حذف آلودگی و بهبود کارایی تخریب فتوکاتالیستی آنت یبیوتیک سیپروفلوکساسین در محلول آبی با استفاده از نانوکامپوزیت هیبریدیMXene/g-C3N4

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فناوری های محیط‌ زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 گروه شیمی تجزیه و کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

3 گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، مازندران، نور، ایران

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی منابع آبی به آنتی‌بیوتیک‌ها به دلیل اثرات مخرب زیست‌محیطی و سلامتی، به یکی از چالش‌های مهم تبدیل شده است. یکی از روش‌های موثر برای حذف این آلاینده‌های خطرناک، استفاده از فرآیندهای فتوکاتالیستی است. در این پژوهش، نانوکامپوزیتی نوین بر پایه کربن نیترید گرافیتی (g-C3N4) و نانوصفحات مکسین(MXene) برای تخریب فتوکاتالیستی آنتی‌بیوتیک سیپروفلوکساسین سنتز و ارزیابی شده است.
مواد و روش‌ها: کربن نیترید گرافیتی با استفاده از پیش ماده ملامین طی پلیمریزاسیون حرارتی در دمای 550 درجه سانتی‌گراد در کوره لوله‌ای، و نانوصفحات مکسین طی اچینگ شیمیایی مکس فاز Ti3AlC2 با محلول اچانت HCL/LiF طی 48 ساعت سنتز شد. نانوکامپوزیت MXene/g-C3N4 طی یک روش خودآرایی ساده بر اساس جاذبه الکترواستاتیکی بین نانوصفحات کربن نیترید گرافیتی و درصد وزنی‌های مختلف از نانوصفحات مکسین (1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 درصد وزنی) سنتز شد. آنالیزهای دستگاهی XRD، BET، DRS و PL برای مشخصه‌یابی نانومواد سنتز شده انجام شد.
نتایج و بحث: آنالیز XRD نانوکامپوزیت MXene/g-C3N4، وجود قله‌های شاخص در زوایای 13 و 27 درجه مربوط به کربن نیترید گرافیتی و قله‌های 9 و 62 درجه مربوط به نانوصفحات مکسین را نشان می‌دهد. این امر حاکی از حفظ ساختار اولیه‌ی هر دو نانوماده در کامپوزیت و موفقیت‌آمیز بودن فرایند سنتز نانوکامپوزیت است. نتایج آنالیز BET نشان داد نمونه کربن نیترید گرافیتی بالک دارای کمترین مساحت سطح به مقدار m2/g 6/3 در بین نمونه‌ها بود. مساحت سطح پایین در نمونه‌های بالک باعث عملکرد فتوکاتالیستی ناچیز در نمونه‌ها می‌شود. در اثر پروتوناسیون با اسید هیدروکلریک و همچنین تیمار اولتراسونیک، مساحت سطح نمونه بالک به m2/g 6/25 در نمونه g-C3N4 nanosheet افزایش پیدا کرد. همچنین مساحت سطح ویژه نانو صفحات مکسین و نانوکامپوزیت MXene/g-C3N4 با نسبت وزنی 7% نانوصفحات مکسین (CN/MX7) به ترتیب 2/20 و 3/18 متر مربع بر گرم اندازه گیری شد. آنالیز DRSنشان داد که انرژی باند گپ فتوکاتالیست ها ازeV 72/2 در نمونه بالک به eV47/2 در نانوکامپوزیت CN/MX7 کاهش پیدا کرده است که موجب بهبود عملکرد جداسازی الکترون حفره‌ها و افزایش فعالیت فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت می‌شود. کاهش شدت طیف فوتولومینسانس فتوکاتالیست‌های سنتز شده در آنالیز PLکاهش نرخ بازترکیبی الکترون حفره ها را تایید می‌کند. نتایج آزمایشات حذف آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین نشان داد از بین همه نمونه‌ها، فتوکاتالیست سنتز شده با نرخ 7 درصد وزنی نانوصفحات مکسین (CN/MX7) دارای بالاترین درصد حذف به میزان 02/94 درصد، در غلظت 10 میلی‌گرم بر لیتر محلول آنتی‌بیوتیک، دوز g/L 1 فتوکاتالیست،pH برابر 5 و در مدت زمان 120 دقیقه تحت نور مرئی LED 50 وات بود. مطالعات سنتیکی نشان داد، فرایند حذف فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین توسط فتوکاتالیست CN/MX7 از مدل سنتیکی شبه مرتبه اول پیروی می‌کند. همچنین آزمایش قابلیت بازیافت و پایداری نشان داد‌ که فتوکاتالیست CN/MX7 پس از 5 چرخه حذف آنتی بیوتیک و احیاء فتوکاتالیست، تنها 4 درصد از توانایی تخریب فتوکاتالیستی خود را از دست می دهد.
نتیجه گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که نانوکامپوزیتCN/MX7، با تلفیق خواص منحصر به فرد نانوصفحات کربن نیترید گرافیتی و مکسین، به عنوان یک سیستم فتوکاتالیستی کارآمد عمل می‌کند. این نانوکامپوزیت قادر است به طور موثر آنتی‌بیوتیک‌ سیپروفلوکساسین را از محلول‌های آبی حذف کند و این امر، این نانوکامپوزیت را به عنوان یک گزینه مناسب برای تصفیه آب‌های آلوده به ترکیبات داروئی معرفی می‌کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Pollution Removal and Enhanced Photocatalytic Degradation of the Ciprofloxacin Antibiotic in Aqueous Solutions Using a MXene/g-C3N4 Hybrid Nanocomposite

نویسندگان [English]

  • Mehran Bijari 1
  • Afsaneh Shahbazi 1
  • Vahid Vatanpour 2
  • Habibollah Younesi 3
1 Department of Environmental Technologies, Research Institute of Environmental Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Department of Analytical and Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, Kharazmi University, Tehran, Iran
3 Department of Environment Science, Faculty of Natural Resources and Marine Sciences, Tarbiat Modares University, Mazandaran, Noor, Iran
چکیده [English]

Background and Objective: The contamination of water resources with antibiotics has emerged as a significant global challenge due to its detrimental effects on both the environment and human health. Photocatalytic processes have been recognized as an effective strategy for removing these hazardous contaminants. In this study, a novel nanocomposite based on graphitic carbon nitride (g-C3N4) and MXene (Ti3C2) nanosheets was synthesized and evaluated for the photocatalytic degradation of the antibiotic ciprofloxacin.
Materials and Methods: Graphitic carbon nitride (g-C3N4) was synthesized through the thermal polymerization of melamine at 550°C in a tube furnace. MXene (Ti3C2) nanosheets were prepared by chemically etching the AlC2 MAX phase with a solution of HCl/LiF for 48 hours.
MXene/g-C3N4 nanocomposites were synthesized using a simple self-assembly method that relies on the electrostatic attraction between the graphitic carbon nitride nanosheets and varying weight percentages of MXene nanosheets (0.1%, 0.3%, 0.5%, 0.7%, and 0.9% by weight). The synthesized nanomaterials were characterized using XRD, BET, DRS, and PL analyses.
Results and Discussion: X-ray diffraction (XRD) analysis of the MXene/g-C3N4 nanocomposite revealed characteristic peaks at 13° and 27°, corresponding to graphitic carbon nitride, as well as peaks at 9° and 62°, attributable to MXene ((Ti3C2) nanosheets. These findings indicate the preservation of the primary structures of both nanomaterials within the composite and confirm the successful synthesis of the nanocomposite. Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis demonstrated that bulk Graphitic carbon nitride exhibited the lowest surface area of 6.3 m²/g among the samples, which resulted in negligible photocatalytic performance. Following protonation with hydrochloric acid and ultrasonic treatment, the surface area of the bulk sample increased to 25.6 m²/g for graphitic carbon nitride nanosheets. Furthermore, the specific surface areas of MXene nanosheets and the MXene/g-C3N4 nanocomposite with a 7 wt% MXene loading (CN/MX7) were measured at 20.2 m²/g and
18.3 m²/g, respectively. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) analysis indicated that the bandgap energy of the photocatalysts decreased from 2.72 eV for the bulk sample to 2.47 eV for the CN/MX7 nanocomposite, which enhances charge carrier separation and improves photocatalytic activity. The reduced intensity of the photoluminescence (PL) spectra of the synthesized photocatalysts confirmed a lower rate of electron-hole recombination. Results from ciprofloxacin antibiotic removal experiments demonstrated that the photocatalyst synthesized with a 7 wt% MXene loading (CN/MX7) achieved the highest removal percentage of 94.02% at a ciprofloxacin concentration of 10 mg/L, a photocatalyst dosage of 1 g/L, a pH of 5, and under 50 W LED visible light irradiation for 120 minutes. Kinetic studies revealed that the photocatalytic degradation of ciprofloxacin by the CN/MX7 photocatalyst followed a pseudo-first-order kinetic model. Additionally, recyclability and stability tests indicated that the CN/MX7 photocatalyst retained 96% of its photocatalytic degradation capability after five cycles of antibiotic removal and photocatalyst regeneration.
Conclusion: This research demonstrated that the CN/MX7 nanocomposite, due to the unique properties of graphitic carbon nitride and MXene (Ti3C2) nanosheets, serves as a highly efficient photocatalyst. The nanocomposite effectively removed the antibiotic ciprofloxacin from aqueous solutions, thereby presenting itself as a viable option for purifying water contaminated with pharmaceutical substances.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Graphitic carbon nitride
  • MXene
  • MXene/g-C3N4
  • Ciprofloxacin antibiotic
  • Photocatalytic degradation

