삼금속 Fe/Cu/Ag 나노 촉매를 이용한 메틸 오렌지 분해 연구

섬유 산업에서 환경으로의 아조 염료 오염 물질의 방출은 주요 관심사입니다. 나노스케일 0가 철(nZVI)은 메틸 오렌지(MO)와 같은 아조 염료 오염 물질의 분해에서 광범위하게 연구되었습니다. 본 연구에서는 철의 산화 속도를 지연시켜 MO의 분해를 향상시키고 촉매의 반응성을 증가시키기 위해 철과 구리 및 은을 결합하여 삼금속 Fe/Cu/Ag 나노 입자를 만들었다. 삼금속 나노입자(Fe/Cu/Ag)의 합성은 수소화붕소나트륨 환원법을 사용하여 수행되었다. 입자의 특성화는 XRD, XPS, EDX 및 TEM을 사용하여 수행되었습니다. 분석 결과 나노 입자의 성공적인 합성이 확인되었습니다. TEM 이미지는 또한 나노스케일의 0가 철 입자의 원하는 구조와 기하학적 구조를 보여주었다. 메틸 오렌지의 분해에서 나노 입자의 평가는 반응으로 몇 분 이내에 현저한 분해를 보여 주었다. 나노입자 투여량, 초기 MO 농도 및 용액 pH와 같은 매개변수가 나노입자를 사용한 MO 분해에 미치는 영향을 조사했습니다. 메틸 오렌지 분해 효율은 낮은 초기 MO 농도와 높은 나노입자 투여량으로 낮은 pH에서 반응으로 1분 이내에 100%에 도달했습니다. 나노 입자를 사용한 MO의 분해 속도는 의사 1 차 역학을 따르고 연구 된 매개 변수에 크게 영향을 받았습니다. 또한, LC-MS 기술은 1분 이내에 MO의 분해를 확인하였고, 분해는 아조 결합의 분리를 통해 발생함을 확인하였다. Fe/Cu/Ag 삼금속 나노입자는 염료 폐수 처리를 위한 적절하고 효율적인 대안으로 입증되었습니다. 수질의 악화는 수질 위험의 주요 요인 중 하나로 연구자들은 이 문제를 완화하는 데 관심을 기울이고 있습니다. 가죽, 섬유, 잉크, 화장품, 종이 등의 산업에서 처리되지 않은 폐수를 수류로 방류하는 것은 생명체에 심각한 위협이 되고 있음이 밝혀졌습니다. 이처럼 염색 산업은 유출수가 독성 화합물로 구성되어있어 세계 최대의 수질 오염원 중 하나로 간주됩니다. 염료는 본질적으로 발암성이고 생분해되지 않습니다. 섬유 산업에서 사용되는 10,000가지의 독특한 염료와 착색제 중 50% 이상이 아조 염료입니다. 아조 염료는 아조 결합(-N=N-)의 존재로 구별되며, 이는 수용액의 밝은 색상에 영향을 줍니다. 수용성, 복잡한 구조 및 합성 기원과 같은 특성으로 인해; 아조 염료의 제거는 일반적으로 어렵습니다. 폐수에서 염료를 제거하기 위해; 흡착, 염소화, 응고, 오존화, 막여과와 같은 물리적, 화학적, 생물학적 방법이 사용되어 왔다. 그러나 이러한 기술 중 일부는 염료의 분해로 이어지지 않고 단순히 폐수에서 염료 성분을 물리적으로 제거하여 폐기물 제거 문제를 유지합니다. 또한, 다른 기술은 2차 오염을 유발하여 오염 문제를 높입니다. 환경에서 염료를 제거하기 위한 새로운 처리 방법을 개발하는 데 많은 고려가 이루어졌습니다. nZVI(나노스케일 0가 철)는 저렴하고 뛰어난 환원 능력과 오염 물질 분해 능력으로 인해 염료 폐수 정화를 위한 효과적인 솔루션으로 구체화되었습니다. 