CC BY
11
УДК 542.97:542.943:628.349 Захарова Д.С., Иванцова Н.А.
ФОТОДЕСТРУКЦИЯ ФУРАЦИЛИНА В ПРИСУТСТВИИ НИТРИДА УГЛЕРОДА
Захарова Дарья Сергеевна - студентка 4-го года обучения кафедры промышленной экологии; Иванцова Наталья Андреевна - кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены процессы фотокаталитического окисления модельных водных растворов фурацилина при совместном воздействии УФ-излучения и катализаторов нитрида углерода tg-C3JV4 с включениями оксидов кремния (SiO) алюминия (AhO3), титана (TiO2). Установлено, что максимальные значения эффективности достигаются в присутствии нитрида углерода с добавлением оксида кремния и составляют 95 %. Приведены экспериментальные данные высокой фотокаталитической активности g— C3N4 в отношении окислительной деструкции действующего вещества нитрофурала.
Ключевые слова: окисление, УФ-излучение, нитрид углерода, фурацилин, деструкция.
PHOTODESTRUCTION OF FURACILIN IN THE PRESENCE OF CARBON NITRIDE
Zakharova D.S., Ivantsova N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the processes of photocatalytic oxidation of model aqueous solutions of furacilin under the combined action of UV radiation and carbon nitride catalysts tg— C3N4 with inclusions of silicon oxides (SiO2), aluminum (AhO3), titanium (TiO2). It was found that the maximum efficiency values are achieved in the presence of carbon nitride with the addition of silicon oxide and are 95%. Experimental evidence of the high photocatalytic activity of — C3N4 with respect to oxidative destruction of the drug nitrofural is presented. Key words: oxidation, UV radiation, unlerode nitride, furacilin, destruction.
Введение
В настоящее время загрязнение сточных вод фармацевтическими препаратами является крайне актуальным вопросом развивающихся стран мира. Основной вклад в загрязнение окружающей среды вносит поступление сложных, органических веществ различных химических производств [1]. Особое место в этом ряду занимают антибиотики, попадающие в биосферу в результате неполного удаления на очистных сооружениях самих предприятий. Образование малоизученных реакционных форм с различным спектром токсикологических свойств, после приема человеком или животным, приносит большую опасность для окружающих. Очистные установки фармацевтических предприятий с применением стандартных методов не могут обеспечить качественной очистки сточных вод в виду существования большого разнообразия источников поступления загрязняющих веществ [2]. В связи с этим с начала 1970-х годов началось широкое применение передовых окислительных процессов (АОРs - Advanced Oxidation Processes), преимуществом которых является избежание вопроса о регенерации адсорбента и его утилизации. Основу усовершенствованных методов составляют реакции окислительной деструкции с совместным действием фотокатализаторов. К ним относятся: обработка сточных вод реактивом Фентона, электрохимические процессы, метод фотолиза, плазмохимическое окисление, гомогенные и гетерогенные фотокаталитические методы деструкции, сочетание О3/Н2О2, H2O2 с катализатором, а также комбинации приведенных
методов. Применение передовых окислительных процессов целесообразно в очистке водоемов от токсичных, трудноокисляемых и бионеразлагаемых веществ. Современные окислительные технологии позволяют обеззаразить сточные воды, содержащие органические вещества в больших и малых концентрациях [3].
Одним из наиболее перспективных методов окислительной деструкции является
фотокаталитическое воздействие. Процесс фотокатализа основан на изменении скорости химических реакций под действием света в присутствии фотокатализаторов - веществ, способных поглощать кванты светового потока и многократно вступать в промежуточные взаимодействия с другими участниками химического процесса [4]. Графитоподобный нитрид углерода считается новым катализатором, хорошо зарекомендовавшим себя в процессах фотооокислительной деструкции органических соединений в воде. Основное преимущество нитрида углерода, по сравнению с наиболее распространенным катализатором на основе диоксида титана, заключается в его способности работать в видимом диапазоне УФ-прибора [5].
Таким образом, основной задачей данной работы являлось выявление эффективности процессов фотоокислительной деструкции водных растворов фурацилина в присутствии катализаторов нитрида углерода (д-Сз^) с включениями оксидов кремния (БЮ2), алюминии (АЬОз) и титана (ТЮ2).
Методика эксперимента
Исследования по окислительной деструкции модельных растворов нитрофурала (C6H6N4O4) проводили на лабораторной установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. Фотореактор состоит из УФ-излучателя, кварцевые пробирки и блок питания. В качестве источника УФ излучения в установке использована ртутно-кварцевая лампа низкого давления типа ДРБ-8 (диаметр ламп составляет 16 мм, длина вместе с цоколем 300 мм; испускает свет с максимумом на длине волны 254 нм); подключение лампы к источнику питания двухстороннее (два цоколя с двумя штифтами на каждом), требуемое напряжение в сети 220 В, частота 50 Гц). Облучаемые растворы в установке помещали в семь кварцевых пробирок объемом 60 мл каждая, расположенных на расстоянии 40 мм от оси лампы. Время контакта с зоной облучения (?, мин) варьировали в диапазоне от 0 до 60 мин. Окисление проводили в статических условиях.
4 3
сверху): 1-УФ-лампа; 2-кварцевая пробирка; 3-металлический корпус; 4-блок питания
Исходная концентрацию нитрофурала (Сн) в модельных растворах составляла 0,2 г/л по фурацилину или 5 мг/л по дейсвтующему веществу -нитрофуралу. Выполнение измерений массовой концентрации нитрофурала фотометрическим методом основано на взаимодействии его с 10% гидроксидом натрия с образованием окрашенного в желтый цвет продукта реакции.
Для приготовления раствора твердой формы АФС (нитрофурала) таблетку фурацилина (фирма Авексима) тщательно растирали в агатовой ступке, после чего взвешивали необходимое количество препарата. Исходный раствор перемешивали в течение 10 мин на магнитной мешалке до полного растворения.
Для фотокаталитической деструкции
нитрофурала в воде использовали катализатор нитрид углерода (д-Сз^). Образцы катализатора получали на базе Научно-технологического центра уникального приборостроения Российской академии наук. Графитоподобный нитрид углерода получали
термическим разложением меламина (чистота 99.7 %).
Сз№б ^д-СзЫ4+2ЫНз (1).
В работе исследовали три типа катализаторов:
- образец № 1 - навеску меламина (3 части) тщательно перетирали в агатовой ступке с частицами БЮ2 (размер частиц 50-200 нм) (1 часть) помещали в закрытый тигель и выдерживали - 3 часа при температуре - 300°-350°С.
- образец № 2 - навеску меламина (3 части) тщательно перетирали в агатовой ступке с частицами А1203 (размер частиц 50-200 нм) (1 часть) помещали в закрытый тигель и выдерживали - 3 часа при температуре - 300°-350°С.
- образец № 2 - навеску меламина (3 части) тщательно перетирали в агатовой ступке с частицами ТЮ2 (размер частиц 50-200 нм) (1 часть) помещали в закрытый тигель и выдерживали - 3 часа при температуре - 300°-350°С.
Методика фотокаталитических исследований заключалась в следующем: в 200 мл водного раствора нитрофурала с заданной концентрацией диспергировали 0.02 г порошка нитрида углерода (тка0 и перемешивали на магнитной мешалке в течение 15 минут. Далее полученную суспензию помещали в кварцевые пробирки (рис. 1) и проводили процесс фотокатализа. Пробоотбор осуществляли через каждые 15, 30, 60 минут для контроля протекания фотохимической реакции и наблюдения за изменением концентрации фурацилина в растворе во времени.
Экспериментальная часть
В рамках эксперимента была проведена фотокаталитическая деструкция модельных водных растворов фурацилина в присутствии катализатора нитрида углерода с добавлением оксидов кремния (БЮ2), алюминия (А12О3) и титана (ТЮ2). По результатам работы получена сравнительная характеристика степени очистки растворов при совместном использовании УФ-воздействия и исследуемых катализаторов. Результаты
проведенных экспериментов представлены на рисунке 2.
Следует отметить, что эффективность фотоокисления фурацилина в присутствии чистого нитрида углерода (без добавок) через 60 мин составляла не выше 50%.
120 |||||||||||||||||| —|—|
:::
® = = = = —Ь-1-д-аНЛ
£ ЕО -------- ——--- - $Ш2
и ■ — ц ^ — —
I 60 : = г! = = = : = = |-3-*-С31И
? = : +А1203
о 1 | 1
О 20 40 53 20
Время, мин.
Рис. 2. Зависимость эффективности окисления фурацилина от времени контакта с зоной облучения.
■I
На рис. 3 представлены спектры водного раствора фурацилина, полученные с помощью спектрофотометра GBC Cintra 303 (на оборудовании Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева) в диапазоне длин волн X = 190 - 400 нм. Из полученных результатов следует, что каталитическое фотоокисление в присутствии нитрида углерода с включением оксида кремния приводит к более глубокой деструкции молекулы нитрофурала, о чем свидетельствует снижение пиков в области длин волн 370 нм (отвечающие за нитрофурал) и 210-220 нм (отвечающие за группировки альдегиды и мно/ди карбоновые кислоты).
-4—
XJ фурацилина пс эр фураимлнна г* X' фдоиилнна rv
400 00 -400 0040000 400 00 400-00 -
400 00-
1000.00
90.08 90.08
9008 1000.00
90.08 1000.00
900В 1000.00
9008 1000.00
Рис. 3. Спектры водного раствора фурацилина при УФ воздействии.
Заключение
Как видно из представленных экспериментальных данных, наиболее высокую фотокаталитическую активность в реакции глубокого окисления
действующего вещества нитрофурала показал катализатор с включением оксида кремния. Установлено, что введение в систему фотокатализатора на основе графитоподобного нитрида углерода приводит к увеличению степени окислительной деструкции нитрофурала. Нитрид углерода с включением оксида кремния позволяет достигать высоких показателей эффективности до 95%.
Список литературы
1. Самойленко Н. Н. Использование электрохимической деструкции для обезвреживания сточных вод лечебных учреждений / Н. Н. Самойленко, И. А Ермакович // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. - 2014. -№ 4(10). - С. 18-20.
2. Стрикаленко, Т. В. Некоторые проблемы токсикологии сточных вод. IV Международный конгресс по управлению отходами (ВэйстТэк-2005), Москва, 31 мая-3 июня, 2005: сборник докладов. - М.: СИБИКО Инт., 2005. - С. 647-648.
3. Prevot A.B., Maurino V., Fabbri D., M. Braun A., C. Gonzalez M. Degradation of melamine in aqueous systems by vacuum UV-(VUV-) photolysis. An alternative to photocatalysis// Catalysis today Volume 340, 15 January 2020, Pages 286-293.
4. Vogna D. Advanced oxidation chemistry of paracetamol UV/H2Ü2-induced hydroxylation/degradation pathways and (15)N-aided inventory of nitrogenous breakdown products / D. Vogna, R. Marotta, А. Napolitano // Org. Chem.. - 2002. -V. 67, No 17. - P. 6143-6151.
5. Чебаненко М. И. Получение нанопорошков графитоподобного нитрида углерода и их фотокаталитическая активность под действием видимого света / М. И. Чебаненко, Н. В. Захарова, В. И. Попков // Журнал прикладной химии. - 2020. - № 4. - С. 490-492.
