Accelerated degradation of orange G over a wide pH range in the presence of FeVO₄

Highlights

The applicability of FeVO₄ extended the optimum pH range for heterogeneous Fenton process towardsneutral conditions.

The datas for the removal of OG in FeVO₄ systems conform to the Langmuir–Hinshelwood model.

The irradiation of FeVO₄ by visible light significantly increases the degradation rate ofOG due to the enhanced rates of the iron and vanadium cycles.

Abstract

In this study, FeVO₄ was prepared andused as Fenton-like catalyst to degrade orange G (OG) dye. The removalof OG in an aqueous solution containing 0.5 g·L^-1 FeVO₄ and 15 mmol·L^-1 hydrogen peroxide at pH 7.0 reached 93.2%. Similar rates were achievedat pH 5.7 (k = 0.0471 min^-1), pH 7.0 (k = 0.0438 min^-1), and pH 7.7 (k = 0.0434 min^-1). The FeVO₄ catalyst successfullyovercomes the problem faced in the heterogeneous Fenton process, i.e.,the narrow working pH range. The data for the removal of OG in FeVO₄ systems containing H₂O₂ conform to the Langmuir–Hinshelwood model (R² = 0.9988),indicating that adsorption and surface reaction are the two basicmechanisms for OG removal in the FeVO₄–H₂O₂ system. Furthermore, the irradiationof FeVO₄ by visible light significantly increasesthe degradation rate of OG, which is attributed to the enhanced ratesof the iron cycles and vanadium cycles.

Graphical abstract

Keywords

Azo dye / Degradation / FeVO₄ / Kinetics / Advanced oxidation processes

References

[1] Duesterberg C K,  Mylon S E,  Waite T D. pH effects on iron-catalyzed oxidationusing Fenton’s reagent. Environmental Science & Technology, 2008, 42(22): 8522–8527

[2] Woo Y S, Rafatullah  M, Al-Karkhi A F M,  Tow T T. Removal of Terasil Red R dye by using Fenton oxidation:A statistical analysis. Desalination andWater Treatment, 2014, 52(22-24): 4583–4591

[3] Su C Y, Li  W G, Liu  X Z, Huang  X F, Yu  X D. Fe-Mn-sepiolite as an effective heterogeneous Fenton-like catalyst for the decolorization of reactivebrilliant blue. Frontiers of EnvironmentalScience & Engineering, 2016, 10(1): 37–45

[4] Ayodele O B, Togunwa  O S. Catalytic activity of copper modified bentonite supported ferrioxalateon the aqueous degradation and kinetics of mineralization of DirectBlue 71, Acid Green 25 and Reactive Blue 4 in photo-Fenton process. Applied Catalysis A, General, 2014, 470: 285–293

[5] Herney-Ramirez J, Vicente  M A, Madeira  L M. Heterogeneous photo-Fenton oxidation with pillared clay-based catalysts for wastewater treatment:A review. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 98(1-2): 10–26

[6] Daud N K, Akpan  U G, Hameed  B H. Decolorization of sunzol black DN conc.in aqueous solution by Fenton oxidation process: effect of systemparameters and kinetic study. Desalination and Water Treatment, 2012, 37(1-3): 1–7

[7] Ou X X, Wang  C, Zhang F J,  Sun H J,  Wu Y N. Degradation of methyl violetby Fenton’s reagent: kinetic modeling and effects of parameters. Desalination and Water Treatment, 2013, 51(13–15): 2536–2542

[8] Georgi A, Schierz  A, Trommler U,  Horwitz C P,  Collins T J,  Kopinke F D. Humic acid modified Fentonreagent for enhancement of the working pH range. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 72(1–2): 26–36

[9] Bandara J, Mielczarski  J A, Lopez  A, Kiwi J. Sensitized degradation of chlorophenols on iron oxidesinduced by visible light: Comparison with titanium oxide. Applied Catalysis B: Environmental, 2001, 34: 321–333

[10] Chou S, Huang  C. Application of a supported iron oxyhydroxide catalyst in oxidation of benzoicacid by hydrogen peroxide. Chemosphere, 1999, 38(12): 2719–2731

[11] Gu J, Yu  H T, Quan  X, Chen S. Covering a-Fe₂O₃ protection layer on the surface of p-Simicropillar array for enhanced photoelectrochemical performance. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2017, 11(6): 13 doi:10.1007/s11783-017-0957-z

[12] Costa R C C,  Lelis M F F,  Oliveira L C A,  Fabris J D,  Ardisson J D,  Rios R R V A,  Silva C N,  Lago R M. Novel active heterogeneous Fenton system based on Fe_3-xM_xO₄ (Fe, Co, Mn, Ni): the role of M²⁺ species on the reactivity towards H₂O₂ reactions. Journal of Hazardous Materials, 2006, 129(1–3): 171–178

[13] Liu S J, Yang  H Y, Yang  Y K, Guo  Y P, Qi  Y. Novel coprecipitation–oxidation method for recovering iron from steel waste pickling liquor. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2017, 11(1): 9 doi:10.1007/s11783-017-0938-2

[14] Deng J, Jiang  J, Zhang Y,  Lin X, Du  C, Xiong Y. FeVO₄ as a highly active heterogeneous Fenton-like catalyst towards the degradation of Orange II. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 84(3–4): 468–473

