Um método completo para avaliar o desempenho de fotocatalisadores na degradação de antibióticos na remediação ambiental

Summary

Apresentamos aqui um protocolo para explorar um conjunto universal de procedimentos experimentais para avaliação laboratorial abrangente de fotocatalisadores no campo da purificação ambiental, usando o exemplo da remoção fotocatalítica de moléculas de poluentes orgânicos antibióticos da água por compósitos de fosfato de prata sensibilizados por ftalocianina .

Abstract

Vários antibióticos, como tetraciclina, aureomicina, amoxicilina e levofloxacina, são encontrados em grandes quantidades em sistemas de água subterrânea e solo, potencialmente levando ao desenvolvimento de bactérias resistentes e multirresistentes, representando uma ameaça para humanos, animais e sistemas ambientais. A tecnologia fotocatalítica tem atraído grande interesse devido ao seu tratamento rápido e estável e ao uso direto da energia solar. No entanto, a maioria dos estudos que avaliam o desempenho de catalisadores semicondutores para a degradação fotocatalítica de poluentes orgânicos em água está atualmente incompleta. Neste artigo, um protocolo experimental completo é projetado para avaliar de forma abrangente o desempenho fotocatalítico de catalisadores semicondutores. Neste trabalho, o fosfato de prata rombo dodecaédrico foi preparado pelo método simples de síntese em fase solvente à temperatura ambiente e pressão atmosférica. Materiais de heterojunção BrSubftalocianina/Ag₃PO₄ foram preparados pelo método solvotérmico. O desempenho catalítico de materiais preparados para a degradação de tetraciclina foi avaliado através do estudo de diferentes fatores de influência, tais como dosagem do catalisador, temperatura, pH e ânions à pressão atmosférica, usando uma lâmpada de xenônio de 300 W como fonte de luz solar simulada e uma intensidade de luz de 350 mW/^cm2. Em comparação com o primeiro ciclo, o BrSubphthalocyanine/Ag 3 PO 4 construído manteve 82,0% da atividade fotocatalítica original após cinco ciclos fotocatalíticos, enquanto o Ag₃PO₄ puro manteve apenas 28,6%. A estabilidade das amostras de fosfato de prata foi posteriormente testada por um experimento de cinco ciclos. Este trabalho fornece um processo completo para avaliação do desempenho catalítico de catalisadores semicondutores em laboratório para o desenvolvimento de catalisadores semicondutores com potencial para aplicações práticas.

Introduction

As tetraciclinas (CTs) são antibióticos comuns que conferem proteção efetiva contra infecções bacterianas e são amplamente utilizados na pecuária, aquicultura e prevenção de doenças ^1,2. São amplamente distribuídos na água devido ao seu uso excessivo e aplicação inadequada nas últimas décadas, bem como ao lançamento de efluentes industriais³. Isso causou grave poluição ambiental e sérios riscos à saúde humana; por exemplo, a presença excessiva de CTs no ambiente aquoso pode afetar negativamente a distribuição da comunidade microbiana e a resistência bacteriana, levando a desequilíbrios ecológicos, principalmente devido à natureza altamente hidrofílica e bioacumulável dos antibióticos, bem como a um certo nível de bioatividade e estabilidade ^4,5,6 . Devido à hiperestabilidade do CT no ambiente, é difícil decompô-lo naturalmente; portanto, muitos métodos têm sido desenvolvidos, incluindo tratamentos biológicos, físico-químicos e químicos ^7,8,9. Os tratamentos biológicos são altamente eficientes e de baixo custo^10,11. No entanto, por serem tóxicos aos microrganismos, não degradam e mineralizam efetivamente as moléculas antibióticas da água¹². Embora os métodos físico-químicos possam remover antibióticos das águas residuárias direta e rapidamente, esse método apenas converte as moléculas de antibióticos da fase líquida para a fase sólida, não as degrada completamente e é muito dispendioso¹³.

Em contraste com os métodos convencionais, a fotocatálise semicondutora tem sido amplamente utilizada para a degradação de poluentes nas últimas décadas devido às suas eficientes propriedades de degradação catalítica¹⁴. Por exemplo, o catalisador magnético Fe_xMn_y livre de metais nobres de Li e colaboradores conseguiu oxidação fotocatalítica eficiente de uma variedade de moléculas de antibióticos em água sem o uso de qualquer oxidante¹⁵. Yan e col. relataram a síntese in situ de nanofolhas de NiCo₂O₄ semelhantes a lírios sobre carbono derivado de biomassa residual para obter remoção fotocatalítica eficiente de poluentes fenólicos da água¹⁶. A tecnologia se baseia em um catalisador semicondutor excitado pela luz para gerar elétrons fotogerados (e^–) e buracos (h⁺)¹⁷. Os e- e h⁺ fotogerados serão convertidos em radicais ânion superóxido (O 2-) ou radicais hidroxila (OH^–) reagindo com absorção de O 2 e H 2 O, e essas espécies oxidativamente ativas oxidam e decompõem moléculas de poluentes orgânicos em água em CO 2 e H ₂ O e outras moléculas orgânicas menores^18,19,20 . No entanto, não existe um padrão de campo unificado para avaliação do desempenho de fotocatalisadores. A avaliação do desempenho fotocatalítico de um material deve ser investigada em termos do processo de preparação do catalisador, condições ambientais para um desempenho catalítico ótimo, desempenho de reciclagem do catalisador, etc. Ag₃PO 4, com sua proeminente capacidade fotocatalítica_, tem despertado preocupação substancial na remediação ambiental. Este novo fotocatalisador atinge eficiências quânticas de até 90 % em comprimentos de onda superiores a 420 nm, o que é significativamente maior do que os valores relatados anteriormente²¹. No entanto, a grave fotocorrosão e a insatisfatória taxa de separação elétron-furo de Ag₃PO₄ limitam sua ampla aplicação²². Portanto, várias tentativas têm sido feitas para superar essas desvantagens, como otimização de forma 23, doping iônico²⁴ e construção de heteroestrutura^25,26,27. Neste trabalho, Ag₃PO₄ foi modificado usando controle morfológico e engenharia de heterojunção. Primeiramente, cristais rombos de Ag₃PO₄ dodecaédricos com alta energia superficial foram preparados por síntese de fase solvente à temperatura ambiente sob pressão ambiente. Em seguida, a BrSubphthalocyanine orgânica supramolecular (BrSubPc), que pode atuar tanto como aceptor quanto doador de elétrons, foi auto-montada na superfície do fosfato de prata pelo método solvotérmico 28,29,30,31,32,33,34,35 . O desempenho fotocatalítico dos materiais preparados foi avaliado investigando-se o efeito de diferentes fatores ambientais sobre o desempenho fotocatalítico das amostras preparadas para degradar traços de tetraciclina em água. Este trabalho fornece uma referência para a avaliação sistemática do desempenho fotocatalítico dos materiais, o que é de importância para o desenvolvimento futuro de materiais fotocatalíticos para aplicações práticas em remediação ambiental.

Protocol

1. Preparação do BrSubPc NOTA: A amostra BrSubPc foi preparada de acordo com um trabalho publicado anteriormente36. A reação é realizada em um sistema de linha de vácuo de tubo de fileira dupla, e o processo de reação é rigorosamente controlado sob condições livres de água e oxigênio. Pré-tratamento de matérias-primasPesar 2 g de o-dicyanobenzeno, secar em forno a vácuo por 24 h, retirá-lo e depois moê-lo cuidadosamen…

Representative Results

O dodecaedro rombo Ag3PO4 foi sintetizado com sucesso usando este método de síntese em fase solvente. Isso é confirmado pelas imagens de MEV mostradas na Figura 1A,B. De acordo com a análise por MEV, o diâmetro médio da estrutura romba dodecaédrica foi encontrado entre 2-3 μm. Os microcristais BrSubPc prístinos mostram uma grande estrutura irregular em flocos (Figura 1C). Na amostra compósita, o dióxido de titân…

Discussion

Neste artigo, apresentamos uma metodologia completa para avaliar o desempenho catalítico de materiais fotocatalíticos, incluindo a preparação de catalisadores, a investigação de fatores que afetam a fotocatálise e o desempenho da reciclagem de catalisadores. Este método de avaliação é universal e aplicável a todas as avaliações de desempenho de materiais fotocatalíticos.

Em termos de métodos de preparação de materiais, muitos esquemas têm sido relatados para a preparação d…

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