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

Acknowledgements

This work was kindly supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51404083 and 21273060), the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (E2015065) and the Program for New Century Excellent Talents in Heilongjiang Provincial Universities (1253-NCET-010).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg