Ein Roman Corchorus olitorius - Yunnan Shaker Co., Ltd

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13190 (2023) Diesen Artikel zitieren

254 Zugriffe

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Hierin wurde ein neuartiges Komposit aus von Corchorus olitorius gewonnener Biokohle und Bi12O17Cl2 hergestellt und für den Abbau von Tetracyclin (TC) in einem solaren Photooxidationsreaktor verwendet. Mithilfe verschiedener Analysen wurden die Morphologie, die chemische Zusammensetzung und die Wechselwirkung zwischen den Verbundkomponenten untersucht. Die Biokohle zeigte eine TC-Entfernung von 52,7 % und eine CSB-Mineralisierung von 59,6 % bei Verwendung von 150 mg/L Biokohle bei einem pH-Wert von 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 163 mg/L und einem anfänglichen CSB von 1244 mg/L. Die Abbaueffizienz von TC stieg auf 63 % und das Mineralisierungsverhältnis auf 64,7 % unter Verwendung von 150 mg/L reinem Bi12O17Cl2 bei einem pH-Wert von 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 178 mg/L und einem CSB von 1034 mg/L. Im Fall des Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits verbesserte sich die Abbaueffizienz des TC- und COD-Mineralisierungsverhältnisses auf 85,8 % bzw. 77,7 % aufgrund des Potenzials der Biokohle, Elektronen aufzunehmen, was die Rekombination von Elektronen und Löchern verzögerte. Der synthetisierte Verbundstoff zeigte über vier aufeinanderfolgende Zyklen hinweg eine hohe Stabilität. Den erzeugten Zwischenprodukten zufolge könnte TC durch den häufigen Angriff der reaktiven Spezies zu Caprylsäure und Pentandisäure abgebaut werden. Der hergestellte Verbundstoff ist ein vielversprechender Photokatalysator und kann aufgrund seiner hohen Abbau- und Mineralisierungsleistung in kurzer Zeit sowie seiner geringen Kosten und Stabilität in Großsystemen eingesetzt werden.

Der weit verbreitete Einsatz von Arzneimitteln (z. B. Antibiotika) zur Unterdrückung des Bakterienwachstums bei Menschen und Tieren führt zur unkontrollierten Freisetzung von Antibiotika in das aquatische Ökosystem1,2. Tetracyclin (TC), ein Antibiotikum, wird aufgrund seiner geringen Kosten und breiten Wirksamkeit gegen verschiedene Arten von Bakterien kontinuierlich in der antiinfektiösen Behandlung eingesetzt3,4. Die Zunahme von TC-Rückständen im Wasserleben führt zur Entwicklung von Tetracyclin-resistenten Bakterien, die zu einer Verschlechterung der menschlichen Gesundheit führen können5,6. Herkömmliche Behandlungsverfahren (z. B. biologische Behandlung, Adsorption, Membranfiltration) können Tetracyclin aufgrund seiner schlechten biologischen Abbaubarkeit und Stabilität nicht effizient entfernen, außerdem sind die herkömmlichen Technologien teuer und produzieren Sekundärschadstoffe7,8. Daher ist es schicksalhaft, die Freisetzung von Antibiotika (z. B. Tetracyclin) in Wasserströme durch die Entwicklung einer effizienten und kostengünstigen Behandlungstechnologie zu kontrollieren9,10.

In jüngster Zeit haben fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOPs) eine hervorragende Leistung beim Abbau feuerfester Schadstoffe (z. B. Antibiotika) gezeigt11,12. Allerdings sind einige AOPs (z. B. Fenton, Ozonierung) kostspielig und erzeugen Sekundärschadstoffe, die eine umfassende Anwendung behindern13,14,15,16. Darüber hinaus können elektrochemische AOPs aufgrund der hohen Kosten und der kurzen Betriebszeit der Elektroden nicht in größerem Maßstab eingesetzt werden17,18. Der Photokatalyseprozess, einer der AOPs, zeichnet sich durch seine Kostengünstigkeit, seine grüne und nachhaltige Natur und seine effektive Abbau- und Mineralisierungsleistung gegenüber bioresistenten Schadstoffen über die erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) aus, die diese Technik für die Umsetzung in größerem Maßstab qualifizieren19. 20,21. Dennoch weisen herkömmliche Photokatalysatoren wie TiO2 und ZnO einige Mängel auf, wie z. B. die große Bandlücke und die schnelle Wiedervereinigung von Ladungsträgern, die den effizienten Abbau bioresistenter Schadstoffe und die Nutzung eines großen Teils der Sonnenintensität verhindern22,23. Daher ist es unerlässlich, einen effizienten Photokatalysator mit schmaler Bandlücke und reduzierter Rekombinationsrate zu entwickeln, der zum effizienten Abbau von Schadstoffen beiträgt und die praktische Umsetzung des Photokatalyseprozesses verbessert.

Der Photokatalysator Wismutoxychlorid (Bi12O17Cl2) hat aufgrund seiner Fähigkeit, in Photokatalyseprozessen unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht eingesetzt zu werden, sowie seiner Stabilität, seinem hervorragenden Oxidationspotential und seiner Ungiftigkeit bemerkenswerte Aufmerksamkeit erlangt24,25. Allerdings ist die Abbauleistung von Bi12O17Cl2 aufgrund der ineffizienten Trennung von Elektronen und Löchern bescheiden26. Um das oben genannte Problem zu lösen, haben Forscher Heteroübergangs-Photokatalysatoren auf Bi12O17Cl2-Basis hergestellt, um den Zusammenfluss zwischen Ladungsträgern wie AgI/Bi12O17Cl227, BiOBr/Bi12O17Cl228 und Bi12O17Cl2/β-Bi2O329 zu unterdrücken. Allerdings erhöht die Herstellung dieser Heteroübergangs-Photokatalysatoren die Behandlungskosten und den Verbrauch giftiger Chemikalien.

Hierin wurden trockene Stängel von Corchorus olitorius aus den Abfällen einer Anlage der Lebensmittelindustrie in Ägypten zusammengestellt und durch Pyrolyse in einem Muffelofen unter freien Sauerstoffbedingungen in Biokohle umgewandelt, gefolgt von der Herstellung eines neuartigen Biokohle/Bi12O17Cl2-Heteroübergangs. Der Einsatz eines Verbundstoffs aus Bi12O17Cl2 und kohlenstoffhaltigem Material wurde nicht umfassend untersucht, da nur wenige Studien über die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Materialien/Bi12O17Cl2-Heteroübergängen berichteten. Zhou et al. synthetisierten ein Komposit aus Bi12O17Cl2 und kohlenstoffdotiertem Kohlenstoffnitrid für den Abbau von Tetracyclin, wobei die Abbaurate im Fall des Komposits um das 2,9-fache höher war als die von reinem Bi12O17Cl224. Die Herstellung eines Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits kann zur Verbesserung der Photoabbauleistung beitragen, da Biokohle das Potenzial hat, als Elektronenakzeptor zu fungieren, der die Rekombination zwischen den Ladungsträgern hemmt30. Darüber hinaus kann die Zugabe von Pflanzenkohle aufgrund der erwarteten großen Oberfläche und Porosität der Pflanzenkohle die Adsorptionskapazität des Verbundwerkstoffs verbessern31. Darüber hinaus können die Behandlungskosten im Falle der Verwendung von Pflanzenkohle anstelle der oben genannten Materialien in Bi12O17Cl2-basierten Heteroübergangs-Photokatalysatoren aufgrund der Verfügbarkeit von Corchorus olitorius aus der Lebensmittelindustrie angemessen sein. Andererseits trägt die Umwandlung von Corchorus olitorius-Abfällen in Biokohle zur Lösung der mit ihrer Bewirtschaftung verbundenen Probleme bei und verringert die Abhängigkeit von Deponien. Die Entsorgung von Abfällen auf Deponien führt zu einer Verunreinigung von Boden, Grundwasser und Luft32. Somit verbessert die Verwendung von Pflanzenkohle im Photokatalyseprozess nicht nur die Abbauleistung, sondern verringert auch die Umweltgefahren, die mit der unsachgemäßen Entsorgung fester Abfälle verbunden sind.

In dieser Studie wurde ein neuartiges Komposit aus Bi12O17Cl2 und aus Corchorus olitorius gewonnener Biokohle hergestellt und im Photokatalyseprozess zum Abbau von Tetracyclin eingesetzt. Der Abbau von Tetracyclin mit Bi12O17Cl2, der synthetisierten Pflanzenkohle und dem Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2-Komposit, wurde in unterschiedlichen Dosierungen durchgeführt, um die optimale Dosierung zu ermitteln. Darüber hinaus wurden die Recyclingfähigkeit des Verbundwerkstoffs und der Abbaumechanismus untersucht. Darüber hinaus wurden die erzeugten Zwischenprodukte erkannt und die Abbauwege vorgeschlagen.

Natriumhydroxid (NaOH, 97 %) wurde von Fisher Chemical, Ltd. bezogen. Absolutes Ethanol (C2H6O, 100 %) und Wismutchlorid (BiCl3, 97 %) wurden von Emplura, Ltd bzw. Alpha Chemika bezogen. Frische Corchorus olitorius-Stängel wurden aus den Abfällen einer Lebensmittelindustrieanlage in Gizeh, Ägypten, geerntet. Echte Industrieabwässer wurden aus einer pharmazeutischen Industrieanlage in Gizeh, Ägypten, zusammengestellt. Das gesammelte Abwasser wurde 24 Stunden lang stehen gelassen, um den suspendierten Feststoffen Zeit zum Absetzen zu geben, und anschließend wurden die Proben dekantiert. Die Eigenschaften des Abwassers sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Trockene Stängel von Corchorus olitorius wurden aus den Abfällen einer Lebensmittelindustrieanlage in Gizeh, Ägypten, geerntet. Die Herstellung von Pflanzenkohle aus Corchorus olitorius begann mit dem 24-stündigen Trocknen der Stängel bei Raumtemperatur, gefolgt vom Mahlen der Stängel zu einem feinen Pulver und dem Waschen mit destilliertem Wasser, um etwaige Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wurde das Pulver in einem Ofen bei 60 °C getrocknet, anschließend mit einem 425 µm-Maschensieb gesiebt und das Pulver 2 Stunden lang bei 600 °C in einem Muffelofen unter Ausschluss von Sauerstoff pyrolysiert. Nach dem Abkühlen der Pflanzenkohle auf Raumtemperatur wurde die vorbereitete Pflanzenkohle durch Zugabe von 50 g der Pflanzenkohle in 1000 ml Orthophosphorsäure (H3PO4, 0,3 M) und 30-minütiges Rühren bei 100 °C aktiviert, gefolgt von Waschen mit destilliertem Wasser, bis der pH-Wert erreicht war erreicht Neutral. Anschließend wurden die Partikel 30 Minuten lang in einem Ofen bei 100 °C getrocknet, bevor sie 30 Minuten lang in einem Muffelofen bei 550 °C pyrolysiert wurden.

Der Bi12O17Cl2-Katalysator wurde nach der zuvor von Ma et al.33 beschriebenen Methode frisch hergestellt. 1,62 g Wismutchlorid wurden in 20 ml absolutem Ethanol gelöst. Die Mischung wurde 30 Minuten lang gerührt, dann wurden 20 ml 1,2 M NaOH tropfenweise zur Lösung gegeben. Die Mischung wurde 3,0 Stunden lang weiter gerührt und das feste Pulver wurde gebildet und filtriert, um den Katalysator zu gewinnen. Das erhaltene Bi12O17Cl2-Katalysatorpulver wurde 6,0 Stunden lang unter Vakuumbedingungen bei einer Temperatur von 60 °C getrocknet.

Zur Herstellung des Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits wurden 0,951 g Bi12O17Cl2 und 3,0 mg der vorbereiteten Biokohle zu 20 ml absolutem Ethanol gegeben. Anschließend wurde die Mischung 1,0 h bei einer Temperatur von 60 °C gerührt. Anschließend wurden die Katalysatorpartikel filtriert und in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 °C 6,0 Stunden lang unter Vakuum getrocknet.

Die Experimente wurden in einem Solar-Photooxidationsreaktor mit parabolischen Lichtkollektoren34,35,36 durchgeführt. Die Einzelheiten des Reaktor- und Sonnenspektrums werden in Text S1, Abb. beschrieben. S1 und S2. Zunächst wurde die Adsorptionsleistung der vorbereiteten Pflanzenkohle über 6 Stunden mit 100 mg/L Pflanzenkohle untersucht. Anschließend wurde die Wirkung der Biokohledosis untersucht, indem die Biokohledosis bei optimaler Kontaktzeit von 50 auf 200 mg/L variiert wurde. Darüber hinaus wurde die photokatalytische Leistung von reinem Bi12O17Cl2 und Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposit über 6 Stunden unter Verwendung von 100 mg/L beider Materialien untersucht. Anschließend wurde die Wirkung der Katalysatordosis der beiden Materialien untersucht, indem die Dosis innerhalb der optimierten Zeit von 50 auf 175 mg/L variiert wurde. Darüber hinaus wurde die Wiederverwendbarkeit des Verbundwerkstoffs durch die Verwendung derselben Katalysatordosis in fünf sich wiederholenden Zyklen getestet. Die Katalysatorpartikel wurden nach jedem Lauf gesammelt und dann vor dem nächsten Lauf 24 Stunden lang bei Raumtemperatur getrocknet.

Die Daten der Fourier-Transfer-Infrarotspektroskopie (FT-IR) wurden mit einem Perkin-Elmer FT-IR-Spektrophotometer (FT-IR 1650) gemessen, um die funktionellen Gruppen der synthetisierten Materialien zu spezifizieren. Die Spektren wurden im Bereich von 400–4000 cm−1 aufgenommen. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)-Analysen wurden durchgeführt, um die Morphologie und chemische Zusammensetzung der vorbereiteten Materialien mithilfe eines JEOL-SEM zu untersuchen, das bei einer Beschleunigungsspannung von 20,00 kV arbeitet und mit einem EDS-Spektrometer ausgestattet ist. Die Kristallstruktur der hergestellten Materialien wurde mittels XRD untersucht; Bruker-AXS D8, Deutschland. Darüber hinaus wurde Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) verwendet, um die Oxidationsstufen und die Elementzusammensetzung der synthetisierten Materialien mithilfe von XPS, Thermo ScientificTM K-AlphaTM und einem mikrofokussierten Al-Kα-Monochromator zu spezifizieren, der in einem Energiebereich von bis zu 4 keV betrieben wurde. Darüber hinaus wurden die Elementzusammensetzung und die Oberfläche der Pflanzenkohle mithilfe einer Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF, Axios-Advanced sequentielles WDXRF-Spektrometer) bzw. einer BET-Oberfläche (BET Belsorp-max automatisiert) bestimmt. Die Oberfläche der Pflanzenkohle wurde durch Adsorption von Stickstoff bei 77 K unter Verwendung der Brunauer-Emmett-Teller-Methode (BET) gemessen und die Probe wurde vor der Analyse 5 Stunden lang bei 120 °C entgast. Darüber hinaus wurde die Bandlücke von reiner Biokohle, reinem Bi12O17Cl2 und Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposit mithilfe eines UV-sichtbaren Spektrometers (Jasco, V-630 UV-Vis-Spektrophotometer) basierend auf der Tauc-Plot-Methode geschätzt. Bei der Tauc-Plot-Methode wurde die Beziehung zwischen Photonenenergie (hv) und (αhv)0,5 aufgetragen, wobei α der Absorptionskoeffizient ist. Der Bandlückenwert ist der Schnittpunkt des linearen Teils mit der x-Achse.

Der chemische Sauerstoffbedarf von Proben wurde mithilfe der Standardmethode in (Standardmethoden zur Untersuchung von Wasser und Abwasser)37 bestimmt. Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) von echtem Pharmaabwasser wurde gemessen, indem 2,5 ml der Proben in CSB-Flaschen gegeben wurden, die 3,5 ml Silbersulfatlösung und 1,5 ml Kaliumdichromatlösung enthielten. Die Silbersulfatlösung wurde durch Zugabe von 9,5 g Silbersulfat zu einem Liter Schwefelsäure hergestellt und die Lösung 1 Tag lang ohne Mischen stehen gelassen. Um die Kaliumdichromatlösung herzustellen, wurden 10,214 g getrocknetes Kaliumdichromat zu 100 ml destilliertem Wasser gegeben und diese Lösung wurde zu einer anderen Lösung gegeben, die 33,3 g Quecksilbersulfat, 167 ml Schwefelsäure und 200 ml destilliertes Wasser enthielt, gefolgt von der Zugabe destilliertes Wasser auf einen Liter auffüllen. Anschließend wurden CSB-Flaschen in einen CSB-Reaktor gestellt, um die Proben 2 Stunden lang auf 148 °C zu erhitzen. Nach 2 Stunden ließ man die Proben abkühlen. Eine Blindprobe mit destilliertem Wasser wurde in das Spektrophotometer gegeben und vor der Messung des CSB der Proben auf Autozero gedrückt. Bei löslichem CSB (CSB) wurden die Proben vor der Analyse mit einem 0,45-µm-Filter filtriert. Die TC-Konzentration wurde mit einem Shimadzu UV-Vis-Spektrophotometer (Jasco, V-630 UV-Vis-Spektrophotometer) bei einer Wellenlänge von 357 nm geschätzt. Die Absorptionsspektren von TC wurden in der Zusatzdatei bereitgestellt (Abb. S3). Darüber hinaus wurden die TC-Konzentrationen erneut mithilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC, Shimadzu) gemessen, wie von Zhang et al. beschrieben. (2022) zur Bestätigung der mit dem UV-Vis-Spektrophotometer erhaltenen Ergebnisse38. Das HPLC-Chromatogramm von TC wurde in der Zusatzdatei bereitgestellt (Abb. S4). Die erzeugten Zwischenprodukte wurden mittels Flüssigchromatographie-Massenspektroskopie (LC-MS, Shimadzu 2020) unter Verwendung von Acetonitril (50 %) und Wasser (50 %) bei einer Flussrate von 0,2 ml/min erkannt.

Der Mechanismus der Biokohle-Adsorption mit Tetracyclin wurde mithilfe eines Computersimulationsmodells, d. h. der BIOVIA-Software, durchgeführt. Die Graphitstruktur wurde verwendet, um die 3D-Struktur der von Corchorus olitorius abgeleiteten Pflanzenkohle in der Datenbank zu speichern.

Wahrscheinlich könnte der Graphit das Biokohle-Modell darstellen, wie zuvor von23,39,40 berichtet. Die Oberflächensauerstoffgruppen wie COOH, OH und C=O wurden der Oberfläche der Graphitstruktur hinzugefügt, um die Wirkung der Aktivierung von Pflanzenkohle auf die Adsorption von Tetracyclin zu untersuchen. 3D-Strukturen von Tetracyclin wurden von PubChem heruntergeladen und vor der Adsorption an Pflanzenkohle mit BIOVIA Forcite optimiert. Die Bindungsenergie von Pflanzenkohle mit Tetracyclin wurde mithilfe von Gl. abgeschätzt. (1)41:

Dabei ist ΔE: die Bindungsenergie, EBiochar@x: die Gesamtenergie des Komplexes (biochr@tetracyclin), E Biochar die Biokohle-Energie und Ex: die Tetracyclin-Energie

Experimentelle Forschung und Feldstudien zu Corchorus olitorius, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, entsprechen den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen.

Abbildung 1a zeigt das REM-Bild der vorbereiteten Pflanzenkohle, was darauf hinweist, dass die Morphologie gefäßartig mit hoher Porosität ist, was auf eine hohe Adsorptionsfähigkeit schließen lässt. Der Beugungspeak zwischen 20° und 30° wird der Beugungsebene (002) des Graphits zugeordnet und bestätigt seinen Kohlenstoffgehalt, wie im XRD-Muster in Abb. 1b23 dargestellt. Darüber hinaus werden andere Beugungspeaks den Metalloxiden (z. B. SiO2, CaO, MgO) in der vorbereiteten Pflanzenkohle zugeordnet, die durch RFA nachgewiesen wurden, wie in Abb. 1c42 beschrieben. Der scharfe Peak bei 26,7° wird SiO242 zugeschrieben. Die RFA-Analyse von Pflanzenkohle zeigt die in der Pflanzenkohle vorhandenen Oxide und deren Gewichtsverhältnisse, wie in Abb. 1c dargestellt. Die Oberfläche der synthetisierten Pflanzenkohle beträgt 277,6 m2/g, was auf die hohe Adsorptionsleistung der Pflanzenkohle schließen lässt.

SEM (a), XRD (b) und XRF (c) der aus Corchorus olitorius gewonnenen Pflanzenkohle.

Die chemischen Gruppen im reinen Bi12O17Cl2- und Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2-Komposit wurden durch das Fourier-Transformations-Infrarotspektrum (FT-IR) bestimmt, wie in Abb. 2a dargestellt. Die Banden bei 3438,57 cm-1 (1622,22 cm-1, 1469,84 cm-1), 1392,82 cm-1, 846,4 cm-1 und 528,8 cm-1 im Fall von reinem Bi12O17Cl2 sind auf O-H-Bindungen von Wassermolekülen zurückzuführen , Bi‒Cl-Streckschwingung, O-Bi-O-Biegeschwingung bzw. Bi=O-Biegeschwingung24,43. Durch den Einbau von Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2 wurde eine leichte Verschiebung der Banden auf 3435,37 cm−1, 1626,56 cm−1, 1471,02 cm−1, 1393,9 cm−1, 846,5 cm−1 und 530,3 cm−1 beobachtet die Biokohle.

(a) Fourier-Transformations-Infrarotspektrum (FTIR) für Bi12O17Cl2 und Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2, Rasterelektronenmikroskop (REM) für (b) Bi12O17Cl2 und (c) Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2, energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) für (d) Bi12O17Cl2 und (e) Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2.

Rasterelektronenmikroskop- (SEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopieanalysen (EDX) von Bi12O17Cl2 und Biokohle/Bi12O17Cl2 sind in Abb. 2b – e dargestellt, um die Morphologie und die chemischen Bestandteile der Katalysatoren zu zeigen. Die Partikelgröße von reinem Bi12O17Cl2 betrug 39,02 nm (Abb. 2b), während die Partikelgröße im Fall von Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2 auf 22,799 nm abnahm (Abb. 2c). Darüber hinaus zeigt Abb. 2b, c, dass Bi12O17Cl2- und Biokohle/Bi12O17Cl2-Partikel eine blütenartige Struktur aufweisen.

Abbildung 2d,e zeigt das EDX-Muster von reinem Bi12O17Cl2 und Biokohle/Bi12O17Cl2 und zeigt, dass im Fall von reinem Bi12O17Cl2 kein Kohlenstoff vorhanden ist, während das Kohlenstoffmassenverhältnis im Fall von Biokohle/Bi12O17Cl2 9,66 % betrug, was die Beladung des vorbereiteten Katalysators mit Bi12O17Cl2 bestätigt Pflanzenkohle. Die Massenverhältnisse von Bi im Bi12O17Cl2-Katalysator und im Bi12O17Cl2/Pflanzenkohle-Komposit betrugen 70,06 bzw. 65,97 %. Das Cl-Massenverhältnis betrug 9,39 % im Fall des Bi12O17Cl2-Katalysators und stieg auf 10,76 im Fall von Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2. Das Massenverhältnis von Sauerstoff beträgt 8,11 % beim Bi12O17Cl2-Katalysator und 7,55 % beim Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2. Die EDX-Analyse stellt die elementare Zusammensetzung von reinem Bi12O17Cl2 und Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposit sowie die hervorragende Wechselwirkung zwischen Biokohle und Bi12O17Cl2 sicher. Die XRD-Muster des Bi12O17Cl2-Katalysators und Bi12O17Cl2/Biokohle sind in Abb. 3a dargestellt. Die bei 24,01°, 25,86°, 32,49°, 46,4°, 48,1°, 53,8° und 58,3° beobachteten Hauptpeaks werden (113), (115), (200), (2012), (220), (315) zugeschrieben ) und (317)-Beugungsebenen des tetragonalen Bi12O17Cl2 (JCPDS Nr. 37-0702)44. Im Fall von Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2 wurden im Vergleich zum XRD-Muster im Fall von reinem Bi12O17Cl2 keine signifikanten Beugungspeaks beobachtet, was auf die hohe Dispersion der Katalysatorpartikel auf der Pflanzenkohleoberfläche sowie den geringen Gehalt an Pflanzenkohle zurückzuführen sein könnte im Verbund45. Die Bandlücke von reiner Pflanzenkohle betrug 2,3 eV, wie in Abb. 3b dargestellt. Allerdings war die photokatalytische Leistung der Pflanzenkohle aufgrund des geringen Anteils an Metalloxiden in der vorbereiteten Pflanzenkohle nicht hoch. Die Bandlücke des Bi12O17Cl2-Katalysators und des Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits wurde in Abb. 3b nach Angaben von He et al.29 geschätzt. Die Bandlücke betrug im Fall von reinem Bi12O17Cl2 2,9 eV und verringerte sich im Fall des Verbundwerkstoffs aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Biokohle- und der Bi12O17Cl2-Phase, die zur Bildung eines neuen Energieniveaus über dem Valenzband oder über der Leitung führen könnte, auf 2,7 eV Band20,46. Die Verringerung der Bandlücke im Falle des Verbundwerkstoffs bestätigt die Rolle der Pflanzenkohle bei der Verkleinerung der Bandlücke, was die Nutzung des Sonnenlichts verbessert.

(a) XRD-Muster und (b) Bandlücke des Bi12O17Cl2-Katalysators und des Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits.

Eine Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse für Bi12O17Cl2 und Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2 wurde durchgeführt, um die chemischen Zustände der Elemente auf der Katalysatoroberfläche zu zeigen (Abb. 4). Die XPS-Untersuchung in Abb. 4a bestätigte das Wachstum von Bi, O, Cl und C im Fall von Biokohle/Bi12O17Cl, was die hervorragende Wechselwirkung zwischen der vorbereiteten Biokohle und Bi12O17Cl bestätigte.

(a) XPS-Vermessungsspektren von Bi12O17Cl2 und Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2, (b) Bi 4f-, (c) O 1S- und (d) Cl 2p-Spektren von reinem Bi12O17Cl2; (e) Bi 4f-, (f) O1S-, (g) Cl 2p- und (h) C 1S-Spektren von Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2.

Die Peaks mit Bindungsenergien bei etwa 158,33 und 163,66 eV werden Bi 4f7/2 bzw. Bi 4f5/2 für den Bi12O17Cl2-Katalysator zugeordnet, während die Peaks bei 160,28 und 165,56 eV Bi 4f7/2 und Bi 4f5/2 zugeschrieben werden. bzw. im Fall eines Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits, was das Vorhandensein von Bi3+-Spezies bestätigt, wie in Abb. 4b, e47 gezeigt. Die Peaks bei 198,82 und 196,93 eV werden Cl 2p1/2 bzw. Cl 2p3/2 im Fall von reinem Bi12O17Cl2 zugeschrieben, während die Peaks für Cl 2p1/2 und Cl 2p3/2 bei 199,49 bzw. 200,7 eV liegen Der Fall des Verbundwerkstoffs stellt die Anwesenheit von Cl sicher, wie in Abb. 4d, g48 dargestellt. Darüber hinaus werden die Peaks bei etwa 529 eV und 530 eV O 1S in der Bi-O-Bi-Bindung und der O-H-Bindung im Fall von Bi12O17Cl2 und Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2 zugeschrieben (Abb. 4c, f)4. Darüber hinaus werden die Peaks bei fast 287 eV und 284 eV im Fall des Verbundwerkstoffs C 1S der CC-Bindung in der Biokohle zugeordnet, was die Wechselwirkung zwischen den Komponenten des Verbundwerkstoffs bestätigt, wie in Abb. 4h24 dargestellt.

Abbildung 5a zeigt die Entfernung von TC und die Konzentration der erzeugten Zwischenprodukte über 6 Stunden unter Verwendung von 100 mg/L der vorbereiteten Pflanzenkohle bei pH 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 163 mg/L und einem CSB von 1244 mg/L. Die Entfernungseffizienzen von Tetracyclin und CSB betrugen nach 5 Stunden 37 % bzw. 48,15 %, während sie nach 6 Stunden nur 38,2 % bzw. 48,4 % betrugen, was darauf hindeutet, dass die optimale Kontaktzeit 5 Stunden betrug. Nach 5 Stunden könnten die Oberfläche und die Poren der Pflanzenkohle durch die adsorbierten TC-Moleküle gesättigt sein49,50. Daher war die Entfernung von TC nach 5 Stunden begrenzt. Darüber hinaus könnte die Entfernung von TC durch die Biokohle auf die erzeugten reaktiven Radikale zurückzuführen sein, die durch die Anregung von Metalloxiden (z. B. TiO2, Fe2O3, MgO) in der Biokohle entstehen würden, wie in der RFA-Analyse erläutert23. Allerdings sind die Gewichtsverhältnisse der Metalloxide niedrig. Daher erfolgte die Entfernung der Pflanzenkohle hauptsächlich durch Adsorption. Gemäß den vorgeschlagenen Abbauwegen, die in den nächsten Abschnitten auf der Grundlage der durch LC-MS nachgewiesenen erzeugten Nebenprodukte beschrieben werden, könnte TC aufgrund des häufigen Angriffs durch die erzeugten Nebenprodukte zu einfacheren Nebenprodukten wie Caprylsäure und Pentandisäure abgebaut werden reaktive Radikale. Die Konzentrationen der erzeugten Caprylsäure und Pentandisäure betrugen nach 5 Stunden 1,77 mg/L und 2,2 mg/L, während die TC-Konzentration gleichzeitig von 163 auf 102,6 mg/L abnahm. Die geringe Konzentration der erzeugten Nebenprodukte war auf den mäßigen Abbau durch die begrenzte Anzahl reaktiver Radikale zurückzuführen, die durch die Beleuchtung von Metalloxiden auf der Oberfläche der Pflanzenkohle erzeugt wurden, was bestätigte, dass die meisten TC-Moleküle auf der Oberfläche der Pflanzenkohle adsorbiert waren.

(a) Entfernung von TC und CSB durch die vorbereitete Pflanzenkohle und (b) Auswirkung der Pflanzenkohledosis auf die Entfernungsleistung sowie Verfolgung der erzeugten Nebenprodukte.

Vor der Optimierung der Kontaktzeit wurden verschiedene Pflanzenkohledosen (50–200 mg/L) untersucht, um die optimale Pflanzenkohledosis bei einer Reaktionszeit von 5 Stunden, einem pH-Wert von 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 163 mg/L und einem CSB von 1244 festzulegen mg/L sowie die Konzentration der erzeugten Zwischenprodukte wurden bei verschiedenen Dosen geschätzt, wie in Abb. 5b dargestellt. Die Entfernungseffizienzen von CSB betrugen 10,8 %, 29,5, 48,1 %, 56,3 %, 59,6 % und 59,8 %, während die Entfernungsraten von TC bei Pflanzenkohledosen 11 %, 12,3 %, 37 %, 44,9 %, 52,7 % und 52,9 % betrugen von 50 mg/L, 75 mg/L, 100 mg/L, 125 mg/L, 150 mg/L bzw. 200 mg/L. Den Ergebnissen zufolge stiegen die Entfernungseffizienz und der Prozentsatz der CSB-Mineralisierung mit der Erhöhung der Biokohledosis aufgrund der Zunahme der Adsorptionsstellen sowie der Zunahme der erzeugten Radikale aufgrund der Zunahme der Metalloxide. Allerdings blieb die Entfernungseffizienz bei einer Erhöhung der Pflanzenkohledosis von 150 auf 200 mg/L ungefähr gleich. Bei einer Erhöhung der Pflanzenkohlebeladung über 150 mg/L könnten die Pflanzenkohlepartikel agglomerieren, was zu einer Verringerung der aktiven Fläche führen und dadurch die erwartete höhere Entfernung bei übermäßigen Pflanzenkohledosen unterdrücken könnte, wie von Mensah et al. berichtet. und Salama et al.51,52. Der gleiche Trend wurde für die erzeugten Zwischenprodukte beobachtet, bei denen die Konzentration der erzeugten Nebenprodukte durch Erhöhung der Konzentration von 0,9 auf 3,9 mg/L im Fall von Caprylsäure und von 0,88 auf 3,7 mg/L im Fall von Pentandisäure anstieg Die Konzentration der erzeugten Pflanzenkohle stieg von 50 auf 150 mg/L, während die Konzentration der erzeugten Pflanzenkohle bei einer Pflanzenkohle-Dosis von 200 mg/L nahezu gleich blieb.

Der Abbau von TC und die Überwachung der Konzentration der erzeugten Zwischenprodukte wurden mit 100 mg/L Bi12O17Cl2-Photokatalysator bei pH 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 178 mg/L und einem CSB von 1034 mg/L erreicht, wie in Abb. 6a gezeigt. Die TC-Abbau- und CSB-Mineralisierungsprozentsätze betrugen nach 6 Stunden 55 % bzw. 56,5 %, während die TC- und CSB-Entfernungseffizienzen nach 4 Stunden 51,7 % bzw. 54,8 % betrugen. Der leichte Anstieg der TC-Entfernungseffizienz nach Verlängerung der Zeit auf 6 Stunden könnte auf die Blockierung der aktiven Zentren im Laufe der Zeit infolge der Ansammlung von TC-Molekülen und ihrer Zwischenprodukte auf der Katalysatoroberfläche zurückzuführen sein, was zu einer Abnahme der erzeugten Reaktivität führte Radikale53. Darüber hinaus betrugen die Caprylsäure- und Pentandisäure-Konzentrationen nach 4 Stunden 8,6 mg/L bzw. 9,8 mg/L, während sie nach 6 Stunden 9 mg/L bzw. 11,4 mg/L betrugen. Daher betrug die optimale Reaktionszeit 4 Stunden.

Einfluss der Bestrahlungszeit auf den Photoabbau von TC über Bi12O17Cl2 mit Verfolgung der erzeugten Zwischenprodukte (a) und die Abbauleistung mit Verfolgung der erzeugten Zwischenprodukte bei verschiedenen Bi12O17Cl2-Katalysatordosen (b).

Die optimale Bi12O17Cl2-Photokatalysatordosis wurde durch Untersuchung der Katalysatordosis im Bereich (50–175 mg/L) bei pH 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 178 mg/L, einer Reaktionszeit von 4 Stunden und einem CSB von 1034 mg/L ermittelt sowie die Konzentrationen der Nebenprodukte wurden bei den verschiedenen Dosierungen gemessen (Abb. 6b). Die Erhöhung der Katalysatordosis von 50 auf 150 mg/L führte zu einer Steigerung der TC-Abbaueffizienz von 26,6 auf 63 % und des CSB-Mineralisierungsverhältnisses von 24,9 auf 64,7 %, während das TC-Abbauverhältnis und der CSB-Mineralisierungsprozentsatz bei 64,5 % bzw. 65,2 % lagen eine Katalysatordosis von 175 mg/L. Eine Erhöhung der Katalysatordosis verbesserte im Allgemeinen die Abbauleistung aufgrund der Zunahme aktiver Stellen, was zur Bildung von mehr Radikalen führen und dadurch die Abbaueffizienz steigern könnte54. Im Gegensatz dazu zeigte die Erhöhung der Katalysatordosis über 150 mg/L keine signifikante Änderung der Abbauleistung, da eine übermäßige Erhöhung der Katalysatordosis die Trübung der Lösung erhöhen könnte, was zur Streuung von Photonen und zur Inaktivierung führen könnte der meisten aktiven Standorte30. Darüber hinaus könnte die Agglomeration zwischen den Katalysatorpartikeln im Falle einer Erhöhung der Katalysatordosis zunehmen, wodurch die aktiven Stellen reduziert würden, was zu einer Hemmung der beschleunigten Abbauleistung führen würde55. Bezüglich der Nebenproduktkonzentrationen betrugen die Konzentrationen von Caprylsäure und Pentandisäure 10,6 mg/L bzw. 11,5 mg/L bei einer Katalysatordosis von 150 mg/L, während sie bei 10,8 mg/L bzw. 11,7 mg/L lagen eine Katalysatordosis von 175 mg/L. Somit betrug die optimale Katalysatordosis 150 mg/L.

Der Abbau von TC und die Konzentration der erzeugten Zwischenprodukte wurden bei einer zusammengesetzten Dosis von 100 mg/L, einem pH-Wert von 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 167 mg/L, einer Reaktionszeit von 6 Stunden und einem CSB von 1044 mg/L untersucht in Abb. 7a dargestellt. Die Effizienz der TC-Entfernung betrug nach 3 Stunden 73 %, wohingegen sie bei einer Verlängerung der Zeit auf 6 Stunden nur 78,4 % betrug. Darüber hinaus betrugen die CSB-Mineralisierungsverhältnisse 70,9 % bzw. 72,2 % nach 3 bzw. 6 Stunden. Darüber hinaus stiegen die Konzentrationen von Caprylsäure und Pentandisäure nach 3 Stunden auf 16,4 mg/L bzw. 17,6 mg/L und lagen nach 6 Stunden bei 19 mg/L bzw. 21,4 mg/L. Den Ergebnissen zufolge könnte die optimale Reaktionszeit 3 Stunden betragen. Wie wir im obigen Abschnitt erklärt haben, änderten sich die Abbau- und Mineralisierungsverhältnisse nach längerer Zeit nicht wesentlich, da sich TC-Moleküle und ihre Zwischenprodukte auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs ansammelten und die aktiven Stellen verwischten. Die Abbaueffizienzen und Mineralisierungsverhältnisse waren im Fall des hergestellten Hybrids höher als bei reinem Bi12O17Cl2 bei kürzerer Reaktionszeit, was zu einer Reduzierung der Behandlungskosten beitragen könnte. Die zugesetzte Biokohle konnte Elektronen aufnehmen, was die Trennungseffizienz zwischen Elektronen und Löchern verbesserte. Darüber hinaus könnte die verbesserte Leistung auf die kombinierten Effekte von Adsorption und Photoabbau zurückzuführen sein.

(a) Abbau von TC unter Verwendung des vorbereiteten Verbundstoffs und die Konzentration der erzeugten Nebenprodukte im Zeitverlauf und (b) Einfluss der Biokohle/Bi12O17Cl2-Dosis auf die Abbauleistung und die Konzentration der gebildeten Zwischenprodukte bei verschiedenen Dosen.

Die optimale zusammengesetzte Dosis wurde unter Verwendung verschiedener Dosen (50, 75, 100, 125, 150 und 175 mg/L) angegeben, und die Konzentrationen der Nebenprodukte wurden bei diesen Werten bei pH 4,7 ± 0,5 und einer anfänglichen Tetracyclinkonzentration von 167 angegeben mg/L, Reaktionszeit von 3 Stunden und CSB von 1044 mg/L, wie in Abb. 7b dargestellt. Die Erhöhung der zusammengesetzten Dosis auf 150 mg/l steigerte die Abbaueffizienz von TC auf 85,8 % und das CSB-Mineralisierungsverhältnis auf 77,7 %, was auf die Zunahme der erzeugten Radikale mit der Erhöhung der Katalysatordosis zurückzuführen ist. Allerdings verbesserte die Erhöhung der Katalysatordosis auf 175 mg/L die Abbaueffizienz aufgrund der oben genannten Erklärungen (Lichtstreuung und Partikelagglomeration) nicht. Als Ergebnis betrugen die Konzentrationen von Caprylsäure und Pentandisäure 28,7 mg/L bzw. 22,3 mg/L bei einer Katalysatordosis von 150 mg/L, wohingegen ihre Konzentrationen bei einer Erhöhung der Gesamtdosis auf 175 mg/L nahezu gleich blieben . Daher betrug die optimale zusammengesetzte Dosis 150 mg/L. Der elektrische Energieverbrauch unter optimalen Bedingungen wurde auf der Grundlage der von Vaiano et al.56 angegebenen Gleichung gemessen. Der elektrische Energieverbrauch in diesem System beträgt etwa 8 KWh/m3. Darüber hinaus wurden die unter optimalen Bedingungen erzielten Ergebnisse mit den Ergebnissen früherer Studien verglichen (siehe Tabelle S1), um die Leistung unseres Systems im Vergleich zu anderen Systemen zu bewerten. Die meisten Studien führten ihre experimentelle Arbeit an synthetischem Abwasser bei niedrigen Tetracyclinkonzentrationen durch. In unserer Studie wurden die Abbauexperimente jedoch an echtem Pharmaabwasser mit hohen Tetracyclinkonzentrationen durchgeführt. Echtes Pharmaabwasser ist eine komplexe Matrix, die andere Schadstoffe enthalten kann, die mit dem Hauptschadstoff konkurrieren und durch die reaktiven Radikale abgebaut werden können. Dem Vergleich in Tabelle S1 zufolge war die Abbauleistung unseres Systems jedoch hoch und wurde nicht durch die Komplexität des realen Abwassers beeinträchtigt.

Die Bewertung der Recyclingfähigkeit des vorbereiteten Verbundwerkstoffs ist wichtig, um die Stabilität des Verbundwerkstoffs bei längerer Reaktionszeit vor der vollständigen Anwendung zu bestätigen. Darüber hinaus könnte die Verwendung des Katalysators in aufeinanderfolgenden Zyklen die Behandlungskosten senken. Um die Wiederverwendbarkeit des Verbundstoffs zu bewerten, wurde der Verbundstoff in fünf aufeinanderfolgenden Zyklen mit unterschiedlichen Verbundstoffdosen (50–175 mg/L) bei pH 4,7 ± 0,5, einer anfänglichen TC-Konzentration von 167 mg/L und einer Reaktionszeit von 3 Stunden getestet. wie in Abb. 8 dargestellt. Die Abbaueffizienz von TC betrug im ersten Zyklus 85,8 % und sank im fünften Zyklus bei einer Gesamtdosis von 150 mg/L auf 52,7 %, während die Abbaurate nach dem vierten Zyklus 79,2 % betrug Zyklus, der die Stabilität des Katalysators unter vier Zyklen angibt. Bei allen Dosen begann der Abbauprozentsatz nach dem vierten Zyklus stark abzunehmen. Somit konnte der vorbereitete Katalysator in vier Zyklen effizient wiederverwendet werden. Die Abnahme der Abbaueffizienz mit den Zyklen könnte auf den Verlust von Katalysatorpartikeln während der Probenentnahme zurückzuführen sein. Darüber hinaus könnten die aktiven Zentren durch die Schadstoffmoleküle und ihre Zwischenprodukte blockiert werden, was zur Unterdrückung der Radikalbildung führt.

Wiederverwendbarkeit des vorbereiteten Komposits in unterschiedlichen Dosierungen in fünf aufeinanderfolgenden Zyklen.

Vor der Anregung des Verbundstoffs konnten Elektronen und Löcher in der Biokohle und Bi12O17Cl2 erzeugt werden, dann begannen die Elektronen im Leitungsband (CB) von Bi12O17Cl2, das CB der Biokohle und die Löcher im Valenzband (VB) von zu bewegen Die Biokohle wurde auf die VB von Bi12O17Cl2 übertragen, wodurch die Rekombination zwischen Ladungsträgern unterdrückt wurde, wie in Abb. 9a dargestellt. Dann könnten die Elektronen und Löcher mit Sauerstoff bzw. Hydroxylionen reagieren und Superoxidradikale bzw. Hydroxylradikale bilden. Dann könnten die erzeugten Superoxidradikale mit H+ reagieren, um H2O2 zu bilden, das weiter mit Elektronen reagieren könnte, um zusätzliche Hydroxylradikale zu erzeugen24. Beim bloßen Bi12O17Cl2 könnten die Elektronen und Löcher schnell rekombinieren. Somit zeigte der Verbundwerkstoff eine höhere Leistung. Die kontinuierliche Oxidation von TC durch die erzeugten Radikale könnte TC in einfachere Zwischenprodukte wie Caprylsäure und Pentandisäure umwandeln.

(a) Abbaumechanismus von TC über Biokohle/Bi12O17Cl2 und (b) vorgeschlagene Abbauwege.

Die erzeugten Zwischenprodukte wurden mittels LC-MS identifiziert und die Abbauwege entsprechend den erzeugten reaktiven Radikalen und ihrer Reaktion mit TC vorgeschlagen, wie in Abb. S5 dargestellt. Der Abbau von TC (m/z 445, Abb. S5a) könnte mit der Demethylierung von TC beginnen, um zwei Nebenprodukte mit m/z 403 und 417 zu erzeugen (Abb. S5b, c)57. Darüber hinaus konnte der aromatische Ring in TC gespalten werden, um ein weiteres Zwischenprodukt mit m/z 277 zu erzeugen (Abb. S5b)58. Dann könnten die Dehydroxylierung, Oxidation und CC-Bindungsspaltung in den Zwischenprodukten mit m/z 277 und 403 zur Bildung eines Zwischenprodukts mit m/z 186 führen (Abb. S5b)58. Darüber hinaus könnte das Nebenprodukt mit m/z 417 durch die erzeugten Radikale weiter angegriffen werden, was zu Ringöffnung, Dehydroxylierung und Carbonylreduktion führt, wodurch die Zwischenprodukte mit m/z 174 und 194 entstehen (Abb. S5a)57. Anschließend könnten die Nebenprodukte mit m/z 186, 174 und 194 durch den Angriff von weiter zu einfacheren Nebenprodukten mit m/z 144 (Caprylsäure) und 132 (Pentandisäure) abgebaut werden (Abb. S5b, c). das erzeugte Radikal, Dehydroxylierung und Spaltung von CC-Bindungen. Abbildung 9b zeigt die vorgeschlagenen Abbauwege.

Das Adsorptionslokalisierungsmodul in BIOVIA wurde verwendet, um die Adsorptionsenergie zwischen der vorbereiteten Biokohle (Adsorbens) und Tetracyclin (Adsorbat) zu quantifizieren und die Wirkung der Oberflächenaktivierung von Biokohle auf die Bindungsenergie zu untersuchen (Abb. 10), wie bereits berichtet23,59 . Den Ergebnissen der Computermodellierung zufolge wies Biokohle eine Adsorptionsenergie von −28,68 kJ/mol auf, während oberflächenaktivierte Biokohle eine Adsorptionsenergie von −38,86 kJ/mol aufwies, um Tetracyclin einzufangen. Der Anstieg der Adsorptionsenergie bei aktivierter Biokohle war auf das Vorhandensein zahlreicher Oberflächensauerstoffgruppen wie COOH, OH und C=O auf der aktivierten Biokohleoberfläche zurückzuführen. Auch bei aktivierter Pflanzenkohle wurde eine Wasserstoffbindung zwischen H und O in Tetracyclin und der Oberflächensauerstoffgruppe der aktivierten Pflanzenkohle beobachtet.

(a) Die geometrieoptimierte Struktur von Tetracyclin, Biokohle und oberflächenaktivierter Biokohle. (b) Die Adsorption von Tetracyclin auf der Oberfläche der Pflanzenkohle und der oberflächenaktivierten Pflanzenkohle.

XRD-, EDX-, XPS- und FTIR-Analysen bestätigten die hervorragende Herstellung des Biokohle/Bi12O17Cl2-Komposits. Die Aktivierung von Pflanzenkohle verbesserte die Adsorptionsenergie zum Einfangen von TC. Die optimale Pflanzenkohledosis betrug 150 mg/L, wobei die Entfernungseffizienz von TC und CSB innerhalb von 5 Stunden 52,7 % bzw. 59,6 % betrug, während die Abbau- und Mineralisierungsverhältnisse bei Verwendung von 150 mg/L auf 63 % bzw. 64,7 % anstiegen. L von reinem Bi12O17Cl2. Pflanzenkohle/Bi12O17Cl2 zeigte im Vergleich zu den Einzelkomponenten eine höhere Abbauleistung aufgrund der Fähigkeit der Pflanzenkohle, Elektronen aufzunehmen, was die Trenneffizienz zwischen Ladungsträgern verbesserte. Der vorbereitete Verbundstoff konnte für vier Zyklen effizient wiederverwendet werden, wobei die Abbaueffizienz im ersten Zyklus 85,5 % betrug und im vierten Zyklus auf 79,2 % reduziert wurde. TC könnte durch Oxidation, Dehydroxylierung, Demethylierung, Ringöffnung und CC-Spaltung zu Caprylsäure und Pentandisäure mineralisiert werden. Die effiziente Abbauleistung, die Stabilität und die geringen Kosten verleihen dem synthetisierten Katalysator eine Überlegenheit für den Einsatz in Großreaktoren zur Mineralisierung realer Industrieabwässer.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Guo, J. et al. Photokatalytischer Abbau von Tetracyclin-Antibiotika unter Verwendung eines auf Delafossit-Silberferrit basierenden Z-Schema-Photokatalysators: Einblicke in Wege und Mechanismen. Chemosphere 270, 128651 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Samy, M., Mensah, K., El-Fakharany, EM, Elkady, M. & Shokry, H. Grüne Aufwertung von Alttonerpulver zu Eisenoxid-Nanographen-Nanohybrid als recycelbarem Persulfataktivator zum Abbau neu auftretender Mikroschadstoffe . Umgebung. Res. 223, 115460 (2023).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Allam, A., Fleifle, A., Tawfik, A., Yoshimura, C. & El-Saadi, A. Ein simulationsbasierter Eignungsindex der Qualität und Quantität von landwirtschaftlichem Abwasser für die Wiederverwendung in der Bewässerung. Wissenschaft. Gesamtumgebung. 536, 25 (2015).

Artikel Google Scholar

Jiang, Q. et al. Konstruktion eines 2D/2D-Bi12O17Cl2/Zn-HMT-Z-Schema-Heteroübergangs für den effizienten photokatalytischen Abbau von Tetracyclinhydrochlorid und die Cr(VI)-Reduktion. J. Alloys Compd. 947, 169469 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Tawfik, A., El-Gohary, F., Ohashi, A. & Harada, H. Der Einfluss physikalisch-chemischer und biologischer Faktoren auf die Entfernung von fäkalen Kolibakterien durch ein Down-Flow-Hanging-Schwamm-System (DHS), das UASB-Reaktorabwässer behandelt . Wasserres. 40, 25 (2006).

