Фотокаталитическая деградация ПЭВП-микропластика видимым светом при применении титана, легированного ванадием

Эстер Мбучи Киньуа ^a, Джордж Уильям Атвоки Ньякайру ^a*, Эммануэль Тебандеке ^a, Огенекаро Нельсон Одуме ^b

^a Университет Макерере, 7062, ул. Университет, Кампала, Уганда

b Университет Родса, ул. Дрости, Грэмстаун, Маханда, 6139, ЮАР

https://doi.org/10.29258/CAJWR/2024-R1.v10-1/126-141.eng

*E-mail: gwnyakairu@gmail.co

Эстер Мбучи Киньуа: mbuciax@gmail.com; Эммануэль Тебандеке: emmanuel.tebandeke@gmail.com; Огенекаро Нельсон Одуме: n.odume@ru.ac.za

9 апреля, 2024

Аннотация

Для эффективного удаления микропластика, широко присутствующего в окружающей среде, необходимы действенные стратегии.  Среди различных методов решения растущей проблемы загрязнения микропластиком все более многообещающим подходом становится фотокатализ с применением света видимой части спектра.  Настоящее исследование было направлено на изучение потенциала использования легированного ванадием оксида титана в качестве фотокатализатора для разложения ПЭВП-микропластика при облучении волнами видимой части спектра.  Фотокатализатор (легированный ванадием оксид титана) синтезировался с использованием золь-гелевого метода, а его характеризация осуществлялась с помощью рентгеновской дифракции (X-ray diffraction, XRD), сканирующей электронной микроскопии (scanning electron microscopy, SEM) и спектроскопии в УФ и видимой области (UV-visible spectroscopy).  Рентгеновский анализ подтвердил формирование анатазной фазы, а SEM-визуализация дала ценную информацию о морфологии и элементном составе катализатора.  Успешное включение ионов ванадия в структуру было подтверждено при спектроскопии в УФ и видимой области, которая выявила красное смещение на границе полосы поглощения.  Фотокатализатор на основе легированного ванадием оксида титана применялся для разложения полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) под воздействием видимого излучения.  Результаты эксперимента показали значительное уменьшение массы пластика после 350 часов облучения.  Применение V-TiO₂ позволило достичь максимального снижения данного параметра (на 5,7%), в то время как при применении нано-частиц TiO₂ снижение составило только 2%.  Настоящее исследование демонстрирует потенциал V-TiO₂ как эффективного фотокатализатора, управляемого видимым светом, для деградации ПЭВП, что может внести вклад в устойчивое сокращение загрязнения микропластиком.

Доступно на английском

Скачать статью (анг)

Для цитирования:

Kinyua, E., Nyakairu, G., Tebandeke, E., Odume, O. (2024). Visible light photocatalytic degradation of HDPE microplastics using vanadium-doped titania. Central Asian Journal of Water Research,  10(1), 126-141. https://doi.org/10.29258/CAJWR/2024-R1.v10-1/126-141.eng

Список литературы

Ali, S.S., Qazi, I.A., Arshad, M., Khan, Z., Voice, T. C. & Mehmood, C.T. (2016). Photocatalytic degradation of low density polyethylene (LDPE) films using titania nanotubes.  Environmental nanotechnology, monitoring & management, 5, 44-53;

Ariza-Tarazona, M.C., Villarreal-Chiu, J.F., Barbieri, V., Siligardi, C. & Cedillo-González, E.I. (2019).  New strategy for microplastic degradation: Green photocatalysis using a protein-based porous N-TiO2 semiconductor.  Ceramics International, 45(7), 9618-9624;

Baskar, A.V., Bolan, N., Hoang, S.A., Sooriyakumar, P., Kumar, M., Singh, L., Jasemizad, T., Padhye, L.P., Singh, G. & Vinu, A. (2022).  Recovery, regeneration and sustainable management of spent adsorbents from wastewater treatment streams: A review.  Science of The Total Environment, 822, 153555;

Behera, M., Nayak, J., Banerjee, S., Chakrabortty, S. & Tripathy, S.K. (2021).  A review on the treatment of textile industry waste effluents towards the development of efficient mitigation strategy: An integrated system design approach.  Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(4), 105277;

Bettinelli, M., Dallacasa, V., Falcomer, D., Fornasiero, P., Gombac, V., Montini, T., Romano, L. & Speghini, A. (2007).  Photocatalytic activity of TiO₂ doped with boron and vanadium.  Journal of Hazardous Materials, 146(3), 529-534;

Chamas, A., Moon, H., Zheng, J., Qiu, Y., Tabassum, T., Jang, J. H., Abu-Omar, M., Scott, S. L. & Suh, S. (2020).  Degradation rates of plastics in the environment.  ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(9), 3494-3511;

David, M., Prakash, L., Sangeetha, J., Naik, J., Thangadurai, D. & Thimmappa, S.C. (2021).  Degradation of plastics using nanomaterials.  Handbook of Nanomaterials and Nanocomposites for Energy and Environmental Applications, 2139-2151;

De Yoreo, J. (2020).  A perspective on multistep pathways of nucleation.  In Crystallization via Nonclassical Pathways Volume 1: Nucleation, Assembly, Observation & Application (pp. 1-17).  ACS Publications;

Edo, C., Tamayo-Belda, M., Martínez-Campos, S., Martín-Betancor, K., González-Pleiter, M., Pulido-Reyes, G., García-Ruiz, C., Zapata, F., Leganés, F. & Fernández-Piñas, F. (2019).  Occurrence and identification of microplastics along a beach in the Biosphere Reserve of Lanzarote.  Marine pollution bulletin, 143, 220-227;

Gewert, B., Plassmann, M.M. & MacLeod, M. (2015).  Pathways for degradation of plastic polymers floating in the marine environment.  Environmental science: processes & impacts, 17(9), 1513-1521;

Karthikeyan, C., Arunachalam, P., Ramachandran, K., Al-Mayouf, A.M. & Karuppuchamy, S. (2020).  Recent advances in semiconductor metal oxides with enhanced methods for solar photocatalytic applications.  Journal of Alloys and Compounds, 828, 154281;

Laskar, N. & Kumar, U. (2019).  Plastics and microplastics: A threat to environment. Environmental technology & innovation, 14, 100352;

Lin, Y., Kouznetsova, T.B., Chang, C.C. & Craig, S.L. (2020).  Enhanced polymer mechanical degradation through mechanochemically unveiled lactonization.  Nature Communications, 11(1), 4987;

Liu, W., Zhang, J., Liu, H., Guo, X., Zhang, X., Yao, X., Cao, Z. & Zhang, T. (2021).  A review of the removal of microplastics in global wastewater treatment plants: Characteristics and mechanisms.  Environment International, 146, 106277;

Llorente-García, B.E., Hernández-López, J.M., Zaldívar-Cadena, A.A., Siligardi, C. & Cedillo-González, E.I. (2020).  First insights into photocatalytic degradation of HDPE and LDPE microplastics by a mesoporous N–TiO₂ coating: effect of size and shape of microplastics.  Coatings, 10(7), 658;

Mahlambi, M.M., Ngila, C.J. & Mamba, B.B. (2015).  Recent developments in environmental photocatalytic degradation of organic pollutants: the case of titanium dioxide nanoparticles — a review.  Journal of Nanomaterials,2015, 5-5;

Sajid, M., Ihsanullah, I., Khan, M.T. & Baig, N. (2022).  Nanomaterials-based adsorbents for remediation of microplastics and nanoplastics in aqueous media: A review.  Separation and Purification Technology, 122453;

Seck, E., Doña-Rodríguez, J.M., Melián, E.P., Fernández-Rodríguez, C., González-Díaz, O.M., Portillo-Carrizo, D. & Pérez-Peña, J. (2013).  Comparative study of nanocrystalline titanium dioxide obtained through sol-gel and sol-gel-hydrothermal synthesis.  Journal of colloid and interface science, 400, 31-40;

Thomas, R.T. & Sandhyarani, N. (2013).  Enhancement in the photocatalytic degradation of low density polyethylene–TiO 2 nanocomposite films under solar irradiation.  RSC advances, 3(33), 14080-14087;

Wang, T. & Xu, T. (2017).  Effects of vanadium doping on microstructures and optical properties of TiO₂.  Ceramics International, 43(1), 1558-1564;

Wang, Z., Liu, S., Cao, X., Wu, S., Liu, C., Li, G., Jiang, W., Wang, H., Wang, N. & Ding, W. (2020).  Preparation and characterization of TiO₂ nanoparticles by two different precipitation methods.  Ceramics International, 46(10), 15333-15341;

Wu, S., Hu, H., Lin, Y., Zhang, J. & Hu, Y.H. (2020).  Visible light photocatalytic degradation of tetracycline over TiO₂.  Chemical Engineering Journal, 382, 122842;

Yuan, Z., Nag, R. & Cummins, E. (2022).  Ranking of potential hazards from microplastics polymers in the marine environment.  Journal of Hazardous Materials, 429, 128399;

Zhu, T., Li, X., Zhu, X., Liu, B., Zhu, J. & Luo, J. (2023).  Critical review of catalysis-assisted nanofiltration for micropollutants removal: Catalytic coupled nanofiltration system vs catalytic nanofiltration membrane.  Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 53(9), 1009-1031.