ZnO/Montmorillonite Nanoparticles as Photo-degradation Catalyst and Adsorbent for Tetracycline in Water: Synergic Effect in Supported System
Date
2014
Authors
Najat Maher Nemer Aldaqqa
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Extensive use of Antibiotics in human and veterinary medicines has resulted in their frequent detection in soils, groundwater, and wastewater. Adsorption and photo-degradation are among the most effective processes used in purification of water from contaminants such as antibiotics. In this research, we studied the removal of Tetracycline, a common antibiotic, by using pristine ZnO and ZnO/Montmorillonite composite material through two processes adsorption and photo-degradation. ZnO is a semiconductor photo-catalyst that is used in photo-oxidation of contaminants under solar light to safe products. This is due to ZnO catalyst having low cost, demanding mild reaction conditions, and having high photo-catalytic activity.
Montmorillonite, a clay mineral with distinctive physical properties, was known as a good adsorbent of Tetracycline in earlier works. In this work, ZnO was supported on the surface of Montmorillonite, and the composite was used as photo-catalyst under simulated solar light. Adsorption property of this composite material was also studied. XRD and photoluminescence spectra were used to characterize the commercial ZnO, prepared ZnO and prepared ZnO/Montmorillonite.
Adsorption process of Tetracycline on ZnO/Montmorillonite was investigated under different conditions such as pH, contact time, amount of Tetracycline, annealing and reaction temperature. Kinetics and adsorption isotherms were studied. The results showed that the adsorption process on a prepared non-annealed ZnO/Montmorillonite followed Langmuir isotherm model with adsorption capacity 112.36 mg/g in neutral pH. The adsorption capacity of non-annealed composite material is two fold higher than that for naked Montmorillonite. Most effective adsorption was found in neutral pH medium. Adsorption on both ZnO/Montmorillonite and naked Montmorillonite followed pseudo second order kinetic model.
The photo-degradation reaction of Tetracycline was investigated by using commercial ZnO photo-catalyst under different reaction conditions. Under basic conditions, the commercial ZnO showed higher photo-degradation activity under simulated solar light. Effects of different reaction conditions onto photo-degradation reaction of Tetracycline by ZnO/Montmorillonite catalyst were also studied. The higher degradation was achieved in a neutral medium.
الاستخدام الواسع النطاق للمضادات الحيوية في الأدوية البشرية والبيطرية أدى الى الكشف المتكرر عنها في التربة والمياه الجوفية ومياه الصرف الصحي. ويعتبر التحطيم الضوئي و الإمتزاز من أكثر الطرق فعالية في تنقية المياه من الملوثات مثل المضادات الحيوية. في هذا البحث أجرينا دراسة لإزالة مادة التتراسيكلين (وهو مضاد حيوي شائع الاستخدام) بواسطة أكسيد الزنك وبوساطة أكسيد الزنك المثبت على سطح المونتمورينوليت. وأكسيد الزنك من أشباه الموصلات وهو حافز لتفاعلات التحطيم الضوئي التي تستخدم لأكسدة الملوثات تحت ضوء الشمس الى مواد اكثر امانا. ذلك يرجع إلى أن أكسيد الزنك محفز منخفض التكلفة ويعمل تحت ظروف تفاعل معتدلة وفعاليته في التحطيم الضوئي عالية. يشكل المونتمورينوليت نوعا من الفخار ذي خصائص فيزيائية مميزة وهو معروف بكفاءته في امتزاز المضاد الحيوي التتراسيكلين كما تم ذكره في دراسات سابقة. في هذا العمل تم تثبيت أكسيد الزنك على سطح مونتمورينوليت ثم درس نشاط الحفاز للتحطيم الضوئي تحت ضوء يحاكي الضوئي الشمسي, كما تم دراسة خاصية امتزاز التتراسيكلين ايضا. وقد تم استخدام قياسات مطيافية الوميض وتمثيل الاشعة السينية في دراسة خواص الحفازات والمواد المستخدمة سواء كانت تجارية ام محضرة في المختبر . تم إجراء عملية امتزاز للتتراسايكلين على سطح المونتمورينوليت المستقل مرة, ومرة اخرى على سطح المونتموريلونيت المثبت عليه اكسيد الزنك تحت ظروف مختلفة مثل : درجة الحموضة, وقت الخلط وتركيز التتراسيكلين، تأثير الشي ودرجة الحرارة, كما تم أجراء دراسة حركيات عملية الامتزاز. أظهرت النتائج أن عملية الامتزاز على سطح المونتمورينوليت المثبت عليه اكسيد الزنك ( غير المشوي ) يتبع لنموذج لانجموير مع سعة الامتزاز 112.36 ملغ / غرام عند الرقم الهيدروجيني المتعادل. وقد وجد أن قدرة امتصاص المونتمورينوليت المثبت عليه اكسيد الزنك هي أكثر منه في حالة المونتمورينوليت العاري بحوالي ضعفين. ولقد وجد أن اقصى فعالية للامتزاز حدثت عند وسط متعادل. تم إجراء التحطيم الضوئي للتتراسيكلين بواسطة اكسيد الزنك التجاري تحت ظروف تفاعل مختلفة مثل : درجة الحموضة وتركيز التتراسيكلين وكمية الحفاز. وقد وجد أنه في الظروف القاعدية ارتفعت فعالية التحطيم الضوئي تحت الضوء المحاكي للضوء الشمسي. و تم أيضاً دراسة تأثير العوامل المختلفة على عمل المنتموريلونيت المثبت عليه اكسيد الزنك كحفاز للتحطيم الضوئي للتتراسيكلين.وقد وجد انه أكثر فعاليه في درجة حموضة متعادلة.
الاستخدام الواسع النطاق للمضادات الحيوية في الأدوية البشرية والبيطرية أدى الى الكشف المتكرر عنها في التربة والمياه الجوفية ومياه الصرف الصحي. ويعتبر التحطيم الضوئي و الإمتزاز من أكثر الطرق فعالية في تنقية المياه من الملوثات مثل المضادات الحيوية. في هذا البحث أجرينا دراسة لإزالة مادة التتراسيكلين (وهو مضاد حيوي شائع الاستخدام) بواسطة أكسيد الزنك وبوساطة أكسيد الزنك المثبت على سطح المونتمورينوليت. وأكسيد الزنك من أشباه الموصلات وهو حافز لتفاعلات التحطيم الضوئي التي تستخدم لأكسدة الملوثات تحت ضوء الشمس الى مواد اكثر امانا. ذلك يرجع إلى أن أكسيد الزنك محفز منخفض التكلفة ويعمل تحت ظروف تفاعل معتدلة وفعاليته في التحطيم الضوئي عالية. يشكل المونتمورينوليت نوعا من الفخار ذي خصائص فيزيائية مميزة وهو معروف بكفاءته في امتزاز المضاد الحيوي التتراسيكلين كما تم ذكره في دراسات سابقة. في هذا العمل تم تثبيت أكسيد الزنك على سطح مونتمورينوليت ثم درس نشاط الحفاز للتحطيم الضوئي تحت ضوء يحاكي الضوئي الشمسي, كما تم دراسة خاصية امتزاز التتراسيكلين ايضا. وقد تم استخدام قياسات مطيافية الوميض وتمثيل الاشعة السينية في دراسة خواص الحفازات والمواد المستخدمة سواء كانت تجارية ام محضرة في المختبر . تم إجراء عملية امتزاز للتتراسايكلين على سطح المونتمورينوليت المستقل مرة, ومرة اخرى على سطح المونتموريلونيت المثبت عليه اكسيد الزنك تحت ظروف مختلفة مثل : درجة الحموضة, وقت الخلط وتركيز التتراسيكلين، تأثير الشي ودرجة الحرارة, كما تم أجراء دراسة حركيات عملية الامتزاز. أظهرت النتائج أن عملية الامتزاز على سطح المونتمورينوليت المثبت عليه اكسيد الزنك ( غير المشوي ) يتبع لنموذج لانجموير مع سعة الامتزاز 112.36 ملغ / غرام عند الرقم الهيدروجيني المتعادل. وقد وجد أن قدرة امتصاص المونتمورينوليت المثبت عليه اكسيد الزنك هي أكثر منه في حالة المونتمورينوليت العاري بحوالي ضعفين. ولقد وجد أن اقصى فعالية للامتزاز حدثت عند وسط متعادل. تم إجراء التحطيم الضوئي للتتراسيكلين بواسطة اكسيد الزنك التجاري تحت ظروف تفاعل مختلفة مثل : درجة الحموضة وتركيز التتراسيكلين وكمية الحفاز. وقد وجد أنه في الظروف القاعدية ارتفعت فعالية التحطيم الضوئي تحت الضوء المحاكي للضوء الشمسي. و تم أيضاً دراسة تأثير العوامل المختلفة على عمل المنتموريلونيت المثبت عليه اكسيد الزنك كحفاز للتحطيم الضوئي للتتراسيكلين.وقد وجد انه أكثر فعاليه في درجة حموضة متعادلة.