Kontekst badania
Oczyszczanie ścieków szpitalnych, szczególnie tych zawierających antybiotyki, jest wyzwaniem dla ochrony środowiska i zdrowia publicznego. Antybiotyki, takie jak tetracyklina, mogą powodować oporność bakteryjną i inne negatywne skutki środowiskowe. Fotokataliza, jako metoda degradacji zanieczyszczeń, zdobyła popularność ze względu na swoją skuteczność i niskie koszty.
Cele i hipotezy
Celem badań było opracowanie nowego fotokatalizatora opartego na azotku węgla grafitowego (g-CN), z funkcjonalizacją srebrnymi nanocząstkami (Ag NPs) oraz redukowanym tlenkiem grafenu (rGO), który miałby zwiększoną wydajność w usuwaniu tetracykliny. Hipoteza zakładała, że synergiczne działanie Ag NPs oraz rGO poprawi fotokatalityczną aktywność g-CN poprzez zwiększenie generacji par elektron-dziura oraz redukcję tempa ich rekombinacji.
Metody badawcze
W badaniach zastosowano metodę syntezy nanokompozytu rGO/Ag/g-CN poprzez funkcjonalizację g-CN srebrnymi nanocząstkami i rGO. Badania obejmowały charakterystykę fizykochemiczną fotokatalizatorów, w tym spektroskopię fotoluminescencyjną (PL), elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS) oraz pomiary kinetyki degradacji tetracykliny. Degradację testowano pod lampą LED, a także analizowano wydajność degradacji innych antybiotyków, takich jak doksycyklina i ofloksacyna.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Badania wykazały, że fotokatalizator rGO/Ag/g-CN, składający się z azotku węgla grafitowego (g-CN), srebrnych nanocząstek (Ag NPs) oraz redukowanego tlenku grafenu (rGO), osiągnął znaczącą efektywność w degradacji tetracykliny (TC) pod oświetleniem LED.
Analizując efektywność degradacji tetracykliny, rGO/Ag/g-CN osiągnął 97% rozkładu w ciągu 60 minut pod oświetleniem komercyjną lampą LED o mocy 20 W. Zastosowanie synergii pomiędzy srebrnymi nanocząstkami a rGO zwiększyło wydajność fotokatalizatora w porównaniu z samym g-CN oraz z prostymi kompozytami g-CN z Ag NPs lub rGO. Nanocząstki srebra (Ag NPs) pełniły funkcję kluczowego elementu, dzięki efektowi rezonansu plazmonowego (SPR). Efekt ten polegał na generacji dodatkowych par elektron-dziura pod wpływem światła, co zwiększyło wydajność fotokatalizy. rGO, będący „pułapką elektronów”, przyczynił się do zwiększenia mobilności nośników ładunku oraz zmniejszył rekombinację par elektron-dziura, co zapobiegało stratom. Zwiększona powierzchnia porowata dzięki obecności rGO pozwoliła na lepszą absorpcję światła i zwiększenie liczby generowanych par elektron-dziura.
Przeprowadzono szereg testów z różnymi stężeniami Ag NPs oraz rGO, aby znaleźć optymalną konfigurację nanokompozytu. Najwyższą wydajność uzyskano przy określonym stężeniu Ag2/g-CN i rGO2/g-CN) Zbyt duża ich ilość prowadziła do pogorszenia wydajności katalizatora, ze względu na aglomerację cząsteczek Ag lub nadmierną absorpcję światła przez rGO, co ograniczało transfer elektronów.
Wyniki degradacji tetracykliny przez rGO/Ag/g-CN okazały się porównywalne lub lepsze od innych fotokatalizatorów opartych na g-CN opisanych w literaturze, które wymagały droższych źródeł światła.
Nanokompozyt był również skuteczny w usuwaniu innych antybiotyków, takich jak doksycyklina (DC) i ofloksacyna (OF). DC, podobna strukturalnie do tetracykliny, uległa degradacji w ponad 95% w ciągu 60 minut. Z kolei OF była trudniejsza do zdegradowania, co wynika z obecności grup nitrowych w jej strukturze, które hamują procesy utleniania, ograniczając efektywność fotokatalizy.
Kinetika reakcji fotokatalitycznej pokazała, że rGO/Ag/g-CN miał najwyższy współczynnik k(abs) (stała szybkości absorpcji) w porównaniu do innych testowanych próbek. Oznacza to, że ten nanokompozyt był w stanie najszybciej rozkładać tetracyklinę.
Wyniki badań kinetycznych podkreślają rolę Ag NPs i rGO jako synergicznych komponentów, które nie tylko poprawiają wydajność katalizatora, ale również wydłużają czas życia nośników ładunku, co zwiększa efektywność procesu degradacji. Testy reużywalności wykazały, że fotokatalizator zachował stabilność po pięciu cyklach degradacji tetracykliny, przy minimalnym spadku wydajności. Badania XRD przed i po tych cyklach potwierdziły, że struktura nanokompozytu pozostała niezmieniona, co świadczy o jego trwałości. To istotny wynik, sugerujący możliwość wielokrotnego używania fotokatalizatora bez znaczącej utraty wydajności i bez wtórnego zanieczyszczania środowiska.
Przeprowadzono analizę toksyczności produktów pośrednich degradacji tetracykliny za pomocą modeli QSAR oraz testów toksyczności na roślinach, takich jak fasola mung. Większość produktów pośrednich wykazywała mniejszą toksyczność niż pierwotny związek, co potwierdza skuteczność i bezpieczeństwo proponowanego fotokatalizatora w rozkładaniu antybiotyków.
Wyniki wskazują, że nanokompozyt rGO/Ag/g-CN jest efektywnym rozwiązaniem do usuwania tetracykliny i innych antybiotyków z wody ściekowej. Wysoka wydajność fotokatalityczna wynika z synergii pomiędzy srebrnymi nanocząstkami i rGO, co zwiększa liczbę generowanych nośników ładunku oraz wydłuża czas ich życia, zmniejszając rekombinację. Stabilność nanokompozytu i jego zdolność do wielokrotnego użytku sprawiają, że może on być stosowany w rzeczywistych aplikacjach oczyszczania ścieków.
Ograniczenia zakresu badawczego
Badanie, mimo uzyskania obiecujących wyników, posiada pewne ograniczenia, które wpływają na pełną interpretację jego rezultatów oraz możliwość zastosowania w praktyce.
Nie uwzględniono wpływu zmiennych czynników środowiskowych, takich jak pH, temperatura, obecność soli czy związków jonowych, które mogą istotnie wpływać na wydajność fotokatalityczną. W rzeczywistych warunkach oczyszczania ścieków mogą występować skrajne wartości tych parametrów, które nie były analizowane w tym badaniu. Podsumowując, pomimo obiecujących rezultatów, badanie wymaga dalszych analiz, aby dokładniej zbadać efektywność i stabilność fotokatalizatora w rzeczywistych warunkach, jak również pełniejszej oceny toksyczności produktów pośrednich i możliwości zastosowania na skalę przemysłową.
Eksperymenty przeprowadzono w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, które mogą nie oddawać w pełni rzeczywistych warunków środowiskowych. W szczególności, oczyszczanie ścieków w rzeczywistych warunkach często wiąże się z obecnością różnych dodatkowych zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych, które mogą wpływać na efektywność fotokatalizatora. Testy na rzeczywistych próbkach wody, takich jak woda rzeczno-miejska czy ścieki szpitalne, wykazały skuteczność fotokatalizatora, jednak nie uwzględniono szerokiego zakresu potencjalnych czynników zakłócających, związków organicznych, soli metali ciężkich czy innych nieorganicznych zanieczyszczeń.
Badania zostały przeprowadzone z użyciem sztucznego źródła światła – LED, które różnią się od naturalnego światła słonecznego. Efektywność fotokatalizatora w warunkach oświetlenia słonecznego może być inna, ponieważ widmo światła słonecznego obejmuje również promieniowanie UV, które może mieć wpływ na aktywność fotokatalityczną. Konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań w warunkach naturalnego oświetlenia, aby zweryfikować skuteczność fotokatalizatora w rzeczywistych warunkach.
Choć badania wykazały, że fotokatalizator jest stabilny przez pięć cykli użytkowania, nie przeprowadzono szeroko zakrojonych badań nad jego długoterminową stabilnością i degradacją w wyniku długotrwałej ekspozycji na światło oraz kontakt z różnymi zanieczyszczeniami. Długoterminowe testy mogłyby wykazać potencjalne problemy związane z utratą aktywności katalitycznej czy mechaniczne zużycie materiału.
Fotokatalizator okazał się wysoce skuteczny w usuwaniu tetracykliny i doksycykliny, jednak w przypadku ofloksacyny wykazano niższą efektywność degradacji. Różne struktury chemiczne antybiotyków mogą wymagać specyficznych optymalizacji nanokompozytu dla efektywnego usuwania różnych rodzajów zanieczyszczeń. W związku z tym istnieje konieczność dalszych badań nad dopasowaniem składu fotokatalizatora do innych antybiotyków i związków organicznych o trudniejszych strukturach do degradacji.
Choć badano toksyczność niektórych produktów pośrednich degradacji tetracykliny, pełna analiza wszystkich możliwych produktów rozkładu nie została przeprowadzona. W rzeczywistych warunkach możliwe jest, że niektóre z tych produktów mogą być toksyczne lub stanowić zagrożenie dla środowiska, co wymagałoby bardziej szczegółowej analizy.
Testy toksyczności opierały się na modelach QSAR i testach toksyczności na roślinach, takich jak fasola mung, jednak brakuje badań na organizmach wodnych, co może ograniczać pełną ocenę ekologicznych skutków ubocznych procesu degradacji.
Chociaż opracowany fotokatalizator wykazuje potencjał skalowalności, dalsze badania są potrzebne, aby sprawdzić, jak proces produkcji nanokompozytu oraz jego zastosowanie mogą być przystosowane do większej skali przemysłowej. Istnieją wyzwania związane z masową produkcją nanokompozytów, szczególnie w kontekście zachowania ich wysokiej wydajności i stabilności w dużych systemach oczyszczania ścieków.
W obecnym badaniu zastosowano laboratoryjne ilości materiałów i roztworów, które mogą różnić się od pełnoskalowych instalacji przemysłowych pod względem efektywności i kosztów.
Artykuł został opublikowany w Journal of Environmental Management