Reaktif azo boyarmaddelerin TiO2 yüzeyinde adsorpsiyon ve dekolorizasyon reaksiyonlarının kinetik incelemesi

Abstract

Tekstil endüstrisinden bırakılan atık suların büyük bir kısmını azo boyarmaddeler meydana getirmektedir. Azo boyarmaddeler, oluşturdukları kovalent bağlar ile elyafa sıkıca bağlanma özelliklerinden dolayı reaktif boyarmaddelerin en yaygın kullanılan grubudur. Reaktif azo boyarmaddeler, degrade olmalarını zorlaştıran reaktif gruplarla birleşmiş iki aromatik halkaya bağlı bir veya daha fazla (–N=N–) azo bağı ile karakterize edilirler. Azo boyarmaddeler, aerobik degradasyona karşı dirençlidir ve degradasyon ürünleri son derece kanserojenik etki göstermektedir. Klasik arıtma yöntemleri, boyarmaddeleri atık sulardan uzaklaştırmada yetersiz kalmaktadırlar ya da boyarmaddeleri bir fazdan diğer bir faza taşıyarak ikincil bir kirlenmeye neden olmaktadırlar. Bu nedenle, çevre kirliliğine yol açan ve insan sağlığı için tehdit oluşturan boyarmaddelerin sudan uzaklaştırılıp, zararsız bileşiklere dönüştürülmesinde alternatif bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır. Atık sulardaki boyarmaddelerin dekolorizasyonu için alternatif bir yöntem olan TiO2 fotokatalizi, TiO2 partiküllerinin UV ışığı ile aydınlatılması sonucu çok yüksek derecede reaktif olan hidroksil radikalleri ve yük boşluklarının oluşmasına dayanır. Bu çalışma, reaktif ve sentetik Reaktif Kırmızı 195 (RR195) azo boyarmaddesinin adsorpsiyonunu ve fotokatalitik degradasyonunu içermektedir. Fotokatalitik degradasyon reaksiyonları sabit sıcaklıkta, süreksiz tip bir fotoreaktörde, UV-A ışığı altında ticari TiO2 Degussa P25 fotokatalizörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Optimum adsorpsiyon koşullarını belirlemek için başlangıç pH değeri, boyarmadde konsantrasyonu, adsorban konsantrasyonu gibi farklı parametreler kullanılmıştır. Adsorpsiyon deneylerinden elde edilen veriler Langmuir ve Freundlich izotermleriyle analiz edilmiştir. Degadasyon reaksiyonlarında, reaksiyon karışımından alınan örnekler UV-vis spektroskopi, FT-IR ve GC-MS ile analiz edilmiştir. Hedef molekülün degradasyon reaksiyonuna Yoğunluk Fonsiyoneli Yöntemi (DFT) uygulanmış ve reaktivite tanımlayıcıları DFT/B3LYP/6-31G* ile hesaplanmıştır. Sonuç olarak, •OH radikali saldırısı için molekülün reaktif bölgeleri belirlenmiş, DFT hesapları ile deneysel FT-IR ve GC-MS analizlerinin sonuçları birleştirilerek reaksiyon mekanizması öngörülmüştür. Bu çalışmanın sonuçları TiO2/UV fotokatalizi, tekstil endüstrisindeki seyreltik atık sular için bir arıtma metodu olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Azo-boyarmaddenin dekolorizasyon-degradasyon deneylerinde optimum koşullarını belirlemek için adsorban konsantrasyonu, pH, boya konsantrasyonu gibi çeşitli parametreler belirlenmiştir. TiO2'in adsorpsiyon kapasitesini belirlemek amacıyla azo-boyarmaddenin sulu çözeltisinin farklı pH değerlerinde denemeler yapılmıştır. Maksimum adsorpsiyon pH 3 değerinde elde edilmiştir. Dekolorizasyon-degradasyon hızı Langmuir eşitliği ile modellenmiştir. Fotokatalitik degradasyon reaksiyonunun sonuçlarını açıklamak için görünür birinci mertebeden kinetik model kullanılmıştır. Hız sabitinin, başlangıç konsantrasyonunun tersi ile doğru orantılı olduğu elde edilmiştir. FTIR analizleri, adsorpsiyonun boyarmadde molekülünün sülfo ve karbonil grupları ile gerçekleşirken, dekolorizasyonun kromofor grubundaki –N=N– çifte bağlarının kırılmasıyla gerçekleştiğini göstermektedir.