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Jun 07, 2023

Attività fotocatalitica del nanocomposito ternario ZrO2/TiO2/Fe3O4 per la degradazione del naprossene: caratterizzazione e ottimizzazione utilizzando la metodologia delle superfici di risposta

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 10388 (2022) Cita questo articolo 2381 Accessi 6 citazioni Dettagli metrici In questo studio, i componenti ZrO2, TiO2 e Fe3O4 sono stati sintetizzati da

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In questo studio, i componenti ZrO2, TiO2 e Fe3O4 sono stati sintetizzati rispettivamente mediante metodi di co-precipitazione, sol-gel e co-precipitazione. Inoltre, è stato utilizzato il metodo della dispersione allo stato solido per la sintesi del nanocomposito ternario ZrO2/TiO2/Fe3O4. Il nanocomposito ZrO2/TiO2/Fe3O4 è stato caratterizzato da diverse tecniche tra cui XRD, EDX, SEM, BET, FTIR, XPS, EELS e fotoluminescenza (PL). L'analisi FTIR del fotocatalizzatore ZrO2/TiO2/Fe3O4 ha mostrato forti picchi nell'intervallo da 450 a 700 cm−1, che rappresentano vibrazioni di stiramento di Zr–O, Ti–O e Fe–O. I risultati delle analisi FTIR e XRD, XPS e degli spettri PL hanno confermato che il metodo di dispersione allo stato solido ha prodotto nanocompositi ZrO2/TiO2/Fe3O4. L'analisi EELS ha confermato i campioni puri di Fe3O4, TiO2 e ZrO2. L'analisi EDAX ha mostrato che il rapporto atomico Zr:Ti:Fe era 0,42:2,08:1,00. L'area superficiale specifica, il volume dei pori e la dimensione media dei pori del fotocatalizzatore sono stati ottenuti rispettivamente 280 m2/g, 0,92 cm3/g e 42 nm. Inoltre, sono state valutate le prestazioni del nanocomposito ZrO2/TiO2/Fe3O4 per la rimozione del naprossene utilizzando il metodo della superficie di risposta (RSM). Sono stati studiati quattro parametri quali concentrazione NPX, tempo, pH e concentrazione del catalizzatore. Il punto di carica zero del fotocatalizzatore era 6. La degradazione massima e minima del naprossene utilizzando il fotocatalizzatore era del 100% (in condizioni: concentrazione NPX = 10 mg/L, tempo = 90 min, pH = 3 e concentrazione del catalizzatore = 0,5 g/ L) e 66,10% rispettivamente. L'esperimento di stabilità ha rivelato che il nanocatalizzatore ternario dimostra un'attività fotocatalitica relativamente più elevata dopo 7 ricicli.

L'inquinamento ambientale provocato dai composti farmaceutici è considerato uno dei problemi più gravi degli ultimi anni1,2. Per il trattamento delle acque reflue farmaceutiche e per la rimozione degli inquinanti prima che questi vengano rilasciati nell’ambiente, l’identificazione del metodo più efficiente è una sfida3. Le acque reflue farmaceutiche possono essere trattate utilizzando metodi fisici4, chimici, biologici5 e combinati6. I processi di ossidazione avanzata7, inclusa l'ossidazione avanzata basata sui radicali solfati8, l'ultravioletto-visibile9, la luce solare naturale10, l'ossidazione Fenton11, l'ossidazione elettrochimica12, i catalizzatori nanocompositi13 e la sonolisi e sono-Fenton14 sono stati ampiamente utilizzati per rimuovere gli inquinanti dalle acque reflue farmaceutiche con grandi prestazioni. La formazione di radicali durante questi processi porta all'ossidazione degli inquinanti organici in soluzioni acquose. Rispetto ad altri metodi, la fotocatalisi offre numerosi vantaggi, come alta efficienza, basso costo, progettazione di catalizzatori adatti per acque reflue specifiche ed elevata stabilità alla corrosione e alla temperatura15,16,17. Il biossido di titanio (TiO2) è stato ampiamente utilizzato come catalizzatore nella degradazione di composti organici e inquinanti farmaceutici poiché è un semiconduttore sensibile alla luce (compresi i raggi UV e la luce visibile)18,19. La formazione di lacune nella banda di valenza e di elettroni nella banda di conduzione durante la fotocatalisi produce mezzi di ossido-riduzione nelle acque reflue. Può facilmente degradare i composti organici e convertirli in composti non tossici come CO2 e acqua20,21. Il biossido di titanio è un materiale polimorfico con tre fasi cristalline: anatasio, rutilo e brookite. La fase anatasio è più attiva dal punto di vista fotocatalitico rispetto alla fase rutilo22,23. Per migliorare l'attività fotocatalitica del TiO2, è importante utilizzare particelle più piccole (nanodimensioni), poiché le particelle più piccole hanno aree superficiali specifiche più elevate24. La rimozione delle nanoparticelle di biossido di titanio dopo il trattamento riduce il beneficio di questo fotocatalizzatore e può essere eseguita l'immobilizzazione del biossido di titanio (TiO2) su materiali di supporto, ma l'immobilizzazione riduce l'area superficiale specifica rispetto a catalizzatori omogenei25. D’altra parte, la rapida ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna generate può diminuire l’attività del fotocatalizzatore del biossido di titanio26. Pertanto, alcuni altri semiconduttori come ZrO2 vengono utilizzati per migliorare l'attività del TiO2. Il drogaggio con ZrO2 può rallentare la ricombinazione della coppia elettrone-lacuna, rafforzare il materiale e aumentare l'area superficiale e il rapporto tra fasi cristalline anatasio e rutilo27,28. Il fotocatalizzatore ZrO2-TiO2 è stato utilizzato per degradare i composti organici, che in questo composto ZrO2 funge da supporto o fotocatalizzatore nel sistema29.