Studio della fotocatalisi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4000 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, il toluene e l'etilbenzene sono stati degradati nel processo fotocatalitico-proxone utilizzando il nanocomposito BiOI@NH2-MIL125(Ti)/Zeolite. La presenza simultanea di ozono e perossido di idrogeno è nota come processo proxone. La sintesi del nanocomposito è stata effettuata utilizzando il metodo solvotermico. Sono stati studiati il ​​flusso d'aria in ingresso, le concentrazioni di ozono, le concentrazioni di H2O2, l'umidità relativa e le concentrazioni iniziali di inquinanti. Il nanocomposito è stato sintetizzato con successo sulla base di FT-IR, BET, XRD, FESEM, mappatura degli elementi EDS, spettri UV-Vis e analisi TEM. Una portata di 0,1 L min−1, 0,3 mg min−1 di ozono, 150 ppm di perossido di idrogeno, 45% di umidità relativa e 50 ppmv di inquinanti sono risultate essere condizioni operative ottimali. In queste condizioni entrambi gli inquinanti venivano degradati per oltre il 95%. Per il toluene e l'etilbenzene, i coefficienti dell'effetto sinergico dei meccanismi erano rispettivamente 1,56 e 1,76. È rimasto al di sopra del 95% di efficienza 7 volte nel processo ibrido e ha avuto una buona stabilità. I processi fotocatalitici-proxone sono stati valutati per la stabilità su 180 minuti. I restanti livelli di ozono nel processo erano insignificanti (0,01 mg min−1). La produzione di CO2 e CO nel processo fotocatalitico-proxone è stata rispettivamente di 58,4, 5,7 ppm per il toluene e 53,7 e 5,5 ppm per l'etilbenzene. Il gas ossigeno promosso e il gas azoto hanno avuto un effetto inibitorio sull'efficace rimozione degli inquinanti. Durante l'ossidazione degli inquinanti sono stati identificati diversi intermedi organici.

I composti organici volatili (COV) sono prodotti in molti processi industriali, inclusi pigmenti, prodotti chimici organici, prodotti petrolchimici e prodotti farmaceutici. La salute umana, in particolare quella dei lavoratori industriali, è influenzata negativamente dalla maggior parte dei COV. Pertanto, i COV nell'aria ambiente o sul posto di lavoro devono essere controllati1,2. Il toluene e l'etilbenzene fanno parte della famiglia dei BTEX (benzene, toluene, etilbenzene, xilene) che sono indicatori di COV. Gli individui e/o le industrie utilizzano ampiamente il toluene e possono causare effetti estremi sulla salute se esposti in modo acuto o cronico. È noto che il toluene può causare problemi respiratori nell'uomo, come polmonite chimica, nausea, vomito, dolore e dermatite3. Il fumo di sigaretta, la benzina e l'olio naturale contengono etilbenzene. Oltre a colpire sangue, fegato e reni, l'etilbenzene provoca il cancro4. Attualmente, sono stati applicati molti metodi alla degradazione dei BTEX nell'industria, tra cui il processo di adsorbimento5, il processo di ossidazione catalitica6, il processo di ossidazione fotocatalitica7, il processo al plasma non termico8 e il processo di degradazione biologica9. L’uso di processi di ossidazione avanzata (AOP) per la rimozione dei BTEX è un approccio promettente basato sulla generazione di radicali10. Uno dei sottoinsiemi di AOP, compreso il processo di ozonizzazione (OP) e i suoi derivati11. Il processo di ozonizzazione per l'eliminazione dei BTEX a temperatura ambiente è vantaggioso rispetto ad altre tecniche dato il risparmio energetico12. Processi ausiliari come la fotocatalisi13, O3/H2O2 (processo proxone)14 e O3/ultrasuoni possono aumentare le prestazioni dell'OP. Nel processo del proxone, il principale meccanismo di mineralizzazione del toluene e dell'etilbenzene si basa sull'ossidazione indiretta tramite radicali di ossidazione liberi, come OH·, O2·− e altri radicali14. È anche possibile ottenere una mineralizzazione soddisfacente attraverso la fotocatalisi aggiungendo catalizzatori eterogenei nel sito di reazione e generando coppie elettrone-lacuna sulla superficie del catalizzatore, processo chiamato fotocatalitico13. La ricerca recente si è concentrata sulle strutture metallo-organiche (MOF) con architetture a pori regolari a causa delle loro potenziali applicazioni nello stoccaggio del gas, nella catalisi eterogenea, nell'adsorbimento selettivo e nella tecnologia dei sensori. I MOF sono composti principalmente da ioni metallici o gruppi di ioni metallici, insieme a molecole organiche che fungono da linker. I ligandi di-, tri- o tetradendati sono tipiche unità organiche15. Tra i MOF, la famiglia MIL è una delle più importanti. NH2-MIL125 è isostrutturalmente identico a MIL-125, ma richiede una proporzione significativamente più elevata di metanolo rispetto al DMF per la sintesi; può essere preparato sostituendo H2BDC con acido 2-amminobenzene dicarbossilico. Si prevede che il gruppo amminico in NH2-MIL125 riduca l'area superficiale e la dimensione dei pori, ma la posizione precisa del gruppo amminico nella struttura non è stata determinata16. NH2-MIL125(Ti) contribuisce alla degradazione fotocatalitica degli inquinanti organici e allo sviluppo di idrogeno grazie al suo adeguato band gap. Sebbene mostri una rapida ricombinazione di carica, non ha sufficiente stabilità strutturale. Per migliorare l'attività fotocatalitica sono state applicate numerose tecniche, come la sostituzione dei cationi mentali con ligandi organici e la deposizione di cationi mentali nobili17. BiPO4, BiVO4, Bi2WO6 e BiOX (X = Cl, Br, I) sono semiconduttori contenenti bismuto che sono stati ampiamente studiati per migliorare le proprietà fotocatalitiche e ottiche18. Tra i fotocatalizzatori, BiOI è particolarmente promettente grazie alla sua stratificazione anisotropa e all'adeguato band gap. Uno stretto gap di banda gli consente di rispondere fortemente alla luce visibile19. Si consiglia di combinare la struttura dell'eterogiunzione con i MOF per superare i problemi di ricombinazione rapida e stabilità. I pori ampi e confortevoli della zeolite la rendono un eccellente catalizzatore o assorbente. Una struttura zeolitica contiene elementi Al e Si, che forniscono spazi idonei per intrappolare gli inquinanti in fase gassosa20. La novità di questo studio è stata la sintesi di un nuovo nanocomposito BiOI@NH2-MIL125(Ti)/Zeolite (BiOI@MOF/Z) e l'utilizzo come catalizzatore di partenza nel processo fotocatalitico-proxone per la rimozione di toluene ed etilbenzene per la prima volta. In questo studio, gli obiettivi primari erano: (i) sintetizzare un nanocomposito BiOI@MOF/Z che migliora le prestazioni del processo di ossidazione catalitica per la rimozione del toluene e dell'EB dall'aria inquinata e determinare la caratterizzazione del nanocomposito mediante FESEM, FT-IR, Mappatura EDS, analisi TEM, XRD, BET e UV-Vis. (ii), le prestazioni del processo fotocatalitico-Proxone sono state esaminate rispetto a parametri (quali flusso, concentrazione di ozono, concentrazione di H2O2 (HP), umidità relativa (RH) e concentrazione iniziale di inquinanti) e (iii) per determinare effetto del meccanismo di sinergia, stabilità e riutilizzabilità del catalizzatore, stima della quantità di ozono rimanente nei processi, rimozione simultanea di toluene ed etilbenzene, studio dell'effetto dell'ossigeno e dell'azoto come gas vettore, calcolo del tasso teorico di mineralizzazione del toluene e dell'EB e rilascio di CO e CO2 nonché sottoprodotti e probabili percorsi in condizioni ottimali.