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可循环利用Ag-Fe共掺杂tio2光催化处理高COD制药废水2:COD拆卸的动力学

Darshana印度巴蒂1和Sachin Prakashbhai Parikh1

1印度古吉拉特邦,拉杰果特,古吉拉特邦理工大学附属的VVP工程学院化学工程系。

2印度古吉拉特邦,艾哈迈达巴德,附属于古吉拉特邦科技大学的L.D.工程学院化学工程系。

通讯作者邮箱:darshana333@yahoo.com


DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.15.1.17

各种水流中发现了各种活性药物成分(API)。这些合成的非生物降解有机物在毒性引起的常规废水处理中产生了麻烦。强烈需要开发替代技术,例如可重复使用的光催化剂可见光驱动的光催化剂,以将这些物质与二氧化碳和水完全氧化成二氧化碳和水。溶胶 - 凝胶法用于合成Fe掺杂TiO2Ag-Fe共掺杂TiO20.5 wt% Fe和Ti/Ag摩尔比30的纳米颗粒(Ag-Fe CT 30)。利用各种分析技术研究了纳米粒子的形貌和结构。Ag-Fe ct30光催化剂表现出较好的光催化活性2,无掺杂TiO2掺铁TiO2纳米光催化剂去除水中抗真菌药物中间体二氟三唑苯乙酮(DFTA)。Ag-Fe CT 30光催化剂在阳光和紫外线照射下的COD还原效率最高,证明了Ag-Fe CT 30光催化剂既能吸收紫外线,也能吸收可见光。Ag-Fe CT 30在4次试验中表现出良好的稳定性,疗效没有明显下降。本研究为可重复使用Ag-Fe cct - 30光催化剂在太阳能处理高强度COD废水中的应用提供了见解。测定了光催化还原COD的动力学。

强调

  • TiO2,掺铁TiO2Ag-Fe共掺杂TiO2利用溶胶-凝胶法成功合成了纳米粒子,并利用各种分析方法对其进行了表征。
  • 比较了不同光催化剂在阳光和紫外线照射下对DFTA矿化的光催化活性,并对COD进行了去除(初始COD为75000 mg/L)。
  • Ag-Fe共掺杂TiO的动力学2光催化已被测定。
  • 在施用后,光催化剂可以容易地与水分离,并显示出良好的稳定性,最高可达六次再循环试验。

Ag-Fe共掺杂TiO2,二氟三唑苯乙酮,可回收性,太阳能光催化

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王志强,王志强,王志强,等。太阳能光催化处理高浓度COD废水的研究进展2: COD去除动力学。当前世界环境2020;15(1)。

DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.15.1.17

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王志强,王志强,王志强,等。太阳能光催化处理高浓度COD废水的研究进展2: COD去除动力学。当前世界环境2020;15(1)。可以从:https://bit.ly/2VQN1DK


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收到: 16-03-2020
接受: 18-04-2020
审核: OrcidOrcid哈立德Thebo
第二次审查: OrcidOrcid-贾巴尔Gardy
最终批准: 博士Gopal Krishan

介绍

环境污染和能源短缺已成为限制国家进取和经济发展的主要部门。1-4目前,一些研究人员已经探索了太阳能的各种应用,包括同时使用铁-氧化石墨烯-磷酸钛的太阳能燃料电池和光催化,5与硫化镉的光催化,6过渡金属掺杂CuO的异质结太阳能电池,7钴 - 铁二氧化硅电催化碳纳米管。8活性药物成分(API)是污染物,这些污染物来自许多制药行业,并且在陆地或水体内造成主要威胁,因为这些难治性有机体中的许多都是有毒的。9传统的污水处理存在两个弊端:1)活性污泥处理装置无法对这些难降解有机物进行生物降解;2)只是将污染物以污泥的形式从废水转移到固相,又会产生固体污染的处理问题。因此,迫切需要开发某些可完全氧化这些有机物的替代处理技术。采用二氧化钛(TiO .)进行多相光催化处理2)纳米颗粒,产生羟基自由基(哦)具有强大的氧化潜力为2.8 eV,10.是一种很有前途的废水有机降解技术。11.该处理的局限性是:1)由于TiO的禁带较高,只能吸收紫外辐射212.2)光催化剂处理后的再利用可行性;这限制了该处理方法在实际领域的应用。13.太阳能光催化吸收可持续利用资源,具有经济和环境效益。一个最重要的方面要考虑的光催化是可回收性,这仍然是研究人员未触及。12日,14日为了使光催化剂的经济应用,在不牺牲COD去除率的前提下,光催化剂使用后应回收利用。通常观察到,光催化剂的失活主要是由于有机物在催化剂表面的吸附导致催化剂中毒。在光催化剂的开发中,它的表面应该是这样的,即更少的有毒发生,使它可以多次有效地重复使用。6 - 7许多研究人员通过掺杂进行了合成,形态和光学性质的改进。17-19一些研究者在固定化TiO光催化方面进行了研究2如纳米管、20.纳米丝21-22和纳米线23.与处理过的水的纳米粉末相比,它的毒性更小;但与悬浮催化剂相比,这些结构提供的表面积更小。目前,光催化剂的可回收性研究还很少8 - 10这是所需的属性之一。这项研究的目的是开发新的AG-FE COPOPED TIO2纳米粒子可以促进DFTA在太阳辐射中的快速降解,同时在回收运行的次数上显示出良好的稳定性。本研究还探讨了太阳能和紫外线光催化去除COD的动力学。关于掺杂银的文献较少11-12和铁11-12在TiO2以高鳕鱼(75000mg / L)的药物流出物处理在太阳照射下加强其活动。在目前的调查中2,掺铁TiO2Ag-Fe共掺杂TiO2使用溶胶 - 凝胶法合成纳米颗粒29.在pH、催化剂用量、Ti/Ag摩尔比等优化条件下,用于DFTA水溶液的光降解。从tio2光催化对COD的去除效率方面研究了光催化速率2最后与市售的TiO进行了比较2在太阳和紫外线辐射下测定了新型光催化剂的可回收性。考察了新型Ag-Fe cct - 30在去除COD和nh3的最佳条件下处理高浓度工业制药废水的适用性3.- n。

实验

材料

钛(IV)四异丙氧化物(TTIP)-97%和TIO2(Degussa P25)-99.5%购自Sigma-Aldrich。硝酸-100%,异丙醇(IPA)-97%,硝酸铁-99.95%和硝酸银-99%都是从默克购买的。实验中使用苛性钠-97%和硫酸-99.99%来维持溶液的pH。DFTA由Endoc lifecare private limited提供。所有这些化学药品都是未经进一步提纯而使用的。所有的溶液都用蒸馏水配制。

TiO的合成2, Fe-doped TiO2和AG-FE共掺杂TiO2纳米复合材料

纳米颗粒可以通过不同的方法制备。14.其中,溶胶-凝胶法简单、粒径分布均匀、经济。26.采用溶胶-凝胶法合成纳米颗粒,由于该方法在煅烧后提供了更多的锐钛矿相,与无定形和金红石结构相比,该方法具有更强的光催化活性。30-32纳米颗粒中的铁含量按重量计算保持在0.5%。14日,17岁,18岁图1为Ag-Fe共掺杂TiO的合成步骤2纳米粒子。用于合成Fe掺杂TiO2, AgNO3.跳过添加解决方案步骤。合成TiO2纳米颗粒,掺杂剂未加入。

图1:纳米粒子的合成步骤。
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催化剂的表征

使用JEOL JEM 2100显微镜在200 kV的加速电位下进行透射电子显微镜(TEM)表征。36.使用UV-Vis吸收光谱法测定纳米催化剂的光学性质,使用varian Cary 500,Shimadzu UV 3600.使用飞利浦在室温下进行制备的光催化剂的X射线衍射(XRD)分析:PW3040 / 60 Xpertanalytical pro使用Cu K-α辐射(λ= 1.54a)和石墨单色仪,在30 mA和40kV下操作。使用XRD和粒度分析(Microtrack)研究了合成光催化剂的尺寸和结构。从本研究开始,考虑到2θ的峰值,通过使用等式(1)(Debye-Scherrer公式)计算平均粒度35-36

D:微晶尺寸(nm)

λ:X射线波长(0.154nm)

β:FWHM(半最小宽度)

θ:衍射角(度)

扫描电子显微镜(SEM)用于捕获图像以研究光催化剂的结构和表面。使用BET Micrositicics测定比表面积,ASAP 2010测定。用能量分散X射线分析(EDX)进行元素分析,以验证Ag-Fe CT30的Ti / Ag摩尔比。

太阳能和紫外光照射下DFTA降解的实验设置

图。图2表示具有玻璃烧杯作为反应器的太阳能光催化试验装置,其被置于磁力搅拌器上以保持催化剂在悬浮液中。在露台上进行实验从上午9点到下午2点,大气空气作为太阳能光催化的天然氧化剂。图3表示UV光电偶分析实验设施,其具有40cm×40cm×70cm尺寸的一个封闭室,光催化反应器具有800ml容量的,用石英管放置由玻璃套围绕的UV光,以便使用冷却水的循环。如图3所示。使用125W紫外灯(波长,λ= 200-400nm,飞利浦)提供UV辐射。将反应混合物造成磁性搅拌。

图2:太阳能光催化实验装置
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图3:紫外光催化实验装置
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实验

动力学研究有助于制药废水光催化反应器的设计。COD的降低反映了有机物的矿化程度。39.通过实验优化了催化剂的用量和pH值2、铁TiO2Ag-Fe CT 30和Ag-Fe CT 30均用于所有实验。在所有商业TiO中2Digussa P25 TiO2已显示出良好的光催化活性,并选择在此进行研究。31日,40岁,41岁利用TiO进行了间歇光催化降解DFTA的研究2C,合成TiO2在太阳能和紫外光照射下,NP,Fe DT和Ag-Fe CT 30。合成废水具有8g / L的初始DFTA浓度(COD0= 75520 mg / l),将pH维持至5℃,4〜4均为Fe TiO23为TiO2使用HNO3..3 g/L Ag-Fe CT 30, 4 g/L Fe TiO25 g/L的TiO2作为光催化剂加入到光催化剂中。对于UV光催化分析,外部氧通过通过鼓泡器空气循环提供。提供了在光催化之前的催化剂表面对有机物吸附0.5小时的辐射时间。使用开放回流方法以1小时的间隔萃取样品,以6小时的6小时,用于使用开口回流法测定COD测定。将样品以5500rpm离心,以在COD分析之前将催化剂与溶液分离5分钟。TiO的光催化活性2C, TiO2在紫外线和太阳灯下比较了在COD去除效率方面的NP,Fe DT和Ag-Fe CT 30光催化剂。所有实验均均进行三次,以检查结果的再现性,并考虑平均值。使用等式(2)计算COD去除效率。

鳕鱼0:初始化学需氧量(mg/L)

CODT:时间t(mg / l)的化学需氧量

光催化剂的可再循环性对于实际应用非常重要。25.在优化的条件下重复进行六个循环的实验,以检查太阳能和紫外线辐射的合成纳米运动催化剂的可重用性。在第一循环结束时,使用过的催化剂与溶液分离并重复使用,以便在下一次连续的六个循环中,因此已经进行了总共七个循环。为了再生光催化剂,将其在5500rpm下离心15分钟以回收并用乙醇洗涤三次,以除去吸附在表面上的有机物的痕迹。最后,将分离的湿颗粒在80-90处干燥o在烤箱里烤一晚上。其余的所有六组光催化都是按照与第一个循环相同的步骤进行的。

结果和讨论

纳米粒子特性

合成的纳米粒子的x射线衍射图如图4所示。在衍射角2θ = 25.3处均有主峰,代表锐钛矿相(JCPDS牌编号为JCPDS。21-1272),无金红石相迹象。tio2的锐钛矿结构2通过研究人员对光催化的研究人员已经被重点集中了,因为它显示出高的光催化活性。42-44, 45岁Ag-Fe共掺杂tio2的x射线衍射谱2光催化剂与未掺杂TiO几乎一致2,表明Ag和Fe在TiO上的分散性2表面。粒度分析的结果(图5)表明所有合成光催化剂的尺寸在10-30nm之间。图。图6表示不同光催化剂的UV-Vis光谱。可以看出,由于Ag和Fe掺杂剂存在,Fe DT和Ag-Fe CT 30可以吸收可见的辐射。

图4:纳米光加提图的XRD图案:A. TiO2np;b . Fe-doped TiO2C. Ag-Fe CT 30。
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图5纳米光催化剂的粒径分布:A. TiO2np;b . Fe-doped TiO2C. Ag-Fe CT 30。
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图6:纳米光催化剂的紫外-可见光谱。
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不同纳米光催化剂的形态

图7为TiO的SEM图像2NP,Fe DT和AG-FE CT 30.结果表明TIO2纳米光催化剂具有均匀表面的球形,而Fe掺杂的TiO2以及Ag-Fe共掺杂TiO2,呈球形,表面不规则,表明金属掺杂剂沉积在TiO表面2.合成的所有光催化剂的TEM图像如图8所示。BET分析表明最大表面积为760米2/g用于Ag-Fe CT 30。通过XRD峰数据计算带隙。表1和表2分别表示EDX元素分析和表征结果总结。

图7:光催化剂的SEM结果:A. TiO2b . Fe-doped TiO2C. Ag-Fe CT 30。
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图8不同光催化剂的TEM图像:A. TiO2np;b . Fe-doped TiO2C. Ag-Fe CT 30。
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表1:从EDX的不同纳米光催化的Ti / Ag摩尔比的计算

元素

TiO2

FeTiO2

Ag-Fe共掺杂纳米光催化剂,wt%

Ti / Ag): 10

TI / AG:25

Ti / Ag): 30

Ti / Ag): 40

TI / AG:55

Ag)

-

-

10.18

4.46

3.5

3.11

1.93

“透明国际”

63.19.

58.65

54.59

51.99

53.03

60.63

51.91

O

35.63

40.63

31.64

39.34

41.01

35.02

42.01

N

-

-

2.47

3.17

1.16

0

0

Aum.

1.19

0.73

1.12

1.04

1.3

1.24

0.71

总计

100.

100.

100.

100.

100.

100.

100.

实际Ti/Ag摩尔比

-

-

11.97

26.03

33.81

43.52

60.05

表2:表征结果总结。

光催化剂

结构

来自XRD,NM的大小

EDX测定的Ti/Ag摩尔比

BET表面积,m2/G

带隙,电动汽车

TiO2NP.

锐钛矿

14.11

-

132.21

3.54

菲DT

锐钛矿

12.90

-

94.22

3.35

Ag-Fe CT 30

锐钛矿

12.74

33.81

706.17

3.35

不同光催化剂对DFTA的光催化降解

将COD去除效率与AG-FE CT 30相比,与TiO相比2C, TiO2np和Fe掺杂TiO2基于DFTA初始浓度为8 g/L, pH为5时,在阳光和紫外线照射下的COD还原效率。在所有的实验中,Ag-Fe CT 30剂量3 g/L用于太阳能光催化和紫外线光催化。Ag-Fe CT在太阳辐射下COD去除率最高,主要原因如下:1)Ag和Fe掺杂剂的存在导致光催化和fenton反应结合产生大量的OH自由基;2)抑制电子和空穴的复合,使电子和空穴分离,从而提高光催化活性;3)由于Ag和Fe掺杂剂的存在而吸收可见光。反应性物质的形成,如H2O2,O.2-,哦在光催化过程中也会氧化DFTA。UV照射5 h后,COD去除率分别为37.77%、63.09%、52.79%和85.54%;分别为27.9%、59.75%、63.83%和76.39%,如图9所示。

图9:最佳条件下太阳能和紫外线照射下COD的还原效率比较
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Ag-Fe cct - 30光催化去除COD的动力学研究

COD去除动力学方程中涉及的参数的评价对于研究时间对COD去除的影响,从而确定光催化反应器设计的体积要求非常重要。因此,计算了DFTA初始浓度为8 g/L、催化剂用量为3 g/L、pH为5时,在阳光和紫外线照射下的COD去除动力学。为成功评价多相光催化反应,由式(3)给出了COD残留对COD去除率的影响。

-r = k * cn……(3)

log (-r) = n log C + log k

其中(-R)是COD去除速率,C是时的鳕鱼,K是速率常数,n是降解反应的顺序。为了确定等式(3)的参数,使用差分分析方法。从COD与时间数据的曲线图获得了与COD剩余的COD去除率。绘制鳕鱼与时间绘制(图10(a)和(c))和n和k的值分别从斜率和截距计算(图10(b)和(d))。对于太阳能和紫外线光催化获得的速率常数和顺序示于表3中。

图10:pH = 5,催化剂剂量为3 g/L (a)和(b)日光条件下,Ag-Fe CT作为催化剂的COD还原效率动力学曲线图;(c)及(d)紫外线。
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表3:COD去除效率的动力学参数

紫外线光催化

太阳能光催化

速率常数、人力资源-1

的反应

速率常数、人力资源-1

的反应

33.88

0.79

1905年

0.28

的COD去除率与催化剂在太阳能光高于紫外线,而最大角减少87%在五小时的紫外线光催化可以实现高于太阳能光催化(76.74%)由于更高的表面积和一代的哦,由于氧自由基大量缺陷。结果表明,在太阳能光催化下,高强度COD废水的处理效率较高,具有实际应用价值,对制药工业具有经济和环境效益。

Ag-Fe cct - 30的回收效果

图。图11显示了在太阳照射下5小时的照射之后的1至7的%COD去除效率。在四个循环的重用后,TIO的光催化活性降低5.88%,8.7%,6.62%和4.86%2C, TiO2在太阳光照射下,分别观察到np, Fe DT, Ag-Fe CT 30。随着连续运行,光催化处理效率下降,因为催化剂中毒和堵塞有效表面可用于吸附和氧化反应。该催化剂可以重复使用四次循环运行,COD去除率没有明显下降(低于5%)。在第六次循环运行中,新型Ag-Fe CT 30甚至可以达到63.25%的COD去除率。结果表明,Ag-Fe ct30 >Fe DT>TiO光催化剂的重复利用效率依次降低2NP> TiO.2C. AG-FE CT 30已经证明了其在太阳辐射下的可回收性,这使得流出处理经济和环保,因为处理过的流出物不会在排出的流出物中含有轻微的催化剂迹线。掺杂TiO的可回收性2已经被各种研究人员研究并获得了几乎相似的结果。43-443+掺杂TiO2对染料降解进行了研究,在第6个循环结束时,降解效率降低了9%。15.Ag / Fe, N-TiO2/ FE.3.O4@SiO2和石墨烯氧化物支持Ag-Fe TiO2在可见光光催化降解染料的5次循环和3次循环中也显示出良好的稳定性。第45 - 46

图11:催化剂回收对COD还原效率的影响。
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优化条件下太阳能光催化处理工业废水

对初始COD为88660 mg/L、氨氮(nhh)的制药工业废水进行了间歇光催化试验3.在5小时(从上午10点到下午3点)的太阳光照射下,在pH和催化剂用量为TiO的最佳条件下,-N = 3287 mg/L,如表4所示2,Fe DT和Ag-Fe CT 30.太阳能光催化的DFTA降解的最佳条件为:pH = 3,催化剂剂量= 3g / L用于TIO2;pH=4,催化剂用量=4 g/L对Fe DT;pH=5,催化剂用量为3 g/L, Ag-Fe CT为30,在日光下,黑暗吸附时间为30 min。在所有的实验中都使用了500毫升的工业废水。图12为COD和NH的去除率3.-N,在最佳条件下5小时结束时获得。COD还原试验结果表明,该催化剂对实际工业废水的COD还原效果较好。Ag-Fe CT 30对出水COD去除率从88660 mg/L降至31310 mg/L, COD去除率为64.69%。因为酸性条件有利于有机氧化,碱性条件有利于氨氧化3.- n减50岁的51不可能同时删除。只有16.05%的NH3.-N可在光催化过程中被去除。

表4:工业废水处理中的COD和nhh3.利用太阳能光催化去除-N

参数

最初,mg / L

治疗后

TiO2

% 移动

菲DT

% 移动

Ag-Fe CT 30

% 移动

COD,MG / L.

88660.

51460

41.96

45260

48.95

31310

64.69

NH.3.- n, mg / L

3287.

2960.58

9.93

2819.6

14.22

2760.24

16.03


图12:COD和NH3.利用太阳能光催化去除工业废水中的-N。
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结论

一种新颖且高效的光催化剂,AG-FE COPOPED TIO2通过溶胶 - 凝胶法合成Ti / Ag摩尔比30,并将其光催化活性与未掺杂的TiO进行比较2对于DFTA的光催化降解,药物中间体。对于经济运行,已经尝试在使用最佳pH和催化剂剂量的太阳辐射下具有88660 mg / L的高初始鳕鱼的工业药物流出物。与紫外线光催化相比,COD去除鳕鱼拆除的动力学对太阳辐射的光电催化。与Ag-Fe CT 30纳米颗粒的前四小时内,太阳能光催化的速率高于UV光催化。

承认

作者感谢VVP工程学院、古吉拉特邦科技大学和古吉拉特邦科学技术委员会、印度政府、古吉拉特邦为开展这项研究工作提供了资金支持。

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的缩写列表

TiO2C

:商业钛二氧化钛

TiO2NP.

:二氧化钛纳米颗粒

菲DT

:Fe掺杂TiO2

Ag-Fe CT 30

:AG-FE编排二氧化钛,Ti / Ag摩尔比30

DFTA.

:Difloro三唑炔酮

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