct ELISA for the detection and quantification of leucomalachite green. Food Additives and Contaminants. Part A, Chemistry, Analalysis, Control, Exposure and Risk Assessment. 28(6): 731-739.
  2. Bilandžić, N., Varenina, I., Kolanović, B. S., Oraićb, D., and Zrnčić, S., 2012. Malachite green residues in farmed fish in Croatia. Food Control: 26(2): 393–396.
  3. Hashimoto, J. C., Paschoal, J. A., Queiroz, S. C., Ferracini, V. L., Assalin, M. R., and Reyes, F. G., 2012. A Simple method for the determination of malachite green and leucomalachite green residues in fish by a modified QuEChERS extraction and LC/MS/MS. Journal of AOAC International. 95(3): 913-922.
  4. Parshetti, G., Kalme, S., Sartale, G., and Govindwar, S., 2006. Biodegradation of malachite green by Kocuria rosea MTCC 1532. Journal of Acta Chimica Slovenica. 53: 492-498.
  5. Pourreza, N., and Elhami, S., 2007. Spectrophtometric determination of malachite green in fish farming water samples after cloud point extraction using nonionic surfactant Triton X-100. Analytica Chimica Acta, vol. 596(1), pp. 62-65.
  6. Khodabakhshi, A., and Amin, M. M., 2012. Determination of malachite green in trout tissue and effluent water from fish farms. International Journal of Environmental Health Engineering. 1: 51-56.
  7. Fallah, A. A., and Barani, A., 2014. Determination of malachite green residues in farmed rainbow trout in Iran. Food Control. 40: 100-105.
  8. Lee, J. B., Kim, H. Y., Jang, Y. M., Song, J. Y., Woo, S. M., Park, M. S., Lee, H. S., Lee, S. K., and Kim, M.,  2010. Determination of malachite green and crystal violet in processed fish products. Food Additives and contaminants: Part A. 27(7): 953-961.
  9. Yong, L., Zhanqi, G., Yuefei, J., Xiaobin, H., Cheng, S., Shaogui, Y., Lianhong, W., Qingeng, W., and Die, F., 2015. Photodegradation of malachite green under simulated and natural irradiation: kinetics, products, and pathways. Journal of Hazardous Materials. 285: 127-136.
  10. Devipriya, S., and Yesodharan, S., 2005. Photocatalytic degradation of pesticide contamination in water. Solar Energy Materials and Solar Cells. 86(3): 309-348.
  11. Konstaninou, I. K., and Albanis, T. A., 2003. Photocatalytic transformation of pesticides in aqueous titanium dioxide suspensions using artificial and solar light. Applied Catalysis B: Environmental. 42(4): 319-335.
  12. Kabra, K., Chaudhary, R., and Sawhney, R. L., 2004. Treatment of hazardous organic and inorganic compounds through aqueous-phase photocatalysis:  A review. Industrial and Engeneering Chemistery Research. 43: 7683-8696.
  13. Chen, C. C., Lu, C. S., and Chung, Y. C., 2007. UV light induced photodegradation of malachite green on TiO2 nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 141: 520–528.
  14. Rabindranathan, S., Devipriya, S., and Yesodharan, S., 2003. Photocatalytic degradation of phosphamidon on semiconductor oxides. Journal of Hazardous Materials. 102(2): 217-229.
  15. Arbab, P., Seedi, M., and Fakhraie, H. 2012., Photocatalytic degradation of triethyl phosphate using nano TiO2. Water and Wastewater. 3(83): 103-111.
  16. Zhao, J., Hidaka, H., Takamura, A., Pelizzetti, E., and Serpone, N., 1993. Photodegradation dation of surfactants. 1. Zeta-potential measurements in the photocatalytic oxidation of surfactants in aqueous titania dispersions. Langmuir. 9: 1646–1650.
  17. Li, X., Liu, G., and Zhao, J., 1999. Two competitive primary processes in the photodegradation of cationic triarylmethane dyes under visible irradiation in TiO2 dispersions. New Journal of Chemistry. 23: 1193-1196.
  18. Wu, R. J., Chen, C. C., Chen, M. H., and Lu, C. S., 2009. Titanium dioxide-mediated heterogeneous photocatalytic degradation of terbufos: Parameter study and reaction pathways. Journal of Hazardous Materials. 162(2): 945-953.
  19. Pérez-Estrada, L. A., Aguera, A., Hernando, M. D., Malato, S., and Fernandez-Alba, A., 2008. Photodegradation of malachite green under natural sunlight irradiation: Kinetic and toxicity of the transformation products. Chemosphere. 70: 2068–2075.