Photocatalytic degradation of cyanotoxins and water taste and odor compounds using TiO2 based nanocatalysts and polyoxometalates

Abstract

Titanium dioxide (TiO2) photocatalysis has been considered a promising advanced oxidation process, which in combination with solar energy could effectively address the ever increasing concerns for pollution abatement and water purification. Although it appears to degrade a great variety of compounds in water, it generally requires UV irradiation for activation of the catalyst. Consequently, research on the development of new TiO2 based catalysts has been receiving increased attention. TiO2 photocatalysis can be effective for water purification from new classes of emerging pollutants such as cyanobacterial toxins (cyanotoxins) and metabolites, which can be produced by severalgenera of cyanobacteria. Cyanotoxins are considered an important risk for water quality since they are harmful to human and animal health. In this study, the photocatalytic degradation of cyanotoxins (microcystin-LR, MC-LR and Cy lindrospermopsin, CYN) and water taste and odor compounds (Geosmin, GSM and 2-methylisoborneol, MIB) wasstudied. TiO2 based photocatalysts (Degussa P25, Kronos vlp-7000, Ref-TiO2, N-TiO2,NF-TiO2, GOTiO2 and ECT-1023t) were tested for their photocatalytic ability towards degradation and mineralization of target analytes in water using UV-A, solar and visiblelight. In order to evaluate the photocatalytic performance of the materials, several parameters such as light intensity, presence of oxygen, catalyst loading, initial concentration of substrate, adsorption, pH, irradiation wavel ength, mineralization, intermediate products and toxicity, were investigated. Identification of the intermediate and final products was carried out and a complete degradation pathway is proposedwere hydroxyl radicals (●OH) play a key role. Assessment of the residual toxicity in the case of MCLR using TiO2 photocatalysis, complete detoxification of the solutions can beachieved. In addition, photocatalytic degradation of GSM and MIB using a polyoxometalate photocatalyst, H4SiW12O40 was studied and compared with TiO2. Elucidation of the mechanism using ●OH radical scavengers showed that process takes place via ●OH radicals for both catalysts. Overall results of this study show that TiO2 based photocatalysis can be very effective in removing cyanobacterial toxins and taste and odor compounds from water and its applications can be extended to the visible-solar region of the spectrum by development of novel modified photocatalytic materials.

Η φωτοκατάλυση με χρήση διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) είναι μία προηγμένη τεχνολογία οξείδωσης, η οποία σε συνδυασμό με την ηλιακή ενέργεια μπορεί να εφαρμοστεί αποτελεσματικά για τον καθαρισμό του νερού από μεγάλο φάσμα τοξικών ενώσεων. Η απαίτηση όμως υπεριώδους ακτινοβολίας για να ξεπεραστεί το ενεργειακό χάσμα του TiO2, αποτελεί το λόγο της έντονης ερευνητικής δραστηριότητας γύρω από την ανάπτυξη νέων βελτιωμένων καταλυτών. Η παρουσία κυανοβακτηρίων στα νερά αποτελεί σηµαντικό πρόβληµα, δεδοµένου ότι διάφορα γένη µπορούν να παράγουν τοξίνες (κυανοτοξίνες) με σημαντικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Επιπλέον, είναιπιθανόν να παραχθούν ενώσεις που προσδίδουν γεύση και οσμή στο νερό με αποτέλεσμα την υποβάθμιση της ποιότητάς του. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε η φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση κυανοτοξινών (microcystin-LR, MC-LR καιCylindrospermopsin, CYN) και ουσιών που προσδίδουν οσμή στα νερά (Geosmin, GSMand 2-methylisoborneol, MIB). Έγινε χρήση φωτοκαταλυτών με βάση το TiO2 (DegussaP25, Kronos vlp-7000, Ref-TiO2, N-TiO2, NF-TiO2, GO-TiO2 and ECT-1023t) για την πλήρη αποικοδόμηση των ενώσεων αυτών σε υδατικά διαλύματα με χρήση υπεριώδους, ηλιακής και ορατής ακτινοβολίας. Για την αξιολόγηση της δραστικότητας των φωτοκαταλυτών, εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως η παρουσία οξυγόνου, το είδος και η ένταση ακτινοβολίας, η συγκέντρωση των καταλυτών και των υποστρωμάτων, το pΗ, η προσρόφηση στον φωτοκαταλύτη, καθώς και ο σχηματισμός ενδιάμεσων προϊόντων και η τοξικότητα. Με βάση τον προσδιορισμό των ενδιαμέσων και τελικών προϊόντων προτείνεται μηχανισμός αποικοδόμησης, στον οποίο σημαντικό ρόλο έχουν οι ρίζες υδροξυλίου (●OH). Επιπλέον μελετήθηκε η φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση των ενώσεων GSM και MIB παρουσία της πολυοξομεταλλικής ένωσηςH4SiW12O40. Συγκριτική μελέτη με τη χρήση δεσμευτών ●OH κατέληξε σε μηχανισμό αντίστοιχο με εκείνο παρουσία TiO2. Τα συνολικά αποτελέσματα της εργασίας αυτής δείχνουν ότι η φωτοκατάλυση με TiO2 είναι πολύ αποτελεσματική στην απομάκρυνση κυανοτοξινών και ουσιών που προσδίδουν δυσάρεστη γεύση και οσμή στο νερό. Οι εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής μπορούν να επεκταθούν και στην ορατή-ηλιακή περιοχή του φάσματος με ανάπτυξη νέων τροποποιημένων φωτοκαταλυτικών υλικών.