Performance of commercial titanium dioxide samples in terms of dye photodegradation assessed using smartphone-based measurements

Назарій Данилюк; Тетяна Татарчук; Іван Миронюк; Володимир Коцюбинський; Володимир Мандзюк

doi:10.15330/pcss.23.3.582-589

Автор(и)

Назарій Данилюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Тетяна Татарчук Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Іван Миронюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Володимир Коцюбинський Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Володимир Мандзюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.582-589

Ключові слова:

барвник, фотокаталіз, аналіз на основі смартфону, титан (IV) оксид

Анотація

Досліджено фотокаталітичну активність чотирьох зразків титан діоксиду (TiO₂-P25 Degussa, PC105 Millennium, PC500 Millennium та Anatase) під час деградації барвників (Конго Червоного (КЧ), Метилоранжу (MO) та Direct Red 23 (DR23)) з використанням смартфону. Отримані кінетичні криві добре описуються кінетичною моделлю першого порядку. Встановлено, що фазовий склад, розмір частинок і питома площа поверхні каталізатора мають значний вплив на фотокаталітичну активність досліджуваних зразків TiO₂. Досліджено, що зразок Millennium PC500 є найефективнішим фотокаталізатором завдяки великій питомій площі поверхні та малому розміру частинок (8 нм). Зразки TiO₂-P25 Degussa та Anatase також демонструють високу фотокаталітичну активність під час деградації барвників КЧ та DR23, що можна пояснити прискореним процесом перенесення електронів між фазами анатазу та рутилу. Для зразка PC105 спостерігається вища ефективність фотодеградації КЧ порівняно з PC500. Можна зробити висновок, що гетерогенний фотокаталіз є ефективним методом видалення токсичних барвників зі стічних вод. За допомогою аналізу на основі смартфону можна контролювати кінетику фотодеградації барвників в режимі реального часу.

Посилання

Y.H. Chiu, T.F.M. Chang, C.Y. Chen, M. Sone, Y.J. Hsu, Mechanistic insights into photodegradation of organic dyes using heterostructure photocatalysts, Catalysts 9, 430 (2019); https://doi.org/10.3390/catal9050430.

Y. Deng, R. Zhao, Advanced Oxidation Processes (AOPs) in Wastewater Treatment, Curr. Pollut. Reports 1, 167 (2015); https://doi.org/10.1007/s40726-015-0015-z.

K. Rajeshwar, M.E. Osugi, W. Chanmanee, C.R. Chenthamarakshan, M.V.B. Zanoni, P. Kajitvichyanukul, R. Krishnan-Ayer, Heterogeneous photocatalytic treatment of organic dyes in air and aqueous media, J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev 9, 171 (2008); https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2008.09.001.

C.M. Mistura, I.A.H. Schneider, Y. Vieira, Heterogeneous Photocatalytic Degradation of Dyes in Water/Alcohol Solution Used by the Brazilian Agate Industry, Geomaterials 09, 29 (2019); https://doi.org/10.4236/gm.2019.91003.

M. Bodzek, M. Rajca, Photocatalysis in the treatment and disinfection of water, Ecol. Chem. Eng. S 19, 489 (2012); https://doi.org/10.2478/v10216-011-0036-5.

N.K. Jangid, S. Jadoun, A. Yadav, M. Srivastava, N. Kaur, Polyaniline-TiO2-based photocatalysts for dyes degradation, 2021; https://doi.org/10.1007/s00289-020-03318-w.

S. Al Jitan, G. Palmisano, C. Garlisi, Synthesis and surface modification of TiO2-based photocatalysts for the conversion of CO2, Catalysts 10, (2020); https://doi.org/10.3390/catal10020227.

J. Zhang, P. Zhou, J. Liu, J. Yu, New understanding of the difference of photocatalytic activity among anatase, rutile and brookite TiO2, Phys. Chem. Chem. Phys 16, 20382 (2014); https://doi.org/10.1039/c4cp02201g.

Z. Rui, S. Wu, C. Peng, H. Ji, Comparison of TiO2 Degussa P25 with anatase and rutile crystalline phases for methane combustion, Chem. Eng. J. 243, 254 (2014); https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.01.010.

