Heterogeneous Fenton-like discoloration of methyl orange using Fe₃O₄/MWCNTs as catalyst: process optimization by response surface methodology

Abstract

Fe₃O₄/MWCNTs nanocomposites were prepared by chemical oxidation coprecipitation method and developed as highly efficient heterogeneous Fenton-like catalyst. XRD results revealed that Fe₃O₄ nanoparticles deposited onto MWCNTs surface remained the inverse spinel crystal structure of cubic Fe₃O₄ phase. The FTIR characteristic peaks of MWCNTs weakened or disappeared due to the anchor of Fe₃O₄ nanoparticles and Fe–O peak at 570 cm⁻¹ was indicative of the formation of Fe₃O₄. TEM observation revealed that Fe₃O₄ nanoparticles were tightly anchored by MWCNTs. The Fenton-like catalytic activity of Fe₃O₄/MWCNTs nanocomposites for the discoloration of methyl orange (MO) was much higher than that of Fe₃O₄ nanoparticles. The process optimization of this heterogeneous Fenton-like system was implemented by response surface methodology (RSM). The optimum conditions for MO discoloration were determined to be of 12.3 mmol/L H₂O₂ concentration, 2.9 g/L catalyst dosage, solution pH 2.7 and 39.3 min reaction time, with the maximum predicted value for MO discoloration ratio of 101.85%. The corresponding experimental value under the identical conditions was obtained as 99.86%, which was very close to the predicted one with the absolute deviation of 1.99%.

Keywords

Fe₃O₄/MWCNTs / Fenton-like catalyst / azo dye / response surface methodology

References

[1] Konstantinou I K, Albanis T A. TiO₂-assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations – A review. Applied Catalysis B: Environmental, 2004, 49(1): 1–14

[2] Das L, Chatterjee S, Naik D B, . Role of surfactant derived intermediates in the efficacy and mechanism for radiation chemical degradation of a hydrophobic azo dye, 1-phenylazo-2-naphthol. Journal of Hazardous Materials, 2015, 298: 19–27

[3] Das D, Dutta R K. A novel method of synthesis of small band gap SnS nanorods and its efficient photocatalytic dye degradation. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 457: 339–344

[4] Nie Y, Zhang L, Li Y-Y, . Enhanced Fenton-like degradation of refractory organic compounds by surface complex formation of LaFeO₃ and H₂O₂. Journal of Hazardous Materials, 2015, 294: 195–200

[5] Chen H, Zhang Z L, Yang Z L, . Heterogeneous Fenton-like catalytic degradation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid in water with FeS. Chemical Engineering Journal, 2015, 273: 481–489

[6] Xue X, Hanna K, Deng N. Fenton-like oxidation of rhodamine B in the presence of two types of iron (II, III) oxide. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(1): 407–414

[7] Rusevova K, Kopinke F D, Georgi A. Nano-sized magnetic iron oxides as catalysts for heterogeneous Fenton-like reactions – Influence of Fe(II)/Fe(III) ratio on catalytic performance. Journal of Hazardous Materials, 2012, 241-242: 433–440

[8] Xu L J, Wang J L. Fenton-like degradation of 2,4-dichlorophenol using Fe₃O₄ magnetic nanoparticles. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 123-124: 117–126

[9] Gao L, Zhuang J, Nie L, . Intrinsic peroxidase-like activity of ferromagnetic nanoparticles. Nature Nanotechnology, 2007, 2(9): 577–583

[10] Wan D, Li W B, Wang G H, . Adsorption and heterogeneous degradation of rhodamine B on the surface of magnetic bentonite material. Applied Surface Science, 2015, 349: 988–996

[11] Hammouda S B, Adhoum N, Monser L. Synthesis of magnetic alginate beads based on Fe₃O₄ nanoparticles for the removal of 3-methylindole from aqueous solution using Fenton process. Journal of Hazardous Materials, 2015, 294: 128–136

[12] Seyed Dorraji M S, Mirmohseni A, Carraro M, . Fenton-like catalytic activity of wet-spun chitosan hollow fibers loaded with Fe₃O₄ nanoparticles: Batch and continuous flow investigations. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2015, 398: 353–357

[13] Cleveland V, Bingham J P, Kan E. Heterogeneous Fenton degradation of bisphenol A by carbon nanotube-supported Fe₃O₄. Separation and Purification Technology, 2014, 133: 388–395

[14] Deng J H, Wen X H, Wang Q N. Solvothermal in situ synthesis of Fe₃O₄-multiwalled carbon nanotubes with enhanced heterogeneous Fenton-like activity. Materials Research Bulletin, 2012, 47(11): 3369–3376

[15] Hu X B, Deng Y H, Gao Z Q, . Transformation and reduction of androgenic activity of 17α-methyltestosterone in Fe₃O₄/MWCNTs–H₂O₂ system. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 127: 167–174

[16] Zhou L C, Zhang H, Ji L Q, . Fe₃O₄/MWCNT as a heterogeneous Fenton catalyst: degradation pathways of tetrabromobisphenol A. RSC Advances, 2014, 4(47): 24900–24908

