| Abstract | This research was mainly focused on the synthesis by microwave-assisted method to produce a low bandgap energy N/TiO2/rGO nanocomposite photocatalyst used to remove organic micropollutants (OMPs) under different irradiation sources. Initially, the influence of temperature and reaction time in the microwave (MW) oven on the final properties of N/TiO2 was investigated. Also, the effect of nitrogen doping was researched using urea as a nitrogen source. It also explored the effect of reduced graphene oxide (rGO) and its synergy with nitrogen doping. All synthesized materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (RS), infrared spectroscopy (FTIR), diffuse reflectance spectroscopy (DRS), electron microscopy (SEM-EDS), nitrogen adsorption/desorption isotherms (BET), while the most photoactive materials were additionally characterized by photoelectron spectroscopy (XPS). The synthesized materials were tested in the degradation of ciprofloxacin (CIP), while the most photoactive material (N/TiO2/rGO) was further evaluated in the degradation of diclofenac (DCF) and salicylic acid (SA) under different irradiation sources. Immobilization of the photocatalyst on a suitable support is crucial for practical application in the water treatment process. Therefore, the most photoactive N/TiO2/rGO nanocomposite was immobilized over an alumina (Al2O3) ceramic foam to evaluate the photocatalyst stability and reusability.
Results revealed that it is possible to obtain crystalline TiO2 (anatase phase) by the microwave-assisted method in a short period (up to 10 minutes) without subsequent thermal treatment. It was found that the reaction temperature is the most critical parameter in comparison to the reaction time. On the other hand, although nitrogen content does not affect morphological properties of the photocatalyst, it influences the photocatalytic performance, especially under visible irradiation sources. Additionally, the rGO incorporation increased the specific surface area of the photocatalyst and improved the photocatalytic activity, specifically under solar irradiation, due to hindering the recombination phenomenon. The photocatalytic evaluation showed that CIP and SA removal were achieved by a synergistic effect of adsorption and photocatalysis, while DCF removal was done solely by photocatalysis. Regarding the irradiation source, the results suggested that the photocatalytic mechanism and kinetic model rely mainly on the type of pollutant rather than the irradiation source. It was found that although the irradiation source does not influence either the photocatalytic mechanism or the kinetic model, it impacts the degradation rate. The immobilized photocatalyst showed that the material is stable after 19 consecutive photocatalytic cycles without losing photoactivity. |
| Abstract (english) | Voda je jedan od bitnih elemenata života jer se na njoj temelje gotovo sve ljudske aktivnosti, a Opća skupština Ujedinjenih naroda je 2010. g. pristup vodi proglasila ljudskim pravom. Međutim, brzi porast stanovništva i globalno zatopljenje doveli su do globalne vodne krize. U nedavnim istraživanjima procjenjuje se da se polovica svjetske populacije suočava s ozbiljnom nestašicom vode barem jedan mjesec godišnje, dok gotovo 1,5 milijardi ljudi živi u područjima s visokim ili iznimno visokim rizikom od nestašice vode. Osim problema s nedostatkom vode, stalni razvoj novih kemijskih proizvoda za različite primjene i kasnije njihovo ispuštanje u vodne tokove bez odgovarajuće obrade, ili čak i bez obrade, još je jedan izazov koji pojačava krizu s vodom. U posljednjih 20 godina značajna pozornost usmjerena je na takozvana organska mikrozagađivala (OMZ), integrirana uglavnom u farmaceutske proizvode, proizvode za osobnu njegu, dezinfekcijske nusprodukte, endokrine modulatore i sve njihove nusprodukte transformacije, a zbog njihova mogućeg negativnog utjecaja na okoliš. Nekoliko je studija pokazalo da, osim činjenice da OMZ-ove nije lako ukloniti konvencionalnim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda, neki od njih vrlo su postojani u okolišu i mogu se bioakumulirati, štetno djeluju na vodne sustave i mogu ugroziti zdravlje ljudi. S obzirom na nestašicu vode i kontinuirani porast nedostatka vode u mnogim regijama diljem svijeta, ponovna uporaba vode postaje najpraktičnije rješenje za prevladavanje krize s vodom. Međutim, kako bi se zajamčilo potpuno uklanjanje OMZ-ova i sigurnost ponovne upotrebe vode, moraju se implementirati nove tehnologije pročišćavanja zajedno s postojećim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda.
Napredni oksidacijski procesi (engl. advanced oxidation processes, AOP) smatraju se zanimljivim alternativama za uklanjanje OMZ-ova iz otpadne vode s visokom učinkovitošću oksidacije i bez sekundarnog onečišćenja. Među različitim AOP-ima, heterogena fotokataliza korištenjem TiO2 aktivno se proučava zbog izvanredne fotokatalitičke aktivnosti, niske cijene, izvrsne kemijske stabilnosti i netoksičnosti. TiO2 se aktivira svjetlosnom energijom koja proizvodi reaktivne kisikove vrste (RKV), koje potom mogu neselektivno oksidirati OMZ-ove. Međutim, zbog širokog energijskog procjepa (3,2 eV), fotoaktivacija TiO2 odvija se samo ultraljubičastim (UV) svjetlom, smanjujući njegov potencijal za korištenje Sunčeva zračenja (4% UV, 48% vidljivo). Dodatno, učinak brze rekombinacije fotogeneriranih parova elektron/šupljina (e–/h+) koji proizvode RKV može umanjiti fotokatalitičku aktivnost TiO2. Stoga, kako bi se prevladala ova dva glavna nedostatka, dopiranje TiO2 jedna je od najistraživanijih strategija za sprječavanje procesa rekombinacije ili proširenje fotokatalitičke
aktivnosti TiO2 u vidljivom dijelu zračenja kako bi se povećala fotokatalitička učinkovitost uz Sunčevo zračenje.
Dopiranje metalima, kao što su Pd, Pt, Au, Cu, Fe itd., utjecalo je na poboljšanje fotokatalitičke aktivnost u vidljivom području; međutim, visoki troškovi i moguće eluiranje metala zbog niske toplinske stabilnosti mogu biti zdravstveni rizik, smanjujući njegovu primjenjivost. Stoga je dopiranje nemetalima, kao što su N, P, S i C, praktičniji i jeftiniji način za poboljšanje fotoaktivnosti Sunčevim zračenjem. Dopiranje dušikom istražuje se zbog sličnosti njegova atomskog radijusa s kisikovim. TiO2 dopiran dušikom pokazao je fotokatalitičku aktivnost djelovanjem vidljivog zračenja, što se može pripisati formiranju novih energetskih razina koje smanjuju energijski procjep. Nadalje, neke studije ukazuju da dušik pogoduje formiranju anatas TiO2 faze koja ima najveću fotokatalitičku aktivnost u odnosu na ostale TiO2 polimorfe. S druge strane, reducirani grafenov oksid (rGO) privukao je značajnu pozornost kao materijal za pripravu kompozita na bazi TiO2 zbog svoje velike specifične površine i dobre toplinske i elektronske vodljivosti koji bi mogli pridonijeti poboljšanju fotoaktivnosti TiO2. Nedavne studije pokazale su da spajanje rGO s TiO2 može poboljšati fotokatalitičku aktivnost jer rGO djeluje kao ponor elektrona, odvajajući fotogenerirane naboje i smanjujući učinak rekombinacije. Stoga bi integracija dušika i rGO u TiO2 mogla biti zanimljiv pristup za rješavanje dva glavna, prije spomenuta, nedostatka TiO2.
Uz dopiranje, metoda sinteze TiO2 ima važnu ulogu zbog utjecaja na strukturna, morfološka i optička svojstva koja određuju ukupnu fotokatalitičku aktivnost. Neke uobičajene konvencionalne metode sinteze su sol-gel metoda, kemijsko taloženje iz parne faze, hidrotermalna sinteza, itd. Glavni nedostatak ovih metoda je dugo trajanje sinteze. Međutim, mikrovalno potpomognuta metoda pojavila se kao nekonvencionalna metoda zagrijavanja i nedavno je postala atraktivna alternativa konvencionalnim metodama sinteze zbog kraćeg trajanja sinteze i manje potrošnje energije. Ove prednosti mikrovalno potpomognute metode uglavnom su posljedica izravnog ("u jezgri") zagrijavanja reakcijske smjese mikrovalnim zračenjem, što je posljedica brze pretvorbe elektromagnetske energije u toplinsku energiju, smanjujući gradijent temperature unutar reakcijske posude doprinoseći proizvodnji materijala s homogenijim svojstvima.
Osim velikog energijskog procjepa i faktora rekombinacije, korištenje TiO2 praha u obliku suspenzije predstavlja tehničke i ekonomske izazove vezano za separaciju i ponovnu uporabu fotokatalizatora u pročišćavanju otpadnih voda. Dakle, kako bi se izbjegao proces
separacije TiO2 praha i pojednostavila daljnja ponovna uporaba fotokatalizatora, TiO2 se imobilizira na različite supstrate kao što su staklo, polimeri, magnetske čestice, keramika itd. Imobilizacija TiO2 na keramičku pjenu kao supstrat aktivno se proučava posljednjih godina jer ovaj supstrat pruža izvrsnu kemijsku inertnost, visoku otpornost na UV zračenje, mehaničku stabilnost i veliku specifičnu kontaktnu površina, što ga čini prikladnom opcijom za imobilizaciju fotokatalizatora.
Stoga se ovo istraživanje uglavnom usredotočuje na sintezu fotokatalizatora na bazi TiO2 s niskim energijskim procjepom korištenjem nekonvencionalne tehnike poput mikrovalno potpomognute sinteze. Razvijeni fotokatalizator mogao bi se koristiti za uklanjanje OMZ-ova iz vode uz učinkovito korištenje Sunčeva zračenja. Prvo je procijenjena uloga temperature, vremena trajanja reakcije i sadržaja dušika na strukturna, morfološka i fotokatalitička svojstva TiO2 dopiranog dušikom (N/TiO2) za uklanjanje ciprofloksacina (CIP) uz UVA, Sunčevo i vidljivo zračenje. Rezultati su pokazali da se veća kristalnost i veća veličina kristalita postižu pri višoj temperaturi (200°C), dok vrijeme reakcije u mikrovalnom reaktoru ima zanemariv učinak na morfološka i fotokatalitička svojstva. Utvrđeno je da je temperatura ključni parametar u mikrovalno potpomognutoj sintezi TiO2.
S druge strane, promjene količine dušika pokazale su da promjene u molarnom omjeru N/Ti imaju zanemariv utjecaj na morfološka i optička svojstva fotokatalizatora. Nasuprot tome, promjene količine dušika imale su značajan utjecaj na fotokatalitička svojstva, osobito uz vidljive izvore zračenja. Ovaj pozitivni učinak, uglavnom uz vidljivo zračenje, pripisan je novim energetskim razinama, a ne smanjenju energetskog procjepa, što je pridonijelo apsorpciji fotona u vidljivom spektru. Nadalje, primijećeno je da je s višim molarnim omjerom N/Ti poboljšana fotokatalitička aktivnost pri uklanjanju ciprofloksacina (CIP-a) uz različite izvore zračenja. Međutim, nakon povećanja koncentracije dušika, može se pojaviti nepovoljan učinak na brzinu razgradnje jer bi dušik mogao djelovati kao centar rekombinacije koji pogoduje rekombinaciji naboja.
Nakon što su uspostavljeni radni parametri u reaktoru za mikrovalnu sintezu i optimalna količina dopiranoga dušika, procijenjena je uloga sadržaja rGO (0,25 – 10 wt. % rGO) na morfološka svojstva i fotokatalitičku aktivnost N/TiO2/rGO nanokompozita pri razgradnji tri različita OMZ-a (ciprofloksacin (CIP), diklofenak (DCF) i salicilna kiselina (SA)) uz različite izvore zračenja (UVA, Sunčevo i vidljivo zračenje). Utvrđeno je da unatoč optičkim svojstvima materijala koji je modificiran dodatkom rGO, gdje je energetski procjep smanjen, povećanje
količine rGO nije imalo pozitivan učinak na fotokatalitičke karakteristike, osobito pod vidljivim izvorima zračenja, povećana količina rGO sprječava apsorpciju svjetla, a mogla bi djelovati i kao rekombinacijski centar koji ometa fotokatalitičku aktivnost TiO2. Fotokatalitičkim ispitivanjima ustanovljeno je da se s nižim sadržajem rGO postiže bolja fotoaktivnost. Dodatno, utvrđeno je da je glavni doprinos rGO na fotokatalizatoru smanjenje učinka rekombinacije, ukazujući da bi kombinacija dopiranja dušikom i ugradnje rGO mogla biti dobra strategija za prevladavanje ograničenja TiO2 fotokatalize.
Za utvrđivanje mehanizma fotokatalitičke razgradnje s različitim izvorima zračenja korištene su tvari koje inhibiraju reaktivne vrste (engl. scavengers) koje se generiraju na površini fotokatalizatora. Provedene su dodatne studije o intenzitetu zračenja kako bi se istražila primjena prirodnoga Sunčeva zračenja. Rezultati su pokazali da su kinetički model i mehanizam razgradnje uglavnom vezani na vrstu organskog mikrozagađivala, a ne na izvor zračenja. Također, utvrđeno je da proces adsorpcije igra važnu ulogu, osobito kada se provodi razgradnja uz vidljivo zračenje. Međutim, iako izvor zračenja, tj. intenzitet ozračenja, ne određuje mehanizam razgradnje, on značajno utječe na brzinu razgradnje za uklanjanje OMZ-a. Također, utvrđeno je da je uz prirodno Sunčevo zračenje proces fotolize značajno sporiji, dok je TiO2 fotokataliza pokazala dobru učinkovitost uklanjanja CIP-a, što ukazuje da bi razvijeni N/TiO2/rGO fotokatalizator mogao učinkovito koristiti Sunčevo zračenje pri uklanjanju OMZ-ova iz vode.
Imobilizacija fotokatalizatora na odgovarajuću podlogu ključna je za praktičnu primjenu u procesu obrade vode. Stoga je N/TiO2/rGO nanokompozit s najvećom fotoaktivnošću pokazanom u praškastom obliku imobiliziran na Al2O3 keramičku pjenu metodom uranjanja i niskom toplinskom obradom, korištenjem SiO2 kao veziva za bolju adheziju na supstrat Al2O3 pjene (stabilnost) i mogućnost ponovne upotrebe. Stabilnost i mogućnost ponovne upotrebe imobiliziranog N/TiO2/rGO procijenjene su uzastopnom razgradnjom u nekoliko ciklusa za tri različita OMZ-a. Nakon nekoliko ponavljajućih fotokatalitičkih ciklusa (19 ciklusa), fotokatalizatori nisu izgubili fotoaktivnost, čime je potvrđena dobra stabilnost i mogućnost ponovne upotrebe. Također, utvrđeno je da se keramička pjena s otvorenim ćelijama pokazala dobrom alternativom za imobilizaciju fotokatalizatora zato što se time smanjuje ograničenje masenog transfera zagađivala do aktivnih mjesta na fotokatalizatoru uz postizanje veće aktivne površine za ozračivanje i naknadne reakcije.
Konačno, primjenom vezanog sustava tekućinske kromatografije (LC) i spektrometrije masa visoke razlučivosti (Orbitrap) identificirani su razgradni produkti dvaju OMZ-a (CIP i DCF) nastali fotokatalitičkom razgradnjom uz primjenu različitih izvora zračenja. Rezultati su pokazali da je uz vidljive izvore zračenja većina detektiranih razgradnih produkata nastalih tijekom razgradnje početnog OMZ-a ostala prisutna u otopini nakon dva sata zračenja (tj. nije došlo do njihove potpune razgradnje). |
| Abstract (spanish) | El agua es uno de los elementos esenciales para la vida porque casi todas las actividades
humanas se basan en ella, declarada un derecho humano en 2010 por la Asamblea General de
las Naciones Unidas. Sin embargo, el rápido crecimiento demográfico y el calentamiento global
han provocado una crisis mundial del agua. Estudios recientes estimaron que la mitad de la
población mundial experimenta una grave escasez de agua al menos un mes al año, mientras
que casi 1.500 millones de personas viven en zonas con un riesgo de escasez de agua alto o
extremadamente alto. Además de los problemas de escasez de agua, el desarrollo continuo de
nuevos productos químicos para diferentes aplicaciones y su posterior vertido en cuerpos de
agua sin un tratamiento adecuado o incluso sin tratamiento es otro desafío que intensifica la
crisis del agua. En los últimos 20 años se ha centrado una importante atención en los llamados
microcontaminantes orgánicos (MCO), integrados principalmente por productos
farmacéuticos, productos de cuidado personal, subproductos de la desinfección, disruptores
endocrinos y todos sus subproductos de transformación, debido a su posible impacto negativo
sobre el medio ambiente. Varios estudios han demostrado que, aparte del hecho de que las
plantas de tratamiento de aguas residuales convencionales (PTAR) no eliminan fácilmente los
MCO, algunas son persistentes y podrían bioacumularse, dañando el sistema acuático y
amenazando la salud pública. Teniendo en cuenta la escasez de agua y el continuo aumento del
estrés hídrico en muchas regiones del mundo, la reutilización del agua se está convirtiendo en
la solución más práctica para superar la crisis del agua. Sin embargo, para garantizar la
eliminación completa de los MCO y la seguridad del agua de reutilización, se deben
implementar nuevas tecnologías de tratamiento acopladas a las PTAR existentes.
Los procesos de oxidación avanzada (POA) se han considerado alternativas interesantes
para eliminar los MCO de las aguas residuales, con alta eficiencia de oxidación y sin
contaminación secundaria. Entre los diferentes POA, la fotocatálisis heterogénea de TiO2 se
estudia activamente debido a su excelente actividad fotocatalítica, bajo costo, excelente
estabilidad química y no toxicidad. El TiO2 se activa mediante la energía luminosa que produce
especies reactivas del oxígeno (ERO), que posteriormente pueden oxidar los MCO de forma no
selectiva. Sin embargo, debido a su alta banda prohibida de energía (3,2 eV), la fotoactivación
del TiO2 se produce sólo por luz ultravioleta (UV), lo que dificulta su potencial uso con
radiación solar (4% UV, 48% Visible). Además, el rápido efecto de recombinación de los pares
fotogenerados electrón/hueco (e
–
/h
+
) que producen las ERO, puede reducir la actividad
fotocatalítica del TiO2. Por lo tanto, para superar estos dos inconvenientes principales, el dopaje
del TiO2 es una de las estrategias más investigadas para prevenir el proceso de recombinación
o cambiar la respuesta óptica del TiO2 al rango de luz visible para aumentar la eficiencia
fotocatalítica bajo la radiación solar.
El dopaje con metales, como Pd, Pt, Au, Cu, Fe, etc., ha mostrado una actividad
fotocatalítica mejorada en el rango visible; sin embargo, los altos costos del metal y la
probabilidad de lixiviación del metal debido a la baja estabilidad térmica, podrían ser un riesgo
para la salud, reduciendo su aplicabilidad. Por lo tanto, el dopaje con no metales, como N, P, S
y C, ha sido una forma más práctica y menos costosa de mejorar la fotoactividad bajo la
irradiación del espectro solar. Entre los dopajes no metálicos, el nitrógeno es ampliamente
estudiado debido a su similitud en radio atómico con el oxígeno, haciendo más probable la
sustitución atómica. El TiO2 dopado con nitrógeno ha mostrado una interesante respuesta
fotoactiva bajo luz visible, que puede atribuirse a la formación de nuevos niveles energéticos
que reducen la banda prohibida. Además, algunos estudios sugieren que el nitrógeno podría
favorecer la formación de la fase anatasa del TiO2, la polimorfa más fotoactiva del TiO2. Por
otro lado, el óxido de grafeno reducido (rGO) ha atraído mucha atención como material para
producir compuestos de TiO2 debido a su alta área superficial y buena conductividad térmica y
electrónica que podría mejorar la fotoactividad del TiO2. Estudios recientes han demostrado
que acoplar rGO con TiO2 puede mejorar la actividad fotocatalítica porque el rGO actúa como
un sumidero de electrones, separando las cargas fotogeneradas y reduciendo el efecto de
recombinación. Por lo tanto, integrar el nitrógeno y el rGO en el TiO2 podría ser un enfoque
interesante para abordar los dos principales inconvenientes del TiO2 mencionados
anteriormente.
Además de la estrategia de dopaje, el método de síntesis de TiO2 juega un papel
importante debido a su influencia en las propiedades estructurales, morfológicas y ópticas, que
determinan la actividad fotocatalítica en general. Algunas estrategias de síntesis convencionales
comunes son el método sol-gel, deposición química de vapor, método hidrotermal, etc. El
principal inconveniente de estos métodos es el largo tiempo de síntesis. Sin embargo, el método
asistido por microondas surgió por primera vez como un método de calentamiento no
convencional y recientemente se ha convertido en una alternativa atractiva debido a su menor
tiempo de síntesis y menor consumo de energía en comparación con los métodos de síntesis
convencionales. Estas ventajas del método asistido por microondas se deben principalmente al
calentamiento directo "en el núcleo" de la mezcla de reacción mediante la radiación de
microondas, la cual se debe a la rápida conversión de energía electromagnética en energía
térmica, reduciendo el gradiente de temperatura dentro del recipiente de reacción y
contribuyendo a la producción de un material con propiedades más homogéneas.
Además de la alta energía de la banda prohibida y el factor de recombinación, el uso de
TiO2 en polvo suspendido presenta desafíos técnicos y económicos para la recuperación y
reutilización de fotocatalizadores en el tratamiento de aguas residuales. Así, para evitar el
proceso de recuperación y simplificar la reutilización del fotocatalizador, se ha inmovilizado el
TiO2 sobre diferentes soportes tales como vidrio, polímeros, partículas magnéticas, cerámicas,
etc. La inmovilización de TiO2 sobre cerámica se ha estudiado activamente en los últimos años
porque el soporte es inerte químicamente, tiene alta resistencia a la luz ultravioleta, buena
estabilidad mecánica y una gran área superficial, lo que lo convierte en una opción adecuada
para la inmovilización de fotocatalizadores.
Por lo tanto, esta investigación se centró en la síntesis de fotocatalizadores basados en
TiO2 de baja energía de banda prohibida utilizando una técnica no convencional como el método
asistido por microondas. El fotocatalizador desarrollado podría utilizarse para eliminar
microcontaminantes orgánicos (MCO) del agua utilizando energía solar de manera eficiente.
Inicialmente, se evaluó el papel de la temperatura, el tiempo de reacción y el contenido de
nitrógeno en las propiedades estructurales, morfológicas y fotocatalíticas del TiO2 dopado con
nitrógeno (N/TiO2) para la eliminación de ciprofloxacina (CIP) con radiación UVA, solar y
visible. Los resultados mostraron que se logra una mayor cristalinidad y un mayor tamaño de
cristal a una temperatura más alta (200°C), mientras que el tiempo de reacción en el horno de
microondas tiene un efecto insignificante sobre las propiedades morfológicas y fotocatalíticas.
Se determinó que la temperatura es el parámetro crucial en la síntesis de TiO2 mediante el
método asistido por microondas.
Por otro lado, los cambios en el contenido de nitrógeno revelaron que los cambios en la
relación molar N/Ti apenas influyeron en las propiedades morfológicas y ópticas. Por el
contrario, la variación en el contenido de nitrógeno tuvo un impacto relevante en el rendimiento
fotocatalítico, especialmente bajo fuentes de irradiación visible. Este efecto positivo,
principalmente bajo la irradiación visible, se atribuyó a los nuevos niveles energéticos más que
a la reducción de la banda prohibida de energía, lo que contribuyó a la adsorción de fotones en
el espectro visible. Además, se observó que con una mayor relación molar N/Ti, se mejoraba la
actividad fotocatalítica en la eliminación de CIP bajo diferentes fuentes de irradiación. Sin
embargo, después de cierta concentración de nitrógeno, podría tener un efecto desfavorable en
la tasa de degradación porque el nitrógeno podría actuar como un centro de recombinación que
favorece la recombinación de cargas.
Se evaluó el papel del contenido de rGO (0,25 – 10% en peso de rGO) en las propiedades
morfológicas y la actividad fotocatalítica de N/TiO2/rGO en la degradación de tres MCO
diferentes (ciprofloxacina (CIP), diclofenaco (DCF) y ácido salicílico (AS)) bajo diferentes
fuentes de radiación (UVA, solar y visible). Se encontró que a pesar de que la propiedad óptica
del material se modificó mediante la adición de rGO, donde se reduce la banda prohibida de
energía, el incremento en la cantidad de rGO no tuvo un impacto positivo en el rendimiento
fotocatalítico, especialmente bajo fuentes de irradiación visible debido a un exceso de rGO, el
cual tiene un efecto de apantallamiento para la absorción de luz y podría actuar como un centro
de recombinación que dificulta la fotoactividad del TiO2. El rendimiento fotocatalítico reveló
que un menor contenido de rGO logra una mejor fotoactividad. Además, se determinó que la
principal contribución de rGO sobre el fotocatalizador fue reducir el efecto de recombinación,
demostrando que una combinación de dopaje con nitrógeno e incorporación de rGO podría ser
una buena estrategia para superar las limitaciones de la fotocatálisis de TiO2.
Se utilizaron especies carroñeras para determinar el mecanismo fotocatalítico bajo
diferentes fuentes de irradiación. Se realizaron estudios adicionales sobre las intensidades de
irradiación para investigar la viabilidad del uso de la luz solar natural. Los resultados mostraron
que el modelo cinético y el mecanismo de degradación dependen principalmente del tipo de
contaminante más que de la fuente de irradiación. Además, se encontró que el proceso de
adsorción juega un papel importante, principalmente bajo fuentes de irradiación visible. Sin
embargo, aunque la fuente de irradiación no determina el mecanismo de degradación, sí afecta
significativamente la tasa de degradación para la eliminación de contaminantes. Además, se
determinó que, bajo la irradiación solar natural, el proceso de fotólisis se redujo
significativamente, mientras que la fotocatálisis de TiO2 mostró una buena eficiencia de
eliminación de CIP, lo que indica que el fotocatalizador N/TiO2/rGO podría utilizar
eficientemente la energía solar para la eliminación de MCO presentes en el agua.
El fotocatalizador N/TiO2/rGO se inmovilizó sobre una espuma cerámica de Al2O3
aplicando el método de recubrimiento por inmersión y un tratamiento térmico suave, utilizando
SiO2 como aglutinante para mejorar la estabilidad y la reutilización. La estabilidad y
reutilización del N/TiO2/rGO inmovilizado se evaluaron varias veces mediante la degradación
de tres MCO diferentes. Después de varios ciclos fotocatalíticos repetitivos (19 ciclos), el
fotocatalizador no perdió fotoactividad, lo que demuestra que tiene buena estabilidad y
reutilización. Además, se encontró que la espuma cerámica de poros abiertos resultó ser una
alternativa para la inmovilización de fotocatalizadores debido a la reducción de la limitación de
transferencia de masa y al mismo tiempo proporciona una buena área para la irradiación.
Finalmente, los subproductos de transformación de la eliminación de CIP y DCF bajo
diferentes fuentes de irradiación fueron seguidos por el espectrómetro de masas Orbitrap
Exploris 120. Los resultados mostraron que, bajo fuentes de irradiación visibles, la mayoría de
los subproductos de transformación detectados permanecían en la solución después de dos
horas de irradiación, y algunos subproductos formados podrían ser potencialmente más tóxicos
que los compuestos originales. |
