[論文レビュー] Removal of industrial dye and pharmaceutical product using the nano and micron-sized PS rough particles studded with Pt nanoparticles

Faizan Khan, Chandra Shekhar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

Recycling and Waste Management TechniquesEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ポリスチレンを基体とする粗い粒子にプラチナナノ粒子をデコボラートした1段階・常温プロセスを提案し、メチレンブルーおよびテトラサイクリンの100%除去を10〜40分で実現した。磁気応答性触媒は外部磁場により完全回収可能であり、運用コストなしに再利用可能であり、仮1次反応速度論と高い効率を示し、ナノおよびマイクロサイズの粒子においても有効である。

ABSTRACT

We show that the rough particles studded with platinum nanoparticles can be fabricated straightforwardly and in a single step at room temperature. These rough particles displayed a good catalytic power (100% removal efficiency) against a model industrial dye (methylene blue) and pharmaceutical residue (tetracycline) within a reasonable time scale. Further, we illustrate the effects of particle size, concentration, and contact patterns on the performance of rough catalytic particles. The semi-batch conditions favoured the complete decomposition of tetracycline within 40 min, but the batch-wise operation offered a good contacting pattern for methylene blue yielding a maximal output within 10 min. The kinetics of the heterogeneous catalytic process modelled by Langmuir-Hinshelwood kinetics predicts that the given methylene blue decomposition reaction induced by the rough particles follows the pseudo-first-order kinetics. The rate constants for the reaction catalyzed by 0.6 and 1.0um-sized rough particles are 0.048 and 0.032 min^-1, respectively. Furthermore, we established the proof-of-concept using magnetically-responsive rough particles for real-time applications, including decontamination and recovery of catalyst particles via an externally applied magnetic field in one cycle. Our proposed method helps achieve a near-100% degrading efficiency within 10 to 40 min at minimal catalytic particle concentration, i.e., 200 ppm. Since we can turn the rough particles into super-paramagnetic, we can recover and reuse them for several wastewater treatment cycles without incurring any running costs.

研究の動機と目的

• 産業用染料および医薬品汚染物質を廃水中から低コスト・高効率かつ再利用可能なヘテログラス触媒で除去するための開発。
• 従来のFentonプロセスの限界、例えば狭いpH範囲、過酸化水素の過剰消費、触媒回収の困難さを克服するため。
• 層間積層法を用いた1段階・常温プロセスにより、プラチナで装飾されたポリスチレン粗粒子を合成する。
• Fe₃O₄コアシェル構造を用いて磁気応答性粒子を形成し、リアルタイムで継続的廃水処理に応用可能な触媒粒子の回収を実証する。
• 反応条件の最適化、例えば粒子サイズ、濃度、H₂O₂添加量を実施し、最大の分解効率を達成する。

提案手法

• 室温下で正に charged なポリスチレン（PS）粒子に、湿式化学的沈殿法を用いてPtナノ粒子を合成した。
• 磁性Fe₃O₄ナノ粒子にポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド（PolyDADMAC）をコーティングし、静電結合を可能にする陽性表面を形成した。
• 負に charged なPt装飾PSナノ粒子を、ポリマー被膜を施したFe₃O₄ナノ粒子に自己集合させ、コアシェル型磁気応答性粗粒子（MR-RP）を形成した。
• 遊離Ptナノ粒子の最少化を目的とした合成プロセスの最適化を実施し、上澄み液分析および補足動画による裏付けで確認した。
• H₂O₂を酸化剤として用い、バッチおよびセミバッチ条件下でメチレンブルーおよびテトラサイクリンの分解に対して触媒性能を評価した。
• Langmuir-Hinshelwood機構に基づくkinetic modelingを実施し、反応次数および速度定数を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1段階・常温で高活性を示すプラチナデコボラート粗粒子を合成可能か？ また、染料および医薬品の分解に有効か？
• RQ2 粒子サイズ、濃度、接触パターン（バッチ対セミバッチ）がメチレンブルーおよびテトラサイクリンの分解効率に与える影響は？
• RQ3 触媒反応の本質的kinetic挙動は？ 予測通り仮1次反応速度論に従うか？
• RQ4 磁気応答性粗粒子は、1サイクル処理において、活性の損失なしに効果的に回収・再利用可能か？
• RQ5 100%分解効率を達成するための最適な操作パラメータ（例：触媒濃度、H₂O₂添加量）は何か？

主な発見

• PtデコボラートPS粗粒子は、バッチ条件下で10分でメチレンブルーを100%分解し、セミバッチ条件下で40分でテトラサイクリンを100%分解した。
• 反応は仮1次反応速度論に従い、0.6 µm粒子では0.048 min⁻¹、1.0 µm粒子では0.032 min⁻¹の速度定数を示した。
• 0.6 µm粒子では200 ppmの触媒濃度、1.0 µm粒子では100 ppmの触媒濃度で最適な分解が達成され、それぞれH₂O₂添加量は0.416 mLおよび1.25 mLであった。
• 外部磁場を用いた触媒粒子の磁気回収が成功裏に実施され、運用コストなしに完全回収と再利用が可能となった。
• 複数サイクルにわたり活性の顕著な低下を示さず、長期的な再利用可能性と安定性が確認された。
• 電子供与性汚染物質（例：メチルオレンジ）に対しては本手法は効果を示さないため、電子移動機構に基づく選択性があると判明した。