Исследование фотокаталитических свойств композитов хитозан-TiO₂ для разложения пирена 

Татаринов Д.А., Сокольникова С.Р., Мыслицкая Н.А. Исследование фотокаталитических свойств композитов хитозан-TiO₂ для разложения пирена // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 670–678. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-670-678

Предмет исследования. Разработаны нано- и микрокомпозиты хитозан-TiO₂ для фотокаталитического разложения представителя полициклических ароматических углеводородов — пирена. Метод. Наночастицы TiO₂ синтезированы методом лазерной абляции и определены их размеры с помощью метода фотонной корреляционной спектроскопии. Изготовлены нано- и микрокомпозиты на основе хитозана с различными содержаниями частиц TiO₂. Исследовано влияние нано- и микрочастиц TiO₂ в составе изготовленных нанокомпозитов на фотодеградацию пирена в модельных растворах диметилсульфоксида под ультрафиолетовым излучением. Для оценки снижения концентраций пирена в растворах использован метод люминесцентного анализа. Основные результаты. По результатам выполненных исследований построены графики кинетики псевдопервого порядка для деградации пирена в растворах. Доказана эффективность использования полученных композитов хитозан-TiO₂ для фотокаталитического разложения пирена. За 60 мин под ультрафиолетовым излучением с помощью композитов хитозан-TiO₂ подверглось фотокаталитическому разложению 68 % пирена при использовании наночастиц TiO₂ и 55 % — микрочастиц TiO₂. Практическая значимость. Разработанные композиты хитозан-TiO₂ — перспективные фотокаталитические материалы для разложения полициклических ароматических углеводородов в водных средах. Методика изготовления композитов не требует дорогостоящего оборудования для изготовления, а также они удобны в применении для проведения фотокаталитических реакций.

1. Kalf D.F., Crommentuijn T., Van de Plassche E.J. Environmental quality objectives for 10 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) // Ecotoxicology and Environmental Safety. 1997. V. 36. N 1. P. 89–97. https://doi.org/10.1006/eesa.1996.1495

2. Kim K.-H., Jahan S.A., Kabir E., Brown R.J.C. A review of airborne polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their human health effects // Environment International. 2013. V. 60. P. 71–80. https://doi.org/10.1016/j.envint.2013.07.019

3. Zhang L., Li P., Gong Z., Li X. Photocatalytic degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons on soil surfaces using TiO2 under UV light // Journal of Hazardous Materials. 2008. V. 158. N 2-3. P. 478–484. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.01.119

4. Watanabe T., Kojima E., Norimoto K., Saeki Y. Fabrication of TiO2 photocatalytic tile and its practical applications // Fourth Euro Ceramics. 1995. V. 11. P. 175–180.

5. Ramirez A.M., De Belie N. Application of TiO2 photocatalysis to cementitious materials for self-cleaning purposes // Applications of Titanium Dioxide Photocatalysis to Construction Materials. 2011. P. 11–15. https://doi.org/10.1007/978-94-007-1297-3_3

6. Nguyen V.-H., Phan Thi L.-A., Van Le Q., Singh P., Raizada P., Kajitvichyanukul P. Tailored photocatalysts and revealed reaction pathways for photodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in water, soil and other sources // Chemosphere. 2020. V. 260. P. 127529. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127529

7. Ireland J.C., Dávila B., Moreno H., Fink S.K., Tassos S. Heterogeneous photocatalytic decomposition of polyaromatic hydrocarbons over titanium dioxide // Chemosphere. 1995. V. 30. N 5. P. 965–984. https://doi.org/10.1016/0045-6535(94)00452-Z

8. Dass S., Muneer M., Gopidas K. Photocatalytic degradation of wastewater pollutants. Titanium-dioxide-mediated oxidation of polynuclear aromatic hydrocarbons // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 1994. V. 77. N 1. P. 83–88. https://doi.org/10.1016/1010-6030(94)80011-1

9. Wen S., Zhao J., Sheng G., Fu J., Peng P. Photocatalytic reactions of pyrene at TiO2/water interfaces // Chemosphere. 2003. V. 50. N 1. P. 111–119. https://doi.org/10.1016/S0045-6535(02)00420-4

10. Pal B., Sharon M. Photodegradation of polyaromatic hydrocarbons over thin film of TiO2 nanoparticles; a study of intermediate photoproducts // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2000. V. 160. N 2. P. 453–460. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(00)00280-6

11. Salihoglu N.K., Karaca G., Salihoglu G., Tasdemir Y. Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons from municipal sludge using UV light // Desalination and Water Treatment. 2012. V. 44. N 1-3. P. 324–333. https://doi.org/10.1080/19443994.2012.691689

