Degradation of [D-Leu]-Microcystin-LR by solar heterogeneous photocatalysis (TiO2)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Studies on the adsorption and kinetics of photodegradation of a model compound for heterogeneous photocatalysis onto TiO2

An investigation was made on the adsorption and kinetics of photodegradation of potassium hydrogenphthalate in an aqueous suspension of TiO2. Two models, Langmuir and Freundlich, were used to describe the adsorption process and the model proposed by Langmuir-Hinshelwood (L-H) was employed to describe the kinetics of the photodecomposition reactions of hydrogenphthalate. The results of the adsorptions were fitted to the models proposed by Langmuir and Freundlich. Adsorption was found to be a function of the temperature, with adsorption capacity increasing from 2.4 to 4.5 mg/g when the temperature rose from 20 to 30 degrees C. The kinetic model indicates that the rate constant, k, of the first order reaction, is high in the 10.0 to 100 mg/l interval, which is coherent with the low value of the adsorption constant, K. The results fitted to the L-H model led to an equation that, within the range of concentrations studied here, theoretically allows one to evaluate the photodegradation rate. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Polishing of water treated by a biological process with heterogeneous photocatalysis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Coagulation-flocculation of TiO2 in suspension used in heterogeneous photocatalysis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Degradation of [D-Leu]-Microcystin-LR by solar heterogeneous photocatalysis (TiO2)

The present study investigates the use of solar heterogeneous photocatalyis (TiO2) for the destruction of [D-Leu]-Microcystin-LR, powerful toxin of widespread occurrence within cyanobacteria blooms. We extracted [D-Leu]-Microcystin-LR from a culture of Microcystis spp. and used a flat plate glass reactor coated with TiO2 (Degussa, P25) for the degradation studies. The irradiance was measured during the experiments with the aid of a spectroradiometer. After the degradation experiments, toxin concentrations were determined by HPLC and mineralization by TOC analyses. Acute and chronic toxicities were, quantified using mice and phosphatase inhibition in vitro assays, respectively. According to the performed experiments, 150 min were necessary to reduce the toxin concentration to the WHO's guideline for drinking water (from 10 to 1 mu g L-1) and to mineralize 90% of the initial carbon content. Another important finding is that solar heterogeneous photocatalysis was a destructive process indeed, not only for the toxin, but also for the other extract components and degradation products generated. Moreover, toxicity tests using mice have shown that the acute effect caused by the initial sample was removed. However, tests using the phosphatase enzyme indicated that it may be formed products capable of inducing chronic effects on mammals. The performed experiments indicate the feasibility of using solar heterogeneous photocatalysis for treating contaminated water with [D-Leu]-Microcystin-LR, not only due to its destruction, but also to the significant removal of organic matter and acute toxicity that can be achieved. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Removal of phenol in high salinity media by a hybrid process (activated sludge plus photocatalysis)

The degradation of phenol by a hybrid process (activated sludge + photocatalysis) in a high salinity medium (50 g L-1 of chloride) has been investigated. The sludge used from a municipal wastewater facility was adapted to the high salt concentrations prior to use. The photocatalytic conditions were optimized by means of a factorial experimental design. TiO2 P25 from Degussa was used as the photocatalyst. The initial phenol concentration was approximately 200 mg L-1 and complete removal of phenol and a mineralization degree above 98% were achieved within 25 h of treatment (24 h of biological treatment and I h of photocatalysis). From HPLC analyses, five hydroxylated intermediates formed during oxidation have been identified. The main ones were catechol and hydroquinone, followed by 1,2,4-benzenetriol, 2-hydroxy- 1,4-benzoquinone, and pyrogallol, in this order. No formation of organochlorine compounds was observed. Therefore, the proposed hybrid process showed itself to be suited to treat phenol in the presence of high contents of salt. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Tungsten-based nanomaterials (WO3 & Bi2WO6): Modifications related to charge carrier transfer mechanisms and photocatalytic applications

Heterogeneous photocatalysis is an ideal green energy technology for the purification of wastewater. Although titania dominates as the reference photocatalyst, its wide band gap is a bottleneck for extended utility. Thus, search for non-TiO2 based nanomaterials has become an active area of research in recent years. In this regard, visible light absorbing polycrystalline WO3 (2.4-2.8 eV) and Bi2WO6 (2.8 eV) with versatile structure-electronic properties has gained considerable interest to promote the photocatalytic reactions. These materials are also explored in selective functional group transformation in organic reactions, because of low reduction and oxidation potential of WO3 CB and Bi2WO6 VB, respectively. In this focused review, various strategies such as foreign ion doping, noble metal deposition and heterostructuring with other semiconductors designed for efficient photocatalysis is discussed. These modifications not only extend the optical response to longer wavelengths, but also prolong the life-time of the charge carriers and strengthen the photocatalyst stability. The changes in the surface-bulk properties and the charge carrier transfer dynamics associated with each modification correlating to the high activity are emphasized. The presence of oxidizing agents, surface modification with Cu2+ ions and synthesis of exposed facets to promote the degradation rate is highlighted. In depth study on these nanomaterials is likely to sustain interest in wastewater remediation and envisaged to signify in various green energy applications. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Descoloração e Mineralização de Corantes Reativos por Processo Fotocatalítico Utilizando ZnO e Radiação UV

As indústrias consomem volumes elevados de água e outras substâncias químicas na síntese dos seus produtos e geram grande quantidade de rejeitos. Entre os mais importantes poluentes encontrados nos efluentes dessas indústrias estão os corantes sintéticos que representam um problema, pois não são facilmente destruídos por tratamentos convencionais. A fotocatálise heterogênea tem sido considerada como uma alternativa efetiva no tratamento de efluentes contendo esses corantes. Neste trabalho, estudou-se a cinética de descoloração e o grau de mineralização dos corantes sintéticos reativos Yellow 145, Black 5, Red 4 e Blue 21 através da fotocatálise utilizando ZnO puro e impregnado com íons Fe2+ e Co2+. Testes preliminares foram realizados para otimizar a concentração dos corantes e a massa mínima de catalisador a ser utilizado nos experimentos fotocatalíticos. Além da fotocatálise, experimentos individuais de fotólise e adsorção também foram realizados, porém se mostraram poucos eficientes. Através da espectrofotometria UV-Vis, verificou-se o total descoramento individual dos corantes em aproximadamente 30 minutos de irradiação com ZnO. O grau de mineralização de cada corante foi determinado através de análise de carbono orgânico total (COT), atingindo-se cerca de 70 a 80% de mineralização após 240 minutos de tratamento fotocatalítico. Foram comparadas, ainda, as eficiências de cada fotocatalisador ZnO, Fe/ZnO e Co/ZnO na mineralização de uma solução contendo a mistura dos quatro corantes já mencionados após 240 minutos de reação. A eficiência na mineralização da mistura dos corantes seguiu a seguinte ordem: Co/ZnO (32%), ZnO (78%) e Fe/ZnO (87%). A reação de degradação fotocatalítica do corante Black 5 seguiu uma cinética de primeira ordem, enquanto que os corantes Yellow 145, Red 4 e Blue 21 seguiram uma cinética de ordem zero.

Síntese e caracterização de TiO2 puro e modificado para aplicações ambientais

Fotocatalisadores baseados em nanopartículas de dióxido de titânio modificados fornecem soluções em potencial para a mineralização de poluentes orgânicos em meio aquoso. Agentes modificadores têm sido amplamente investigados com o objetivo de promover a fotoativação pela luz visível. Foram estudadas a nível fundamental até aqui, as modificações estruturais, texturais e óticas causadas pela introdução de silício e nitrogênio na rede da titânia. Titânias puras (TiO2) e modificadas nanoestruturadas, particularmente titânias modificadas com silício (TiO2-SiO2), com razões atômicas Si/Ti de 0,1, 0,2 e 0,3 foram sintetizadas pelo método sol-gel a partir da hidrólise ácida de isopropóxido de titânio(IV) e tetraetoxisilano. As metodolo-gias sintéticas desenvolvidas tentaram aderir aos princípios da Química Verde, dispensando o uso de atmosfera inerte e temperatura e pressão elevadas, o que foi alcançado utilizando-se, principalmente, a agitação ultrassônica. Titânias modificadas com silício e dopadas com ni-trogênio (TiO2-SiO2-N) foram obtidas a partir do pré-tratamento de TiO2-SiO2 a 500 C ao ar e então submetidas ao fluxo de amônia (NH3) a 600 C por 1-3 h e, após resfriamento, foram recozidas a 400 C ao ar. Amostras distintas foram caracterizadas, na forma de pó seco e após calcinação entre 400600 C, por difração de raios X, adsorção de nitrogênio, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. As titânias pu-ras, obtidas principalmente variando-se a razão de hidrólise, foram cristalizadas na forma de anatásio como fase predominante até 600 C, além de traços de brookita presente até 500 C. O rutilo foi identificado a partir de 600 C como fase minoritária, embora apresentando tama-nhos de cristal significativamente maiores que os estimados para o cristal de anatásio. As titâ-nias modificadas com até 20% de silício apresentaram notável estabilidade térmica, evidenci-ada pela presença exclusiva de anatásio até 900 C. Foi também observado o aparecimento de macroporos com diâmetro médio em torno de 55 nm após calcinação a 400 C, diferentemente do que se observou nas amostras em geral. A introdução de baixo teor de silício assegurou às titânias calcinadas valores elevados de área específica, atribuído ao efeito de contenção acentuada na taxa de crescimento do cristal. As titânias modificadas com silício e as titânias puras obtidas com taxa de hidrólise 25:1 para a razão H2O : Ti apresentaram mesoporos com diâmetros médios de mesma dimensão do cristal. As titânias modificadas com silício e dopa-das com nitrogênio apresentaram absorção na região visível entre 400-480 nm, com discreta redução da energia de band gap para as transições eletrônicas consideradas. Titânias calcina-das a 300−400 C apresentaram desempenho fotocatalítico semelhante ao TiO2 P25 da De-gussa sob irradiação UV, na degradação do azo corante Reactive Yellow 145 em soluções a-quosas em pH 5 a 20 1C

Degradação de corantes têxteis ácidos e reativos por fotocatálise heterogênea, usando TiO2 como fotocatalisador

A indústria têxtil tem como característica a geração de grandes volumes de resíduos, principalmente corantes oriundos do tingimento de fios e tecidos. Os tratamentos convencionais de efluentes têxteis são ineficazes na degradação da maioria dos corantes. A fotocatálise heterogênea vem surgindo como alternativa promissora no tratamento desses poluentes. Neste trabalho, estudou-se a degradação fotocatalítica de duas soluções, simuladas em laboratório, compostas pelos corantes ácidos Blue 74, Red 51 e Yellow 3 (efluente I) e pelos reativos Black 5, Red 239 e Yellow 17 (efluente II), além de outros produtos químicos. Testes preliminares foram realizados para otimizar o pH e a massa de catalisador (TiO2) utilizados. Além da fotocatálise, experimentos de fotólise e adsorção também foram realizados. Através de espectrofotometria UV-VIS, verificou-se um descoramento por fotocatálise de 96% em 240 min e 97% em 30 min dos efluentes I e II, respectivamente. A mineralização do efluente I foi baixa (37%) e a do efluente II desprezível, nos tempos utilizados. No banho com corantes ácidos, foram realizadas ainda análises de toxicidade com sementes de alface (Lactuca sativa). A CE50 inicial estimada foi igual a 19,28 %, sendo a toxicidade totalmente removida após 63 min de processo fotocatalítico. A fotólise não obteve a mesma eficiência da fotocatálise, mostrando a importância do catalisador na degradação. A adsorção não foi significativa para os efluentes estudados. As cinéticas de degradação fotocatalítica de todos os corantes seguiram um modelo de pseudo-primeira ordem

Sínteses e caracterizações de TiO2 puro, dopado e co-dopado pelo método sol-gel e suas atividades fotocatalíticas

Nanopartículas de dióxido de titânio vêm sendo extensamente empregadas como fotocatalisa-dores, já que são eficientes na degradação de diversos poluentes. Visando a obtenção de titâ-nias com diferentes propriedades, realizaram-se sínteses através do método sol-gel, a partir da hidrólise do tetraisopropóxido de titânio (IV) TIPP e seguindo-se os princípios da Química Verde, dispensando-se temperaturas e pressões elevadas. Foi estudada a influência de dife-rentes parâmetros, como: pH, solvente, razão molar álcool/TIPP e ordem de adição dos rea-gentes. Foram obtidas titânias na forma cristalina anatásio, nanométricas, com elevadas áreas superficiais específicas e predominantemente mesoporosas. Visando-se obter titânias com melhores propriedades óticas, isto é, capazes de sofrer a fotoativação pela luz visível, foram sintetizadas titânias dopadas e co-dopadas com os metais ferro e rutênio (Fe3+ e Ru3+) e o a-metal N (N3). A síntese desses materiais também foi realizada através do método sol-gel, sendo a dopagem realizada durante o processo de hidrólise. As amostras foram caracterizadas na forma de pó por difração de raios-X, adsorção-dessorção de nitrogênio, microscopia ele-trônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. A titânia pura a-presentou como única fase cristalina o anatásio, quando calcinada até 400 C, com a presença de traços de brookita. A partir de 600 C, observou-se o aparecimento da fase rutilo, que em 900C foi a única fase encontrada na titânia. A dopagem com Ru3+dificultou a transformação de fase anatásio para rutilo, ao contrário da dopagem com Fe3+. O processo de co-dopagem acelerou a formação de rutilo, que se apresentou como única fase nas amostras calcinadas a 600 C. As titânias dopadas apresentaram uma leve diminuição na energia de bandgap, sendo os dopantes capazes de deslocar a absorção para o vermelho. Foram realizados testes fotoca-talíticos visando à degradação do azocorante Reactive Yellow 145 com lâmpada de vapor de mercúrio de 125 W a fim de se comparar as atividades fotocatalíticas das titânias puras, dopa-das e co-dopadas, calcinadas a 300C. De todas as titânias sintetizadas, a titânia pura foi a que melhor degradou o corante, tendo um desempenho semelhante ao do TiO2 P25, da Evo-nik

Mathematical modelling of quantum yield enhancements of methyl orange photooxidation in aqueous TiO2 suspensions under controlled periodic UV LED illumination

Quantum yields of the photocatalytic degradation of methyl orange under controlled periodic illumination (CPI) have been modelled using existing models. A modified Langmuir-Hinshelwood (L-H) rate equation was used to predict the degradation reaction rates of methyl orange at various duty cycles and a simple photocatalytic model was applied in modelling quantum yield enhancement of the photocatalytic process due to the CPI effect. A good agreement between the modelled and experimental data was observed for quantum yield modelling. The modified L-H model, however, did not accurately predict the photocatalytic decomposition of the dye under periodic illumination.

Sono, Photo and Sonophoto Catalytic Removal of Chemical and Bacterial Pollutants from Wastewater

The term ‘water pollution’ broadly refers to the contamination of water and water bodies (e.g. lakes, rivers, oceans, groundwater etc). Water pollution occurs when pollutants are discharged directly or indirectly into water bodies without adequate treatment to remove the harmful contaminants. This affects not only the plants and organisms living in these bodies of water but also the entire natural biological communities and the biodiversity.Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been tested as environment-friendly techniques for the treatment of contaminated water, in view of their ability to convert pollutants into harmless end products. These techniques refer to a set of treatment procedures designed to remove organic or inorganic contaminants in wastewater by oxidation. The contaminants are oxidized by different reagents such as air, oxygen, ozone, and hydrogen peroxide which are introduced in precise, preprogrammed dosages, sequences and combinations under appropriate conditions. The procedure when combined with light in presence of catalyst is known as photocatalysis. When ultrasound (US) is used as the energy source, the process is referred as sonication. Sonication in presence of catalyst is referred as sonocatalysis. Of late, combination of light and sound as energy sources has been tested for the decontamination of wastewater in the presence of suitable catalyst. In this case, the process is referred as sonophotocatalysis. These AOPs are specially advantageous in pollution control and waste water treatment because unlike many other technologies, they do not just transfer the pollutant from one phase to another but completely degrade them into innocuous substances such as CO2 and H2O.

Influence of neodymium ions on photocatalytic activity of TiO(2) synthesized by sol-gel and precipitation methods

Titanium dioxide with and without the addition of neodymium ions was prepared using sol-gel and precipitation methods. The resulting catalysts were characterized by thermal analysis, X-ray diffraction and BET specific surface area. Neodymium addition exerted a remarkable influence on the phase transition temperature and the surface properties of the TiO(2) matrix. TiO(2) samples synthesized by precipitation exhibit an exothermic event related from the amorphous to anatase phase transition at 510 degrees C, whereas in Nd-doped TiO(2) this transition occurred at 527 degrees C. A similar effect was observed in samples obtained using sol-gel method. The photocatalytic reactivity of the catalysts was evaluated by photodegradation of Remazol Black B (RB) under ultraviolet irradiation. Nd-doped TiO(2) showed enhanced photodegradation ability compared to undoped TiO(2) samples, independent of the method of synthesis. In samples obtained by sol-gel, RB decoloration was enhanced by 16% for TiO(2) doped with 0.5% neodymium ions. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.