[17] Yu L, Yang X F, Ye Y S, . Efficient removal of atrazine in water with a Fe₃O₄/MWCNTs nanocomposite as a heterogeneous Fenton-like catalyst. RSC Advances, 2015, 5(57): 46059–46066

[18] Tristão J C, de Mendonça F G, Lago R M, . Controlled formation of reactive Fe particles dispersed in a carbon matrix active for the oxidation of aqueous contaminants with H₂O₂. Environmental Science and Pollution Research International, 2015, 22(2): 856–863

[19] Zhang J K, Wang G J, Zhang L P, . Catalytic oxidative desulfurization of benzothiophene with hydrogen peroxide catalyzed by Fenton-like catalysts. Reaction Kinetics, Mecha-nisms and Catalysis, 2014, 113(2): 347–360

[20] Hua Z, Ma W, Bai X, . Heterogeneous Fenton degradation of bisphenol A catalyzed by efficient adsorptive Fe₃O₄/GO nanocomposites. Environmental Science and Pollution Research International, 2014, 21(12): 7737–7745

[21] Zubir N A, Yacou C, Motuzas J, . The sacrificial role of graphene oxide in stabilising a Fenton-like catalyst GO–Fe₃O₄. Chemical Communications, 2015, 51(45): 9291–9293

[22] Zubir N A, Zhang X W, Yacou C, . Fenton-like degradation of acid Orange 7 using graphene oxide–iron oxide nanocomposite. Science of Advanced Materials, 2014, 6(7): 1382–1388

[23] Buang N A, Fadil F, Majid Z A, . Characteristic of mild acid functionalized multiwalled carbon nanotubes towards high dispersion with low structural defects. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 2012, 7: 33–39

[24] Aboutalebi S H, Chidembo A T, Salari M, . Comparison of GO, GO/MWCNTs composite and MWCNTs as potential electrode materials for supercapacitors. Energy & Environmental Science, 2011, 4(5): 1855–1865

[25] 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

[26] GilPavas E, Dobrosz-Gómez I, Gómez-García M Á. Decolorization and mineralization of Diarylide Yellow 12 (PY12) by photo-Fenton process: the Response Surface Methodology as the optimization tool. Water Science and Technology, 2012, 65(10): 1795–1800

[27] Khataee A R, Safarpour M, Zarei M, . Combined heterogeneous and homogeneous photodegradation of a dye using immobilized TiO₂ nanophotocatalyst and modified graphite electrode with carbon nanotubes. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2012, 363–364: 58–68

[28] Ghanbarzadeh Lak M, Sabour M R, Amiri A, . Application of quadratic regression model for Fenton treatment of municipal landfill leachate. Waste Management, 2012, 32(10): 1895–1902

[29] Cao M S, Yang J, Song W L, . Ferroferric oxide/multiwalled carbon nanotube vs polyaniline/ferroferric oxide/multiwalled carbon nanotube multiheterostructures for highly effective microwave absorption. ACS Applied Materials & Interfaces, 2012, 4(12): 6949–6956

[30] Chen Y X, Gu H C. Microwave assisted fast fabrication of Fe₃O₄–MWCNTs nanocomposites and their application as MRI contrast agents. Materials Letters, 2012, 67(1): 49–51

[31] Hu X B, Liu B Z, Deng Y H, . Adsorption and heterogeneous Fenton degradation of 17α-methyltestosterone on nano Fe₃O₄/MWCNTs in aqueous solution. Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 107(3–4): 274–283

[32] Chen J H, Lu D Q, Chen B, . Removal of U(VI) from aqueous solutions by using MWCNTs and chitosan modified MWCNTs. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2013, 295(3): 2233–2241

[33] Abdullahi N, Saion E, Shaari A H, . Optimisation of the photonic efficiency of TiO₂ decorated on MWCNTs for Methylene Blue photodegradation. PLoS ONE, 2015, 10(5): e0125511

[34] Stobinski L, Lesiak B, Kövér L, . Multiwall carbon nanotubes purification and oxidation by nitric acid studied by the FTIR and electron spectroscopy methods. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 501(1): 77–84

[35] Wang J, Li Z, Li S, . Adsorption of Cu(II) on oxidized multi-walled carbon nanotubes in the presence of hydroxylated and carboxylated fullerenes. PLoS ONE, 2013, 8(8): e72475

[36] Xiao D L, Dramou P, He H, . Magnetic carbon nanotubes: synthesis by a simple solvothermal process and application in magnetic targeted drug delivery system. Journal of Nanoparticle Research, 2012, 14(7): 984–995

[37] Azami M, Bahram M, Nouri S, . A central composite design for the optimization of the removal of the azo dye, methyl orange, from waste water using the Fenton reaction. Journal of the Serbian Chemical Society, 2012, 77(2): 235–246

[38] Idel-aouad R, Valiente M, Yaacoubi A, . Rapid decolourization and mineralization of the azo dye C.I. Acid Red 14 by heterogeneous Fenton reaction. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(1): 745–750

[39] Xu H Y, Shi T N, Wu L C, . Discoloration of methyl orange in the presence of schorl and H₂O₂: Kinetics and mechanism. Water, Air, and Soil Pollution, 2013, 224(10): 1740

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg