JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
自动翻译
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
环境科学

Een complete methode voor het evalueren van de prestaties van fotokatalysatoren voor de afbraak van antibiotica bij milieusanering

Published: October 06, 2022
doi:
10.3791/64478
, , , , , , ,
1School of Chemical Engineering,Northwest University

Summary

Hier wordt een protocol gepresenteerd om een universele reeks experimentele procedures te verkennen voor uitgebreide laboratoriumevaluatie van fotokatalysatoren op het gebied van milieuzuivering, met behulp van het voorbeeld van fotokatalytische verwijdering van antibiotische organische verontreinigende moleculen uit water door ftalocyanine gesensibiliseerde zilverfosfaatcomposieten.

Abstract

Verschillende antibiotica zoals tetracycline, aureomycine, amoxicilline en levofloxacine worden in grote hoeveelheden aangetroffen in grondwater- en bodemsystemen, wat mogelijk leidt tot de ontwikkeling van resistente en multiresistente bacteriën, die een bedreiging vormen voor mens, dier en milieusystemen. Fotokatalytische technologie heeft grote belangstelling getrokken vanwege de snelle en stabiele behandeling en het directe gebruik van zonne-energie. De meeste studies die de prestaties van halfgeleiderkatalysatoren voor de fotokatalytische afbraak van organische verontreinigende stoffen in water evalueren, zijn momenteel echter onvolledig. In dit artikel is een compleet experimenteel protocol ontworpen om de fotokatalytische prestaties van halfgeleiderkatalysatoren uitgebreid te evalueren. Hierin werd ruitvormig dodecaëdraal zilverfosfaat bereid met een eenvoudige synthesemethode voor oplosmiddelfases bij kamertemperatuur en atmosferische druk. BrSubphthalocyanine/Ag3PO4 heterojunctiematerialen werden bereid volgens de solvotherme methode. De katalytische prestaties van as-prepared materialen voor de afbraak van tetracycline werden geëvalueerd door het bestuderen van verschillende beïnvloedende factoren zoals katalysatordosering, temperatuur, pH en anionen bij atmosferische druk met behulp van een 300 W xenonlamp als een gesimuleerde zonnelichtbron en een lichtintensiteit van 350 mW / cm2. In vergelijking met de eerste cyclus behield de geconstrueerde BrSubphthalocyanine/Ag 3 PO 4 82,0% van de oorspronkelijke fotokatalytische activiteit na vijf fotokatalytische cycli, terwijl de ongerepte Ag3PO4 slechts 28,6% behield. De stabiliteit van zilverfosfaatmonsters werd verder getest door een experiment met vijf cycli. Dit artikel biedt een compleet proces voor het evalueren van de katalytische prestaties van halfgeleiderkatalysatoren in het laboratorium voor de ontwikkeling van halfgeleiderkatalysatoren met potentieel voor praktische toepassingen.

Introduction

Tetracyclines (TC’s) zijn veel voorkomende antibiotica die effectieve bescherming bieden tegen bacteriële infecties en worden veel gebruikt in de veehouderij, aquacultuur en ziektepreventie 1,2. Ze zijn wijd verspreid in water vanwege hun overmatig gebruik en onjuiste toepassing in de afgelopen decennia, evenals de lozing van industrieel afvalwater3. Dit heeft geleid tot ernstige milieuvervuiling en ernstige risico’s voor de menselijke gezondheid; de overmatige aanwezigheid van TC’s in het waterige milieu kan bijvoorbeeld een negatieve invloed hebben op de verspreiding van microbiële gemeenschappen en bacteriële resistentie, wat leidt tot ecologische onevenwichtigheden, voornamelijk als gevolg van de sterk hydrofiele en bioaccumulerende aard van antibiotica, evenals een bepaald niveau van bioactiviteit en stabiliteit 4,5,6 . Door de hyperstabiliteit van TC in de omgeving is het moeilijk om op natuurlijke wijze af te breken; Daarom zijn er veel methoden ontwikkeld, waaronder biologische, fysisch-chemische en chemische behandelingen 7,8,9. Biologische behandelingen zijn zeer efficiënt en goedkoop10,11. Omdat ze echter giftig zijn voor micro-organismen, degraderen en mineraliseren ze antibioticamoleculen in waterniet effectief 12. Hoewel fysisch-chemische methoden antibiotica direct en snel uit afvalwater kunnen verwijderen, zet deze methode alleen de antibioticamoleculen om van de vloeibare fase naar de vaste fase, breekt ze niet volledig af en is te duur13.

In tegenstelling tot conventionele methoden is halfgeleiderfotokatalyse de afgelopen decennia op grote schaal gebruikt voor de afbraak van verontreinigende stoffen vanwege de efficiënte katalytische afbraakeigenschappen14. De edelmetaalvrije magnetische FexMny-katalysator van Li et al. bereikte bijvoorbeeld een efficiënte fotokatalytische oxidatie van een verscheidenheid aan antibiotische moleculen in water zonder het gebruik van oxidant15. Yan et al. rapporteerden de in situ synthese van lelie-achtige NiCo2O4 nanosheets op afvalbiomassa-afgeleide koolstof om efficiënte fotokatalytische verwijdering van fenolverontreinigende stoffen uit waterte bereiken 16. De technologie is gebaseerd op een halfgeleiderkatalysator die door licht wordt aangeslagen om fotogegenereerde elektronen (e–) en gaten (h+)17 te genereren. De fotogenereerde e- en h+ worden omgezet in superoxide-anionradicalen (O 2–) of hydroxylradicalen (OH–) door te reageren met geabsorbeerd O 2 en H 2 O, en deze oxidatief actieve soorten oxideren en ontbinden organische verontreinigende moleculen in water in CO 2 en H 2O en andere kleinere organische moleculen18,19,20 . Er is echter geen uniforme veldstandaard voor de evaluatie van de prestaties van fotokatalysatoren. De evaluatie van de fotokatalytische prestaties van een materiaal moet worden onderzocht in termen van het katalysatorvoorbereidingsproces, omgevingsomstandigheden voor optimale katalytische prestaties, katalysatorrecyclingprestaties, enz. Ag3PO 4, met zijn prominente fotokatalytische vermogen, heeft geleid tot aanzienlijke bezorgdheid over milieusanering. Deze nieuwe fotokatalysator bereikt kwantumefficiënties tot 90% bij golflengten groter dan 420 nm, wat aanzienlijk hoger is dan eerder gerapporteerde waarden21. De ernstige fotocorrosie en onbevredigende elektron-gatscheidingssnelheid van Ag3PO4 beperken echter de brede toepassingervan 22. Daarom zijn er verschillende pogingen gedaan om deze nadelen te ondervangen, zoals vormoptimalisatie23, ionendoping 24 en heterostructuurgebouw25,26,27. In dit artikel werd Ag3PO4 aangepast met behulp van morfologische controle en heterojunctie-engineering. Eerst werden ruitvormige dodecaëdrische Ag3PO 4-kristallen met een hoge oppervlakte-energie bereid door oplosmiddelfasesynthese bij kamertemperatuur onder omgevingsdruk. Vervolgens werd organisch supramoleculair BrSubphthalocyanine (BrSubPc), dat zowel als elektronenacceptor als elektronendonor kan fungeren, zelf geassembleerd op het zilverfosfaatoppervlak volgens de solvotherme methode 28,29,30,31,32,33,34,35 . De fotokatalytische prestaties van de bereide materialen werden geëvalueerd door het effect van verschillende omgevingsfactoren op de fotokatalytische prestaties van de bereide monsters te onderzoeken om sporenhoeveelheden tetracycline in water af te breken. Dit artikel biedt een referentie voor de systematische evaluatie van de fotokatalytische prestaties van de materialen, wat van belang is voor de toekomstige ontwikkeling van fotokatalytische materialen voor praktische toepassingen in milieusanering.

Protocol

1. Bereiding van de BrSubPc OPMERKING: Het BrSubPc-monster is opgesteld volgens een eerder gepubliceerd werk36. De reactie wordt uitgevoerd in een vacuümleidingsysteem met dubbele rijen en het reactieproces wordt strikt gecontroleerd onder watervrije en zuurstofvrije omstandigheden. Voorbehandeling van grondstoffenWeeg 2 g o-dicyanobenzeen af, droog het in een vacuümoven gedurende 24 uur, haal het eruit en maal het vervolgens voorzic…

Representative Results

De rhombische dodecaëder Ag3PO4 werd met succes gesynthetiseerd met behulp van deze synthesemethode in de oplosmiddelfase. Dit wordt bevestigd door de SEM-beelden in figuur 1A,B. Volgens de SEM-analyse bleek de gemiddelde diameter van de rhombische dodecaëdrische structuur tussen 2-3 μm te liggen. De ongerepte BrSubPc microkristallen vertonen een grote onregelmatige vlokstructuur (figuur 1C). In het samengestelde monster…

Discussion

In dit artikel presenteren we een complete methodologie voor het evalueren van de katalytische prestaties van fotokatalytische materialen, inclusief de voorbereiding van katalysatoren, het onderzoek naar factoren die van invloed zijn op fotokatalyse en de prestaties van katalysatorrecycling. Deze evaluatiemethode is universeel en toepasbaar op alle prestatie-evaluaties van fotokatalytisch materiaal.

Wat de materiaalbereidingsmethoden betreft, zijn er veel schema’s gerapporteerd voor de bereidi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (21606180) en het Natural Science Basic Research Program van Shaanxi (Programma nr. 2019JM-589).

Materials

300 W xenon lamp CeauLight CEL-HXF300
AgNO3 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 7783-99-5
Air Pump Samson Group Co. ACO-001
BBr3 Bailingwei Technology Co., Ltd. 10294-33-4
Constant temperature circulating water bath Beijing Changliu Scientific Instruments Co. HX-105
Dichloromethane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 75-09-2
Ethanol Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd. 64-17-5
Fourier-transform infrared Bruker Vector002
Hexane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 110-54-3
HNO3 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 7697-37-2
ICP-OES Aglient 5110
K2HPO4 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 16788-57-1
Magnesium Sulfate Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 10034-99-8
Methanol Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 67-56-1
NaOH Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 1310-73-2
NH4NO3 Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. 6484-52-2
o-dichlorobenzene Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd. 95-50-1
o-dicyanobenzene Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. 91-15-6
Scanning electron microscopy JEOL JSM-6390
Trichloromethane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 67-66-3
Ultraviolet-visible Spectrophotometer Shimadzu UV-3600
X-ray diffractometer Rigaku D/max-IIIA
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chen, Q. S., Zhou, H. Q., Wang, G. C., Bi, G. H., Dong, F. Activating earth-abundant insulator BaSO4 for visible-light induced degradation of tetracycline. Applied Catalysis B: Environmental. 307, 121182 (2022).
  2. Liu, C. H., et al. Photo-Fenton degradation of tetracycline over Z-scheme Fe-g-C3N4/Bi2WO6 heterojunctions: Mechanism insight, degradation pathways and DFT calculation. Applied Catalysis B: Environmental. 310, 121326 (2022).
  3. Zhou, L. P., et al. Piezoelectric effect synergistically enhances the performance of Ti32-oxo-cluster/BaTiO3/CuS p-n heterojunction photocatalytic degradation of pollutants. Applied Catalysis B: Environmental. 291, 120019 (2021).
  4. Liu, S. Y., et al. Anchoring Fe3O4 nanoparticles on carbon nanotubes for microwave-induced catalytic degradation of antibiotics. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (35), 29467 (2018).
  5. Xue, J. J., Ma, S. S., Zhou, Y. M., Zhang, Z., He, M. Facile photochemical synthesis of Au/Pt/g-C3N4 with plasmon-enhanced photocatalytic activity for antibiotic degradation. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (18), 9630-9637 (2015).
  6. Chen, Y. X., Yin, R. L., Zeng, L. X., Guo, W. Q., Zhu, M. S. Insight into the effects of hydroxyl groups on the rates and pathways of tetracycline antibiotics degradation in the carbon black activated peroxydisulfate oxidation process. Journal of Hazardous Materials. 412 (15), 12525 (2021).
  7. Dong, C., Ji, J., Shen, B., Xing, M., Zhang, J. Enhancement of H2O2 decomposition by the co-catalytic effect of WS2 on the Fenton reaction for the synchronous reduction of Cr(VI) and remediation of phenol. Environmental Science & Technology. 52 (19), 11297-11308 (2018).
  8. Van Doorslaer, X., Demeestere, K., Heynderickx, P. M., Van Langenhove, H., Dewulf, J. UV-A and UV-C induced photolytic and photocatalytic degradation of aqueous ciprofloxacin and moxifloxacin: Reaction kinetics and role of adsorption. Applied Catalysis B: Environmental. 101 (3-4), 540-547 (2011).
  9. Shi, Y. J., et al. Sorption and biodegradation of tetracycline by nitrifying granules and the toxicity of tetracycline on granules. Journal of Hazardous Materials. 191 (1-3), 103-109 (2011).
  10. Guan, R., et al. Efficient degradation of tetracycline by heterogeneous cobalt oxide/cerium oxide composites mediated with persulfate. Separation and Purification Technology. 212, 223-232 (2019).
  11. Shao, S., Wu, X. Microbial degradation of tetracycline in the aquatic environment: a review. Critical Reviews in Biotechnology. 40 (7), 1010-1018 (2020).
  12. Wang, W., et al. High-performance two-dimensional montmorillonite supported-poly(acrylamide-co-acrylic acid) hydrogel for dye removal. Environmental Pollution. 257, 113574 (2020).
  13. Yang, B., et al. Interactions between the antibiotic tetracycline and humic acid: Examination of the binding sites, and effects of complexation on the oxidation of tetracycline. Water Research. 202, 117379 (2021).
  14. Lian, X. Y., et al. Construction of S-scheme Bi2WO6/g-C3N4 heterostructure nanosheets with enhanced visible-light photocatalytic degradation for ammonium dinitramide. Journal of Hazardous Materials. 412, 125217 (2021).
  15. Li, X., et al. Bimetallic FexMny catalysts derived from metal organic frameworks for efficient photocatalytic removal of quinolones without oxidant. Environmental Science-Nano. 8 (9), 2595-2606 (2021).
  16. Li, X., et al. Fabrication of ultrathin lily-like NiCo2O4 nanosheets via mooring NiCo bimetallic oxide on waste biomass-derived carbon for highly efficient removal of phenolic pollutants. Chemical Engineering Journal. 441, 136066 (2022).
  17. Makoto, E., et al. Charge carrier mapping for Z-scheme photocatalytic water-splitting sheet via categorization of microscopic time-resolved image sequences. Nature Communications. 12, 3716 (2021).
  18. Karim, A. F., Krishnan, S., Shriwastav, A. An overview of heterogeneous photocatalysis for the degradation of organic compounds: A special emphasis on photocorrosion and reusability. Journal of the Indian Chemical Society. 99 (6), 100480 (2022).
  19. Abdurahman, M. H., Abdullah, A. Z., Shoparwe, N. F. A comprehensive review on sonocatalytic, photocatalytic, and sonophotocatalytic processes for the degradation of antibiotics in water: Synergistic mechanism and degradation pathway. Chemical Engineering Journal. 413, 127412 (2021).
  20. Gao, Y., Wang, Q., Ji, Z. G., Li, A. M. Degradation of antibiotic pollutants by persulfate activated with various carbon materials. Chemical Engineering Journal. 429, 132387 (2022).
  21. Bi, Y. P., Ouyang, S. X., Umezawa, N., Cao, J. Y., Ye, J. H. Facet effect of single-crystalline Ag3PO4 sub-microcrystals on photocatalytic properties. Journal of the American Chemical Society. 133 (17), 6490-6492 (2011).
  22. Hasija, V., et al. A strategy to develop efficient Ag3PO4-based photocatalytic materials toward water splitting: Perspectives and challenges. ChemCatChem. 13 (13), 2965-2987 (2021).
  23. Zhou, L., et al. New insights into the efficient charge transfer of the modified-TiO2/Ag3PO4 composite for enhanced photocatalytic destruction of algal cells under visible light. Applied Catalysis B: Environmental. 302, 120868 (2022).
  24. He, G. W., et al. Facile controlled synthesis of Ag3PO4 with various morphologies for enhanced photocatalytic oxygen evolution from water splitting. RSC Advances. 9 (32), 18222-18231 (2019).
  25. Lee, Y. J., et al. Photocatalytic degradation of neonicotinoid insecticides using sulfate-doped Ag3PO4 with enhanced visible light activity. Chemical Engineering Journal. 402, 12618 (2020).
  26. Shi, W. L., et al. Three-dimensional Z-Scheme Ag3PO4/Co3(PO4)2@Ag heterojunction for improved visible-light photocatalytic degradation activity of tetracycline. Journal of Alloys and Compounds. 818, 152883 (2020).
  27. Shi, W. L., et al. Fabrication of ternary Ag3PO4/Co3(PO4)2/g-C3N4 heterostructure with following Type II and Z-Scheme dual pathways for enhanced visible-light photocatalytic activity. Journal of Hazardous Materials. 389, 12190 (2020).
  28. Wang, B., et al. A supramolecular H12SubPcB-OPhCOPh/TiO2 Z-scheme hybrid assembled via dimeric concave-ligand π-interaction for visible photocatalytic oxidation of tetracycline. Applied Catalysis B: Environmental. 298, 120550 (2021).
  29. Wang, B., et al. Novel axial substituted subphthalocyanine and its TiO2 photocatalyst for degradation of organic water pollutant under visible light. Optical Materials. 109, 110202 (2020).
  30. Wang, B., et al. Novel axial substituted subphthalocyanines and their TiO2 nanosupermolecular arrayss: Synthesis, structure, theoretical calculation and their photocatalytic properties. Materials Today Communication. 25, 101264 (2020).
