Structured nb2o5 catalysts applied in the degradation of emerging contaminants by advanced oxidative processes in a continuous process

Abstract

RESUMO: Este estudo descreve a síntese de pentóxido de nióbio (Nb2O5) por três métodos sol-gel para utilização como catalisador em processos oxidativos avançados fotocatalíticos, de ozonização catalítica e ozonização fotocatalítica na degradação de ibuprofeno (IBP), 4-isobutilacetofenona e ácido oxálico. Os catalisadores foram preparados em três gamas de temperatura: não calcinados, calcinados a 873 e 1173 K, e caracterizados por diferentes técnicas. O catalisador sintetizado pelo Método Sol-gel 3 (NbCl5, Poliacrilonitrila e N-N-Dimetilformamida) e tratado termicamente a 873 K apresentou a maior remoção de poluentes nos testes fotocatalíticos (92%, com redução de 95% do carbono orgânico total (TOC)) ao longo de 300 min de reação, e nos testes de ozonização catalítica (100%, com redução de 62% do TOC) ao longo de 30 min de reação, devido à combinação das propriedades apresentadas nas análises de caracterização, como elevada área superficial. Esse catalisador foi aplicado em reações de ozonização fotocatalítica e demonstrou capacidade de degradar 100% do ibuprofeno em 12 min, sem formação de 4-isobutilacetofenona (4-IBAP), resultando em uma redução de 98% do TOC ao longo de 30 min de reação. Além disso, os resultados de fotodegradação desse catalisador não apresentaram redução significativa na atividade catalítica durante os processos de fotocatálise e ozonização catalítica, apresentando resultados comparáveis ao P25. Os testes de toxicidade validaram os resultados do TOC, indicando um efeito de 8% em comparação com 90% da solução inicial de ibuprofeno e um efeito de 43% em comparação com 95% da solução inicial de 4-IBAP. Foram desenvolvidas estratégias de síntese de catalisadores de nióbio suportados em malhas de aço inoxidável para purificação de água, e o catalisador sintetizado a partir do precursor NbCl5 e poliacrilonitrila (PAN) apresentou o melhor desempenho, degradando 90% do poluente em 120 min. Os testes em reatores fotocatalíticos em escala piloto mostraram que, mesmo após quatro utilizações, a eficiência de degradação ainda pode permanecer acima da apresentada no teste fotolítico. A modificação do Nb2O5 com nanotubos de carbono de parede multiplas (MWCNT) resultou em um efeito sinérgico positivo na degradação do ibuprofeno, com o catalisador Nb2O5-MWCNT sendo capaz de degradar completamente o IBP em 30 min, mostrando taxas de reação superiores às do processo de ozonização e catalisadores sem nanotubos. Os catalisadores foram caracterizados por diferentes técnicas

ABSTRACT: This study describes the synthesis of Nb2O5 by three sol-gel methods for use as a catalyst in photocatalysis, catalytic ozonation, and photocatalytic ozonation processes for the degradation of ibuprofen, 4-isobutylacetophenone, and oxalic acid. The catalysts were prepared at three temperature ranges: non-calcined, calcined at 873 K, and calcined at 1173 K, and were5 characterized using various techniques. The catalyst synthesized by Sol-gel Method 3 (NbCl5, Polyacrylonitrile, and N-N-Dimethylformamide) and thermally treated at 873 K exhibited the highest pollutant removal in photocatalytic tests (92%, with a 95% reduction in TOC) over 300 min of reaction, and in catalytic ozonation tests (100%, with a 62% reduction in TOC) over 30 min of reaction, due to the combination of properties observed in the characterization analyses. This catalyst was employed in photocatalytic ozonation reactions and demonstrated the ability to degrade 100% of ibuprofen in 12 min, without the formation of 4-IBAP, resulting in a 98% reduction in TOC over 30 min of reaction. Additionally, the photodegradation results of this catalyst did not show a significant reduction in catalytic activity during photocatalysis and catalytic ozonation processes, presenting comparable results to P25. Toxicity tests validated the TOC results, showing an effect of 8% compared to 90% of the initial ibuprofen solution and an effect of 43% compared to 95% of the initial 4-IBAP solution. Strategies for synthesizing supported niobium catalysts on stainless steel meshes were employed for water purification, and the catalyst synthesized from the precursor NbCl5 and polyacrylonitrile (PAN) exhibited the best performance, degrading 90% of the pollutant in 120 min. Tests in pilot-scale photocatalytic reactors showed that even after four uses, the degradation efficiency can still remain higher than that observed in the photolytic test. Modification of Nb2O5 with multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) resulted in a positive synergistic effect in the degradation of ibuprofen, with the Nb2O5-MWCNT catalyst being able to completely degrade IBP in 30min, showing higher reaction rates than the ozonation process and catalysts without nanotubes. The catalysts were characterized using various techniques