독성 염료 분자의 분해에서 nZVI 입자가 산화되어 염료 분자에 2개의 전자를 제공하여 환원된다. 그럼에도 불구하고 오염물질 제거를 위한 nZVI의 사용은 nZVI의 부식에 의해 유도된 표면 부동태화로 인한 반응성의 점진적인 감소와 같은 몇 가지 고유한 제약이 있습니다. 앞서 언급한 nZVI 기술의 단점을 극복하기 위해 수많은 솔루션이 만들어졌습니다. 그리고 수년에 걸쳐 추진력을 얻은 것은 철 표면에 촉매 역할을 하는 두 번째 금속을 증착하는 것입니다. 바이메탈 나노입자의 이점은 더 큰 표면적과 반응성 부위 밀도, 부식 생성물이 ZVI 반응성 표면 부위에 축적되는 것을 방해한다는 것입니다. 기본적으로 Pd, Pt, Ni, Cu 또는 Ag과 같은 금속에 의한 nZVI의 부분적인 커버리지는 여러 응용 분야에서 nZVI의 효과를 증가시킵니다. 앞서 언급 한 촉매 금속은 모든 철 기반 바이메탈 시스템에서 표면에 원자 수소 또는 수 소화물의 생성을 강화하고 nZVI, 전자 공여체 및 환원제의 전자 특성을 변경합니다. 더욱이, 바이메탈 입자 감소율은 nZVI 단독의 경우보다 상당히 빠르며 분해 및 회피에 대한 안정성이 더 크며 독성 부산물의 생성 및 축적을 줄입니다. 반응물과 촉매의 상호작용을 지연시킬 수 있는 철 수산화물 층의 생성으로 인해 바이메탈 나노입자 체계에 사용된 촉매의 효율성은 시간이 지남에 따라 감소합니다. 결과적으로, 바이메탈 입자가 증가된 환원율을 나타내지만, 이에 따라 트라이메탈 물질이 연구되었고 바이메탈 물질보다 더 나은 효율을 보였다. 이 연구의 목적은 폐수에서 메틸 오렌지 염료의 분해를 위한 Fe/Cu/Ag 삼금속 나노입자를 합성하고 특성화하는 것이었습니다. 일부 금속 촉매 (즉, Pt, Pd 및 Au)는 Fe 기반 바이메탈 및 트리 메탈에 대한 실험실 규모의 연구에서 만족스러운 결과를 얻었지만 폐수 정화 응용 분야에서 사용하는 데 너무 비쌉니다. 따라서 최소한의 질량 로딩과 저비용 금속 촉매를 사용하여 비용 효율적이고 반응성이 큰 nZVI 기반 삼금속 시스템을 얻을 필요가 있습니다. nZVI(Fe2O), Fe/Ag(5:0.1), Fe/Cu(5:1) 및 Fe/Cu/Ag(5:1:0.2) 나노입자의 X선 회절(XRD) 패턴 및 표준 참조 패턴 모든 XRD 스펙트럼에서 0가 철(Fe2O)의 존재는 체심 입방(bcc) 격자 평면을 나타내는 46–47°의 2θ 값에서 나타나는 반사로 표시됩니다. (110). 스펙트럼에서 Fe2O3 피크가 엄청나게 존재한다는 것은 철이 산화되기 매우 쉽다는 것을 암시합니다. Fe/Ag 회절도는 (111) 격자 평면에 해당하는 39.5°에서 입방 Ag와 크게 관련된 회절 피크를 보여줍니다. 반면, Fe/Cu 패턴은 (200) 결정면에 해당하는 53.5°의 2θ 값에서 작은 피크를 가지고 있습니다. Cu의 입방 위상에 할당됩니다. 삼금속 입자 Fe/Cu/Ag 회절 패턴은 다른 패턴과 유사하게 주로 Fe0에 색인됩니다. 바이메탈 나노입자의 XRD 패턴에서 관찰된 Cu와 Ag의 추가 피크가 있습니다. 