Removal of Dyes and Antibiotics by Adsorption and Photocatalytic Degradation Using Zn-Based Composites

Abstract

In this study, the ZIF-8 was synthesized and immobilized on the clinoptilolite surface (ZIF8@CLN) and doped with Ag nanoparticles, forming the Ag-ZIF8 and Ag-ZIF8@CLN composite materials. The characterization results indicated that the ZIF-8 was well-deposited on the clinoptilolite surface and doped successfully with Ag nanoparticles. The adsorption and photocatalytic activity of these adsorbents/catalysts were evaluated by the removal of the organic pollutants such as dyes and antibiotics. The target dyes were cationic Methylene blue (MB), anionic Methyl orange (MO) and Congo red (CR), and zwitterionic Rhodamine B (RhB). The target antibiotic was tetracycline (TC). The influence of various parameters on removal was investigated using different initial pH, photocatalyst amount, pollutant concentrations and ionic strength. The results showed that ZIF-8 and ZIF-8@CLN are excellent adsorbents. However, the photocatalytic activity of Ag-ZIF8 and especially Ag-ZIF8@CLN composites were much better than ZIF-8 and ZIF-8@CLN for degradation of all dyes. The Ag-ZIF8 and Ag-ZIF8@CLN composite catalysts exhibited more than 90% removal capacity under UV irradiation for 120 min with the dye concentration of 25 mg L-1 at the optimum pHs of each dye. The enhanced adsorption and photocatalytic performance of the composite photocatalysts was attributed to the synergistic effect between the ZIF-8, CLN and Ag. The adsorption data were evaluated by considering adsorption isotherms, kinetics and thermodynamics using target dyes and antibiotics. Proposed photodegradation mechanism of the dyes over Ag-ZIF8@CLN was explained detailed. This work introduced the ZIF-8-based composite photocatalysts with high efficiency, and may provide to prefer these catalysts in photocatalytic field.

Bu çalışmada, ZIF-8 sentezlenerek klinoptilolit yüzeyi üzerine tutturulmuştur (ZIF8@CLN) ve Ag nanoparçacıkları ile katkılanarak Ag-ZIF8 ve Ag-ZIF8@CLN kompozit malzemeleri üretilmiştir. Karakterizasyon sonuçları, ZIF-8'in klinoptilolit yüzeyine iyi tutturulduğunu ve Ag nanoparçacıkları ile başarılı bir şekilde katkılandığını göstermiştir. Bu adsorbanların/katalizörlerin adsorpsiyon ve fotokatalitik aktivitesi, boya ve antibiyotik gibi organik kirleticilerin uzaklaştırılmasıyla değerlendirilmiştir. Katyonik Metilen mavisi (MB), anyonik Metil turuncusu (MO) ve Kongo kırmızısı (CR) ve zwitter iyonik Rodamin B (RhB) kullanılan hedef kirletici boyalardır. Tetrasiklin (TC) ise antibiyotik sınıfından seçilen kirleticidir. Çeşitli parametrelerin giderim üzerindeki etkisi, farklı başlangıç pH'ı, fotokatalizör miktarı, kirletici konsantrasyonu ve iyonik kuvvet kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, ZIF-8 ve ZIF-8@CLN'nin mükemmel adsorbanlar olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, Ag-ZIF8 ve özellikle Ag-ZIF8@CLN kompozitlerinin fotokatalitik aktivitesi ZIF-8 ve ZIF-8@CLN'ye kıyasla tüm boyaların bozunmasında daha iyi sonuç göstermiştir. Ag-ZIF8 ve Ag-ZIF8@CLN kompozit katalizörleri, her bir boyanın optimum pH'ında 25 mg L-1 boya konsantrasyonu ile 120 dakikalık UV ışıması altında % 90'dan fazla giderim kapasitesi sergilemiştir. Kompozit fotokatalizörlerin gelişmiş adsorpsiyon ve fotokatalitik performansı, ZIF-8, CLN ve Ag arasındaki sinerjistik etkiyle açıklanabilir. Boya ve antibiyotik gideriminde elde edilen adsorpsiyon verileri adsorpsiyon izotermleri, kinetiği ve termodinamiği dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Boyaların Ag-ZIF8@CLN üzerinde fotokatalitik parçalanma mekanizması ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Bu çalışma ZIF-8 temelli yüksek verimli kompozit fotokatalizörleri tanıtmış ve bu katalizörlerin fotokatalitik alanda tercih edilebileceğini göstermiştir.