Artikel Google Scholar

Wang, C., Yan, R., Cai, M., Liu, Y. & Li, S. Eine neuartige organische/anorganische S-Schema-Heterostruktur von TCPP/Bi12O17Cl2 zur Förderung des Photoabbaus von Tetracyclinhydrochlorid: Kinetik, Abbaumechanismus und toxische Beurteilung. Appl. Surfen. Wissenschaft. 610, 155346 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Tawfik, A., Klapwijk, B., Van Buuren, J., El-Gohary, F. & Lettinga, G. Physikalisch-chemische Faktoren, die die Entfernung von E. coli in einem rotierenden biologischen Kontaktor (RBC) beeinflussen, der UASB-Abwasser behandelt. Wasserres. 38, 25 (2004).

Artikel Google Scholar

Chen, J., Zhong, J., Li, J. & Qiu, K. Verstärkte photokatalytische Entfernung von Tetracyclin an S-Schema-Bi12O17Cl2/α-Bi2O3-Heteroübergängen mit reichen Sauerstofffehlstellen. Appl. Surfen. Wissenschaft. 563, 150246 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Tawfik, A. et al. Solare Photooxidation widerspenstiger Industrieabwässer: Ein Rückblick. Umgebung. Chem. Lette. https://doi.org/10.1007/s10311-022-01390-4 (2022).

Artikel Google Scholar

El-Gohary, F., Tawfik, A., Badawy, M. & El-Khateeb, MA Potenziale der anaeroben Behandlung für katalytisch oxidiertes Olivenmühlenabwasser (OMW). Bioresour. Technol. 100, 2147–2154 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chiu, Y.-H., Chang, T.-FM, Chen, C.-Y., Sone, M. & Hsu, Y.-J. Mechanistische Einblicke in den Photoabbau organischer Farbstoffe mithilfe von Heterostruktur-Photokatalysatoren. Katalysatoren 9, 430 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Elsharkawy, K. et al. Abwasserbehandlung der Kartonfabrik durch kombinierte Dunkel- und LED-vermittelte Fermentation ohne externe chemische Zugabe. Bioresour. Technol. 295, 122312 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Samy, M., Alalm, MG & Mossad, M. Die Nutzung von Eisenschlamm resultierte aus der Elektrokoagulation im heterogenen Photo-Fenton-Prozess. Wasserpraxis. Technol. 15, 1228–1237 (2020).

Artikel Google Scholar

Mishra, N. et al. Ein Überblick über fortschrittliche Oxidationsprozesse für eine effektive Wasseraufbereitung. Curr. Weltumwelt. 12, 469–489 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Samy, M., Mensah, K. & Alalm, MG Ein Überblick über den Photoabbaumechanismus bioresistenter Schadstoffe: Analysemethoden, Transformationsprodukte und Toxizitätsbewertung. J. Water Process Eng. 49, 103151 (2022).

Artikel Google Scholar

Ashrafi, P. et al. Eine detaillierte elektrochemische Untersuchung des Malariamedikaments Hydroxychloroquin: Anwendung einer hochporösen 3D-Multimetalloxid-Kohlenstofffilz/β-PbO2-ZrO2−MoOx-Elektrode für seinen elektrokatalytischen Abbau. Elektrochim. Acta 458, 142555 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Rahmani, A. et al. Die Integration von PbO2-basierten EAOPs mit anderen fortschrittlichen Oxidationsprozessen zur verbesserten Behandlung von Wasser und Abwasser. Curr. Meinung. Elektrochem. 37, 101204 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Asgari, G. et al. Verbesserung der Mineralisierung und biologischen Abbaubarkeit von Textilabwässern mittels Persulfat/Dithionit-Verfahren. Biomassekonverter. Bioraffinerie https://doi.org/10.1007/s13399-023-04128-6 (2023).

Artikel Google Scholar

Belver, C., Rodriguez, JJ & Bedia, J. Abbauwege neu auftretender Schadstoffe unter Verwendung von TiO2-aktivierten Kohlenstoff-Heterostrukturen in wässriger Lösung unter simuliertem Sonnenlicht. Chem. Ing. J. 392, 124867 (2020).

Artikel Google Scholar

Samy, M. et al. Innovativer photokatalytischer Reaktor zum Abbau von Chlorpyrifos unter Verwendung eines beschichteten Verbundwerkstoffs aus ZrV2O7 und Graphen-Nanoplättchen. Chem. Ing. J. 395, 124974 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Rahmani, A., Shabanloo, A. & Shabanloo, N. Ein Kurzüberblick über die jüngsten Fortschritte bei Bleidioxid-Elektrokatalysatoren für den Abbau toxischer organischer Schadstoffe. Mater. Heute Chem. 27, 101311 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Guo, Q., Zhou, C., Ma, Z. & Yang, X. Grundlagen der TiO2-Photokatalyse: Konzepte, Mechanismen und Herausforderungen. Adv. Mater. 31, 1–26 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Samy, M. et al. Behandlung von gefährlichem Deponiesickerwasser, das 1,4-Dioxan enthält, durch Photokatalysatoren auf Pflanzenkohlebasis in einem solaren Photooxidationsreaktor. J. Umgebung. Verwalten. 332, 117402 (2023).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhou, C. et al. Rationales Design von kohlenstoffdotierten Kohlenstoffnitrid/Bi12O17Cl2-Verbundwerkstoffen: Ein vielversprechender Photokatalysatorkandidat zur Beschleunigung des durch sichtbares Licht gesteuerten photokatalytischen Abbaus von Tetracyclin. ACS Sustain. Chem. Ing. 6, 6941–6949 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Chang, F. et al. Ag/AgCl-Nanopartikel dekorierten plasmonische 2D-Bi12O17Cl2-Komposite, die ohne exotische Chlorionen mit verbesserter photokatalytischer Leistung hergestellt wurden. Mol. Katal. 477, 110538 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Quan, Y., Wang, B., Liu, G., Li, H. & Xia, J. Karbonisierte Polymerpunkte modifizierten ultradünne Bi12O17Cl2-Nanoblätter Z-Schema-Heteroübergang für robuste CO2-Photoreduktion. Chem. Ing. Wissenschaft. 232, 116338 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, C. et al. In situ gewachsene AgI/Bi12O17Cl2-Heteroübergangs-Photokatalysatoren für den Abbau von Sulfamethazin durch sichtbares Licht: Effizienz, Weg und Mechanismus. ACS Sustain. Chem. Ing. 6, 4174–4184 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, L., Min, X., Sui, J. Colloid Interface Sci. 560, 21–33 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Er, G. et al. Einfache Synthese blütenartiger Bi12O17Cl2/β-Bi2O3-Komposite mit verbesserter photokatalytischer Leistung im sichtbaren Licht für den Abbau von 4-tert-Butylphenol. Appl. Katal. B Umgebung. 170–171, 1–9 (2015).

Google Scholar

Samy, M. et al. Solarlichtbetriebene ZnO/Pflanzenkohle-Behandlung von mit Pestiziden kontaminiertem Abwasser: Eine praktische und rechnerische Studie. Energiewissenschaft. Ing. https://doi.org/10.1002/ese3.1299 (2022).

Artikel Google Scholar

Bhavani, P., Hussain, M. & Park, Y.-K. Jüngste Fortschritte bei nachhaltigen, auf Pflanzenkohle basierenden Halbleitermaterialien für photokatalytische Anwendungen: Ein Überblick über den neuesten Stand der Technik. J. Sauber. Prod. 330, 129899 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Dey, T., Bhattacharjee, T., Nag, P., Ghati, A. & Kuila, A. Bioresource Technology berichtet über die Verwertung von Agrarabfällen in Mehrwertprodukte für eine nachhaltige Entwicklung. Bioresour. Technol. Rep. 16, 100834 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ma, J. et al. Herstellung von Graphen/Bi12O17Cl2 als wirksamer Photokatalysator für sichtbares Licht. Mater. Res. Stier. 122, 110690 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Gar Alalm, M., Ookawara, S., Fukushi, D., Sato, A. & Tawfik, A. Verbesserte photokatalytische WO3-Effizienz unter Verwendung von ZrO2 und Ru für den Abbau von Carbofuran und Ampicillin. J. Hazard. Mater. Rev. 302, 225–231 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Alalm, MG, Tawfik, A. & Ookawara, S. Kombinierte solare fortschrittliche Oxidation und PAC-Adsorption zur Entfernung von Pestiziden aus Industrieabwässern. J. Mater. Umgebung. Wissenschaft. 6, 25 (2015).

Google Scholar

Gar Alalm, M., Tawfik, A. & Ookawara, S. Solarer photokatalytischer Abbau von Phenol durch TiO2/AC, hergestellt durch Temperaturimprägnierungsmethode. Entsalzung. Wassergenuss. 57, 835–844 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

APHA. Standardmethoden zur Untersuchung von Wasser und Abwasser. 23. Aufl. Washington, D.C. Am. Öffentliche Heilung. Assoc. Wasserarbeit. Assoc. Wasserumgebung. Gefüttert. (2017).

Zhang, Y. et al. Einblicke in den Abbau von Tetracyclin im Abwasser der Marikultur durch einen fortschrittlichen UV-/Persulfat-Oxidationsprozess. Umgebung. Res. 212, 113324 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chen, Q., Zheng, J., Chem. Ing. J. 356, 341–349 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Fan, Y. et al. Adsorption von Sulfonamiden an Biokohle aus Abfallrückständen und ihr Mechanismus. J. Hazard. Mater. 406, 124291 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xu, Y. et al. Wüstenkäferähnliche Mikrostrukturen, die durch magnetische Fe3O4-Körner überbrückt werden, um die Trennleistung von Öl-in-Wasser-Emulsionen und die solargestützte Recyclingfähigkeit von Graphenoxid zu verbessern. Chem. Ing. J. 427, 130904 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, Y., Zhao, Entsalzung. Wassergenuss. 46, 115–123 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Shi, T. et al. Aufbau eines elektrischen Grenzflächenfelds durch elektrostatische Selbstorganisation: Verbesserung der photokatalytischen Leistung von 2D/2D-Bi12O17Cl2/g-C3N4-Nanoblättern. J. Mater. Wissenschaft. Mater. Elektron. 33, 17522–17534 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Chang, F. et al. Sauerstoffreiche Wismutoxychlorid-Bi12O17Cl2-Materialien: Konstruktion, Charakterisierung und sonokatalytische Abbauleistung. Ultraschall. Sonochem. 50, 105–113 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ge, L., Han, C., Xiao, Int. J. Hydrogen Energy 38, 6960–6969 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Samy, M. et al. Mit CNTs/MOF-808 lackierte Platten für die erweiterte Behandlung von pharmazeutischen und agrochemischen Abwässern in einem neuartigen photokatalytischen Reaktor. Chem. Ing. J. 406, 127152 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Hao, L., Huang, H., Guo, Y., Du, Appl. Surfen. Wissenschaft. 420, 303–312 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zheng, J. et al. Ein durch sichtbares Licht angetriebenes heterojuncted-Komposit WO3/Bi12O17Cl2: Synthese, Charakterisierung und verbesserte photokatalytische Leistung. J. Colloid Interface Sci. 510, 20–31 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Mensah, K., Samy, M., Mahmoud, H., Fujii, M. & Shokry, H. Schnelle Adsorption von Sulfamethazin auf mesoporösem Graphen, hergestellt aus Kunststoffabfällen: Optimierung, Mechanismus, Isothermen, Kinetik und Thermodynamik. Int. J. Umgebung. Wissenschaft. Technol. https://doi.org/10.1007/s13762-022-04646-2 (2022).

Artikel Google Scholar

Samy, M. et al. Neuartige Biosynthese eines graphengestützten nanovalenten Eisen-Nanohybrids zur effizienten Entfärbung saurer und basischer Farbstoffe. Sustain 14, 25 (2022).

Google Scholar

Mensah, K., Mahmoud, H., Fujii, M., Samy, M. & Shokry, H. Farbstoffentfernung mithilfe neuartiger Adsorbentien, die aus Plastikmüll und Eierschalen synthetisiert werden: Mechanismus, Isothermen, Kinetik, Thermodynamik, Regeneration und Wassermatrizen. Biomassekonverter. Bioraffinerie https://doi.org/10.1007/s13399-022-03304-4 (2022).

Artikel Google Scholar

Salama, E. et al. Die überlegene Leistung von Silikagel unterstützte nano-nullwertiges Eisen für die gleichzeitige Entfernung von Cr (VI). Wissenschaft. Rep. 12, 1–19 (2022).

Artikel Google Scholar

Khairnar, SD Hydrothermisch synthetisiertes nanokristallines Nb2O5 und seine photokatalytische Aktivität im sichtbaren Licht für den Abbau von Kongorot und Methylenblau. Iran. J. Catal. 20, 10 (2018).

Google Scholar

Hydrothermisch haben U. et al. Photokatalytischer Abbau von kommunalem Abwasser und Brillantblau-Farbstoff. Photokatalytischer Abbau von kommunalem Abwasser und Brillantblau-Farbstoff unter Verwendung hydrothermisch synthetisierter oberflächenmodifizierter, silberdotierter ZnO-Designerpartikel. Int. J. Photoenergy https://doi.org/10.1155/2012/670610 (2012).

Artikel Google Scholar

Samy, M., Ibrahim, MG, Alalm, MG & Fujii, M. Effektiver photokatalytischer Abbau von Sulfamethazin durch CNTs/LaVO 4 im Suspensions- und Tauchbeschichtungsmodus. Sep. Purif. Technol. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.116138 (2019).

Artikel Google Scholar

Vaiano, V., Sacco, O. & Sannino, D. Elektrische Energieeinsparung bei der photokatalytischen Entfernung von Kristallviolettfarbstoff durch die gleichzeitige Verwendung von lang anhaltenden blauen Leuchtstoffen, stickstoffdotiertem TiO2 und UV-Leuchtdioden. J. Sauber. Prod. 210, 1015–1021 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, N., Chen, J., Fang, Z. & Tsang, EP Ceria beschleunigte nanoskaliges nullwertiges Eisen und unterstützte die heterogene Fenton-Oxidation von Tetracyclin. Chem. Ing. J. 369, 588–599 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Xin, S. et al. Verbesserter heterogener Photo-Fenton-ähnlicher Abbau von Tetracyclin über CuFeO2/Pflanzenkohle-Katalysator durch Beschleunigung des Elektronentransfers unter sichtbarem Licht. J. Umgebung. Verwalten. 285, 112093 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Younes, HA, Taha, M., Mahmoud, R., Mahmoud, HM & Abdelhameed, RM Hohe Adsorption von Natriumdiclofenac an postsynthetisch modifizierten metallorganischen Gerüsten auf Zirkoniumbasis: Experimentelle und theoretische Studien. J. Colloid Interface Sci. 607, 334–346 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Der letzte Autor dankt der Academy of Scientific Research and Technology (ASRT)-Egypt (Projekt-ID: 9185) und der Natural Science Foundation of China für die teilweise Finanzierung dieser Forschung. Dem NRC wird für die teilweise Finanzierung dieser Forschung gedankt (Projekt-ID: 13040108). Mahmoud Samy und Mohamed Gar Alalm werden durch ein intern finanziertes Projekt der Mansoura-Universität unterstützt.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Mahmoud Samy, Ribh S. Abodlal und Ahmed Tawfik.

Abteilung für öffentliche Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Mansoura-Universität, Mansoura, 35516, Ägypten

Mahmoud Samy & Mohamed Gar Alalm

Chemieabteilung, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Alexandria, Alexandria, Ägypten

Ribh S. Abodlal, Ali El-Dissouky und Tarek E. Khalil

Abteilung für Wasserverschmutzungsforschung, Nationales Forschungszentrum, Postfach 12622, Gizeh, Ägypten

Mohamed N. Khalil & Ahmed Tawfik

Abteilung für Botanik und Mikrobiologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Alexandria, Alexandria, Ägypten

Ehab R. El-Helow

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MS: Verfassen des Originalentwurfs, Untersuchung, Verfassen einer Rezension und Bearbeiten; MGA: Verfassen des Originalentwurfs, Untersuchung, Verfassen einer Rezension und Bearbeiten; AE-D.: Konzeption, Finanzierungseinwerbung, Rezension und Redaktion. RSa: Methodik, Verfassen des Originalentwurfs. MNK: Methodik. ERE-H.: Rezension schreiben und redigieren, TE-SK: Recherche, Rezension schreiben und redigieren; AT: Konzeptualisierung, Finanzierungseinwerbung, Verfassen des Originalentwurfs, Untersuchung, Verfassen einer Rezension und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Ahmed Tawfik.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Samy, M., Gar Alalm, M., Abodlal, RS et al. Ein neuartiger, aus Corchorus olitorius gewonnener Biokohle/Bi12O17Cl2-Photokatalysator zur Dekontamination von Antibiotika-Abwasser, das Tetracyclin enthält, unter natürlichem sichtbarem Licht. Sci Rep 13, 13190 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38715-4

Zitat herunterladen

Eingegangen: 23. April 2023

Angenommen: 13. Juli 2023

Veröffentlicht: 14. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38715-4

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.