12. Djachuk O.A., Tkachenko A.V. The luminescence of polycyclic aromatic hydrocarbons on modified by surface-active agent cellulose // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6791. P. 67910P. https://doi.org/10.1117/12.803984

13. Siripatrawan U., Kaewklin P. Fabrication and characterization of chitosan-titanium dioxide nanocomposite film as ethylene scavenging and antimicrobial active food packaging // Food Hydrocolloids. 2018. V. 84. P. 125–134. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.04.049

14. Rinaudo M. Chitin and chitosan: Properties and applications // Progress in Polymer Science. 2006. V. 31. N 7. P. 603–632. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2006.06.001

15. Jabli M., Baouab M.H.V., Roudesli M.S., Bartegi A. Adsorption of acid dyes from aqueous solution on a chitosan-cotton composite material prepared by a new pad-dry process // Journal of Engineered Fibers and Fabrics. 2011. V. 6. N 3. P. 1–12. https://doi.org/10.1177/155892501100600301

16. Gerente C., Lee V.K.C., Le Cloirec P., McKay G. Application of chitosan for the removal of metals from wastewaters by adsorption - Mechanisms and models review // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2007. V. 37. N 1. P. 41–127. https://doi.org/10.1080/10643380600729089

17. Tatarinov D., Sokolnikova S., Myslitskaya N. Solid-phase luminescence of pyrene in chitosan adsorbents // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2020. V. 6. N 1. P. 010305. https://doi.org/10.18287/JBPE20.06.010305

18. Singh S.C., Swarnkar R.K., Gopal R. Synthesis of titanium dioxide nanomaterial by pulsed laser ablation in water // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2009. V. 9. N 9. P. 5367–5371. https://doi.org/10.1166/jnn.2009.1114

19. Siuzdak K., Sawczak M., Klein M., Nowaczyk G., Jurga S., Cenian A. Preparation of platinum modified titanium dioxide nanoparticles with the use of laser ablation in water // Physical Chemistry Chemical Physics. 2014. V. 16. N 29. P. 15199–15206. https://doi.org/10.1039/C4CP01923G

20. HORIBA Instruments Incorporated. Fluorolog-3: Operation Manual. 2014.

21. Currie L.A., Svehla G. Nomenclature for the presentation of results of chemical analysis (IUPAC Recommendations 1994) // Pure and Applied Chemistry. 1994. V. 66. N 3. P. 595–608. https://doi.org/10.1351/pac199466030595

22. Lasa H.D., Serrano B., Salaices M. Novel photocatalytic reactors for water and air treatment // Photocatalytic Reaction Engineering. Springer, 2005. P. 17–47. https://doi.org/10.1007/0-387-27591-6_2

23. Maira A.J., Yeung K.L., Lee C.Y., Yue P.L., Chan C.K. Size effects in gas-phase photo-oxidation of trichloroethylene using nanometer-sized TiO2 catalysts // Journal of Catalysis. 2000. V. 192. N 1. P. 185–196. https://doi.org/10.1006/jcat.2000.2838

24. Shih Y.-H., Lin C.-H. Effect of particle size of titanium dioxide nanoparticle aggregates on the degradation of one azo dye // Environmental Science and Pollution Research. 2012. V. 19. N 5. P. 1652–1658. https://doi.org/10.1007/s11356-011-0669-z

25. Rogacheva S.M., Volkova E.V., Otradnova M.I., Gubina T.I., Shipovskaya A.B. Solvent effect on the solid-surface fluorescence of pyrene on cellulose diacetate matrices // International Journal of Optics. 2018. V. 2018. P. 3012081. https://doi.org/10.1155/2018/3012081

26. Tatarinov D., Sokolnikova S., Myslitskaya N. Applying of chitosan-TiO2 nanocomposites for photocatalytic degradation of anthracene and pyrene // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2021. V. 7. N 1. P. 010301. https://doi.org/10.18287/JBPE21.07.010301

27. Soni H., Kumar N., Patel K., Kumar N.R. Investigation on the heterogeneous photocatalytic remediation of pyrene and phenanthrene in solutions using nanometer TiO2 under UV irradiation // Polycyclic Aromatic Compounds. 2020. V. 40. N 2. P. 257–267. https://doi.org/10.1080/10406638.2017.1411956

28. Soni H., Kumar J.I.N., Patel K., Kumar R.N. Photocatalytic decoloration of three commercial dyes in aqueous phase and industrial effluents using TiO2 nanoparticles // Desalination and Water Treatment. 2016. V. 57. N 14. P. 6355–6364. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1005147

29. Saloot M.K., Borghei S.M., Shirazi R.H.S.M. Evaluation of the photo-catalytic degradation of pyrene using Fe-doped TiO2 in presence of UV // Desalination and Water Treatment. 2019. V. 169. P. 232–240. https://doi.org/10.5004/dwt.2019.24660

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License