CC BY
4
УДК 66.092.097.3:542.943-92 Захарова Д.С., Иванцова Н.А.
ФОТООКИСЛЕНИЕ НИТРОФУРАЛА В ПРИСУТСТВИИ НИТРИДА УГЛЕРОДА С ВКЛЮЧЕНИЕМ ОКСИДА КРЕМНИЯ
Захарова Дарья Сергеевна - магистрантка 1-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 фотодеструкции модельных водных растворов нитрофурала при совместном воздействии УФ-излучения с различным содержанием катализатора нитрида углерода g-CN с включением оксида кремния (SiO2). Определено, что наилучшая деструкция нитрофурала достигается при максимальном времени контакта исследуемого раствора с зоной излучения. Приведены экспериментальные данные высокой фотокаталитической активности g-CN4 с включением SiO2 в отношении деструкции модельных водных растворов нитрофурала. Установлено, что эффективность фотоокисления нитрофурала в присутствии катализатора достигает 99 %.
Ключевые слова: фотокаталитическое окисление, деструкция, нитрид углерода, нитрофурал, катализатор, водоочистка.
PHOTO OXIDATION OF NITROFURAL IN THE PRESENCE OF CARBON NITRIDE WITH INCLUSION OF SILICON OXIDE
Zaharova D.S., Ivantsova N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the processes ofphotodegradation of model aqueous solutions of nitrofural under the combined action of UV radiation with different contents of carbon nitride g-C3N4 catalyst with the inclusion of silicon oxide SiO) It has been determined that the best degradation of nitrofural is achieved at the maximum contact time of the test solution with the radiation zone. Experimental data on the high photocatalytic activity of g-C3N4 with the inclusion of SiO2 in relation to the degradation of model aqueous solutions of nitrofural are presented. It has been established that the efficiency ofphotooxidation of nitrofural in the presence of a catalyst reaches 99%. Key words: photocatalytic oxidation, destruction, carbon nitride, nitrofural, catalyst, water treatment.
Введение
Ввиду широкомасштабной индустриализации современного общества, существенная часть водных ресурсов подвергается воздействию высокоопасным загрязняющим веществам. Ежегодно во всем мире происходит образование около 400 миллиардов тонн отходов, значительная часть которых не подлежит переработке и сбрасывается в водоемы. Поступление в сточные воды широкого спектра поллютантов приводит к качественным изменениям, проявляющимся в разрушении физических свойств и химического состава воды [1]. 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]. AOPs включают в себя обработку реактивом Фентона, электрохимические процессы, метод фотолиза, плазмохимическое окисление, гомогенные и гетерогенные фотокаталитические деструкции, сочетание О3/Н2О2, H2O2 с катализатором, а также
комбинации приведенных методов [4]. В деструкции активных фармацевтических субстанций (АФС) хорошо зарекомендовал себя метод фотокаталитического окисления за счет основного преимущества - возможности использования солнечного света со светочувствительностью до 450 нм, что позволяет избежать высоких затрат на УФ-лампы и электроэнергию. Также за счет фотокатализаторов происходит наиболее эффективное использование солнечного излучения для его перевода в энергию химических связей образующихся соединений. Среди компонентов, проявляющих активность под действием видимого излучения, можно выделить графитоподобный нитрид углерода g-CзN4, который не содержит в своем составе атомов благородных и редкоземельных металлов и имеет значительно высокую фотокаталитическую активность благодаря полупроводниковым свойствам [5]. Согласно многочисленным исследованиям, нитрид углерода имеет термическую и химическую стабильность, простоту получения, низкую стоимость, а также сохраняет устойчивость в кислых и в щелочных растворах. Опираясь на данную информацию, исследовательская группа во главе Юньвон Тана решила использовать для восстановления водорода
неорганический графитоподобный нитрид углерода. Для получения исследуемого катализатора исследователи использовали термическое разложение мочевины. По итогам экспериментов было установлено, что получение нитрида углерода увеличивает степень полимеризации структурных единиц этого материала и площади поверхности, что в свою очередь приводит к появлению большого количества активных центров, катализирующих процессы восстановления [6]. В исследовании [7] сообщается о включении в исследуемый катализатор различных гетерогенных включений.
