Fe-Mn-sepiolite as an effective heterogeneous Fenton-like catalyst for the decolorization of reactive brilliant blue

Abstract

A study of the decolorization of reactive brilliant blue in an aqueous solution using Fe-Mn-sepiolite as a heterogeneous Fenton-like catalyst has been performed. The Fourier transform infrared (FTIR) spectra of the catalyst showed bending vibrations of the Fe-O. The X-ray diffraction (XRD) patterns of the catalyst showed characteristic diffraction peaks of α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃ and MnO. A four factor central composite design (CCD) coupled with response surface methodology (RSM) was applied to evaluate and optimize the important variables (catalyst addition, hydrogen peroxide dosage, initial pH value and initial dye concentration). When the reaction conditions were catalyst dosage= 0.4 g, [H₂O₂]= 0.3 mL, pH= 2.5, [reactive brilliant blue]_o = 50 mg·L⁻¹, and volume of solution= 500 mL at room temperature, the decolorization efficiency of reactive brilliant blue was 91.98% within 60 min. Moreover, the Fe-Mn-sepiolite catalyst had good stability for the degradation of reactive brilliant blue even after six cycles. Leaching of iron ions (<0.4 mg·L⁻¹) was observed. The decoloring process was reactive brilliant blue specific via a redox reaction. The benzene ring and naphthalene ring were first oxidized to open ring; these were then oxidized to the alcohol and carboxylic acid. The reactive brilliant blue was decomposed mainly by the attack of ·OH radicals including surface-bound ·OH radicals generated on the catalyst surface.

Keywords

Fe-Mn-sepiolite catalyst / heterogeneous Fenton-like / reactive brilliant blue / homogeneous precipitation method / hydroxyl radical

References

[1] Ruan X C, Liu M Y, Zeng Q F, Ding Y H. Degradation and decolorization of reactive red X-3B aqueous solution by ozone integrated with internal micro-electrolysis. Separation and Purification Technology, 2010, 74(2): 195–201

[2] Zhou T, Lu X, Wang J, Wong F S, Li Y. Rapid decolorization and mineralization of simulated textile wastewater in a heterogeneous Fenton like system with/without external energy. Journal of Hazardous Materials, 2009, 165(1–3): 193–199

[3] Wang W, Zhou M H, Mao Q, Yue J J, Wang X. Novel NaY zeolite-supported nanoscale zero-valent iron as an efficient heterogeneous Fenton catalyst.  Catalysis  Communications,  2010,  11(11):  937–941

[4] Hai F I, Yamamoto K, Nakajima F, Fukushi K. Bioaugmented membrane bioreactor (MBR) with a GAC-packed zone for high rate textile wastewater treatment. Water Research, 2011, 45(6): 2199–2206

[5] Tabak A, Eren E, Afsin B, Caglar B. Determination of adsorptive properties of a Turkish Sepiolite for removal of Reactive Blue 15 anionic dye from aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials, 2009, 161(2–3): 1087–1094

[6] Gonzalez R O, Holzer F F D. Indications of the reactive species in a heterogeneous Fenton-like reaction using Fe-containing zeolites. Applied Catalysis A, 2011, 398(1–2): 44–53

[7] Masomboon N, Ratanatamskul C, Lu M C. Kinetics of 2,6-dimethylaniline oxidation by various Fenton processes. Journal of Hazardous Materials, 2011, 192(1): 347–353

[8] Gulkaya I, Surucu G A, Dilek F B. Importance of H₂O₂/Fe²⁺ ratio in Fenton’s treatment of a carpet dyeing wastewater. Journal of Hazardous Materials, 2006, 136(3): 763–769

[9] Santos M S F, Alves A, Madeira L M. Paraquat removal from water by oxidation with Fenton’s reagent. Chemical Engineering Journal, 2011, 175(15):  279–290

[10] Chen L, Ma J, Li X, Zhang J, Fang J, Guan Y, Xie P. Strong enhancement on fenton oxidation by addition of hydroxylamine to accelerate the ferric and ferrous iron cycles. Environmental Science & Technology, 2011, 45(9): 3925–3930

[11] Xu L, Wang J. A heterogeneous Fenton-like system with nanoparticulate zero-valent iron for removal of 4-chloro-3-methyl phenol. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(1): 256–264

[12] Ballesteros Martín M M, Sánchez Pérez J A, García Sánchez J L, Casas López J L, Malato Rodríguez S. Effect of pesticide concentration on the degradation process by combined solar photo-Fenton and biological treatment. Water Research, 2009, 43(15): 3838–3848

[13] Panizza M, Cerisola G. Electro-Fenton degradation of synthetic dyes. Water Research, 2009, 43(2): 339–344

[14] Feng C H, Li F B, Mai H J, Li X Z. Bio-electro-Fenton process driven by microbial fuel cell for wastewater treatment. Environmental Science & Technology, 2010, 44(5): 1875–1880

[15] Bayat M, Sohrabi M, Royaee S J. Degradation of phenol by heterogeneous Fenton reaction using Fe/clinoptilolite. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2012, 18(3): 957–962

[16] Hassan H, Hameed B H. Fe-clay as effective heterogeneous Fenton catalyst for the decolorization of Reactive Blue 4. Chemical Engineering Journal, 2011, 171(3): 912–918

