En komplett metode for å evaluere ytelsen til fotokatalysatorer for nedbrytning av antibiotika i miljøsanering

Summary

Presentert her er en protokoll for å utforske et universelt sett med eksperimentelle prosedyrer for omfattende laboratorieevaluering av fotokatalysatorer innen miljørensing, ved hjelp av eksemplet på fotokatalytisk fjerning av antibiotika organiske forurensende molekyler fra vann ved phthalocyanine sensibiliserte sølvfosfatkompositter.

Abstract

Ulike antibiotika som tetracyklin, aureomycin, amoksicillin og levofloksacin finnes i store mengder i grunnvann og jordsystemer, noe som potensielt kan føre til utvikling av resistente og multiresistente bakterier, som utgjør en trussel mot mennesker, dyr og miljøsystemer. Fotokatalytisk teknologi har tiltrukket seg stor interesse på grunn av sin raske og stabile behandling og direkte bruk av solenergi. Imidlertid er de fleste studier som evaluerer ytelsen til halvlederkatalysatorer for fotokatalytisk nedbrytning av organiske forurensninger i vann, for tiden ufullstendige. I dette papiret er en komplett eksperimentell protokoll designet for å evaluere fotokatalytisk ytelse av halvlederkatalysatorer. Her ble rombisk dodekaedrisk sølvfosfat fremstilt ved en enkel løsningsmiddelfasesyntesemetode ved romtemperatur og atmosfærisk trykk. BrSubphthalocyanine/Ag₃PO₄ heterojunction materialer ble fremstilt ved solvothermal metoden. Den katalytiske ytelsen til as-preparerte materialer for nedbrytning av tetracyklin ble evaluert ved å studere forskjellige påvirkningsfaktorer som katalysatordosering, temperatur, pH og anioner ved atmosfærisk trykk ved bruk av en 300 W xenonlampe som en simulert sollyskilde og en lysintensitet på 350 mW / cm². Sammenlignet med den første syklusen opprettholdt den konstruerte BrSubphthalocyanin / Ag 3 PO₄ 82, 0% av den opprinnelige fotokatalytiske aktiviteten etter fem fotokatalytiske sykluser, mens den uberørte Ag₃PO₄ opprettholdt bare 28, 6%. Stabiliteten til sølvfosfatprøver ble ytterligere testet ved et fem-syklus eksperiment. Dette papiret gir en komplett prosess for evaluering av katalytisk ytelse av halvlederkatalysatorer i laboratoriet for utvikling av halvlederkatalysatorer med potensial for praktiske anvendelser.

Introduction

Tetracykliner (TC) er vanlige antibiotika som gir effektiv beskyttelse mot bakterielle infeksjoner og er mye brukt i husdyrhold, akvakultur og sykdomsforebygging ^1,2. De er utbredt i vann på grunn av overforbruk og feil bruk de siste tiårene, samt utslipp av industrielt avløpsvann³. Dette har forårsaket alvorlig miljøforurensning og alvorlig risiko for menneskers helse; For eksempel kan overdreven tilstedeværelse av TC i det vandige miljøet negativt påvirke mikrobiell samfunnsfordeling og bakteriell resistens, noe som fører til økologiske ubalanser, hovedsakelig på grunn av antibiotikas svært hydrofile og bioakkumulerende natur, samt et visst nivå av bioaktivitet og stabilitet ^4,5,6 . På grunn av hyperstabiliteten til TC i miljøet er det vanskelig å bryte ned naturlig; Derfor har mange metoder blitt utviklet, inkludert biologiske, fysisk-kjemiske og kjemiske behandlinger ^7,8,9. Biologiske behandlinger er svært effektive og rimelige^10,11. Men fordi de er giftige for mikroorganismer, nedbryter de ikke effektivt og mineraliserer antibiotikamolekyler i vann¹². Selv om fysisk-kjemiske metoder kan fjerne antibiotika fra avløpsvann direkte og raskt, konverterer denne metoden bare antibiotikamolekylene fra væskefasen til den faste fase, nedbryter dem ikke helt, og er for kostbar¹³.

