سنتز نانوالياف كامپوزيتي بر پايه تيتانيم دي‌‌اكسيد دوپه‌شده با نانوذرات مس اكسيد با الكتروريسي و كاربرد آن‌ها در تخريب نوركاتاليزي پساب‌هاي دارويي

Synthesis of TiO2 Composite Nanofibers Doped with Copper Oxide Nanoparticles through Electrospinning and Their Application in Photocatalytic Degradation of Pharmaceutical Wastewaters

فرضيه: فرايند نوركاتاليزي به‌دليل كاني‌زايي (معدني‌شدن) كامل آلاينده‌ها و سازگاري با محيط زيست مي‌تواند جايگزين مناسبي براي روش‌هاي متداول تصفيه پساب دارويي باشد. در اين پژوهش، با توجه به ضعف‌هاي به‌كارگيري نانوذرات نوركاتاليزگر بر پايه TiO2 همچون انبوهش و مشكل جداسازي، نانوالياف TiO2-CuO نوركاتاليزي با روش الكتروريسي سنتز و قابليت نوركاتاليزي آن‌ها ارزيابي شد. روش‌ها: كامپوزيت نانوساختار TiO2-CuO با بارگذاري نانوذرات CuO به روش پراكنش حالت جامد روي نانوالياف بر پايه TiO2 الكتروريسي‌شده سنتز و با آزمون‌هاي پراش پرتو X، ميكروسكوپي الكترون پويشي نشر ميداني (FE-SEM)، طيف‌نمايي‌هاي پراكنده‌كننده انرژي پرتو X، بازتاب نفوذي (DRS)، BET و فوتولومينسانس (PL) شناسايي شد. با هدف ارزيابي قابليت نوركاتاليزي نانوالياف كامپوزيتي TiO2-CuO در تصفيه پساب‌هاي دارويي، نمونه سنتزي براي نورتخريب تتراسايكلين به‌عنوان پرمصرف‌ترين آنتي بيوتيك به‌كار گرفته شد. يافته‌ها: نتايج آزمون‌هاي XRD ،FE-SEM و EDX سنتز نانوالياف كامپوزيتي را تأييد كرد. الگوي XRD نشان داد، ساختار بلوري TiO2 تشكيل‌شده به‌طور عمده به‌شكل آناتاز است. عكس‌هاي FE-SEM پراكنش يكنواخت نانوذرات CuO را در نانوالياف‌ نشان داد. نتايج آزمون‌هاي ميكروسكوپي نوري نشانگر شكاف نوار كمتر نمونه سنتزي در مقايسه با نانوذرات و نانوالياف بدون TiO2 و مقدار نسبتاً كم بازتركيب الكترون-حفره بود كه هر دو از مشخصه‌هاي اصلي نوركاتاليزگر پربازده هستند. آزمون BET‌ سطح ويژه 8.5m2/g و ساختار مزومتخلخل‌ نمونه سنتزي را نشان داد. در نهايت، فعاليت نوركاتاليزي نانوالياف كامپوزيتي در نورتخريب تتراسايكلين در پساب با pH‌‌هاي متفاوت بررسي شد. نانوالياف كامپوزيتي TiO2-CuO بازده تخريب %71 را در نورتخريب تتراسايكلين در pH خنثي نشان داد كه مطابق با نتايج مشخصه نمونه سنتزي است. اين مشاهدات و يافته‌ها همراه با عملكرد نوركاتاليزي نمونه سنتزي در مقايسه با پيشينه پژوهش، خواص و قابليت نوركاتاليزگري نانوالياف كامپوزيتي TiO2-CuO را در تصفيه پساب دارويي تأييد كرد.

Hypothesis: The photocatalysis process can be an appropriate alternative for traditional methods of pharmaceutical wastewater treatment because of its complete mineralization of pollutants and an environmentally friendly method. In challenging the drawbacks of photocatalytic TiO2-based nanoparticles such as aggregation and separation, photocatalytic TiO2-CuO nanofibers were produced through electrospinning technique and their photocatalytic capability was evaluated. Methods: A TiO2-CuO nanostructured composite was synthesized by loading CuO nanoparticles on the electrospun TiO2 nanofibers through solid state dispersion method and characterized by X-ray diffractometry (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), BET (Brunauer-Emmett-Teller), differential reflectance spectroscopy (DRS) and photoluminescence (PL) analysis. By studying and exploring the photocatalysis of TiO2-CuO composite nanofibers in pharmaceutical wastewaters treatment, the synthesized sample was tested in the photodegradation of tetracycline as the most widely used antibiotics. Findings: The XRD, FE-SEM and EDX results confirmed the synthesis of composite nanofibers. The XRD pattern showed the crystal structure of TiO2 was mainly in the form of anatase. FE-SEM images demonstrated the relatively uniform dispersion of CuO nanoparticles in nanofibers. The results of optical spectroscopy analysis revealed a lower band gap of the synthesized nanofibers compared to TiO2-free nanofibers and nanoparticles; and relatively low electron-hole recombination which are the main characteristics of an effective photocatalyst. The BET analysis depicted a specific surface area of 8.5 m2/g and a mesoporous structure of the synthesized product. Finally, the photocatalytic activity of composite nanofibers was investigated in the photodegradation of tetracycline at various pH levels of wastewater. The TiO2-CuO composite nanofibers exhibited tetracycline degradation efficiency of 71% at neutral pH which is in accordance with the obtained data on sample characterization. These observations and findings together with the comparison of the photocatalytic performance of the synthesized sample compared with literature review verify the photocatalytic characteristics and the capability of TiO2-CuO composite nanofiber in pharmaceutical wastewaters treatment.