مراجع

References
Alhaddad, M., & Amin, M. (2022). Removal of ciprofloxacin applying Pt@ BiVO4-g-C3N4 nanocomposite under visible light. Optical Materials, 124, 111976.
Alotaibi, B. A., Baig, M. B., Najim, M. M., Shah, A. A., & Alamri, Y. A. (2023). Water scarcity management to ensure food scarcity through sustainable water resources management in Saudi Arabia. Sustainability, 15(13), 10648.
Balamurugan, K., Rohini, V., Minnam Reddy, V. R., Kim, W. K., & Afzal, M. (2024). Effective photocatalytic degradation of antibiotic chloramphenicol and anionic direct violet 51 dye using g-C3N4 embedded NiO nanocomposite. Ionics, 30(7), 4245-4255.
Bijari, M., Younesi, H., & Bahramifar, N. (2018). Optimization of activated carbon production by using K2CO3 at different temperatures for the removal of Reactive Black 5 dye from aqueous solutions. Iranian Journal of Health and Environment, 10(4), 483-500.
Cai, T., Wang, L., Liu, Y., Zhang, S., Dong, W.,
Chen, H., Yi, X., Yuan, J., Xia, X., & Liu, C. (2018). Ag3PO4/Ti3C2 MXene interface materials as a Schottky catalyst with enhanced photocatalytic activities and anti-photocorrosion performance. Applied Catalysis B: Environmental, 239, 545-554.
Chen, Z., Zhang, S., Liu, Y., Alharbi, N. S., Rabah, S. O., Wang, S., & Wang, X. (2020). Synthesis and fabrication of g-C3N4-based materials and their application in elimination of pollutants. Science of the Total Environment, 731, 139054.
Chuaicham, C., Inoue, T., Balakumar, V., Tian, Q., & Sasaki, K. (2022). Fabrication of visible-light-active ZnCr mixed metal oxide/fly ash for photocatalytic activity toward pharmaceutical waste ciprofloxacin. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 108, 263-273.
Costa, T. M., Lima, M. S., Cruz Filho, J. F., Silva, L. J., Santos, R. S., & Luz Jr, G. E. (2018). Synthesis, characterization, and photocatalytic activity of Ag3PO4/SBA-15 in ciprofloxacin degradation under polychromatic irradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 364, 461-471.
Das, K. K., Patnaik, S., Mansingh, S,. Behera, A., Mohanty, A., Acharya, C., & Parida, K. (2020). Enhanced photocatalytic activities of polypyrrole sensitized zinc ferrite/graphitic carbon nitride nn heterojunction towards ciprofloxacin degradation, hydrogen evolution and antibacterial studies. Journal of colloid and interface science, 561, 551-567.
Das, N., Madhavan, J., Selvi, A., & Das, D. (2020). An overview of cephalosporin antibiotics as emerging contaminants: a serious environmental concern. 3 Biotech, 9(6), 231.
Dousti, S., Mahmoodi, B., Bijari, M., & Shahbazi, A. (2024). Investigating the effect of various precursors in the synthesis and improvement of the photocatalytic performance of graphite carbon nitride in the degradation of Rhodamine B dye under visible light. Journal of Color Science and Technology, 18(2), 135-150.
Downes, M., Shuck, C. E., McBride, B., Busa, J., & Gogotsi, Y. (2024). Comprehensive synthesis of Ti3C2T x from MAX phase to MXene. Nature protocols, 19(6), 1807-1834.
