Summary

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

Published: October 06, 2022
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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 custo10,11. 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 FexMny 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 menores18,19,20 . 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 heteroestrutura25,26,27. 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…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (21606180), e pelo Programa de Pesquisa Básica de Ciências Naturais de Shaanxi (Programa No. 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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