[15] Kwan W P, Voelker  B M. Rates of hydroxyl radical generation and organic compound oxidationin mineral-catalyzed Fenton-like systems. Environmental Science & Technology, 2003, 37(6): 1150–1158

[16] Khaliullin R Z,  Bell A T,  Head-Gordon M. A density functional theorystudy of the mechanism of free radical generation in the system vanadate/PCA/H₂O₂. Journal of Photochemistry and Photobiology. B, Biology, 2005, 109(38): 17984–17992

[17] Kozlov Y N, Nizova  G V, Shulpin  G B. Oxidations by the reagent “O₂–H₂O₂–vanadium derivative–pyrazine-2-carboxylic acid”:Part 14. Competitive oxidation of alkanes and acetonitrile (solvent). Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2005, 227(1-2): 247–253

[18] Bouchemal N, Azoudj  Y, Merzougui Z,  Addoun F. Adsorption modeling of Orange G dye on mesoporous activated carbonprepared from Algerian date pits using experimental designs. Desalination and Water Treatment, 2012, 45(1–3): 284–290

[19] Poizot P, Baudrin  E, Laruelle S,  Dupont L,  Touboul M,  Tarascon J M. Low temperature synthesisand electrochemical performance of crystallized FeVO₄•1.1H₂O. Solid State Ionics, 2000, 138(1–2): 31–40

[20] Ramirez J H, Maldonado-Hodar  F J, Perez-Cadenas  A F, Moreno-Castilla  C, Costa C A,  Madeira L M. Azo-dye Orange II degradationby heterogeneous Fenton-like reaction using carbon–Fe catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 75(3–4): 312–323

[21] Yang L, Yu  L E, Ray  M B. Degradation of paracetamol in aqueoussolutions by TiO₂ photocatalysis. Water Research, 2008, 42(13): 3480–3488

[22] Tokumura M, Znad  H T, Kawase  Y. Decolorization of dark brown colored coffee effluent by solar photo-Fenton reaction: effect of solar lightdose on decolorization kinetics. Water Research, 2008, 42(18): 4665–4673

[23] Daneshvar N, Rabbani  M, Modirshahla N,  Behnajady M A. Kinetic modeling of photocatalytic degradation of AcidRed 27 in UV/TiO₂ process. Journal of Photochemistry and Photobiology A Chemistry, 2004, 168(1–2): 39–45

[24] Behnajady M A,  Modirshahla N,  Hamzavi R. Kinetic study on photocatalyticdegradation of C.I. Acid Yellow 23 by ZnO photocatalyst. Journal of Hazardous Materials, 2006, 133(1–3): 226–232

[25] Chen D W, Ray  A K. Photodegradation kinetics of 4-nitrophenol in TiO₂ suspension. Water Research, 1998, 11(11): 3223–3234

[26] Rossetti I, Fabbrini  L, Ballarini N,  Oliva C,  Cavani F,  Cericola A,  Bonelli B,  Piumetti M,  Garrone E,  Dyrbeck H,  Blekkan E A,  Forni L. V–Al–O catalysts prepared by flame pyrolysisfor the oxidative dehydrogenation of propane to propylene. Catalysis Today, 2009, 141(3–4): 271–281

[27] Parks G A. The isoelectric points of solid oxides, solid hydroxides,and aqueous hydroxo complex systems. Chemical Reviews, 1965, 65(2): 177–198

[28] Ozturk B, Soylu  G S P. Synthesis of surfactant-assisted FeVO₄ nanostructure: characterization and photocatalytic degradation of phenol. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2015, 398: 65–71

[29] Zhao Y, Yao  K, Cai Q,  Shi Z J,  Sheng M Q,  Lin H Y,  Shao M W. Hydrothermal route to metastable phase FeVO₄ ultrathin nanosheets with exposed {010} facets: synthesis, photocatalysis and gas-sensing. CrystEngComm, 2014, 16(2): 270–276

[30] Duttaa D P, Ramakrishnanb  M, Roya M,  Kumara A. Effect of transition metal doping on the photocatalyticproperties of FeVO₄ nanoparticles. Journal of Photochemistry and Photobiology A Chemistry, 2017, 335: 102–111

[31] Bozzi A, Yuranova  Y, Mielezarski E,  Mielezarski J,  Buffat P A,  Lais P, Kiwi  J. Superior biodegradability mediated by immobilized Fe-fabrics of wastewaters compared to Fenton homogeneous reactions. Applied Catalysis B: Environmental, 2003, 42(3): 289–303

[32] Noorjahan M, Durga Kumari  V, Subrahmanyam M,  Panda L. Immobilized Fe(III)-HY: An efficient and stable photo-Fentoncatalyst. Applied Catalysis B: Environmental, 2005, 57(4): 291–298

[33] Hua Y, Wang  C, Liu J,  Wang B, Liu  X, Wu C,  Liu X. Visible photocatalytic degradation of Rhodamine B using Fe(III)-substituted phosphotungsticheteropolyanion. Journal of Molecular CatalysisA Chemical, 2012, 365: 8–14

Acknowledgements

The work was supported by the NationalNatural Science Foundation of China (Grant No. 21477017) and the FundamentalResearch Funds for the Central Universities (No. DC201502070202).

RIGHTS & PERMISSIONS

2018 Higher Education Press and Springer–VerlagBerlin GmbH Germany, part of Springer Nature