Кінетика окиснювальної деградації метилового оранжевого з використанням процесу “Сонопероксат”
Анотація
Недоліками фотокаталітичних та Фентон-подібних передових процесів окиснення барвників є високі енерговитрати та довготривалість, що зумовлено утворенням тільки одного основного реакційного виду – гідроксильних радикалів. Для збільшення швидкості деградації азобарвників, зокрема метилового оранжевого (MO), вперше було запропоновано використовувати передовий процес окиснення “Сонопероксат” (ультразвук/H2O2/KIO4), під час реалізації якого формується комплекс реакційних видів, який включає як радикали (йодильні, перйодильні, гідроксильні), так і високоактивну сполуку молекулярного типу (синглетний кисень – 1O2). Встановлено раціональні умови окиснювальної деградації MO: початкова концентрація MO у його водному розчині – 76,5·10-6 моль/дм3; мольне співвідношення MO:H2O2:KIO4=1:50:10; pH реакційного середовища – 3,00; температура середовища – 293 К; питома потужність ультразвукового кавітаційного оброблення – 68,0 Вт/дм3. Визначено константу швидкості окиснювальної деградації MO, яка за раціональних умов дорівнювала 2,883·10-3 с-1. Синергетичний ефект, зумовлений комбінацією дії ультразвукової кавітації та процесу H2O2/KIO4, охарактеризовано значенням синергетичного коефіцієнта, який дорівнював 1,62. На основі результатів UV/Vis- та ІЧ-спектроскопії підтверджено руйнування азозв’язку у молекулах MO та деградацію барвника. За результатами ідентифікації функціональних груп інтермедіатів методом ІЧ-спектроскопії запропоновано можливий шлях окиснювальної деградації МО з використанням процесу “Сонопероксат”, який послідовно включає розривання азозв’язку, деметилювання первинних амінів, деамінування амінопохідних бензену, розкриття бензенового кільця з утворенням лінійних сполук та мінералізацію останніх
Ключові слова
азобарвники; окиснювальна деградація; константа швидкості; ультразвукова кавітація; перйодат; UV/Vis-спектроскопія; ІЧ-спектроскопія
Використані джерела
[1] H. N. Altayb, B. Kouidhi, O. A. S. Baothman, J. A. Abdulhakim, L. Ayed, M. Hager, and K. Chaieb, "Mathematical modeling and optimization by the application of full factorial design and response surface methodology approach for decolourization of dyes by a newly isolated Photobacterium ganghwense", Journal of Water Process Engineering, vol. 44, p. 102429, 2021. doi: 10.1016/j.jwpe.2021.102429.
[2] Y. Sukhatskiy, Z. Znak, O. Zin, and D. Chupinskyi, "Ultrasonic cavitation in wastewater treatment from azo dye methyl orange", Chemistry & Chemical Technology, vol. 15, no. 2, pp. 284-290, 2021. doi: 10.23939/chcht15.02.284.
[3] M. Saeed, S. Adeel, H. Abdur-raoof, M. U. A. Mansha, A. Ahmad, and M. Amjed, "ZnO catalyzed degradation of methyl orange in aqueous medium", Chiang Mai Journal of Science, vol. 44 (4), pp. 16461653, 2017. doi: 10.13140/rg.2.2.17237.01762.
[4] R. A. Putri, S. Safni, N. Jamarun, and U. Septiani, "Kinetics study and degradation pathway of methyl orange photodegradation in the presence of C-N-codoped TiO2 catalyst", Egyptian Journal of Chemistry, vol. 62, pp. 563-575, 2019. doi: 10.21608/ejchem.2019.14543.1883.
[5] Z. Junbo, M. Di, Z. Hong, L. An, L. M. Jiao, H. Shengtian, and L. Jianzhang, "Photocatalytic decolorization of methyl orange solution with potassium peroxydisulfate", Central European Journal of Chemistry, vol. 6 (2), pp. 245-252, 2008. doi: 10.2478/s11532-008-0016-5.
[6] P. S. Harikumar, L. Joseph, and A. Dhanya, "Photocatalytic degradation of textile dyes by hydrogel supported titanium dioxide nanoparticles", Journal of Environmental Engineering & Ecological Science, vol. 2, p. 2, 2013. doi: 10.7243/2050-1323-2-2.
[7] S. A. Bhat, F. Zafar, A. H. Mondal, A. Kareem, A. Z. Mirza, S. Khan, A. Mohammad, Q. M. R. Haq, and N. Nishat, "Photocatalytic degradation of carcinogenic Congo red dye in aqueous solution, antioxidant activity and bactericidal effect of NiO nanoparticles", Journal of the Iranian Chemical Society, vol. 17 (1), pp. 215-227, 2020. doi: 10.1007/s13738-019-01767-3.
[8] V. K. Landge, C.-M. Huang, V. S. Hakke, S.H. Sonawane, S. Manickam, and M.-C. Hsieh, "Solar-energy-driven CuZnO/TiO2 nanocomposite photocatalyst for the rapid degradation of Congo red azo dye", Catalysts, vol. 12, p. 605, 2022. doi: 10.3390/catal12060605.
[9] M. Said, W. T. Rizki, W. R. Asri, D. Desnelli, A. Rachmat, and P. L. Hariani, "SnO2Fe3O4 nanocomposites for the photodegradation of the Congo red dye", Heliyon, vol. 8 (4), p. e09204, 2022. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e09204.
[10] G. Hitkari, P. Ghowdhary, V. Kumar, S. Singh, and A. Motghare, "Potential of copper-zinc oxide nanocomposite for photocatalytic degradation of congo red dye", Cleaner Chemical Engineering, vol. 1, p. 100003, 2022. doi: 10.1016/j.clce.2022.100003.
[11] Y. Yang, K. Liu, F. Sun, Y. Liu, and J. Chen, "Enhanced performance of photocatalytic treatment of Congo red wastewater by CNTs-Ag-modified TiO2 under visible light", Environmental Science and Pollution Research, vol. 29, pp. 15516-15525, 2022. doi: 10.1007/s11356-021-16734-w.
[12] P. L. Hariani, M. Said, S. Salni, N. Aprianti, and Y. A. L. R. Naibano, "High efficient photocatalytic degradation of methyl orange dye in an aqueous solution by CoFe2O4SiO2-TiO2 magnetic catalyst", Journal of Ecological Engineering, vol. 23 (1), pp. 118-128, 2022. doi: 10.12911/22998993/143908.
[13] Z. Benredjem, K. Barbari, I. Chaabna, S. Saaidia, A. Djemel, R. Delimi, S. Douas, and K. Bakhouche, "Comparative investigation on the removal of methyl orange from aqueous solution using three different advanced oxidation processes", International Journal of Chemical Reactor Engineering, vol. 19 (6), pp. 597-604, 2021. doi: 10.1515/ijcre-2020-0243.
[14] A. L. Butt, J. K. Mpinga, and S. M. Ticha- pondwa, "Photo-Fenton oxidation of methyl orange dye using South African ilmenite sands as a catalyst", Catalysts, vol. 11, p. 1452, 2021. doi: 10.3390/catal11121452.
[15] N. E. Chadi, S. Merouani, O. Hamdaoui, M. Bouhelassa, and M. Ashokkumar, "H2O2/periodate (IO-4 ): A novel advanced oxidation technology for the degradation of refractory organic pollutants", Environmental Science: Water Research & Technology, vol. 5 (6), pp. 1113-1123, 2019. doi: 10.1039/C9EW00147F.
[16] N. E. Chadi, S. Merouani, O. Hamdaoui, M. Bouhelassa, and M. Ashokkumar, "Influence of mineral water constituents, organic matter and water matrices on the performance of H2O2/ IO-4 -advanced oxidation process", Environmental Science: Water Research & Technology, vol. 5 (11), pp. 19851992, 2019. doi: 10.1039/C9EW00329K.
[17] Y. Sukhatskiy, M. Sozanskyi, M. Shepida, Z. Znak, and P. R. Gogate, "Decolorization of an aqueous solution of methylene blue using a combination of ultrasound and peroxate process", Separation and Purification Technology, vol. 288, p. 120651, 2022. doi: 10.1016/j.seppur.2022.120651.
[18] J. Oakes, and P. Gratton, "Kinetic investigations of the oxidation of Methyl Orange and substituted arylazonaphthol dyes by peracids in aqueous solution", Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions, no. 2, pp. 2563-2568, 1998. doi: 10.1039/A807272H.
[19] Z. O. Znak, Y. V. Sukhatskiy, O. I. Zin, V. Khomyak, R. V. Mnykh, and A. V. Lysenko, "The decomposition of the benzene in cavitation fields", Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii (Issues of Chemistry and Chemical Technology), vol. 1 (116), pp. 72-77, 2018.
[20] M. Mozurkewich, and S. W. Benson, "Negative activation energies and curved Arrhenius plots. 1. Theory of reactions over potential wells", The Journal of Physical Chemistry, vol. 88, no. 25, pp. 6429-6435, 1984. doi: 10.1021/j150669a073.
[21] D. Baena-Baldiris, A. Montes-Robledo, and R. Baldiris-Avila, "Franconibacter sp., 1MS: A new strain in decolorization and degradation of azo dyes Ponceau S Red and Methyl Orange", ACS Omega, vol. 5, pp. 28146-28157, 2020. doi: 10.1021/acsomega.0c03786.
[22] S. Yang, R. Jin, Z. He, Y. Qiao, S. Shi, W. Kong, Y. Wang, and X. Liu, "An experimental study on the degradation of methyl orange by combining hydrodynamic cavitation and chlorine dioxide treatments", Chemical Engineering Transations, vol. 59, pp. 289-294, 2017. doi: 10.3303/CET1759049.
[23] S. Srinivasan, and S. K. Sadasivam, "Biodegradation of textile azo dyes by textile effluent non-adapted and adapted Aeromonas hydrophila", Environmental Research, vol. 194, p. 110643, 2021. doi: 10.1016/j.envres.2020.110643.