I motsetning til konvensjonelle metoder har halvlederfotokatalyse blitt mye brukt til nedbrytning av forurensende stoffer de siste tiårene på grunn av dens effektive katalytiske nedbrytningsegenskaper¹⁴. For eksempel oppnådde den edle metallfrie magnetiske Fe_xMn_y katalysatoren til Li et al. effektiv fotokatalytisk oksidasjon av en rekke antibiotikamolekyler i vann uten bruk av oksidant¹⁵. Yan et al. rapporterte in situ-syntesen av liljelignende NiCo_2O4 nanoark på avfall biomasseavledet karbon for å oppnå effektiv fotokatalytisk fjerning av fenoliske forurensninger fra vann¹⁶. Teknologien er avhengig av en halvlederkatalysator begeistret av lys for å generere fotogenererte elektroner (e^–) og hull (h ⁺) ¹⁷. De fotogenererte e- og h⁺ vil bli omdannet til superoksidanionradikaler (O2-) eller hydroksylradikaler ^(OH–) ved å reagere med absorbert_O2 og_H2O, og disse oksidativt aktive artene oksiderer og dekomponerer organiske miljøgiftmolekyler i vann til CO 2 og H₂ O og andre mindre organiskemolekyler^18,19,20 . Det er imidlertid ingen enhetlig feltstandard for evaluering av fotokatalysatorytelse. Evalueringen av et materiales fotokatalytiske ytelse bør undersøkes med hensyn til katalysatorpreparasjonsprosessen, miljøforhold for optimal katalytisk ytelse, katalysatorens resirkuleringsytelse, etc. Ag₃PO 4, med sin fremtredende fotokatalytiske evne_, har utløst betydelig bekymring for miljøsanering. Denne nye fotokatalysatoren oppnår kvanteeffektivitet på opptil 90 % ved bølgelengder større enn 420 nm, noe som er betydelig høyere enn tidligere rapporterte verdier²¹. Imidlertid begrenser den alvorlige fotokorrosjonen og utilfredsstillende elektronhullseparasjonshastigheten til Ag₃PO₄ sin brede anvendelse²². Derfor har det blitt gjort ulike forsøk på å overvinne disse ulempene, for eksempel formoptimalisering²³, ionedop 24 og heterostrukturbygging^25,26,27. I dette papiret ble Ag₃PO₄ modifisert ved hjelp av morfologikontroll samt heterojunction engineering. Først ble rombiske dodekaedrale Ag₃PO₄ krystaller med høy overflateenergi fremstilt ved løsningsmiddelfasesyntese ved romtemperatur under omgivelsestrykk. Deretter ble organisk supramolekylær BrSubphthalocyanine (BrSubPc), som kan fungere som både elektronakseptor og elektrondonor, selvmontert på sølvfosfatoverflaten ved den solvotermiske metoden 28,29,30,31,32,33,34,35 . Den fotokatalytiske ytelsen til de fremstilte materialene ble evaluert ved å undersøke effekten av forskjellige miljøfaktorer på den fotokatalytiske ytelsen til de fremstilte prøvene for å nedbryte spormengder av tetracyklin i vann. Denne artikkelen gir en referanse for systematisk evaluering av materialets fotokatalytiske ytelse, noe som er av betydning for fremtidig utvikling av fotokatalytiske materialer for praktiske anvendelser i miljøsanering.

Protocol

1. Klargjøring av BrSubPc MERK: BrSubPc-prøven ble utarbeidet i henhold til et tidligere publisert arbeid36. Reaksjonen utføres i et dobbeltrads vakuumledningssystem, og reaksjonsprosessen kontrolleres strengt under vannfrie og oksygenfrie forhold. Forbehandling av råvarerVei 2 g o-dicyanobenzen, tørk den i vakuumovn i 24 timer, ta den ut og slip den forsiktig i en agatmørtel. Sett den igjen i vakuumovn i 1 uke; Ta den…

Representative Results

Den rombiske dodekaederen Ag3PO4 ble vellykket syntetisert ved hjelp av denne løsningsfasesyntesemetoden. Dette bekreftes av SEM-bildene vist i figur 1A,B. Ifølge SEM-analysen ble den gjennomsnittlige diameteren av den rombiske dodekaederstrukturen funnet å være mellom 2-3 μm. De uberørte BrSubPc-mikrokrystallene viser en stor uregelmessig flakstruktur (figur 1C). I komposittprøven beholdt titandioksidet fortsatt den…

Discussion

I dette papiret presenterer vi en komplett metodikk for evaluering av katalytisk ytelse av fotokatalytiske materialer, inkludert fremstilling av katalysatorer, undersøkelse av faktorer som påvirker fotokatalyse og ytelsen til katalysatorgjenvinning. Denne evalueringsmetoden er universell og anvendelig for alle ytelsesevalueringer av fotokatalytisk materiale.

Når det gjelder materialpreparasjonsmetoder, har mange ordninger blitt rapportert for fremstilling av rombisk dodekaedrisk Ag_3</s…

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