[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究提出一种单步、室温制备方法，用于制备表面修饰铂纳米颗粒的聚苯乙烯粗糙颗粒，可在10至40分钟内实现亚甲基蓝和四环素的100%去除。该磁性响应催化剂可通过外加磁场完全回收，实现无运行成本的重复使用，表现出拟一级反应动力学特性，并在纳米和微米级颗粒中均表现出高效率。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、高效且可重复使用的非均相催化剂，用于去除工业染料和制药污染物。
• 克服传统芬顿工艺的局限性，如pH范围狭窄、过氧化氢消耗量高以及催化剂回收困难。
• 通过逐层自组装方法，在单步、室温条件下制备铂修饰的聚苯乙烯粗糙颗粒。
• 展示利用Fe₃O₄核壳结构实现催化剂颗粒的磁性回收，适用于实时、连续的废水处理应用。
• 优化反应条件，包括颗粒尺寸、浓度及过氧化氢投加量，以实现最大降解效率。

提出的方法

• 采用湿化学沉积法在室温下于带正电荷的聚苯乙烯（PS）颗粒上合成铂纳米颗粒。
• 将磁性Fe₃O₄纳米颗粒涂覆聚二烯丙基二甲基氯化铵（PolyDADMAC），以形成带正电的表面，便于静电结合。
• 将带负电的铂修饰聚苯乙烯纳米颗粒自组装到聚合物涂层的Fe₃O₄纳米颗粒上，形成核壳结构的磁性响应粗糙颗粒（MR-RP）。
• 通过优化合成过程，最大限度减少溶液中游离铂纳米颗粒的含量，经由上清液分析及补充视频证据予以确认。
• 在间歇式和半连续式条件下，以过氧化氢为氧化剂，评估催化性能对亚甲基蓝和四环素的降解效果。
• 基于朗缪尔-欣谢尔伍德机理进行动力学建模，以确定反应级数和速率常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在室温下通过单步法合成具有高催化活性的铂修饰粗糙颗粒，用于染料和药物的降解？
• RQ2 颗粒尺寸、浓度及接触模式（间歇式与半连续式）如何影响亚甲基蓝和四环素的降解效率？
• RQ3 催化反应的本征动力学行为如何？其是否符合朗缪尔-欣谢尔伍德模型预测的拟一级反应动力学？
• RQ4 磁性响应粗糙颗粒是否可在单周期处理过程中实现有效回收与重复使用，且活性无损失？
• RQ5 实现100%降解效率的最佳操作参数（如催化剂浓度、过氧化氢投加量）是什么？

主要发现

• 铂修饰聚苯乙烯粗糙颗粒在间歇式条件下10分钟内实现亚甲基蓝100%降解，在半连续式条件下40分钟内实现四环素100%降解。
• 反应遵循拟一级反应动力学，0.6 µm颗粒的速率常数为0.048 min⁻¹，1.0 µm颗粒的速率常数为0.032 min⁻¹。
• 0.6 µm颗粒的最佳降解浓度为200 ppm，对应过氧化氢投加量为0.416 mL；1.0 µm颗粒的最佳浓度为100 ppm，对应过氧化氢投加量为1.25 mL。
• 通过外加磁场成功实现催化剂颗粒的磁性回收，实现完全回收与重复使用，无运行成本。
• 该催化剂系统在多次循环中未表现出显著活性损失，证实其长期可重复使用性和稳定性。
• 该方法对电子给体型污染物（如甲基橙）无效，表明其选择性基于电子转移机理。