การศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาการย่อยสลายเมทิลีนบลูผ่านกระบวนเร่งเชิงแสง ด้วยอนุภาคซิงค์แคดเมียมซัลไฟด์ภายใต้การฉายรังสียูวี
Kinetic Study of Photocatalytic Degradation of Methylene Blue by Zinc Cadmium Sulfide Particles under UV Irradiation
Keywords:
สารกึ่งตัวนำ, ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง, เมทิลีนบลู, ปฏิกิริยาการย่อยสลาย, จลนศาสตร์, semiconductor, photocatalyst, methylene blue, degradation, kineticsAbstract
งานวิจัยนี้ได้สังเคราะห์อนุภาคซิงค์แคดเมียมซัลไฟด์ที่มีอัตราส่วนโมลของ Zn2+ : Cd2+ เท่ากับ 4 : 1 (ZCS1) และ 1 : 4 (ZCS2) ด้วยวิธีการฉายรังสีไมโครเวฟ อนุภาค ZCS1 และ ZCS2 ที่สังเคราะห์ได้จะถูกนำมาทดสอบความ สามารถในการเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายเมทิลีนบลู (MB) ในน้ำที่อุณหภูมิห้อง (27±1 oC) ภายใต้การฉายรังสี UV โดยมีการศึกษาผลกระทบของพารามิเตอร์ต่าง ๆ ได้แก่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของ MB (8 -12 mg L-1 ) pH (3 -9) และปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยา (0.06 -0.12 g L-1) ที่มีต่อจลนศาสตร์ของปฏิกิริยา ประสิทธิภาพในการย่อยสลาย MB ภายใต้การฉายรังสี UV (%DEG) และประสิทธิภาพในการกำจัด MB (%REM) จากผลการทดลองพบว่าจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาการย่อยสลาย MB เป็นไปตามแบบจำลองจลนศาสตร์อันดับหนึ่งที่ทุกสภาวะของการทดลอง ยกเว้นในกรณีของ ZCS2 ที่ pH = 3 ที่พบว่าปฏิกิริยาการย่อยสลาย MB ประพฤติตัวเป็นปฏิกิริยา อันดับศูนย์ค่าคงที่อัตรา (kobs,1) ของปฏิกิริยาการย่อยสลาย MB มีค่าเพิ่มขึ้นตาม pH แต่ไม่เปลี่ยนแปลงตามความเข้มข้นเริ่มต้นของ MB มากนัก จากค่าของ kobs,1 ที่ได้สรุปว่า ZCS2 (0.0236 min-1 £ kobs,1 £ 0.0283 min-1) มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงเหนือกว่า ZCS1 (0.0118 min-1 £ kobs,1 £ 0.0212 min-1) สภาวะที่เหมาะสมในการกำจัด MB ในงานวิจัยนี้ ได้แก่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของ MB = 12 mg L-1 , pH = 9 และปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยา = 0.1 g L-1 โดยสภาวะดังกล่าวให้ค่า %DEG สูงสุด (91.5% และ 96.0% สำหรับ ZCS1 และ ZCS2 ตามลำดับ) และค่า %REM สูงสุด (95.4% และ 97.3% สำหรับ ZCS1 และ ZCS2 ตามลำดับ) ที่ระยะเวลาของการฉายรังสี UV เท่ากับ 120 นาที Zinc cadmium sulfide (ZCS) nanoparticles with the Zn2+: Cd2+ mole ratios of 4: 1 (ZCS1) and 1: 4 (ZCS2) were synthesized using microwave irradiation method. Photocatalytic activity of ZCS1 and ZCS2 towards the degradation of methylene blue (MB) in water at room temperature (27±1oC) under UV irradiation was investigated. The effects of parameters such as the initial MB concentration (8 - 12 mg L-1), pH (3 - 6) and catalyst dose (0.06 - 0.12 g L‑1) on the reaction kinetics, MB degradation efficiency under UV irradiation (%DEG) and MB removal efficiency (%REM) were examined. The degradation kinetics of MB followed the first-order kinetic model under all conditions attempted, except for the case of ZCS2 at pH = 3 where the degradation of MB exhibited the zero-order reaction behavior. The rate constant (kobs,1) for the degradation of MB was found to increase with increasing pH, but did not vary much with the initial MB concentration. Based on the values of kobs,1, the photocatalytic activity of ZCS2 (0.0236 min-1 £ kobs,1 £ 0.0283 min-1) was superior to that of ZCS1 (0.0118 min-1 £ kobs,1 £ 0.0212 min-1). The optimal conditions for the MB removal in this work included the initial MB concentration of 12 mg L‑1, pH = 9 and the catalyst dose of 0.1 g L‑1. These conditions essentially leaded to the maximum values of both %DEG (91.5% and 96.0% for ZCS1 and ZCS2, respectively) and %REM (95.4% and 97.3% for ZCS1 and ZCS2, respectively) at the UV irradiation time of 120 minutes.References
Alkaykh, S., Mbarek, A., & Ali-Shattle, E. E. (2020). Photocatalytic degradation of methylene blue dye in aqueous solution by MnTiO3 nanoparticles under sunlight irradiation. Heliyon, 6(4), e03663(1-6).
Balcha, A., Yadav, O. P., & Dey, T. (2016). Photocatalytic degradation of methylene blue dye by zinc oxide nanoparticles obtained from precipitation and sol-gel methods. Environmental Science and Pollution Research, 23(24), 25485-25493.
Chauhan, R., Kumar, A., & Chaudhary, R.P. (2013). Photocatalytic degradation of methylene blue with Fe-doped ZnS nanoparticles. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 113, 250-256.
Chauhan, R., Kumar, A., & Chaudhary, R.P. (2014). Photocatalytic degradation of methylene blue with Cu-doped ZnS nanoparticles. Journal of Luminescence, 145, 6-12.
Houas, A., Lachheb, H., Ksibi, M., Elaloui, E., Guillard, C., & Herrmann, J. M. (2001). Photocatalytic degradation pathway of methylene blue in water. Applied Catalysis B: Environmental, 31(2), 145–157.
Laidler, K. J., Meiser, J. H., & Sanctuary, B. C. (2003). Physical Chemistry. (4th ed.). Boston: Houghton Mifflin.
Poormohammadi-Ahandani, Z. & Habibi-Yangjeh, A. (2011). Microwave-assisted preparation of Zn1-xCuxS nanoparticles by a fast, green, and template-free method and photocatalytic activity. Desalination, 271(1-3), 273-278.
Sahoo, C., Gupta, A. K., & Sasidharan Pillai, I. M. (2012). Photocatalytic degradation of methylene blue dye from aqueous solution using silver ion-doped TiO2 and its application to the degradation of real textile wastewater. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 47(10), 1428–1438.
Sen, S., Das, C., Ghosh, N.N., Baildya, N., Bhattacharya, S., Khan, M.A., Sillanpää, M., & Biswas, G. (2022). Is degradation of dyes even possible without using photocatalysts? - a detailed comparative study. RSC Advances, 12, 34335–34345.
Soltani, N., Saion, E., Hussein, M. Z., Erfani, M., Abedini, A., Bahmanrokh, G., Navasery, M., & Vaziri, P. (2012). Visible light-induced degradation of methylene blue in the presence of photocatalytic ZnS and CdS nanoparticles. International Journal of Molecular Sciences, 13(12), 12242-12258.
Vasic, M.B., Randjelovic, M.S., Momcilovic, M.Z., Matovic, B.Z., & Zarubica, A.R. (2016). Degradation of crystal violet over heterogeneous TiO2-based catalysts: the effect of process parameters. Processing and Application of Ceramics. 10(3), 189-198.
Vasiljevic, Z. Z., Dojcinovic, M. P., Vujancevic, J. D., Jankovic-Castvan, I., Ognjanovic, M., Tadic, N. B., Stojadinovic, S., Brankovic, G. O., & Nikolic, M. V. (2020). Photocatalytic degradation of methylene blue under natural sunlight using iron titanate nanoparticles prepared by a modified sol-gel method. Royal Society Open Science, 7(9), 200708(1-14).
Wang, R., Liang, H., Hong, J., & Wang, Z. (2016). Hydrothermal synthesis of cobalt-doped ZnS for efficient photodegradation of methylene blue. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 325, 62-67.
