Фотокаталітична активність нанокомпозитів на основі TiO2 до антибіотиків у водних об’єктах
Вантажиться...
Дата
2022
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Кутузова А. С. Фотокаталітична активність нанокомпозитів на основі TiO2 до
антибіотиків у водних об’єктах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161
«Хімічні технології та інженерія». – Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2022.
Дисертаційна робота присвячена одержанню нанокомпозитів на основі
титану (IV) оксиду, допованого оксидами рідкісноземельних металів (Sm3+
, Er3+
, Pr3+
,
Nd3+) та/або стануму (IV) оксидом, дослідженню їх фізико-хімічних властивостей і
ефективності у фотокаталітичній деградації і мінералізації антибіотиків
ципрофлоксацину і сульфаметоксазолу під дією штучного сонячного світла.
В роботі розглянуто вплив параметрів (pH, температура, тип розчинника, тип
прекурсору) різних методів синтезу (золь-гель, гідротермальний, комбінований зольгель-гідротермальний, сольвотермальний) на фотокаталітичну активність порошків
титану (IV) оксиду. Дослідження зразків титану (IV) оксиду, синтезованих різними
методами, свідчать, що використані методи дозволяють отримувати наноструктурний
ТіO2, а найвищу ефективність у фотокаталітичній деградації ципрофлоксацину в УФсвітлі (365 нм) виявляє зразок, синтезований гідротермальним методом синтезу з
титану (IV) ізопропоксиду за низької температури (110 ) із використанням розчинника
2-пропанола. Одержаний зразок видаляє 99,5 % ципрофлоксацину за 120 хвилин
процесу, характеризується високою питомою поверхнею (315 м
2
/г) і високою
поруватістю.
Встановлено, що при допуванні комерційного фотокаталізатора P25 TiO2 та
синтезованого гідротермальним методом титану (IV) оксиду оксидами
рідкісноземельних металів (Sm3+
, Er3+
, Pr3+
, Nd3+) гідротермальним методом найвищу
3
фотокаталітичну активність виявили зразки складу TiO2-Sm2О3. Найбільш ефективним
у фотокаталітичній деградації ципрофлоксацину у штучному сонячному світлі є зразок
синтезованого TiO2, допованого Sm2О3 (1 мас.% Sm), який видаляє 94 % антибіотика за
30 хв, а у мінералізації ципрофлоксацину – зразок комерційного фотокаталізатора
P25 TiO2, допованого Sm2О3 (1 мас.% Sm), який мінералізує 86,5 % антибіотика за 6 год.
Обидва фотокаталізатори продемонстрували кращі результати за комерційний зразок
P25 TiO2. Продукти фотокаталітичного процесу із застосуванням зразків TiO2,
допованих самарію (ІІІ) оксидом, не продемонстрували токсичність щодо бактерій
E. coli на відміну від комерційного зразка P25 TiO2, який проявив токсичність через 6 год
процесу.
У фотокаталітичній деградації і мінералізації антибіотика сульфаметоксазолу
найкращу активність проявив комерційний зразок P25 TiO2, який за 1 год видалив 75 %
антибіотика, а за 3 год дозволив досягти 88 % мінералізації. Як продукти
фотокаталітичного процесу, так і вихідний модельний розчин сульфаметоксазолу не
виявили токсичності щодо бактерій E. coli, що може свідчити про вже розвинуту
резистентність до цього антибіотику бактеріями E. coli.
Дослідження оптичних властивостей титану (IV) оксиду, допованого оксидами
рідкісноземельних металів, підтверджує зменшення ширини забороненої зони зразків на
основі комерційного P25 TiO2 (Eg = 3,33 еВ) на 0,06-0,09 еВ, що сприяє зростанню
фотокаталітичної активності. При цьому зразок синтезованого гідротермальним
методом TiO2 та доповані зразки на його основі мають меншу енергію забороненої зони
(3,27 еВ), яка не змінюється при допуванні.
Ренгенофазовий і рентгеноструктурний аналіз зразків чистого TiO2 і TiO2,
допованого Sm2О3, показав, що одержані матеріали є нанокристалічними. Фазовий склад
зразків на основі P25 TiO2 представлений сумішшю анатазу і рутилу з великим розміром
кристалітів (15-23 нм), зразки на основі HT TiO2 складаються з суміші анатазу і брукіту
з малим розміром кристалітів (4-7 нм). Засобами скануючої електронної мікроскопії
було встановлено, що допування рідкісноземельними металами не змінює морфологію
TiO2. При цьому результати енергодисперсійного рентгенівіського мапування і
рентгенівської фотоелектронної спектроскопії підтверджують утворення шару Sm2O3 на
поверхні TiO2. Методом низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту встановлено,
що зразки на основі синтезованого титану (IV) оксиду мають більшу питому площу
поверхні (202-220 м
2
/г), ніж зразки на основі комерційного зразка P25 TiO2 (57-61 м
2
/г)
і, як наслідок, кращі адсорбційні властивості.
Фотокаталізатори складу TiO2-SnO2, одержані із використанням прекурсору
SnCl2×2H2O під час синтезу, мають найвищу ефективність у фотокаталітичній деградації
антибіотика ципрофлоксацину в ультрафіолетовому світлі. Допування комерційного
зразка фотокаталізатора P25 TiO2 cтануму (IV) оксидом або самарію (IV) оксидом або
обома оксидами одночасно не призводить до зростання ефективності мінералізації
антибіотика ципрофлоксацину під дією штучного видимого світла. Навпаки, допування
синтезованого титану (IV) оксиду самарію (IV) оксидом або cтануму (IV) оксидом та
самарію (IV) оксидом одночасно призводить до зростання ефективності мінералізації
ципрофлоксацину, особливо у видимому діапазоні світла. Встановлено, що ефективність
мінералізації ципрофлоксацину фотокаталізатором на основі синтезованого TiO2, який
містить 1 мас.% Sm, у видимому світлі вища на 5 % порівняно з комерційним зразком
EVONIK AEROXIDE TiO2 P25.
Ренгенофазовий і рентгеноструктурний аналіз зразків чистого і допованого TiO2
показав, що всі одержані матеріали є нанокристалічними. Фазовий склад допованих
зразків на основі P25 TiO2 представлений сумішшю анатазу, рутилу і каситериту з
великим розміром кристалітів титану (IV) оксиду (17-27 нм) і дуже малим розміром
кристалітів каситериту – 2 нм. Доповані зразки на основі HT TiO2 складаються з суміші
анатазу, брукіту і каситериту з малим однорідним розміром кристалітів (4-7 нм).
Новизна роботи полягає в наступному. Вперше експериментально доведено, що
використання гідротермального методу серед золь-гель, комбінованого золь-гель-
гідротермального, сольвотермального методів синтезу дозволяє отримати найбільш
фотокаталітично активний титану (IV) оксид. Гідротермальним методом синтезовано
новітні нанокомпозитні фотокаталізатори складу TiO2-Sm2O3, TiO2-Er2O3, TiO2-Nd2O3,
TiO2-Pr2O3, TiO2-Sm2O3/SnO2, серед яких нанокомпозити на основі TiO2 та Sm2O3
продемонстрували найвищу фотокаталітичну активність до ципрофлоксацину.
Встановлено, що найвища фотокаталітична активність у фотокаталітичній
деградації і мінералізації антибіотиків ципрофлоксацину і сульфаметоксазолу
притаманна фотокаталізатору ТіО2, допованому 1 мас.% Sm, що обумовлено
одночасним покращенням структурних та оптичних характеристик, а саме збільшенням
питомої площі поверхні і поруватості та зменшенням ширини забороненої зони.
Показано, що при використанні нанокомпозитів TiO2-Sm2O3 у фотокаталітичному
процесі очищені водні розчини після розкладання антибіотиків не виявляють токсичної
дії щодо бактерій E. coli.
Проведене порівняння властивостей нанокомпозитів на основі TiO2, синтезованих
різними методами, дозволило встановити, що найбільш фотокаталітично активні
матеріали можна одержати гідротермальним методом синтезу. Практичні результати
роботи захищено патентом України на корисну модель.
Встановлено умови отримання ефективного нанокомпозитного фотокаталізатора
на основі титану (IV) оксиду, допованого самарію (ІІІ) оксидом, гідротермальним
методом синтезу, які дозволили розробити параметри його одержання. За розробленими
параметрами запропоновано принципову схему процесу одержання нанокомпозиту
TiO2-Sm2O3.
Доведено, що фотокаталізатори на основі ТіО2, синтезовані гідротермальним
методом, ефективні у процесах видалення та мінералізації антибіотиків. Показано, що
одержані таким методом фотокаталізатори складу TiO2-Sm2O3 можна рекомендувати для
використання в технологіях очищення фармацевтичних та міських стічних вод, а також
у підготовці питної води.
Опис
Ключові слова
гетерогенний фотокаталіз, фотокаталізатор, титану (IV) оксид, рідкісноземельні метали, штучне сонячне світло, токсичність, мінералізація, антибіотики, ципрофлоксацин, сульфаметоксазол, heterogeneous photocatalysis, photocatalyst, titanium (IV) oxide, rare earth metals, artificial sunlight, toxicity, mineralization, antibiotics, ciprofloxacin, sulfamethoxazole
Бібліографічний опис
Кутузова, А. С. Фотокаталітична активність нанокомпозитів на основі TiO2 до антибіотиків у водних об’єктах : дис. … д-ра філософії : 161 хімічні технології та інженерія / Кутузова Анастасія Сергіївна. – Київ, 2022. – 172 с.