  31. Li, Z., et al. Synthesis, characterization and optoelectronic property of axial-substituted subphthalocyanines. ChemistryOpen. 9 (10), 1001-1007 (2020).
  32. Li, Z., et al. Construction of novel trimeric π-interaction subphthalocyanine-sensitized titanium dioxide for highly efficient photocatalytic degradation of organic pollutants. Journal of Alloys and Compounds. 855, 157458 (2021).
  33. Wang, Y. F., et al. Efficient TiO2/SubPc photocatalyst for degradation of organic dyes under visible light. New Journal of Chemistry. 48, 21192-21200 (2020).
  34. Yang, L., et al. Novel axial substituted subphthalocyanine sensitized titanium dioxide H12SubPcB-OPh2OH/TiO2 photocatalyst: Synthesis, density functional theory calculation, and photocatalytic properties. Applied Organometallic Chemistry. 35 (8), 6270 (2021).
  35. Li, Z., et al. Fabrication of SubPc-Br/Ag3PO4 supermolecular arrayss with high-efficiency and stable photocatalytic performance. Journal of Photochemistry and Photobiology, A. Chemistry. 405, 112929 (2021).
  36. Zhang, B. B., et al. SubPc-Br/NiMoO4 supermolecular arrays as a high-performance supercapacitor electrode materials. Journal of Applied Electrochemistry. 50, 1007-1018 (2020).
  37. Yuan, X. X., et al. Preparation, characterization and photodegradation mechanism of 0D/2D Cu2O/BiOCl S-scheme heterojunction for efficient photodegradation of tetracycline. Separation and Purification Technology. 291, 120965 (2022).
  38. Dai, T. T., et al. Performance and mechanism of photocatalytic degradation of tetracycline by Z-scheme heterojunction of CdS@LDHs. Applied Clay Science. 212, 106210 (2021).
  39. Zhou, L. P., et al. Piezoelectric effect synergistically enhances the performance of Ti32-oxo-cluster/BaTiO3/CuS p-n heterojunction photocatalytic degradation of pollutants. Applied Catalysis B: Environmental. 291, 120019 (2021).
  40. Xue, J. J., Ma, S. S., Zhou, Y. M., Zhang, Z. W., He, M. Facile photochemical synthesis of Au/Pt/g-C3N4 with plasmon-enhanced photocatalytic activity for antibiotic degradation. ACS Applied Materials Interfaces. 7, 9630-9637 (2015).
  41. Ding, R., et al. Light-excited photoelectrons coupled with bio-photocatalysis enhanced the degradation efficiency of oxytetracycline. Water Research. 143, 589-598 (2018).
  42. Acosta-Herazoa, R., Ángel Mueses, M., Li Puma, G., Machuca-Martínez, F. Impact of photocatalyst optical properties on the efficiency of solar photocatalytic reactors rationalized by the concepts of initial rate of photon absorption (IRPA) dimensionless boundary layer of photon absorption and apparent optical thickness. Chemical Engineering Journal. 356, 839-884 (2019).
  43. Grčić, I., Li Puma, G. Six-flux absorption-scattering models for photocatalysis under wide-spectrum irradiation sources in annular and flat reactors using catalysts with different optical properties. Applied Catalysis B: Environmental. 211, 222-234 (2017).
  44. Diaz-Anguloa, J., et al. Enhancement of the oxidative removal of diclofenac and of the TiO2 rate of photon absorption in dye-sensitized solar pilot scale CPC photocatalytic reactors. Chemical Engineering Journal. 381, 12252 (2020).
  45. Meng, S. G., et al. Efficient photocatalytic H2 evolution, CO2 reduction and N2 fixation coupled with organic synthesis by cocatalyst and vacancies engineering. Applied Catalysis B: Environmental. 285, 119789 (2021).
  46. Yang, M., et al. Graphene aerogel-based NiAl-LDH/g-C3N4 with ultratight sheet-sheet heterojunction for excellent visible-light photocatalytic activity of CO2 reduction. Applied Catalysis B: Environmental. 306, 121065 (2022).

Tags

Keywords: Photocatalyst Performance EvaluationSemiconductor CatalystsEnvironmental RemediationAmmonium NitrateSilver PhosphateBromine SubphthalocyanineCatalyst SynthesisCatalyst Characterization
check_url/cn/64478?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Wang, B., Zhang, X., Li, L., Ji, M., Zheng, Z., Shi, C., Li, Z., Hao, H. A Complete Method for Evaluating the Performance of Photocatalysts for the Degradation of Antibiotics in Environmental Remediation. J. Vis. Exp. (188), e64478, doi:10.3791/64478 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image