Water Disinfection by Photo-Degradation of Microorganisms Using Natural Dye-Sensitized ZnO Catalyst

Thumbnail Image
Date
2012
Authors
Sondos Othman Abed-Alhadi Ateeq
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Abstract Several procedures are commonly used for water disinfection from bacteria. Unfortunately each procedure has its shortcomings. The most important shortcoming is the formation of disinfection by-products. Photo-degradation of microorganisms using photo catalysts (such as ZnO) could be a good alternative. However, ZnO is a wide band gap (3.2 eV) semiconductor, and demands UV irradiations for excitation. Therefore, sensitization of ZnO is necessary here to make use of the solar light for the photo-catalyst excitation. In this work, ZnO semiconductor particles, combined with safe low cost sensitizer (the natural dye anthocyanin) were used to disinfect water from bacteria by photo degrading it with solar simulator light. Both nano- and micro-sized ZnO particles were investigated here. The natural dye can sensitize ZnO to the visible light, as the dye has smaller band gap and absorbs in the visible region. More than 90% degradation percent was achieved in 90 minutes under solar simulator, with improvement ~10% than the naked ZnO. Control experiments that were conducted in absence of catalyst or light showed only small loss in bacteria concentration. Sensitized ZnO catalyst worked well under purely visible light. Using a cut-off filter (eliminating 400 nm and shorter wavelengths) confirmed that. The sensitized catalyst activity was almost not affected by eliminating UV from the solar simulator light. ZnO nano-particles (with average size 20 nm) were prepared and used for water disinfection. They were characterized using UV-Visible absorption spectrophotometry, photoluminescence spectrometry, XRD and SEM techniques. Sensitized ZnO nano-particles showed higher catalytic activity than the sensitized ZnO with large particle size (micro-size). Complete degradation was achieved with Nano-particles under the same conditions. Some factors affecting photo-degradation reaction and catalyst efficiency, such as illumination time, temperature, pH, catalyst concentration, contaminant concentration and dissolved organic and inorganic impurities, were studied. Changing temperature didn’t significantly affect the catalyst efficiency. The amphoteric nature of ZnO decreased the effect of changing pH value for the reaction medium on the catalyst efficiency. The nominal amount of the used catalyst affected the degradation, and there was an optimum weight that should be used for maximum benefit. Increasing the initial concentration of contaminants enhanced the catalyst activity. The presence of impurities (organic and inorganic) affected the catalyst activity in different manners. Catalyst recovery after reaction completion was achieved by simple means, and the recovered catalyst showed good sound activity on reuse. Re-dying the re-used catalyst restored its efficiency under solar simulator
هناك الكثير من الوسائل والطرق المستخدمة في تعقيم الماء و تنقيته من الكائنات الدقيقة. لكن كل هذه الوسائل لها آثار سلبية، من أبرزها تكوين نواتج جانبية لا تقل في خطورتها عن الملوث الأساسي. لذلك يعد استخدام الحفازات الضوئية كأكسيد الزنك (ZnO) في عمليات تعقيم الماء بديلا ملائما. و أكسيد الزنك من أشباه الموصلات التي تمتلك فجوة طاقة (band gap) واسعة (eV 3.2)، لذلك فإن عملية تهييج الالكترونات لديه تتطلب وجود الأشعة فوق البنفسجية، لكن استخدام بعض الأصباغ المثبتة على سطح جزيئات أكسيد الزنك تزيد من حساسيته للأشعة المرئية وبالتالي تمكننا من استخدام أشعة الشمس المتوفرة في عملية التحطيم الضوئي. تم في هذه الدراسة تحسين حساسية أكسيد الزنك للضوء المرئي باستخدام صبغة الأنثوسيانين الطبيعية (anthocyanin) المستخلصة من أزهار نبات الكركدية، واستخدام هذا الحفاز المطور بالصبغة في تعقيم الماء من البكتيريا عن طريق التحطيم الضوئي لها بوجود ضوء مشابه لضوء الشمس، وذلك لأن فجوة الطاقة لجزيء الصبغة صغيرة و يمتص ضمن منطقة الضوء المرئي فيساعد على تهييج أكسيد الزنك باستخدام الأشعة المرئية. تنقية الماء باستخدام هذا الحفاز أدت إلى تحطيم أكثر من 90% من البكتيريا الموجودة في عينة الماء الملوث في 90 دقيقة بوجود ضوء مشابه لضوء الشمس، إذ أظهر أكسيد الزنك المطور بالصبغة زيادة في نسبة التحطيم بحوالي 10% أكثر من أكسيد الزنك المجرد. و أظهرت التجارب التي تمت باستثناء الحفاز أو الضوء نقصا قليلا في تركيز البكتيريا في عينة الماء الملوث. لم يؤثر حجب الأشعة فوق البنفسجية التي ضمن الضوء الشمسي باستخدام فلتر ضوئي على عمل الحفاز المطور بالصبغة، بينما قلل كثيرا من فعالية أكسيد الزنك المجرد، مما يظهر دور الصبغة في زيادة حساسية أكسيد الزنك تجاه الأشعة المرئية وبالتالي زيادة فعاليته. و تم تحضير حبيبات أكسيد الزنك ذات الحجم الصغير جدا (نانو) التي يقدر قطرها ب 20 نم واستخدامها في تنقية الماء، و تشخيصها باستخدام تقنيات قياس الطيف المرئي وفوق البنفسجي و طيف اللمعان الضوئي (photoluminescence spectrometry) و XRD و SEM. كانت فعالية حبيبات أكسيد الزنك (المحفز بالصبغة وغير المحفز) ذات الحجم الصغير (نانو) أكثر من فعالية الحبيبات ذات الحجم الكبير (مايكرو)، حيث أدت إلى التحطيم الكلي للبكتيريا ضمن الظروف نفسها المستخدمة. و تمت دراسة أثر بعض العوامل على فعالية الحفاز وسير تفاعل التحطيم الضوئي، مثل: مدة الإشعاع، و درجة الحرارة، و درجة الحموضة، وتركيز كل من الحفاز والملوث، وأثر وجود مواد عضوية وغير عضوية ذائبة في الماء المراد تعقيمه. لم يكن لتغيير درجة الحرارة أثر كبير على فعالية الحفاز. و نظرا للطبيعية الأمفوتيرية لأكسيد الزنك فإن تغيير الرقم الهيدروجيني لوسط التفاعل كان له أثر بسيط جدا على فعالية الحفاز. كان لتغيير كمية الحفاز المستخدمة أثر على فعاليته، حيث لوحظت زيادة الفعالية مع زيادة الكمية المضافة حتى وصلت إلى حد معين، أي أن هناك كمية معينة من الحفاز يجب استخدامها للحصول على أفضل النتائج. كما أدت زيادة تركيز البكتيريا في عينة الماء المراد تعقيمها إلى زيادة في فعالية الحفاز. أما وجود شوائب عضوية وغير عضوية فقد أثر على فعالية الحفاز بشكل متفاوت. تمت إعادة استخدام الحفاز بعد انتهاء التفاعل في تعقيم عينات أخرى من الماء الملوث، حيث أظهر الحفاز المعاد استخدامه فعالية جيدة في تحطيم البكتيريا، كما أن إعادة صبغ الحفاز بعد استخدامه الأول و إعادة استخدامه في تنقية عينة أخرى من الماء الملوث أدت إلى استرجاع الفعالية الأصلية للحفاز.
Description
Keywords
Citation
Collections