TiO2 and ZnO photocatalysts for degradation of widespread pharmaceutical wastes: Effect of particle size and support

Thumbnail Image
Date
2013
Authors
Shadya Ahmed Hussni Hejjawi
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
In our search for safe and economical techniques to eliminate pharmaceutical wastes, in water, this work has been conducted. Solar energy can be used in degrading these compounds in the presence of suitable photo-catalysts. TiO2 and ZnO were examined as photo-catalysts in degradation of pharmaceutical waste of a well-known compound, namely paracetamol. Both catalysts were used, each in different phase commercial (micro-sized particles) and synthetic (nano-sized particles). Commercial and prepared catalyst powders, of TiO2 and ZnO, were characterized by XRD, SEM, photoluminescence and electronic absorption spectra before being used as photocatalysts. The commercial phase catalysts were studied using UV light, while prepared catalyst phases were used under direct solar light. On the other hand, both catalyst systems (commercial and synthetic) were supported on activated carbon surface. The photodegradation reaction of paracetamol was investigated under different reaction conditions, such as contaminant concentration, catalyst concentration and pH. Under neutral conditions, the commercial TiO2 (both anatase and rutile) slowly catalyzed the photo-degradation of paracetamol under the used UV lamp radiation. Under direct sun light, the commercial anatase TiO2 showed higher efficiency than the synthetic TiO2. Rutile TiO2 showed efficiency with UV only under higher pH values. Different kinetic parameters were studied. The commercial ZnO showed sound efficiency under UV light and direct sun light. Under direct solar light, synthetic ZnO showed lower efficiency than the commercial ZnO system. Effects of different reaction conditions onto commercial ZnO catalyst were studied. Depending on reaction conditions, the commercial TiO2 in anatase form was mainly more efficient than the commercial ZnO in paracetamol photodegradation under UV. Under direct solar light, the commercial ZnO was more efficient than commercial TiO2 in anatase form. Under direct solar light, synthetic ZnO showed more efficiency than synthetic TiO2. Supporting commercial TiO2 onto activated carbon surfaces enhanced its catalytic activity under UV. The supported anatase phase showed higher efficiency than the rutile counterpart. Supporting synthetic TiO2 onto activated carbon surfaces also enhanced its catalytic activity under direct solar light. The supported synthetic TiO2 was more effective than supported commercial TiO2 under direct solar light. Supporting commercial ZnO increased its efficiency under UV radiation, whereas supporting synthetic ZnO increased the efficiency under direct solar light. The supported commercial ZnO was more efficient than the supported commercial anatase TiO2 under UV. The supported commercial anatase TiO2 and the supported commercial ZnO catalyst systems showed different behaviors when paracetamol concentration and pH were varied. The supported synthetic ZnO was more effective than the supported synthetic TiO2 under direct sun light. The study shows that supporting TiO2 and ZnO systems has the advantage of increasing their catalytic efficiencies, and making their separation easier.
هناك الكثير من الطرق المستخدمة في تحطيم المخلفات الصيدلانية المنتشرة والملوثة للماء. ومن الطرق التي تعد من أفضل الوسائل لتنقية الماء بدون آثار جانبية هو استخدام الحفازات الضوئية مثل أكسيد التيتانيا و أكسيد الزنك. يعتبر هذان الحفازان من أشباه الموصلات التي تمتلك فجوة طاقة واسعة، لذلك فإن عملية تهييج الإلكترونات تتطلب وجود الأشعة فوق البنفسجية. تم في هذه الدراسة استخدام أكسيد التيتانيا وأكسيد الزنك التجارية والمصنعة في المختبر، والتي تم تشخيصها بواسطة أشعة X والمجهر الماسح والوميض الضوئي والإمتصاص الضوئي، في تنقية الماء من المخلفات الصيدلانية مثل البراسيتامول عن طريق التحطيم الضوئي. حيث استخدم كلا الحفازين بأحجام مختلفة في تحطيم البراسيتامول. استخدم الحفاز التجاري تحت لمبة الأشعة فوق البنفسجية بينما الحفاز المصنع في المختبر تحت أشعة الشمس المباشرة. كما تم في هذه الدراسة تثبيت الحفاز على سطح الكربون المنشط. أجريت عملية التحطيم الضوئي للبراسيتامول تحت تأثيرعدة عوامل مثل تركيز الملوث وتركيز الحفاز ودرجة الحموضة. أظهرت النتائج في هذه الدراسة أن أكسيد التيتانيا التجاري بنوعيه (أنتيز و روتيل) ليس له فاعلية عالية في تحطيم البراسيتامول تحت الأشعة فوق البنفسجية. أما تحت أشعة الشمس المباشرة فتظهر فاعلية أكسيد التيتانيا التجاري (أنتيز) اكبر من النانو في عملية التحطيم. كما بينت نتائج هذه الدراسة أن أكسيد التيتانيا التجاري (روتيل) يعمل تحت الأشعة فوق البنفسجية على درجة حموضة عالية للوسط المائي الملوث بالبراسيتامول.أما أكسيد الزنك التجاري فله فاعلية كبيرة نسبيا في التحطيم تحت كل من الأشعة فوق البنفسجية و أشعة الشمس المباشرة. وجد تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية أن فاعلية أكسيد التيتانيا (أنتيز) أكبر بقليل من أكسيد الزنك التجاري. بينما تحت أشعة الشمس المباشرة فإن أكسيد الزنك التجاري أكثر فاعلية في التحطيم من أكسيد التيتانيا (أنتيز). كذلك أكسيد الزنك النانو أكثر فاعلية من أكسيد التيتانيا النانو تحت أشعة الشمس المباشرة. أما بالنسبة للحفازين المثبتين على سطح الكربون المنشط فإن الكربون زاد من تحفيز سطح الحفاز المستخدم في التحطيم الضوئي. فقد زاد الكربون المنشط من فاعلية أكسيد التيتانيا وأكسيد الزنك التجاريين تحت الأشعة فوق البنفسجية والنانو تحت أشعة الشمس المباشرة. حيث أظهرت الدراسة أن أكسيد التيتانيا النانو والمثبت له فاعلية في التحطيم أكبر من أكسيد التيتانيا التجاري والمثبت تحت أشعة الشمس المباشرة. أما أكسيد الزنك التجاري والمثبت، فله فاعلية أكبر من أكسيد التيتانيا (أنتيز) والمثبت، تحت الأشعة فوق البنفسجية. كما أن فاعلية أكسيد الزنك النانو والمثبت أكبر من أكسيد التيتانيا النانو والمثبت تحت أشعة الشمس المباشرة. وباختصار تبين هذه الدراسة أن أكسيد التيتانيا وأكسيد الزنك المثبتين على سطح الكربون المنشط لهما حسنات في زيادة فاعليتهما في التحطيم كذلك في سهولة فصلهما من الوسط المائي بعد انتهاء عملية تحطيم الملوث.
Description
Keywords
Citation
Collections