حذف فوتوكاتاليستي آنتي بيوتيك مترونيدازول، با استفاده از نانوكاتاليست مغناطيسي TiO2 Fe3O4@SiO2@TiO2 : سنتز، تعيين مشخصات، و پارامتر هاي بهره برداري

Photocatalytic Removal of Metronidazole Using Magnetic TiO2 Nanocatalyst (Fe3O4@SiO2@TiO2): Synthesis, Characterization, and Operational Parameters

سابقه و هدف: فرايند فوتوكاتاليستي با استفاده از TiO2، يك روش شناخته شده براي حذف آلاينده هاي آب است. اما اندازه كوچك ذرات TiO2 و در نتيجه مشكل جداسازي آن بعد از تصفيه، مانع تجاري سازي آن مي گردد. هدف از اين مطالعه سنتز نانوذرات مغناطيسي Fe3O4@SiO2@TiO2 و بررسي كارايي آن در حذف آنتي بيوتيك مترونيدازول (MNZ) از محلول هاي آبي مي باشد. مواد و روش ها: در اين مطالعه كاربردي، پس از سنتز نانو ذرات به روش سل-ژل، ويژگي هاي آن از طريق آناليزهاي SEM، XRD، VSM و BET تعيين گرديد. تاثير پارامترهاي بهره برداري شامل دوز كاتاليست، pH و غلظت اوليه مترونيدازول بر راندمان حذف، آزمايش و درجه واكنش و سينتيك حذف، به همراه قابليت بازيابي كاتاليست در فاز بهينه مورد بررسي قرار گرفت. در انتها، مقايسه بين روش هاي جذب، فوتوليز مستقيم، كاربرد كاتاليست تجاري Degussa P25TiO2 و كاتاليست Fe3O4@SiO2@TiO2 انجام گرفت و نتايج مورد مقايسه قرار گرفت. يافته ها: نتايج آناليزها نشان داد كاتاليست سنتز شده ويژگي هاي سوپر پارامغناطيسي خوبي از خود نشان مي دهد. شرايط بهينه براي حذف مترونيدازول در دوز كاتاليست برابر با g/L 5/1، 8=pH و غلظت اوليه MNZ برابر با mg/L 40 در زمان 180 دقيقه تابش UV، به دست آمد. مطالعات سينتيكي نشان داد حذف فوتوكاتاليستي MNZ از واكنش شبه درجه اول (0/9921=R2 ) و مدل لانگموير-هينشلوود (0/9997 = R2 ) پيروي مي كند. استنتاج: با توجه به نتايج به دست آمده، نانوذرات Fe3O4@SiO2@TiO2 به اندازه كاتاليست تجاريDegussa P25 TiO2 در حذف آنتي بيوتيك مترونيدازول موثر مي باشد (0/05 > p) و با درنظر گرفتن سادگي جداسازي آن در يك ميدان مغناطيسي خارجي و قابليت استفاده مجدد از آن، نانوذرات Fe3O4@SiO2@TiO2 مي تواند به عنوان جايگزين مناسبي براي TiO2 P25 Degussa مورد توجه قرار گيرد.

Background and purpose: Photocatalysis process with TiO2 is a well-known method for removal of pollutants from water. However, the small particle size of TiO2, and therefore difficulty in its separation after treatment impede its commercialization. The aim of this study was to synthetize the Fe3O4@SiO2@TiO2 magnetic nanoparticles (NPs) and evaluation of its efficiency in removal of metronidazole (MNZ) from aqueous solutions. Materials and methods: The NPs were synthetized via sol-gel method, and characterized using SEM, XRD, VSM, and BET analysis. Then, the effect of operational parameters, including catalyst dosage, pH, and initial concentration of MNZ on removal efficiency were examined. The order of reaction and kinetic model, as well as the reusability potential of the catalyst were all investigated in the optimum run. Finally, comparison was made between the adsorption, direct photolysis, application of commercial Degussa P25 TiO2 (p25), and Fe3O4@SiO2@TiO2 NPs. Results: The so-synthesized catalyst showed good superparamagnetic properties. The optimum conditions for the MNZ removal were pH=8, the catalyst dosage=1.5 g/L, and initial concentration of MNZ=40 mg/L under 180 min UV irradiation time. The kinetic study revealed that the photocatalytic degradation of MNZ followed the pseudo- first order (R2= 0.9912) and the Langmuir-Hinshelwood model (R2= 0.9976). Conclusion: According to the results, the Fe3O4@SiO2@TiO2 NPs were almost as effective as commercial catalyst Degussa P25 TiO2 in removal of MNZ (P> 0.05). Due to the simple separation with external magnetic field and reusability potential, Fe3O4@SiO2@TiO2 NPs can be considered as a suitable alternative for Degussa P25 TiO2.