Φωτοκαταλυτική αποδόμηση της σουλφαμεθοξαζόλης με χρήση του CoP/BiVO4 ως φωτοκαταλύτη

• Κύριος συγγραφέας: Ζάππα, Ιωάννα
• Άλλοι συγγραφείς: Zappa, Ioanna
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Φωτοκατάλυση; Σουλφαμεθοξαζόλη; Photocatalysis; Sulfamethoxazole; CoP/BiVO4

Η παρουσία φαρμακευτικών ουσιών στο περιβάλλον λόγω της αυξανόμενης κατανάλωσης τους θεωρείται ένα φλέγον ζήτημα την τελευταία δεκαετία εξαιτίας των επιπτώσεων τους για τα χερσαία και υδρόβια οικοσυστήματα. Έχουν γίνει αρκετές έρευνες για την πηγή και τη μοίρα των ουσιών αυτών στο περιβάλλον. Χαρακτηρίζονται ανθεκτικές στις ήδη γνωστές βιολογικές μεθό-δους για την πλήρη αποσύνθεση τους, γεγονός που οδήγησε στην αναζήτηση νέων μεθόδων αποτελεσματικότερων και συνάμα φιλικών προς το περιβάλλον. Οι προηγμένες διεργασίες οξεί-δωσης (Advanced Oxidation Processes, AOPs) έχουν εφαρμοστεί επιτυχώς στην επεξεργασία υ-γρών αποβλήτων και πιο συγκεκριμένα στην αποδόμηση των φαρμακευτικών ουσιών. Η σουλφαμεθοξαζόλη (SMX) είναι ένα συνθετικό αντιβιοτικό το οποίο ανήκει στην ομάδα των σουλφοναμιδών. Χρησιμοποιείται στην κτηνιατρική και στην ιατρική για τη θεραπεία της βρογχίτιδας και λοιμώξεων του ουροποιητικού συστήματος. Ως φωτοκαταλύτης χρησιμοποιείται κυρίως το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) λόγω της υψηλής χημικής σταθερότητας του, της ανθεκτικότητας του στη φωτοδιάβρωση και της μη τοξικότητάς του. Ωστόσο, το TiO2 διαθέτει μεγάλο ενεργειακό χάσμα (3.2 eV), απορροφά μόνο στη υπεριώδη ακτινοβολία (λ< 385 nm), το ποσοστό της οποίας είναι μικρότερο από το 4% της συνολικής ηλια-κής ακτινοβολίας. Τα τελευταία χρόνια, έρευνες έχουν δείξει ότι το βαναδικό βισμούθιο (BiVO4) είναι ένας πολ-λά υποσχόμενος φωτοκαταλύτης για την αποδόμηση οργανικών ρύπων κάτω από ορατή ακτινο-βολία. Αυτό το επιτυγχάνει χάρη στο κατάλληλο ενεργειακό του χάσμα, τη σωστή θέση του χά-σματος αυτού, της μεγάλης σταθερότητας και της φιλικότητας του προς το περιβάλλον. Ωστόσο, BiVO4 (ΒVO) εξακολουθεί να έχει χαμηλή φωτοκαταλυτική δραστηριότητα λόγω του γρήγορου ανασυνδυασμού των φωτοδημιουργούμενων ζευγών ηλεκτρονίων- οπών. Για τον λόγο αυτό, έχουν γίνει προσπάθειες βελτίωσης της απόδοσης του συνδυάζοντας το με άλλα υλικά όπως τα φωσφίδια μεταβατικών μετάλλων (Transition Metal Phosphides, TMPs), τα οποία έχουν υιοθε-τηθεί επιτυχώς ως συν- καταλύτες σε φωτοκαταλυτικά συστήματα που διερευνούν την παραγω-γή υδρογόνου μέσω διαχωρισμού νερού. Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ώστε να μελετηθεί η φωτοκαταλυτι-κή αποδόμηση του SMX με χρήση προσομοιωμένης ηλιακής ακτινοβολίας, παρουσία σύνθετων καταλυτών Ni2P/ ΒVO και CoP/ ΒVO. Οι παρασκευασμένοι καταλύτες χαρακτηρίστηκαν ως προς τις ιδιότητες τους μέσω ΒΕΤ, XRD και DRS αναλύσεις. Με τη τεχνική περίθλαση ακτίνων -Χ (XRD) βρέθηκε ότι όλες οι κορυφές πε-ρίθλασης του φάσματος του BVO αντιστοιχούν στην κρυσταλλική δομή του scheelite-monoclinic BVO, ενώ παρόμοια φάσματα πάρθηκαν και για τα δείγματα BVO με τις εναποθέσεις 0.5 Ni2P και x% wt. CoP στα οποία δεν εντοπίστηκαν νέες κορυφές περίθλασης που να αντιστοιχούν στα Νi2P και CoP. Επιπλέον, με την τεχνική φασματοσκοπίας διάχυτης ανάκλασης (DRS) καθίσταται εμφα-νές ότι οι φωτοκαταλύτες μπορούν να απορροφήσουν ακτινοβολία με μήκη κύματος λ ≤ 550 nm και τα υπολογιζόμενα ενεργειακά κενά όλων των δειγμάτων κυμαίνονταν μεταξύ 2.2- 2.33 eV. Με τη μέθοδο μέτρησης της ολικής ειδικής επιφάνειας ΒΕΤ βρέθηκε η ειδική επιφάνεια του BVO, ενώ η ειδική επιφάνεια των παρασκευασμένων καταλυτών δεν επηρεάστηκε από τη προσθήκη των φωσφιδίων των μετάλλων. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ποτήρι ζέσεως όγκου 150 mL, με όγκο διαλύματος 120 mL σε θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και πίεση ίση με την ατμοσφαιρική. Ο προσομοιωτής ηλιακής ακτινοβολίας ήταν του οίκου Oriel LCS ισχύος 100 W. Για την ανάλυση των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (High Performance Liquid Chromatography, HPLC). Από τους φωτοκαταλύτες που παρασκευάστηκαν, ο πιο αποτελεσματικός για την αποδόμηση του SMX είναι ο 0.5 CoP/ BVO. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαφορετικής συ-γκέντρωση φωτοκαταλύτη. Η συγκέντρωση στην οποία ο καταλύτης παρουσιάζει την μέγιστη απομάκρυνση σε σύγκριση με τις υπόλοιπες συγκεντρώσεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα 1000 mg/L, με ποσοστό απομάκρυνσης του SMX περίπου 90%. Επίσης μελετήθηκε το είδος της ακτινοβολίας. Βρέθηκε ότι ο 0.5 CoP/ BVΟ είναι ενεργός τόσο παρουσία ηλιακής όσο ορατής ακτινοβολίας. Ακόμα μελετήθηκε η αρχική συγκέντρωση της ουσίας (250, 500, 1000 μg/L) . Στις συγκεντρώ-σεις 250 και 500 μg/L η απομάκρυνση είναι σχεδόν η ίδια, ενώ σε συγκέντρωση 1000 μg/L η α-πόδοση της διεργασίας μειώνεται. Η μεταβολή του pH σε όξινο και αλκαλικό, μειώνει την απο-δόμηση της SMX. Τέλος, η απόδοση της διεργασίας μειώνεται, όσο πολυπλοκότερη είναι η σύσταση της υδατι-κής μήτρας. Στο διάλυμα χουμικού οξέος ([HA]=10 mg/L) το SMX απομακρύνεται σε ποσοστό 60%, στο εμφιαλωμένο νερό (BW) σε 20% και στην περίπτωση της δευτεροβάθμιας εκροής (WW) σε ποσοστό 10% σε χρόνο 180 λεπτών.