Таким образом, целью данной работы являлось выявление эффективности процессов
фотокаталитического окисления водных растворов нитрофурала в присутствии графитоподобного катализатора нитрида углерода ^^N4) с включением оксида кремния ^Ю2).
Методика эксперимента
Исследования по воздействию фотоокисления модельных водных растворов нитрофурала (C6H6N4O4) 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 Ещщ = 0.029 Вт/см2 [8].
Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 -перистальтический насос; 2 - УФ-лампа ДРБ-8; 3 -кварцевый змеевиковый фотореактор; 4 - приёмник
[8].
Приготовление раствора твердой формы АФС (нитрофурала) основывалось в измельчении и тщательном растирании таблетки нитрофурала (фирма Renawal) в агатовой ступке и дальнейшем взвешивании рассчитанного количества препарата на аналитических весах. Полученный раствор с концентрацией, равной 0,2 г/л, перемешивали на магнитной мешалке до полного растворения исследуемого компонента в течение 10 мин. Методика фотокаталитических исследований заключалась в следующем: в четыре колбы
помещали по 500 мл водного раствора нитрофурала с заданной концентрацией и добавили 0; 0,12; 0,24 и 0,48 г перетертого катализатора нитрида углерода (mkat). 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 нитрофурала
фотометрическим методом определяли его взаимодействием с 10% гидроксидом натрия (NaOH) с образованием суспензии, окрашенной в желтый цвет.
В исследованиях фотокаталитического окисления нитрофурала 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.
Экспериментальная часть
В рамках исследования была проведена фотодеструкция модельного раствора нитрофурала 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.
Следует отметить, что эффективность фотоокисления нитрофурала в присутствии нитрида углерода с добавлением оксида кремния, исследуемого по истечению более полугода, не превышала 50 %, следовательно, можно сделать вывод, что исследуемый катализатор теряет свою активность с течением времени.
На рисунке 2 представлены кинетические зависимости фотоокисления нитрофурала (исходная концентрация - 19 мг/л). Установлено, что, во-первых, эффективность фотоокисления значительно выше в присутствии катализатора, чем при индивидуальном УФ-воздействии. Во-вторых, доза катализатора практически не влияет на снижение концентрации нитрофурала.
время излучения, с Рис. 2. Зависимость фотоокисления нитрофурала от времени обработки
Кроме того, с помощью спектрофотометра GBC Cintra 303 (исследования выполненны на оборудовании Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева) в диапазоне длин волн X = 190 - 400 нм были проведены измерения коэффициента пропускания (А) растворов нитрофурала до и после УФ-обработки. На качественном уровне подтверждено, что происходит глубокая деструкция нитрофурала.
Заключение
На основании полученных экспериментальных данных следует, что наиболее глубокая деструкция нитрофурала была достигнута при максимальном времени контакта с зоной облучения. Определено, что графитоподобный нитрид углерода проявляет высокую каталитическую активность в деструкции модельных водных растворов исследуемой АФС. Также установлено, что с последующим увеличением содержания катализатора в растворе нитрофурала, эффективность окисления остается прежней (в пределах погрешности). В заключение можно сделать вывод о высокой эффективности применения фотокаталитического метода, а также о целесообразности применения неорганического нитрида углерода с добавлением оксида кремния в качестве катализатора.
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
B.А. Очистка трудноокисляемых сточных вод // Наука, Образование, Производство В Решении Экологических Проблем (Экология-2020). 2020. № 1
C. 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.
8. Захарова Д. С. Фотоокислительная деструкция модельных растворов фурацилина / Д. С. Захарова, Н. А. Иванцова. - Текст : непосредственный // Всероссийская научная конференция КНИТУ КХТИ «Инновационные технологии защиты окружающей среды в современном мире». - Казань : 2021. С. 189193.