구리도 쉽게 산화되지만 구리 함유 입자에서 CuO의 현저한 피크는 관찰되지 않았습니다. nZVI, Fe/Ag, Fe/Cu 및 Fe/Cu/Ag 나노입자에 대한 평균 결정자 크기는 가장 강한 공통 피크(36° 2θ)에서 Scherrer 방정식을 사용하여 결정되며 18.9, 27.3, 14.7 및 각각 11.4nm. 삼 금속 결정자 크기는 nZVI 및 이중 금속 나노 입자보다 작으며, 이는 삼 금속 시스템에서 Ag 및 Cu의 평균 결정자 직경 감소를 시사합니다. Mahmoud에 의해 수행 된 연구는 nZVI 입자 사이의 자기력이 더 큰 나노 클러스터를 생성하기 때문에 nZVI 결정 크기가 바이메탈 Fe / Cu의 크기보다 크다는 것을 확인했습니다. 다른 한편으로, 바이메탈 Fe/Cu 나노입자의 구리는 nZVI 나노입자 사이의 자기력을 방해하여 더 작은 나노클러스터를 유도한다. 따라서, 본 명세서에 보고된 nZVI와 비교하여 바이메탈 및 트라이메탈 나노입자에 대해 더 작은 결정자 크기가 관찰되었다. 또한 Al-Namil은 결정자 크기가 작을수록 환원 연구에 대한 촉매 활성이 더 크다는 것을 보여주었습니다. 이 연구에서 Fe/Cu/Ag 5:1:0.2 삼금속 나노입자는 수소화붕소나트륨 환원법을 사용하여 성공적으로 합성되었으며 표면 민감성 및 표면 특이적 기술을 특징으로 합니다. TEM 이미지는 코어에 철이 있고 쉘에 Cu, Ag 및 Fe 산화물의 혼합물로 구성된 코어 쉘이 있는 사슬형 구조를 보여주었습니다. 실험 결과 Fe / Cu / Ag 삼 금속 나노 입자 (1 분에 100 %)의 분해 효율이 바이메탈 Fe / Cu (10 분에 100 %) 및 Fe / Ag (15 분에 68 %)의 분해 효율보다 높았습니다. 나노 입자는 삼금속 나노 입자가 바이메탈 대응 물에 비해 MO 염료의 더 빠른 분해 효율을 제공한다는 것을 증명합니다. 나노 입자의 촉매 효율은 염료 분해에서 활성 부위의 수와 TOF를 사용하여 제안되었습니다. 최적의 삼금속 시스템 Fe/Cu/Ag 5:1:0.2의 TOF 값은 0.2752 min-1입니다. 또한, 배치 실험은 초기 MO 염료 농도, 나노 입자 투여량 및 용액 pH가 Fe/Cu/Ag 나노 입자를 사용하는 MO의 분해 효율에 영향을 미쳤음을 보여줍니다. 낮은 pH 값, 높은 나노 입자 투여 량 및 낮은 초기 MO 농도는 MO 염료의 촉매 분해에 더 유리했습니다. 저하는 의사 1 차 운동 모델을 따랐다. 또한, 유사 1차 속도 상수는 pH 및 초기 MO 염료 농도가 감소함에 따라 증가하였고 나노 입자 투여량이 증가함에 따라 증가하였다. LC-MS의 결과는 메틸 오렌지의 분해가 1분 이내에 발생하여 광물화되기 쉬운 방향족 제품을 생성한다는 것을 보여줍니다. 마지막으로, Fe/Cu/Ag 삼금속 나노입자는 더 많은 양을 사용할 때 잠재적으로 재사용할 수 있으며 이 연구에서 섬유 염료 폐수 정화에 사용할 수 있는 능력을 가지고 있음이 입증되었습니다. 산업 규모의 응용 분야에서 이러한 나노 입자를 적용하려면 높은 자기 특성으로 인해 덩어리의 가능성을 줄이고 재사용성과 복구성을 향상시키기 위해 나노 입자를 멤브레인 기판에 고정해야 합니다.