Degradation of Caffeine by Heterogeneous Photocatalysis Using ZnO with Fe and Ag

Abstract The organic compound caffeine when detected in environmental matrices such as surface waters and groundwater is considered as an emerging contaminant, in which its effects are still unknown. Therefore, in the present research, zinc oxide-based catalysts impregnated with iron and silver were prepared for the reaction of caffeine degradation by heterogeneous photocatalysis. The wet impregnation method with excess solvent was applied to the preparation of the materials, later they were characterized by adsorption of N2, X-ray diffraction and photoacoustic spectroscopy. Then, the photodegradation, photolysis and adsorption tests were carried out, in which it was observed that only the presence of the radiation or photocatalysts could not sufficiently degrade the caffeine, however when combined radiation with all the catalysts studied here presented degradation above 70% at the end of 300 minutes of the reaction, and the best catalyst studied was that containing 8% Ag in non-calcined ZnO. Thus, these results point out that the methodology employed in this research, both for the preparation of the catalysts and in the process of the photocatalysis reaction, was efficient in the degradation of the emerging contaminant, caffeine, which could later be used for a mixture of other contaminants.

Photocatalytic Degradation of Textile dye Orange-122 Via Electrospray Mass Spectrometry

Abstract This work reports the study of the potential application of Zn/TiO2 catalysts, obtained by the sol-gel method, in processes of environmental decontamination through the reactions of photodegradation of textile dye, followed by electrospray mass spectrometry. The catalysts synthesis was performed according to a 2² factorial design with repetition at the central point. The characterization techniques used were: N2 adsorption measurements (BET method), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray (MEV/EDS), X-ray diffraction and point of zero charge (PZC). The photocatalytic tests were performed in batch in the presence of sunlight, and to evaluate the degradation kinetics study, a rapid direct injection electrospray mass spectrometry (DI-ESI-MS) method has been developed. By the photocatalytic tests, the calcination temperature of 400 °C has shown the best results of discoloration for the reactive Orange-122 dye (99.76%) in a reaction time of 2h. The discoloration kinetics were a pseudo-first order, and a statistical analysis was performed to investigate the effects of the variables and to optimize the conditions of discoloration to the dye. After the reactional time of 2 h, an ion of m/z 441.5 was detected by ESI-MS, indicating that the photocatalytic process was effective for the degradation of the dye to secondary compounds.

Evaluación de un reactor para la degradación fotocatalítica de glifosato empleando un catalizador de TiO2-Mn / Evaluation of a reactor for the photocatalytic degradation of glyphosate with a catalyst TiO2-Mn / Avaliação de reator para a degradação fotocatalítica do glifosato usando um catalisador de TiO2-Mn

Resumen En el presente trabajo se evaluó la degradación fotocatalítica del herbicida glifosato en solución acuosa con un catalizador comercial (TiO2 Degussa P25) y un catalizador sintetizado a partir de TiO2 dopado con manganeso (TiO2-Mn), soportados en anillos de borosilicato de diámetro interno y externo de 6,52 mm y 7,59 mm, respectivamente, y una longitud aproximada de 9,43 mm, mediante el uso de un reactor continuo de lecho empacado. El catalizador fue caracterizado por FTIR, SEM-EDS y AFM, con lo cual se determinaron algunas propiedades físicas y químicas del mismo. Las condiciones de operación del reactor fueron un caudal de alimentación de 4,25 mL min-1 de una solución de glifosato de pH natural de 4,45 y un tiempo de retención de 1 h y 25 min, en el cual se llevaron a cabo ensayos de fotocatálisis heterogénea, fotólisis y adsorción por un tiempo de 150 min. De lo anterior, se obtuvieron los porcentajes de remoción y el orden de la reacción fotocatalítica para el catalizador soportado en los anillos. A partir de los estudios de degradación realizados, con el TiO2-Mn soportado en los anillos, se logró un porcentaje máximo de degradación de 39.19%, mientras que, con el catalizador comercial TiO2 Degussa P25, se alcanzó un 28.6% de remoción. El modelo de reacción que sigue la degradación del glifosato es de difusión intrapartícula, debido a los procesos difusivos en los que la molécula de glifosato es adsorbida en los poros del catalizador para luego ser degradada.

Abstract In this work, the photocatalytic degradation of the herbicide glyphosate in aqueous solution was evaluated. Assays were performed on a commercial catalyst (TiO2 Degussa P25) and a catalyst synthesized from TiO2 doped with manganese (TiO2-Mn) supported on borosilicate rings, with an internal and external diameter of 6.52 mm and 7.59 mm respectively, and an approximate length of 9.43 mm, using a continuous packed bed reactor. The synthesized catalyst was characterized with techniques as FTIR, SEM-EDS, and AFM, which allowed to evaluating its chemical and physical properties. The reactor operating conditions were a feed flow rate of 4.25 mL min-1 of a pH 4.45 glyphosate solution and retention time of 1 h and 25 min. In such experiments, heterogeneous photocatalysis, photolysis, and adsorption test were carried out for 150 min, obtaining results of degradation percentages and the order of photocatalytic reaction for the catalyst supported in the rings and the powder in suspension. From the removal studies, a maximum degradation percentage of 39.19% was reached with TiO2-Mn supported in the rings. In contrast, the commercial catalyst TiO2 Degussa P25 had a 28.6% of removal. The glyphosate degradation follows an intraparticle diffusion model due to a diffusive process, where the glyphosate molecule is adsorbed in the catalyst pores and then degraded.

Resumo Neste trabalho, a degradação fotocatalítica de glifosato em solução aquosa foi avaliada com um catalisador comercial (TiO2 Degussa P25) e sintetizado a partir de TiO2 dopado com manganês (Mn-TiO2) com suporte em anéis de borosilicato de diâmetro interno e externo de catalisador 6,52 mm e 7,59 mm, respectivamente e um comprimento de aproximadamente 9,43 mm, usando um leito empacotado reator contínuo. O catalisador sintetizado foi caracterizado com FTIR, SEM-EDS and AFM, o que permitiu a sua morfologia e composição. As condições de operação do reactor foi alimentada à velocidade de 4,25 mL min-1 de uma solução de pH natural de 4,45 glifosato e um tempo de retenção de 1 hora e 25 minutos; em que foram realizados ensaios de fotocatálise heterogénea, fotólise, tempo de adsorção de 150 minutos, obtendo-se como percentagens resultados de remoção e com a reação fotocatalítica para o catalisador suportado em anéis. A partir dos estudos, foi obtido uma taxa máxima de degradação com TiO2-Mn suportado em anéis de 39,19% em comparação com o catalisador comercial de TiO2 Degussa P25 com os quais obtiveram porcentagens de degradação de 28,6%. A degradação do glifosato segue um modelo de difusão intrapartícula devido ao processo difusivo em que a molécula de glifosato é adsorvida no catalisador poros logo a ser degradada.

Comparação dos processos de síntese e do desempenho de fotocatalisadores para a degradação do corante rodamina B / A comparison of synthesis processes and the performance of photocatalysts for the degradation of rhodamine B dye

RESUMO Nanopartículas de óxidos de titânio (TiO2), zinco (ZnO) e ferro (Fe3O4) podem ser utilizadas na foto-oxidação de poluentes orgânicos, e em muitas outras aplicações. No entanto, entre os desafios para aplicação tecnológica dos desenvolvimentos científicos da nanotecnologia dois aspectos ainda são pouco explorados: a investigação sobre os métodos de preparação de nanomateriais compatíveis com o ambiente, e o estudo sobre a variabilidade das propriedades de nanomateriais. Diferentes métodos de síntese de partículas de TiO2, ZnO e Fe3O4 foram usados para obter dispersões coloidais com nano e micropartículas desses semicondutores. As partículas de TiO2, ZnO e Fe3O4 obtidas foram testadas como fotocatalisadores e aumentaram a taxa de fotodegradação do corante orgânico rodamina B (RHB) em até 20,5 vezes. Foram selecionadas as rotas de síntese que melhor atendem aos princípios da Química Verde para obtenção de partículas de ZnO e TiO2. Entretanto, para a aplicação comercial dessas partículas, ainda é preciso reduzir a variação em seus desempenhos fotocatalíticos.

ABSTRACT Titanium (TiO2), zinc (ZnO), and iron (Fe3O4) oxides nanoparticles can be used photo oxidation, of organic pollutants, as well as in many other ways. However, among the challenges for technological application (scale-up) of scientific developments that include nanotechnology, two aspects are still rarely explored: research on environmentally compatible preparation methods of the nanomaterials as well as the study of the variability of the properties of the nanomaterials. Different methods for the synthesis of TiO2, ZnO and Fe3O4 particles were used to obtain sols with these semiconductor nano- and microparticles. The TiO2, ZnO and Fe3O4 particles obtained were tested as photocatalysts, and they increased the photodegradation rate of the organic dye rhodamine B up to 20.5 times. The synthetic routes for obtaining ZnO and TiO2 particles that best met the Green Chemistry principles were selected. However, for commercial application of these particles, it is still necessary to reduce the variation in their photocatalytic performance.

Evaluación de tres métodos para la inactivación de coliformes y Escherichia coli presentes en agua residual doméstica, empleada para riego / Evaluation of three methods for the inactivation of coliforms and Escherichia coli present in domestic wastewaters used in irrigation / Avaliação de três métodos para a inativação de coliformes totais e Escherichia coli presentes em águas residuais domésticas utilizadas para a irrigação

Objetivo. Evaluar tres tratamientos (lagunaje, fotocatálisis con TiO2 y desinfección química) para la inactivación de coliformes totales y Escherichia coli presentes en agua residual doméstica empleada para riego agrícola. Materiales y métodos. El agua residual fue caracterizada por medio de análisis físicos, químicos y microbiológicos. Posteriormente fue sometida a un tratamiento de lagunaje facultativo (TLF), pos tratamiento fotocatalítico (PTFTiO2/UV) y pos tratamiento químico (PTQ NaClO). Valorando la capacidad desinfectante de cada uno de ellos para inactivar coliformes totales y E. coli. A continuación se procesaron tres nuevos lotes de agua residual y se utilizaron para realizar pruebas de riego a escala de laboratorio por 30 días, empleando como modelo plantas de Lactuca sativa variedad Batavia y evaluando la concentración inicial y final de los dos grupos. Resultados. El PTFTiO2/UV fue significativamente superior que TLFLF y el PTQ NaClO (p<0,0001) obteniendo 100% de inactivación para coliformes y E. coli a los 30 minutos de irradiación a escala de reactor. Respecto a las pruebas de riego de L. sativa se demostró que al utilizar el agua tratada por PTFTiO2/UV no se presentó contaminación con E. coli y coliformes a los 30 días de proceso. Por el contrario en las plantas regadas con agua tratada por TLF y PTQ NaClO se observó un incremento en las dos poblaciones generando un problema de contaminación de las hortalizas al finalizar la prueba de laboratorio. Conclusión. La fotocatálisis heterogénea TiO2 fue un método eficaz para la reducción de coliformes y E.coli en aguas residuales domésticas.

Objective. To evaluate three treatments (facultative stabilization ponds, heterogeneous photocatalysis with TiO2 and chemical disinfection with sodium hypochlorite) for the inactivation of coliforms and Escherichia coli presen in domestic wastewaters used in agricultural irrigation. Materials and methods. Wastewater was characterized by physical, chemical and microbiological analyses and was then exposed to a facultative pond treatment (FPT), post-photocatalytic treatment (PTFTiO2/UV) and post-chemical treatment (PTQNaClO) to assess the disinfecting capacity of each method in the inactivation of total coliforms and E. coli. Three new samples of wastewater were processed and used in irrigation tests on a laboratory-scale basis for 30 days, using Lactuca sativa cultivar. Batavia as a model plant and evaluating the initial and final concentrations of the two groups. Results. PTFTiO2/UV was significantly higher than FPT and PTQNaClO (p<0.0001), obtaining 100% of inactivation of coliforms and E. coli after 30 minutes of irradiation at a reactor scale. Regarding the irrigation tests with L. sativa, we showed that using water treated by PTFTiO2/UV there is no contamination with E. coli and coliforms after 30 days. On the contrary, plants irrigated with water treated by FPT and PTQNaClO showed an increase in the two populations originating a contamination problem in the vegetable by the end of the laboratory experiments. Conclusion. The heterogeneous photocatalysis with TiO2 was an effective method in the reduction of coliforms and E. coli present in domestic wastewater.

Objetivo. Avaliar três tratamentos (lagoas, fotocatálise com TiO2 e desinfecção química) para inativação de coliformes totais e Escherichia coli presentes em águas residuais domésticas utilizadas na irrigação dos cultivos. Materiais e métodos. O efluente foi caracterizado por analises físicos, químicos e microbiológicos. Posteriormente foi submetido a tratamento de lagoas facultativas (TLF), pós-tratamento fotocatalítico (PTF TiO2/UV) e pós-tratamento químico (PTQ NaClO). Avaliando a capacidade desinfetante de cada um para inativar coliformes totais e E. coli. Posteriormente, foram processados três novos lotes de águas residuais para testar a irrigação em escala de laboratório por 30 dias, utilizando-se como modelo plantas de Lactuca sativa variedade Batavia e avaliando a concentração inicial e final dos dois grupos. Resultados. O PTFTiO2/UV foi significativamente maior a TLFLF e PTQ NaClO (p<0,0001) apresentando 100% de inativação para coliformes e E. coli em 30 minutos de irradiação a escala do reator. Quanto aos testes de irrigação de L. sativa foi demonstrado que, ao utilizar a água tratada com PTFTiO2/UV não se apresentou contaminação com E. coli e coliformes a 30 dias do tratamento. Em contrapartida, em plantas irrigadas com água tratada por TLF e PTQ NaClO observou-se um aumento nas duas populações gerando um problema de contaminação de hortaliças no final do teste de laboratório. Conclusão. A fotocatálise heterogênea TiO2 foi um método eficaz para reduzirem coliformes e E. coli em águas residuais domésticas.