Sinteza i karakterizacija dopiranog mezoporoznog TiO2 sa unapređenim fotokatalitičkim osobinama za tretman otpadnih voda

Abstract

Sintetisani su modifikovani TiO2 fotokatalizatori hidrotermalnom metodom potpomognutom mikrotalasima za tretman otpadne vode iz tekstilne industrije. Fotokatalitička aktivnost katalizatora je procenjena na osnovu dekolorizacije reaktivne tekstilne boje Reactive Blue 52 pomoću lampe sa Sunčevim spektrom zračenja. U prvom delu rada sintetisani su TiO2 katalizatori dopirani jonima La i kodopirani jonima La i V. Utvrđeno je da svi sintetisani katalizatori imaju mezoporoznu strukturu i da joni oba dopanta utiču na morfološke i teksturalne osobine, povećavaju specifičnu površinu i zapreminu pora, a smanjuju veličinu agregata. Dodatak V utiče na produženje apsorpcije katalizatora u vidljivi deo spektra. Optimalna količina jona La kao dopanta je 2% i dalje povećanje sadržaja La vodi do smanjenja efikasnosti katalizatora, pa je katalizator sa 2% La odabran za kodopovanje vanadijumom. Dodatak jona V u kodopiranim uzorcima dodatno doprinosi povećanju fotokatalitičke aktivnosti i kao najefikasniji se pokazao katalizator sa 2% La i 0,02% V. Ispitivanjem uticaja početne koncentracije boje i katalizatora na dekolorizaciju sa najefikasnijim katalizatorom, pokazalo se da procenat dekolorizacije opada sa povećanjem početne koncentracije boje, a da se dekolorizacija povećava sa povećanjem koncentracije katalizatora do jedne određene tačke, gde dostiže maksimum. Ovaj katalizator je pokazao veću aktivnost i brzinu sedimentacije od komercijalno dostupnog Degussa P25 i mogućnost korišćenja u više ciklusa bez gubitka aktivnosti, što čini ovaj katalizator prihvatljivim i za industrijsku primenu. U drugom delu rada je ispitana mogućnost primene TiO2 katalizatora dopiranog jonima Fe u heterogenom foto-Fentonskom procesu. Dopiranjem TiO2 jonima Fe mikrotalasno hidrotermalnom metodom dobijeni su materijali velike specifične površine i razvijene strukture mezopora i mikropora. Uočeno je da povećanje sadržaja jona Fe dovodi do pomeranja apsorcije katalizatora ka većim talasnim dužinama, u vidljivi region. Rezultati ispitivanja efikasnosti katalizatora za dekolorizaciju tekstilne boje su pokazali da katalizator dopiran Fe jonima ima veću aktivnost od nedopiranog TiO2. Prisustvo H2O2 povećava fotokatalitičku efikasnost kada se upotrebi u procesu sa TiO2, a u slučaju dopiranog katalizatora sa 3,4% Fe, dodatak H2O2 povećava efikasnost u većoj meri nego za čist TiO2. To znači da H2O2 zajedno sa dopiranim katalizatorom učestvuje u heterogenom foto-Fentonskom procesu. Ispitivanjem uticaja količine dopanta na procenat dekolorizacije, došlo se do zaključka da je optimalna količina Fe 3,4% i pri višim koncentracijama dolazi do pada aktivnosti katalizatora. Rezultati ispitivanja uticaja pH su pokazali da se efikasnost povećava sa smanjenjem pH vrednosti i najbolji rezultati su dobijeni za pH vrednost 3, ali je curenje Fe jona izraženo na ovako niskom pH, tako da je pH 4 odabran kao optimalna vrednost. Rezultati su pokazali da koncentracija H2O2 ima uticaj na procenat dekolorizacije: procenat dekolorizacije se povećava sa povećanjem koncentracije H2O2 do 20 mM, nakon čega dalje povećanje nema značajan uticaj. Ispitivanje uticaja početne koncentracije boje i katalizatora je dalo iste rezultate kao i u slučaju katalizatora kodopiranog jonima La i V. Povećanje koncentracije boje izaziva smanjenje procenta dekolorizacije, dok veća količina katalizatora povećava efikasnost do jedne granične vrednosti, kada daljim povećanjem ne doprinosi efikasnosti procesa. Ispitivanjem degradacija 4-hlorfenola u heterogenom foto-Fentonskom procesu sa najefikasnijim dopiranim TiO2 katalizatorom, 3,4% Fe, došlo se do zaključka da je katalizator sposoban i za degradacije bezbojnih zagađivača. Ovaj katalizator je pokazao i mogućnost ponovne upotrebe u više ciklusa bez gubitka aktivnosti. Uzimajući u obzir sve navedene osobine katalizatora, može se smatrati kao dobar kandidat za upotrebu u remedijaciji zagađenih voda.

Modified TiO2 photocatalysts were prepared by a microwave-assisted hydrothermal method for the treatment of textile industry wastewater. The photocatalytic activity of the samples was evaluated by the decolorization of textile dye Reactive Blue 52 in aqueous solutions under sun-like radiation. La doped and V-La co-doped TiO2 photocatalysts were synthesized. It was found that all the synthesized catalysts had the mesoporous structure and ions of both dopants influenced morphological and textural characteristics of the synthesized photocatalysts, increase specific surface area and pore volume, as well as, reduce the size of aggregates. Vanadium doping plays a role in extending light absorption into the visible region. The optimal amount of lanthanum doping is 2% and further increase of the lanthanum content leads to the decrease of photoactivity. Therefore, the catalyst with 2% of the lanthanum was chosen for co-doping with vanadium. The presence of V ions in the co-doped samples additionally contributes to enhancement of photoactivity and the photocatalyst with 2% La and 0.02% V appeared to be the most photoactive. The effect of the initial dye concentration and catalyst loading with the most efficient catalyst were examined. It was found that percentage of dye removal decreases with the increase of initial dye concentration and the degradation increases with the increasing concentration of the catalyst to a certain point, where it reaches its maximum. The V-La codoped catalyst showed better photocatalytic activity and sedimentation properties than Degussa P25 and also, excellent photostability and reusability, which make the V-La codoped catalyst acceptable for industrial application. It was investigated the applicability of TiO2 catalyst doped with Fe ions in heterogeneous photo-Fenton process. It was found that all Fe doped materials prepared by microwave-assisted hydrothermal method have high specific surface area and mesoporous structure. Fe doping influenced the extension of light absorption into the visible region. The results indicate that the addition of Fe contributes to the catalytic activity. The presence of H2O2 increased the photocatalytic activity with TiO2, but with 3,4% Fe doped TiO2 increased efficiency to a higher extent. It means that H2O2 has a part in the heterogeneous photo-Fenton process. It was found that the optimal amount of Fe doping is 3,4% and further increase of the Fe content leads to the decrease of photoactivity. Results indicate that the efficiency increase with decreasing the pH value and the best results are obtained for pH value 3, but leakage of Fe ions was observed at such low pH, therefore pH 4 was chosen as optimal. The results showed that percentage of dye removal increases with the increase of H2O2 concentration to a certain point, where it reaches its maximum. The effect of the initial dye concentration and catalyst loading gave the same results as in the case of V-La co-doped catalyst. Degradation of 4-chlorophenol in heterogeneous photo-Fenton process with 3,4% Fe doped catalyst was examined. Under the optimal experimental conditions, the catalyst was able to degrade even colorless pollutant. The catalyst also showed the possibility of recycling without loss of activity. Therefore it can be considered as good candidate for wastewaters remediation purpose.