بهينه سازي توليد هيدروژن با استفاده از نانوفتوكاتاليست هاي تيتانيا/زئوليت فرآوري شده با بكارگيري روش سطح پاسخ براساس طراحي باكس-بنكن

Optimization of Hydrogen Production over TiO2/Treated Zeolite Nanophotocatalyst using Response Surface Box-Behnken Design

در پژوهش حاضر، روش سطح پاسخ براساس طراحي باكس-بنكن با هدف بهينه ­سازي توليد فتوكاتاليستي هيدروژن با استفاده از فتوكاتاليست تيتانيا-كلينوپتيلوليت فرآوري­ شده بررسي شد. بدين ­ترتيب، در ساخت فتوكاتاليست، به­ منظور دستيابي به يك پايه طبيعي مؤثر، همگن و تكرارپذير، از روش فرآوري تركيبي تبادل يوني-بازشويي استفاده شد و بارگذاري 10 درصد وزني فاز فعال TiO2 بر روي پايه كلينوپتيلوليت فرآوري­شده به­ كمك تابش اولتراسوند در طول فرايند سنتز به­روش SSD انجام گرفت. نتايج آناليزهاي شناسايي نشان از خصوصيات فيزيكي-شيميايي مناسب فتوكاتاليست سنتز­شده دارند كه آن را براي واكنش فتوكاتاليستي شكافت آب مناسب و مؤثر مي­كند. براساس نتايج جدول آناليز واريانس هر سه متغير و پارامتر عملياتي ميزان pH محلول، مقدار بارگذاري فتوكاتاليست و مقدار درصد حجمي عامل الكترون­ دهنده بر روي ميزان توليد هيدروژن اثرگذارند. در ميان اين سه متغير، ميزان pH محلول مؤثرترين پارامتر شناخته مي­ شود. از بين مدل ­هاي مورد ارزيابي در روش سطح پاسخ، مدل مرتبه ­دوم با بالاترين مقدار ضريب همبستگي (0.9967=R2 و 0.9942=R2adj) بيشترين تطابق را با داده ­هاي آزمايشگاهي دارد. با بررسي نحوه اثرگذاري اين پارامترها و تعاملاتشان روي پاسخ، مي­توان دريافت كه حداكثر مقدار هيدروژن توليدي در شرايط بهينه pH بازي برابر با 10، مقدار كاتاليست g L-1 1/1 و مقدار عامل الكترون­دهنده 12.5 درصد حجمي به ­دست مي­ آيد.

In present study, the optimization of hydrogen production by water splitting over TiO2/treated clinoptilolite photocatalyst was investigated using Box–Behnken design (BBD) combined with response surface methodology (RSM). In the photocatalyst preparation, the combined ion exchange-alkaline treatment was used to achieve a chemical homogenous, reproducible and effective natural support. Moreover, 10 wt.% of TiO2 nanoparticles was loaded over zeolitic supports using facile and cost effective solid state dispersion (SSD) method in the presence of ultrasound irradiation. The characterization results indicated suitable optical and physico-chemical properties of the as-synthesized photocatalyst which making it effective in the water splitting reaction. The operational variables considered in Box-Behnken method included pH solution, photocatalyst dosage and sacrificial agent concentration. Based on the ANOVA results, all three process variables affect the hydrogen production. Among them, the most significant effect is attributed to pH solution. The application of the RSM resulted in the formulation of several models out which the quadratic model with the highest value of the determined R2 coefficients (R2=0.9967 and R2adj=0.9942) was adjudged to adequately fit the experimental data. By examining how the process variables and their interactions affect the response, it can be found that the maximum efficiency of hydrogen production was obtained at optimum conditions of alkaline solution pH of 10, catalyst dosage of 1.1 g/L and sacrificial agent concentration of 12.5 vol.%.