[17] Hassan H, Hameed B H. Oxidative decolorization of Acid Red 1 solutions by Fe–zeolite Y type catalyst. Desalination, 2011, 276(1–3): 45–52

[18] Han Z, Dong Y, Dong S. Copper-iron bimetal modified PAN fiber complexes as novel heterogeneous Fenton catalysts for degradation of organic dye under visible light irradiation. Journal of Hazardous Materials, 2011, 189(1–2): 241–248

[19] Fan B B, Li H Y, Fan W B, Jin C, Li R F. Oxidation of cyclohexane over iron and copper salen complexes simultaneously encapsulated in zeolite Y. Applied Catalysis A, 2008, 340(1): 67–75

[20] Guimaraes I R, Giroto A, Oliveira L C A, Guerreiro M C, Lima D Q, Fabris J D. Synthesis and thermal treatment of cu-doped goethite: oxidation of quinoline through heterogeneous Fenton process. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 91(3–4): 581–586

[21] Se N, Alvaro M, Garcia H. Heterogeneous Fenton catalysts based on clays, silicas and zeolites. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 99(1–2): 1–26

[22] Ramírez G E G, Theng G B K, Mora M L. Clays and oxide minerals as catalysts and nanocatalysts in Fenton-like reactions—A review. Applied Clay Science, 2010, 47(3–4): 182–192

[23] Sabah E, Majdan M. Removal of phosphorus from vegetable oil by acid-activated sepiolite. Journal of Food Engineering, 2009, 91(3): 423–427

[24] Eren E, Cubuk O, Ciftci H, Eren B, Caglar B. Adsorption of basic dye from aqueous solutions by modified sepiolite: Equilibrium, kinetics and thermodynamics study. Desalination, 2010, 252(1–3): 88–96

[25] Bingol D, Tekin N, Alkan M. Brilliant Yellow dye adsorption onto sepiolite using a full factorial design. Applied Clay Science, 2010, 50(3): 315–321

[26] Demirbas E, Nas M Z. Batch kinetic and equilibrium studies of adsorption of Reactive Blue 21 by fly ash and sepiolite. Desalination, 2009, 243(1–3): 8–21

[27] Sun S P, Lemley A T. p-Nitrophenol degradation by a heterogeneous Fenton-like reaction on nano-magnetite: Process optimization, kinetics, and degradation pathways. Journal of Molecular Catalysis A, 2011, 349(1–2): 71–79

[28] Karla C G, Omar T L, Azucena M G L, Enric B, Aracely H R, Juan M. Optimization of electro-Fenton/BDD process for decolorization of a model azo dye wastewater by means of response surface methodology. Desalination, 2012, 286(2): 63–68

[29] Zhang G, Gao Y, Zhang Y, Guo Y. Fe₂O₃-pillared rectorite as an efficient and stable Fenton-like heterogeneous catalyst for photodegradation of organic contaminants. Environmental Science & Technology, 2010, 44(16): 6384–6389

[30] Ayodele O B. Effect of phosphoric acid treatment on kaolinite supported ferrioxalate catalyst for the degradation of amoxicillin in batch photo-Fenton process. Applied Clay Science, 2013, 72(2): 74–83

[31] Bai C P, Gong W Q, Feng D X, Xian M, Zhou Q, Chen S H, Ge Z X, Zhou Y S. Natural graphite tailings as heterogeneous Fenton catalyst for the decolorization of rhodamine B. Chemical Engineering Journal, 2012, 197(7): 306–313

[32] Frost R L, Locos O B, Ruan H, Kloprogge J T. Near-infrared and mid-infrared spectroscopic study of sepiolites and palygorskites. Vibrational Spectroscopy, 2001, 27(1): 1–13

[33] Zhang Z, Zheng H. Optimization for decolorization of azo dye acid green 20 by ultrasound and H₂O₂ using response surface methodology. Journal of Hazardous Materials, 2009, 172(2–3): 1388–1393

[34] Zhang A, Wang N, Zhou J, Jiang P, Liu G. Heterogeneous Fenton-like catalytic removal of p-nitrophenol in water using acid-activated fly ash. Journal of Hazardous Materials, 2012, 201–202(1): 68–73

[35] Tian S H, Tu Y T, Chen D S, Chen X, Xiong Y. Degradation of Acid Orange II at neutral pH using Fe₂(MoO₄)₃ as a heterogeneous Fenton-like catalyst. Chemical Engineering Journal, 2011, 169(1–3): 31–37

[36] Xu L, Wang J. Magnetic nanoscaled Fe₃O₄/CeO₂ composite as an efficient Fenton-like heterogeneous catalyst for degradation of 4-chlorophenol. Environmental Science & Technology, 2012, 46(18): 10145–10153

[37] Wang C, Zhu L, Wei M, Chen P, Shan G. Photolytic reaction mechanism and impacts of coexisting substances on photodegradation of bisphenol A by Bi₂WO₆ in water. Water Research, 2012, 46(3): 845–853

[38] Gao Y Y, Gan H H, Zhang G K, Guo Y D. Visible light assisted Fenton-like degradation of rhodamine B and 4-nitrophenol solutions with a stable poly-hydroxyl-iron sepiolite catalyst. Chemical Engineering Journal, 2013, 217(2): 221–230

Acknowledgement

This research was supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No. 2012ZX07205002).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg