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Environment

환경 개선에서 항생제 분해를 위한 광촉매의 성능을 평가하기 위한 완전한 방법

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

Summary

여기에 제시된 프로토콜은 프탈로시아닌 감응 인산은 복합재에 의한 물에서 항생제 유기 오염 물질 분자의 광촉매 제거의 예를 사용하여 환경 정화 분야에서 광촉매의 포괄적인 실험실 평가를 위한 보편적인 실험 절차를 탐색하기 위한 프로토콜입니다.

Abstract

테트라사이클린, 아우레오마이신, 아목시실린, 레보플록사신과 같은 다양한 항생제가 지하수 및 토양 시스템에서 대량으로 발견되어 잠재적으로 내성 및 다제 내성 박테리아의 발달로 이어져 인간, 동물 및 환경 시스템에 위협이 됩니다. 광촉매 기술은 빠르고 안정적인 처리와 태양 에너지의 직접적인 사용으로 인해 큰 관심을 끌었습니다. 그러나 수중 유기 오염 물질의 광촉매 분해에 대한 반도체 촉매의 성능을 평가하는 대부분의 연구는 현재 불완전합니다. 이 논문에서는 반도체 촉매의 광촉매 성능을 종합적으로 평가하기 위해 완전한 실험 프로토콜을 설계했습니다. 여기서, 능모꼴 십이면체 인산은은 상온 및 대기압에서 간단한 용매상 합성법에 의해 제조하였다. BrSubphthalocyanine/Ag3PO4 이종접합 물질은 용매열 방법에 의해 제조되었습니다. 테트라 사이클린의 분해를 위해 준비된 물질의 촉매 성능은 300W 크세논 램프를 시뮬레이션 된 태양 광원으로 사용하여 대기압에서 촉매 투여 량, 온도, pH 및 음이온과 같은 다양한 영향 요인을 연구하여 평가되었습니다 350 mW / cm2. 첫 번째 사이클과 비교하여 구성된 BrSubphthalocyanine/Ag 3 PO 4는 5번의 광촉매 사이클 후에 원래 광촉매 활성의 82.0%를 유지한 반면, 깨끗한 Ag3PO4는 28.6%만 유지했습니다. 인산은 샘플의 안정성은 5 사이클 실험에 의해 추가로 테스트되었습니다. 이 논문은 실제 적용 가능성이 있는 반도체 촉매 개발을 위해 실험실에서 반도체 촉매의 촉매 성능을 평가하기 위한 완전한 프로세스를 제공합니다.

Introduction

테트라사이클린(Tetracycline, TCs)은 박테리아 감염을 효과적으로 예방하는 일반적인 항생제로, 축산, 양식업, 질병 예방에 널리 사용된다 1,2. 그들은 지난 수십 년 동안 남용 및 부적절한 적용과 산업 폐수 배출로 인해 물에 널리 분포되어 있습니다3. 이것은 심각한 환경 오염과 인체 건강에 심각한 위험을 초래했습니다. 예를 들어, 수성 환경에서 TC의 과도한 존재는 미생물 군집 분포 및 박테리아 저항성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 주로 항생제의 높은 친수성 및 생물 농축성 특성과 일정 수준의 생체 활성 및 안정성으로 인해 생태학적 불균형을 초래할 수 있습니다 4,5,6 . 환경에서 TC의 과도한 안정성으로 인해 자연적으로 분해되기 어렵습니다. 따라서 생물학적, 물리 화학적 및 화학적 처리 7,8,9를 포함한 많은 방법이 개발되었습니다. 생물학적 처리는 매우 효율적이고 저렴한 비용입니다10,11. 그러나 미생물에 독성이 있기 때문에 물에서 항생제 분자를 효과적으로 분해하고 무기질화하지 않습니다12. 물리화학적 방법은 폐수에서 항생제를 직접적이고 신속하게 제거할 수 있지만, 이 방법은 항생제 분자를 액상에서 고체상으로 전환시킬 뿐, 완전히 분해되지 않으며, 비용이 너무 많이 든다13.

종래의 방법과는 달리, 반도체 광촉매는 효율적인 촉매 분해 특성으로 인해 지난 수십 년 동안 오염 물질의 분해에 널리 사용되어 왔다14. 예를 들어, Li et al.의 귀금속-비자성FexMny촉매는 어떠한 산화제의 사용 없이 물에서 다양한 항생제 분자의 효율적인 광촉매 산화를 달성하였다 15. Yan et al. 물에서 페놀 오염 물질을 효율적으로 광촉매로 제거하기 위해 폐기물 바이오매스 유래 탄소에 대한 백합 유사NiCo2O4나노시트의 현장 합성을 보고했습니다 16. 이 기술은 빛에 의해 여기된 반도체 촉매에 의존하여 광생성 전자(e–)와 정공(h+)17을 생성합니다. 광생성 e- 및 h+는 흡수된O2 및 H2O와 반응하여 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(O2–) 또는 하이드록실 라디칼(OH–)로 전환되며, 이러한 산화 활성 종은 물 중의 유기 오염 물질 분자를 산화 및 분해하여 CO2 및 H 2O 및 기타 더 작은 유기 분자18,19,20 . 그러나 광촉매 성능 평가를 위한 통일된 현장 표준은 없습니다. 재료의 광촉매 성능 평가는 촉매 준비 과정, 최적의 촉매 성능을 위한 환경 조건, 촉매 재활용 성능 등의 측면에서 조사되어야 합니다. 뛰어난 광촉매 능력을 가진 Ag3PO4는 환경 개선에 상당한 우려를 불러일으켰습니다. 이 새로운 광촉매는 420nm보다 큰 파장에서 최대 90%의 양자 효율을 달성하며, 이는 이전에 보고된 값(21)보다 훨씬 높습니다. 그러나,Ag3PO4의 심각한 광부식 및 불만족스러운 전자-정공 분리율은 그 폭넓은 적용을 제한한다22. 따라서, 형상 최적화(23), 이온 도핑(24), 헤테로구조 빌딩(25, 26, 27) 등 이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 시도가 이루어졌다. 본 논문에서는 Ag3PO4를 형태 제어와 이종접합 공학을 이용하여 변형하였다. 먼저, 상압하에서 상온에서 용매상 합성을 통해 표면에너지가 높은 능십이면체Ag3PO4결정을 제조하였다. 이어서, 전자 수용체 및 전자 공여체로서 둘 다 작용할 수 있는 유기 초분자체 BrSubphthalocyanine (BrSubPc)을 용매열 방법 28,29,30,31,32,33,34,35에 의해 인산은 표면에 자가 조립하였다 . 제조된 물질의 광촉매 성능은 물에서 미량의 테트라사이클린을 분해하기 위해 제조된 샘플의 광촉매 성능에 대한 상이한 환경적 요인의 영향을 조사함으로써 평가되었다. 이 논문은 재료의 광촉매 성능에 대한 체계적인 평가를 위한 참고 자료를 제공하며, 이는 환경 개선의 실제 적용을 위한 광촉매 재료의 미래 개발에 중요합니다.

Protocol

1. BrSubPc의 제조 참고: BrSubPc 샘플은 이전에 발표된 저작물36에 따라 준비되었습니다. 반응은 복열 튜브 진공 라인 시스템에서 수행되며 반응 과정은 무수 및 무산소 조건에서 엄격하게 제어됩니다. 원료의 전처리o-dicyanobenzene 2g의 무게를 달아 진공 오븐에서 24 시간 동안 건조시킨 다음 꺼내어 마노 모르타르에서 조심스럽게 갈아줍?…

Representative Results

마름모꼴 십이면체Ag3PO4는 이 용매 상 합성법을 사용하여 성공적으로 합성되었습니다. 이것은 그림 1A, B에 표시된 SEM 이미지에 의해 확인됩니다. SEM 분석에 따르면, 능모꼴 십이면체 구조의 평균 직경은 2-3 μm인 것으로 나타났다. 깨끗한 BrSubPc 미세결정은 크고 불규칙한 플레이크 구조를 보여줍니다(그림 1C). 복합 샘플에서 …

Discussion

이 논문에서는 촉매 준비, 광촉매에 영향을 미치는 요인 조사 및 촉매 재활용 성능을 포함하여 광촉매 물질의 촉매 성능을 평가하기 위한 완전한 방법론을 제시합니다. 이 평가 방법은 보편적이며 모든 광촉매 재료 성능 평가에 적용할 수 있습니다.

물질 제조 방법의 관점에서, 상이한 전구체21,22를 사용하여 마름모꼴 십이면체A…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (21606180)과 산시 자연 과학 기초 연구 프로그램 (프로그램 번호 2019JM-589)의 지원을 받았습니다.

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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