N. Bouanimba, N. Laid, R. Zouaghi, T. Sehili, A Comparative Study of the Activity of TiO2 Degussa P25 and Millennium PCs in the Photocatalytic Degradation of Bromothymol Blue, Int. J. Chem. React. Eng 16, 1 (2018); https://doi.org/10.1515/ijcre-2017-0014.

N. Danyliuk, T. Tatarchuk, K. Kannan, A. Shyichuk, Optimization of TiO2-P25 photocatalyst dose and H2O2 concentration for advanced photooxidation using smartphone-based colorimetry, Water Sci. Technol 84, 469 (2021); https://doi.org/10.2166/wst.2021.236.

T. Tatarchuk, N. Danyliuk, A. Shyichuk, W. Macyk, M. Naushad, Photocatalytic degradation of dyes using rutile TiO2 synthesized by reverse micelle and low temperature methods: real-time monitoring of the degradation kinetics, J. Mol. Liq 342, 117407 (2021); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117407.

N. Bouanimba, N. Laid, R. Zouaghi, T. Sehili, Effect of pH and inorganic salts on the photocatalytic decolorization of methyl orange in the presence of TiO2 P25 and PC500, Desalin. Water Treat 53, 951 (2015); https://doi.org/10.1080/19443994.2013.848667.

P. Taylor, M. Rastegar, K.R. Shadbad, A.R. Khataee, R. Pourrajab, Optimization of photocatalytic degradation of sulphonated diazo dye C. I. Reactive Green 19 using ceramic-coated TiO2 nanoparticles, (n.d.) 37–41; https://doi.org/10.1080/09593330.2011.604859.

A.R. Khataee, M. Fathinia, S.W. Joo, Simultaneous monitoring of photocatalysis of three pharmaceuticals by immobilized TiO2 nanoparticles: Chemometric assessment , intermediates identification and ecotoxicological evaluation, Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc 112, 33 (2013); https://doi.org/10.1016/j.saa.2013.04.028.

N. Danyliuk, T. Tatarchuk, A. Shyichuk, Estimation of Photocatalytic Degradation Rate Using Smartphone Based Analysis, Phys. Chem. Solid State 4, 727 (2020); https://doi.org/10.15330/pcss.21.4.727-736.

P. Apopei, C. Catrinescu, C. Teodosiu, S. Royer, Mixed-phase TiO2 photocatalysts: Crystalline phase isolation and reconstruction, characterization and photocatalytic activity in the oxidation of 4-chlorophenol from aqueous effluents, Appl. Catal. B Environ, 160–161, 374 (2014); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.05.030.

A.R. Khataee, H. Aleboyeh, A. Aleboyeh, Crystallite phase-controlled preparation, characterisation and photocatalytic properties of titanium dioxide nanoparticles, J. Exp. Nanosci 4, 121 (2009); https://doi.org/10.1080/17458080902929945.

S. Estrada-Flores, A. Martínez-Luévanos, C.M. Perez-Berumen, L.A. García-Cerda, T.E. Flores-Guia, Relationship between morphology, porosity, and the photocatalytic activity of TiO2 obtained by sol–gel method assisted with ionic and nonionic surfactants, Bol. La Soc. Esp. Ceram. y Vidr. 59, 209 (2020); https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2019.10.003.

W.Q. Yap, Y.H. Chin, K.H. Leong, P. Saravanan, L.C. Sim, Design of photoreactor with high sunlight concentration for improved photocatalytic degradation of dye pollutant, IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 646 (2021); https://doi.org/10.1088/1755-1315/646/1/012012.

S. Topcu, G. Jodhani, P.I. Gouma, Optimized nanostructured TiO2 photocatalysts, Front. Mater. 3, 1 (2016); https://doi.org/10.3389/fmats.2016.00035.

D.O. Scanlon, C.W. Dunnill, J. Buckeridge, S.A. Shevlin, A.J. Logsdail, S.M. Woodley, C.R.A. Catlow, M.J. Powell, R.G. Palgrave, I.P. Parkin, G.W. Watson, T.W. Keal, P. Sherwood, A. Walsh, A.A. Sokol, Band alignment of rutile and anatase TiO2, Nat. Mater. 12, 798 (2013); https://doi.org/10.1038/nmat3697.