Escareño- Torres, G. A., Pinedo- Escobar, J. A., De Haro- Del Río, D. A., Becerra- Castañeda, P., Araiza, D. G., Inchaurregui- Méndez, H., Carrillo- Martínez, C. J., & González- Rodríguez, L. M. (2024). Enhanced degradation of ciprofloxacin in water using ternary photocatalysts TiO2/SnO2/g-C3N4 under UV, visible, and solar light. Environmental Science and Pollution Research, 31(28), 40174-40189.
Feng, D., Cheng, Y., He, J., Zheng, L., Shao, D., Wang, W., Wang, W., Lu, F., Dong, H., & Liu, H. (2017). Enhanced photocatalytic activities of g-C3N4 with large specific surface area via a facile one-step synthesis process. Carbon, 125, 454-463.
Hao, P., Chen, Z., Yan, Y., Shi, W., & Guo, F. (2024). Recent advances, application and prospect in g-C3N4-based S-scheme heterojunction photocatalysts. Separation and Purification Technology, 330, 125302.
Hasanah, A. U., Ikbal, M. S., & Tahir, D. (2024). Advances in rare earth‐doped ZnO photocatalysts: Enhancing photogenerated electron‐hole pairs for radical atom generation. ChemBioEng Reviews, 11(3), 595-612.
Hayat, A., Sohail, M., Ajmal, Z., Abd El- Gawad, H. H., Ghernaout, D., Al- Hadeethi, Y., Raza, S., & Orooji, Y. (2024). Advances/Scope and prospects of g-C3N4 derived fascinating photocatalyst as a leading route towards solar energy adaption. Journal of Cleaner Production, 140568.
Hofste, R. W., Reig, P., & Schleifer, L. (2019). countries, home to one-quarter of the world’s population, face extremely high water stress. World Resources Institute.
Hu, C., Tu, S., Tian, N., Ma, T., Zhang, Y., & Huang, H. (2021). Photocatalysis enhanced by external fields. Angewandte Chemie International Edition, 60(30), 16309-16328.
Kamari, S., Shahbazi, A., & Ghorbani, F. (2024). Adsorption optimization and modeling of Hg2+ ions from aqueous solutions using response surface methodology by SNPs–CS bionanocomposite produced from rice husk agro–industrial waste as a novel environmentally–friendly bionanoadsorbent. Chemosphere, 351, 141279.
Kumar, A., Kumar, P., Joshi, C., Manchanda, M., Boukherroub, R., & Jain, S. L. (2016). Nickel decorated on phosphorous-doped carbon nitride as an efficient photocatalyst for reduction of nitrobenzenes. Nanomaterials, 6(4), 59.
Kusumah, A. D., Yulizar, Y., Apriandanu, D. O. B., & Surya, R. M. (2024). Fabrication of ZnO and ZnO/CuMoO4 for the improvement of photocatalytic performance. Vacuum, 222, 113034.
Kuzma, S., Saccoccia, L., & Chertock, M. (2023). Countries, housing one-quarter of the population, face extremely high water stress. World Resources Institute. https://www. wri. org/insights/highest-water-stressed-countries.
Malik, S., Khyalia, P., & Laura, J. S. (2024). Conventional methods and materials used for water treatment in rural areas. In Water Resources Management for Rural Development (pp. 79-90). Elsevier.
Mao, D., Yu, A., Ding, S., Wang, F., Yang, S., Sun, C., He, H., Liu, Y., & Yu, K. (2016). One-pot synthesis of BiOCl half-shells using microemulsion droplets as templates with highly photocatalytic performance for the degradation of ciprofloxacin. Applied Surface Science, 742-750.
Muthukumar, C., Panchal, J., Reddy, K., & BG, P. K. (2024). Synergistic photocatalytic degradation of ciprofloxacin under natural sunlight using hot dip galvanization and medical incineration waste residues. Environmental Pollution, 360, 124. 692.
Nasri, M. S. I., Samsudin, M. F. R., Tahir, A. A., & Sufian, S. (2022). Effect of MXene loaded on g-C3N4 photocatalyst for the photocatalytic degradation of methylene blue. Energies, 15(3), 955.
Qiao, L.-L., Zhang, F.-J., Kai, C.-M., Liu, C., Wang, Y.-R., & Oh, W.-C. (2023). Preparation of 2D/2D g-C3N4/Ti3C2 MXene composites by calcination synthesis method for visible light photocatalytic degradation of tetracycline. Journal of the Korean Ceramic Society, 60(5), 790-797.
Rajiv, P., Mengelizadeh, N., McKay, G., & Balarak, D. (2023). Photocatalytic degradation of ciprofloxacin with Fe2O3 nanoparticles loaded on graphitic carbon nitride: mineralisation, degradation mechanism and toxicity assessment. International
Journal of Environmental Analytical Chemistry, 103(10), 2193-2207.
Sohaimi, K. S. A., Jaafar, J., Dharma, H. N. C., Samuel, O., Ismail, A., Othman, M., Rahman, M. A., Aziz, F., & Salleh, W. (2024). Synthesis and characterisation of dual Z-scheme V2O5/g-C3N4 photocatalysts for degrading ciprofloxacin antibiotics under visible light. Korean Journal of Chemical Engineering, 41(3), 893-907.
Yang, Y., Zeng, Z., Zeng, G., Huang, D., Xiao, R., Zhang, C., Zhou, C., Xiong, W., Wang, W., & Cheng, M. (2019). Ti3C2 Mxene/porous g-C3N4 interfacial Schottky junction for boosting spatial charge separation in photocatalytic H2O2 production. Applied Catalysis B: Environmental, 258, 117956.
Zeng, G., He, Z., Wan, T., Wang, T., Yang, Z., Liu, Y., Lin, Q., Wang, Y., Sengupta, A., & Pu, S. (2022). A self-cleaning photocatalytic composite membrane based on g-C3N4@ MXene nanosheets for the removal of dyes and antibiotics from wastewater. Separation and Purification Technology, 292, 121037.
Zhang, X., Li, C., Dai, L., Si, C., Shen, Z., Qiu, Z., & Wang, J. (2023). Graphite carbon nitride photocatalytic materials: A roadmap to modification
for current and future water purification. Journal of Environmental Chemical Engineering, 11(5), 110869.
Zhao, Y., Zhang, Y., Xu, Q., Gong, H., Yan, M., Feng, K., Zhou, X., Zhou, X., & Zhang, D. (2024). Enhanced piezoelectricity and spectral absorption in Nd-doped bismuth titanate hierarchical microspheres for efficient piezo-photocatalytic H2 production and pollutant degradation. Journal of Materials Chemistry A, 12(3), 1753-1763.
Zhu, H., Yang, B., Yang, J., Yuan, Y., & Zhang, J. (2021). Persulfate-enhanced degradation of ciprofloxacin with SiC/g-C3N4 photocatalyst under visible light irradiation. Chemosphere, 276, 130217.
Zhu, Z., Tang, X., Ma, C., Song, M., Gao, N., Wang, Y., Huo, P., Lu, Z., & Yan, Y. (2016). Fabrication of conductive and high-dispersed Ppy@ Ag/g-C3N4 composite photocatalysts for removing various pollutants in water. Applied Surface Science, 387, 366-374.
فصلنامه علوم محیطی
دوره 23، شماره 4
دی 1404
صفحه 897-914

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار