Degradation of model organic water pollutants with H2O2 and persulphates in oxide systems

Wzrost wiedzy społeczeństwa na temat rosnącego problemu jakim jest występowanie zanieczyszczeń w zbiornikach wodnych takich jak np. barwniki, pestycydy, antybiotyki, a także wzrost zagrożeń spowodowany występowaniem tego zjawiska przyczynił się do rozwoju nowych technologii mających na celu oczyszczenie oraz ochronę tych obszarów. Jednym z najczęściej stosowanych sposobów usuwania zanieczyszczeń organicznych z wód jest proces chemicznej degradacji, oparty na tzw. zaawansowanych procesach utleniania (AOP). Rozkład zanieczyszczeń za pomocą AOP opiera się na generowaniu reaktywnych form tlenu (ROS), które są zdolne do mineralizacji związków organicznych do wody i dwutlenku węgla. Rodniki te powstają w wyniku rozkładu nadtlenku wodoru, jonów nadtlenosiarczanowych i nadsiarczanowych w obecności związków metali przejściowych o wysokiej aktywności, czy też fotolizy wody, która polega na naświetlaniu wody promieniowaniem o odpowiedniej energii np. promieniowaniem ultrafioletowym. W pracy zbadano aktywności katalityczną tlenków metali przejściowych: amorficznego Nb2O5 i NbCuOx oraz krystalicznych CuO, CeO2 i NbCeOx w generowaniu reaktywnych form tlenu. Analizę strukturalną badanych materiałów wykonano przy użyciu trzech technik badawczych: spektroskopii Ramana, dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Badania te umożliwiły określenie stopnia krystaliczności zsyntezowanych materiałów oraz ustalenie ich składów pierwiastkowych. Reaktywne formy tlenu, takie jak rodniki hydroksylowe i siarczanowe, aniony nadtlenkowe oraz tlen singletowy zostały wykryte za pomocą spektroskopii Ramana, UV-Vis oraz EPR. Przeprowadzono pułapkowanie spinowe z wykorzystaniem DMPO oraz reakcję utleniania TEMP poprzez reakcję z tlenem singletowym prowadzącą do otrzymania związku TEMPO. Otrzymane wyniki potwierdziły, że wszystkie badane materiały zdolne są do wytwarzania rodników hydroksylowych i siarczanowych. W przypadku reakcji z TEMP, katalizatorem, który generował największą ilość tlenu singletowego był tlenek niobu(V). Na koniec sprawdzono reaktywność chemiczną badanych materiałów w utlenianiu rozpuszczalnych w wodzie barwników, takich jak błękit metylenowy oraz rodamina B, w celu sprawdzenia ich przydatności w zaawansowanych procesach utleniania.

The increase in society's knowledge of the growing problem of pollutants in water reservoirs, such as dyes, pesticides, antibiotics, as well as the increase in threats caused by this phenomenon, has contributed to the development of new technologies aimed at cleaning and protecting these areas. One of the most frequently used methods of removing organic pollutants from water is the process of chemical degradation, based on the so-called advanced oxidation processes (AOP). The breakdown of pollutants using AOP is based on the generation of reactive oxygen species (ROS), which are able to mineralize organic compounds into water and carbon dioxide. These radicals are formed as a result of the decomposition of hydrogen peroxide, peroxysulfate and persulfate ions in the presence of highly active transition metal compounds, or water photolysis, which consists in irradiating water with radiation of appropriate energy, e.g. ultraviolet radiation.The work investigated the catalytic activity of transition metal oxides: amorphous Nb2O5 and NbCuOx and crystalline CuO, CeO2 and NbCeOx in generating reactive oxygen species. Structural analysis of the tested materials was performed using three research techniques: Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF). These tests made it possible to determine the degree of crystallinity of the synthesized materials and to determine their elemental compositions. Reactive oxygen species such as hydroxyl and sulfate radicals, superoxide anions and singlet oxygen were detected by Raman, UV-Vis and EPR spectroscopy. Spin trapping using DMPO and oxidation of TEMP by reaction with singlet oxygen were performed to obtain the TEMPO compound. The obtained results confirmed that all tested materials are capable of producing hydroxyl and sulphate radicals. In the case of the reaction with TEMP, the catalyst that generated the largest amount of singlet oxygen was niobium(V) oxide. Finally, the chemical reactivity of the tested materials in the oxidation of water-soluble dyes such as methylene blue and rhodamine B was tested to test their suitability for advanced oxidation processes.