CC BY
14
УДК 66.092.097.3:542.943-92 Чурина А.А, Иванцова Н.А.
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ПАРАЦЕТАМОЛА В ПРИСУТСТВИИ НИТРИДА УГЛЕРОДА С ВКЛЮЧЕНИЕМ ОКСИДА КРЕМНИЯ
Чурина Алина Антоновна- студентка бакалавриата 3-го года обучения кафедры промышленной экологии; [email protected]
Иванцова Наталья Андреевна - кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены процессы окисления модельного водного раствора парацетамола при гетерогенном фотокатализе. Проведена оценка возможности применения катализатора нитрида углерода g-CN с включением оксида кремния (SiO2) в отношении деструкции парацетамола. Определено, что эффективность фотодеструкции парацетамола достигается при максимальном времени контакта исследуемого раствора с зоной облучения.
Ключевые слова: фотокаталитическое окисление, деструкция, нитрид углерода, парацетамол, катализатор, водоочистка.
PHOTOCATALYTIC OXIDATION OF PARACETAMOL IN THE PRESENCE OF CARBON NITRIDE WITH INCLUSION OF SILICON OXIDE
Churina A.A., Ivantsova N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the processes of oxidation of a model aqueous solution of paracetamol during heterogeneous photocatalysis. The possibility of using a carbon nitride catalyst g-C3N4 with the inclusion of silicon oxide (SiO2) in relation to the destruction of paracetamol was evaluated. It is determined that the photodestruction efficiency of paracetamol is achieved at the maximum contact time of the test solution with the irradiation zone. Key words: photocatalytic oxidation, destruction, carbon nitride, paracetamol, catalyst, water treatment.
Введение
Вследствие широкомасштабной
индустриализации современного общества, значительная часть водных ресурсов подвергается воздействию высокоопасным загрязняющим веществам. Поступление в сточные воды широкого спектра загрязнителей приводит к качественным изменениям, проявляющимся в разрушении физических свойств и химического состава воды [1]. Ежегодно во всем мире происходит образование около 400 миллиардов тонн отходов, внушительная часть которых не подлежит переработке и сбрасывается в водоемы. Традиционные методы и технические подходы недостаточно эффективны в очистке сточных вод, содержащих
трудноокисляемые, не разлагаемые биологическими методами и органические загрязняющие вещества
[2]. В связи с этим альтернативными технологиями водоочистки являются методы, основанные на реакциях окислительной деструкции, называемые усовершенствованными окислительными процессами - Advanced Oxidation Processes (AOPs)
[3]. Подобные методы (электрохимические процессы, метод фотолиза, плазмохимическое окисление, гомогенные и гетерогенные фотокаталитические деструкции, сочетание O3/H2O2, H2O2 с катализатором и тд), хорошо зарекомендовали себя в отношении ряда органических соединений [4].
Эффективным фотокатализатором в реакциях разложения воды, восстановления диоксида углерода, окисления различных органических
экотоксикантов является графишподобный нитрид углерода ^-Сз^). За счет эффективного поглощения в видимом диапазоне и соответствующего разложения валентной зоны и зоны проводимости, за счет высокой термической и химической стабильности, низкой стоимости данный фотокатализатор привлекает внимание в гетерогенных процессах. Графитоподобный нитрид углерода способен вытеснить уже существующие известные металлооксидные катализаторы, поскольку является более дешевым аналогом и способен работать в области видимого света. Существует множество методов синтеза и модификаций нитрида углерода, которые в свою очередь могут усиливать или ухудшать функциональные свойства данного материала [5]. Материалы на основе углерода, такие как углеродные нанотрубки, активированный углерод, оксид графена, биоуголь и g-CзN4 успешно используются в качестве носителей
фотокатализаторов для удаления фармацевтических соединений. Оксид графена в фотохимических реакциях действует как донор электронов на катализаторах, например, FeзO4, так как неспаренные п-электроны Бр2-гибридизированных атомов углерода переносятся на FeзO4 и ускоряют как стадию регенерации Fe2+, так и общую каталитическую эффективность, за счет увеличения гидроксильных радикалов, и в конечном итоге увеличения скорости деструкции антибиотиков. Применение графитоподобных фотокатализаторов с включением ионов металлов переменной
валентности хорошо показали свои свойства в отношении деструкции метронидазола,
амоксициллина, тетрациклина и ципрофлоксацина [6-7]. Комбинирование различных переходных металлов (композитов) с нитридом углерода может повысить каталитическую активность.
Таким образом, целью данной работы являлось выявление эффективности процессов
фотокаталитического окисления водных растворов парацетамола в присутствии графитоподобного катализатора нитрида углерода (¿^N4) с включением оксида кремния ^Ю2).
Методика эксперимента
Исследования по фотоокислению модельных водных растворов парацетамола проводили на лабораторной установке, принципиальная схема которой представлена на рисунке 1. С помощью перистальтического насоса раствор поступает в УФ-установку, где он проходит по кварцевому спиралевидному змеевику вокруг лампы ДРБ-8 и очищенный раствор попадает в приёмник. Минимальная интенсивность излучения УФ-лампы на длине волны 254 нм составляет Етт = 0.029 Вт/см2.
Образовавшаяся мутновато-желтого цвета смесь проходила через УФ-облучение по кварцевому змеевику стационарной установки, параллельно перемешиваясь на магнитной мешалке. Следующим этапом осуществлялся отбор проб в зависимости от времени контакта с зоной облучения. Измерения массовой концентрации парацетамола
фотометрическим методом определяли его взаимодействием с нитритом натрия (NaNO2) с образованием суспензии, окрашенной в желтый цвет.
В исследованиях фотокаталитического окисления парцетамола в воде использовали графитоподобный катализатор нитрид углерода с включением оксида кремния. Образец катализатора получали в рамках лаборатории кафедры промышленной экологии РХТУ им. Менделеева. Получение гетерогенного катализатора нитрида углерода заключалось в растворении порошкообразного диоксида кремния в воде с последующим диспергированием меламина в полученный раствор. Далее следовало повышение рН раствора до 8, вследствие чего осуществлялось выпадение осадка. Образовавшийся осадок высушивали и прокаливали в муфельной печи при температуре 500 °С в течение 3-х часов.
Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 -перистальтический насос; 2 - УФ-лампа ДРБ-8; 3 -кварцевый змеевиковый фотореактор; 4 - приёмник.
Приготовление раствора твердой формы АФС (парацетамола) основывалось в измельчении и тщательном растирании таблетки парацетамола (фирмы «ОЗОН», действующее вещество -парацетамол) в агатовой ступке и дальнейшем взвешивании рассчитанного количества препарата на аналитических весах. Полученный раствор с концентрацией, равной 15 мг/л, перемешивали на магнитной мешалке до полного растворения исследуемого компонента в течение 20 мин. Методика фотокаталитических исследований заключалась в следующем: в две колбы помещали по 500 мл водного раствора парацетамола с заданной концентрацией, первая колба оставалась без добавки, а во вторую добавили 0,12 г перетертого катализатора нитрида углерода (mkat).
Экспериментальная часть
В рамках исследования была проведена фотодеструкция модельного раствора парацетамола в присутствии катализатора нитрида углерода с включением оксида кремния ^Ю2). По результатам эксперимента получена сравнительная
характеристика степени очистки растворов при совместном использовании исследуемого
фотокатализатора и УФ-воздействии без добавления химического препарата, ускоряющего процесс окисления. Результаты проведенных экспериментов представлены на рисунке 2.
Кривая снижения концентрации парацетамола от времени обработки имеет s-образный тип не зависимо от типа фотоокисления. Максимальная эффективность фотоокисления парацетамола, как в присутствии катализатора, так и без него составила 70%.
Рис. 2. Зависимость фотоокисления парацетамола от времени обработки.
Заключение
На основании полученных экспериментальных данных, представленных на рис. 2, видно, что наиболее глубокая деструкция парацетамола была достигнута при максимальном времени контакта с зоной облучения. Определено, что графитоподобный нитрид углерода не проявляет высокую каталитическую активность в деструкции модельного водного раствора исследуемой АФС при данной концентрации. В заключение можно сделать вывод о достаточно высокой эффективности применения фотокаталитического метода в отношении деструкции парацетамола. Однако применение катализатора не повысило общей эффективности окисления парацетамола. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования в этой области.
Список литературы
1. Лузгина В.А., Шишелова Т.И. Экологические проблемы - важнейшие проблемы современности // Научное Обозрение. Педагогические Науки. 2019. № 5-2. С. 103-107.
2. Баландина А.Г., Хангильдин Р.И., Мартяшева В.А. Очистка трудноокисляемых сточных вод // Наука, Образование, Производство В Решении
Экологических Проблем (Экология-2020). 2020. № 1 С. 281-283.
3. Усовершенствованные окислительные процессы очистки промышленных сточных вод / Л.Э.Шейнкман, Л.Н. Савинова, Д.В. Дергунов, В.Б. Тимофеева // Экология и промышленность России. 2015. №6. С. 32-36.
4. Емжина, В.В. Очистка сточных вод от активных фармацевтических субстанций с помощью усовершенствованных окислительных методов: диссертация на соискание ученой степени канд. хим. наук: 03.02.08 - теория и методика проф. образования М., 2019. 146 с.
5. Golovin M.S., Trotsenko D. I., Morozov R.S. The influence of duration of high-temperature exposure on the properties of carbon nitride obtained in molten salts // Вестник южно-уральского государственного университета. Серия: Химия. 2021. № 2. С. 99-105.
6. Barrio J., Shalom M. Photoactive carbon nitride from melamine hydrochloride supramolecular assembly // Materials science in semiconductor processing. 2018. №.7. P. 78-82.
7. Чебаненко М.И. Получение нанопорошков графитоподобного нитрида углерода и их фотокаталитическая активность под действием видимого света // Журнал прикладной химии. 2020. Т.93. №4. С. 490-497.
