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Environment

Méthode complète d’évaluation de la performance des photocatalyseurs pour la dégradation des antibiotiques dans l’assainissement de l’environnement

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

Summary

Un protocole visant à explorer un ensemble universel de procédures expérimentales pour une évaluation complète en laboratoire des photocatalyseurs dans le domaine de la purification de l’environnement, en utilisant l’exemple de l’élimination photocatalytique des molécules de polluants organiques antibiotiques de l’eau par des composites de phosphate d’argent sensibilisés aux phtalocyanines.

Abstract

Divers antibiotiques tels que la tétracycline, l’auréomycine, l’amoxicilline et la lévofloxacine se trouvent en grande quantité dans les eaux souterraines et les systèmes du sol, ce qui peut entraîner le développement de bactéries résistantes et multirésistantes, constituant une menace pour les humains, les animaux et les systèmes environnementaux. La technologie photocatalytique a suscité un vif intérêt en raison de son traitement rapide et stable et de l’utilisation directe de l’énergie solaire. Cependant, la plupart des études évaluant la performance des catalyseurs semi-conducteurs pour la dégradation photocatalytique des polluants organiques dans l’eau sont actuellement incomplètes. Dans cet article, un protocole expérimental complet est conçu pour évaluer de manière exhaustive les performances photocatalytiques des catalyseurs semi-conducteurs. Ici, le phosphate d’argent dodécaédrique rhombique a été préparé par une méthode simple de synthèse en phase solvant à température ambiante et pression atmosphérique. Les matériaux à hétérojonction BrSubphtalocyanine/Ag3PO4 ont été préparés par la méthode solvothermique. La performance catalytique des matériaux préparés pour la dégradation de la tétracycline a été évaluée en étudiant différents facteurs d’influence tels que le dosage du catalyseur, la température, le pH et les anions à pression atmosphérique en utilisant une lampe au xénon de 300 W comme source de lumière solaire simulée et une intensité lumineuse de 350 mW / cm2. Par rapport au premier cycle, la BrSubphtalocyanine/Ag 3 PO 4construite a maintenu 82,0 % de l’activité photocatalytique initiale après cinq cycles photocatalytiques, tandis que l’Ag3PO4 vierge n’a maintenu que 28,6 %. La stabilité des échantillons de phosphate d’argent a été testée par une expérience en cinq cycles. Cet article fournit un processus complet d’évaluation de la performance catalytique des catalyseurs semi-conducteurs en laboratoire pour le développement de catalyseurs semi-conducteurs ayant un potentiel d’applications pratiques.

Introduction

Les tétracyclines (CT) sont des antibiotiques courants qui offrent une protection efficace contre les infections bactériennes et sont largement utilisés dans l’élevage, l’aquaculture et la prévention des maladies 1,2. Ils sont largement distribués dans l’eau en raison de leur surutilisation et de leur mauvaise application au cours des dernières décennies, ainsi que du rejet d’eaux usées industrielles3. Cela a entraîné une grave pollution de l’environnement et de graves risques pour la santé humaine; par exemple, la présence excessive de CT dans le milieu aqueux peut avoir une incidence négative sur la distribution de la communauté microbienne et la résistance bactérienne, entraînant des déséquilibres écologiques, principalement en raison de la nature hautement hydrophile et bioaccumulable des antibiotiques, ainsi que d’un certain niveau de bioactivité et de stabilité 4,5,6 . En raison de l’hyperstabilité du TC dans l’environnement, il est difficile de se décomposer naturellement; Par conséquent, de nombreuses méthodes ont été développées, y compris des traitements biologiques, physico-chimiques et chimiques 7,8,9. Les traitements biologiques sont très efficaces et peu coûteux10,11. Cependant, parce qu’ils sont toxiques pour les micro-organismes, ils ne dégradent pas et ne minéralisent pas efficacement les molécules antibiotiques dans l’eau12. Bien que les méthodes physico-chimiques puissent éliminer les antibiotiques des eaux usées directement et rapidement, cette méthode ne fait que convertir les molécules antibiotiques de la phase liquide à la phase solide, ne les dégrade pas complètement et est trop coûteuse13.

Contrairement aux méthodes conventionnelles, la photocatalyse à semi-conducteurs a été largement utilisée pour la dégradation des polluants au cours des dernières décennies en raison de ses propriétés de dégradation catalytiqueefficaces 14. Par exemple, le catalyseur magnétique sans métal noble FexMny de Li et al. a permis une oxydation photocatalytique efficace d’une variété de molécules antibiotiques dans l’eau sans utiliser d’oxydant15. Yan et al. ont rapporté la synthèse in situ de nanofeuilles de NiCo2O4 ressemblant à des lys sur du carbone dérivé de la biomasse résiduelle pour obtenir une élimination photocatalytique efficace des polluants phénoliques de l’eau16. La technologie repose sur un catalyseur semi-conducteur excité par la lumière pour générer des électrons (e–) et des trous (h+)17 photogénérés. Les radicaux anioniques superoxydes (O2-) ouhydroxyles (OH-) ou hydroxyles (OH-) absorbés seront convertis enradicaux anioniques superoxydes (O2-) ou hydroxyles (OH–) absorbés, et ces espèces oxydatives oxydées et décomposent les molécules de polluants organiques dans l’eau en CO2 et H2O et autres molécules organiques plus petites18,19,20 . Cependant, il n’existe pas de norme de terrain unifiée pour l’évaluation des performances des photocatalyseurs. L’évaluation de la performance photocatalytique d’un matériau doit être étudiée en termes de processus de préparation du catalyseur, de conditions environnementales pour une performance catalytique optimale, de performance de recyclage du catalyseur, etc. Ag3PO 4, avec sa capacité photocatalytique importante, a suscité de vives préoccupations en matière d’assainissement de l’environnement. Ce nouveau photocatalyseur atteint des rendements quantiques allant jusqu’à 90 % à des longueurs d’onde supérieures à 420 nm, ce qui est nettement supérieur aux valeurs précédemment rapportées21. Cependant, la photocorrosion sévère et le taux de séparation insatisfaisant des trous d’électrons de l’Ag3PO4 limitent sa large application22. Par conséquent, diverses tentatives ont été faites pour surmonter ces inconvénients, telles que l’optimisation de la forme23, le dopageionique 24 et la construction d’hétérostructures25,26,27. Dans cet article, Ag3PO4 a été modifié en utilisant le contrôle morphologique ainsi que l’ingénierie d’hétérojonction. Tout d’abord, des cristaux rhombiques dodécaédriques Ag3PO4 à haute énergie de surface ont été préparés par synthèse de phase solvant à température ambiante sous pression ambiante. Ensuite, la BrSubphtalocyanine supramoléculaire organique (BrSubPc), qui peut agir à la fois comme accepteur d’électrons et donneur d’électrons, a été auto-assemblée sur la surface du phosphate d’argent par la méthode solvothermique 28,29,30,31,32,33,34,35 . La performance photocatalytique des matériaux préparés a été évaluée en étudiant l’effet de différents facteurs environnementaux sur la performance photocatalytique des échantillons préparés pour dégrader des traces de tétracycline dans l’eau. Cet article fournit une référence pour l’évaluation systématique de la performance photocatalytique des matériaux, ce qui est important pour le développement futur de matériaux photocatalytiques pour des applications pratiques dans l’assainissement de l’environnement.

Protocol

1. Préparation du BrSubPc NOTE: L’échantillon BrSubPc a été préparé selon un travail publié précédemment36. La réaction est réalisée dans un système de conduite à vide à double rangée de tubes et le processus de réaction est strictement contrôlé dans des conditions sans eau et sans oxygène. Prétraitement des matières premièresPeser 2 g d’o-dicyanobenzène, le sécher dans une étuve à vide pendant 24 h, le s…

Representative Results

Le dodécaèdre rhombique Ag3PO4 a été synthétisé avec succès en utilisant cette méthode de synthèse en phase solvant. Ceci est confirmé par les images MEB montrées à la figure 1A,B. Selon l’analyse SEM, le diamètre moyen de la structure dodécaédrique rhombique se situait entre 2 et 3 μm. Les microcristaux BrSubPc vierges présentent une grande structure en flocons irréguliers (Figure 1C). Dans l’échanti…

Discussion

Dans cet article, nous présentons une méthodologie complète pour évaluer la performance catalytique des matériaux photocatalytiques, y compris la préparation des catalyseurs, l’étude des facteurs affectant la photocatalyse et la performance du recyclage des catalyseurs. Cette méthode d’évaluation est universelle et applicable à toutes les évaluations de performance des matériaux photocatalytiques.

En ce qui concerne les méthodes de préparation du matériel, de nombreux schém…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (21606180) et le Programme de recherche fondamentale en sciences naturelles du Shaanxi (Programme n ° 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
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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).
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