Enquête sur la photocatalytique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4000 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, le toluène et l'éthylbenzène ont été dégradés dans le processus photocatalytique-proxone en utilisant le nanocomposite BiOI@NH2-MIL125(Ti)/Zéolite. La présence simultanée d’ozone et de peroxyde d’hydrogène est connue sous le nom de processus proxone. La synthèse des nanocomposites a été réalisée en utilisant la méthode solvothermique. Le débit d'air d'entrée, les concentrations d'ozone, les concentrations de H2O2, l'humidité relative et les concentrations initiales de polluants ont été étudiées. Le nanocomposite a été synthétisé avec succès sur la base de la cartographie des éléments FT-IR, BET, XRD, FESEM, EDS, des spectres UV-Vis et de l'analyse TEM. Un débit de 0,1 L min−1, 0,3 mg min−1 d'ozone, 150 ppm de peroxyde d'hydrogène, 45 % d'humidité relative et 50 ppmv de polluants se sont avérés être des conditions de fonctionnement optimales. Les deux polluants ont été dégradés à plus de 95 % dans ces conditions. Pour le toluène et l’éthylbenzène, les coefficients d’effet synergique des mécanismes étaient respectivement de 1,56 et 1,76. Il est resté 7 fois supérieur à 95 % d’efficacité dans le processus hybride et présentait une bonne stabilité. Les processus photocatalytiques-proxone ont été évalués pour leur stabilité sur 180 minutes. Les niveaux d'ozone restants dans le processus étaient insignifiants (0,01 mg min−1). La production de CO2 et de CO dans le procédé photocatalytique à la proxone était respectivement de 58,4, 5,7 ppm pour le toluène et de 53,7 et 5,5 ppm pour l'éthylbenzène. L'oxygène gazeux favorisé et l'azote gazeux ont eu un effet inhibiteur sur l'élimination efficace des polluants. Lors de l’oxydation des polluants, divers intermédiaires organiques ont été identifiés.

Les composés organiques volatils (COV) sont produits dans de nombreux processus industriels, notamment les pigments, les produits chimiques organiques, les produits pétrochimiques et pharmaceutiques. La santé humaine, en particulier celle des travailleurs industriels, est affectée par la plupart des COV. Par conséquent, les COV présents dans l’air ambiant ou sur le lieu de travail doivent être contrôlés1,2. Le toluène et l'éthylbenzène font partie de la famille des BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène, xylène) qui sont des indicateurs de COV. Les individus et/ou les industries utilisent largement le toluène et peuvent avoir des effets extrêmes sur la santé en cas d'exposition aiguë ou chronique. Il est bien connu que le toluène peut provoquer des problèmes respiratoires chez l’homme, tels qu’une pneumopathie chimique, des nausées, des vomissements, des douleurs et des dermatites3. La fumée de cigarette, l'essence et l'huile naturelle contiennent de l'éthylbenzène. En plus d’affecter le sang, le foie et les reins, l’éthylbenzène provoque le cancer4. Actuellement, de nombreuses méthodes ont été appliquées à la dégradation des BTEX dans l'industrie, notamment le processus d'adsorption5, le processus d'oxydation catalytique6, le processus d'oxydation photocatalytique7, le processus de plasma non thermique8 et le processus de dégradation biologique9. L’utilisation de procédés d’oxydation avancés (AOP) pour l’élimination des BTEX est une approche prometteuse basée sur la génération de radicaux10. L'un des sous-ensembles d'AOP, comprenant le processus d'ozonation (OP) et ses dérivés11. Le processus d'ozonation pour l'élimination des BTEX à température ambiante est avantageux par rapport à d'autres techniques compte tenu des économies d'énergie12. Des processus auxiliaires tels que la photocatalyse13, l'O3/H2O2 (procédé proxone)14 et l'O3/ultrasons peuvent augmenter les performances de l'OP. Dans le procédé proxone, le principal mécanisme de minéralisation du toluène et de l'éthylbenzène repose sur l'oxydation indirecte via des radicaux libres d'oxydation, tels que OH·, O2·− et d'autres radicaux14. Il est également possible d’obtenir une minéralisation satisfaisante par photocatalyse en ajoutant des catalyseurs hétérogènes dans le site de réaction et en générant des paires électron-trou à la surface du catalyseur, ce que l’on appelle un processus photocatalytique13. Des recherches récentes se sont concentrées sur les structures métallo-organiques (MOF) avec des architectures à pores réguliers en raison de leurs applications potentielles dans le stockage de gaz, la catalyse hétérogène, l'adsorption sélective et la technologie des capteurs. Les MOF sont principalement composés d'ions métalliques ou d'amas d'ions métalliques, ainsi que de molécules organiques qui agissent comme des lieurs. Les ligands di-, tri- ou tétradendates sont des unités organiques typiques15. Parmi les MOF, la famille MIL est l’une des plus importantes. Le NH2-MIL125 est isostructuralement identique au MIL-125, mais il nécessite une proportion de méthanol significativement plus élevée que le DMF pour la synthèse ; il peut être préparé en remplaçant H2BDC par l'acide 2-amino benzène dicarboxylique. On s'attend à ce que le groupe amine dans le NH2-MIL125 réduise la surface spécifique et la taille des pores, mais la position précise du groupe amine dans la structure n'a pas été déterminée16. Le NH2-MIL125(Ti) contribue à la dégradation photocatalytique des polluants organiques et au dégagement d'hydrogène en raison de sa bande interdite appropriée. Bien qu’il présente une recombinaison rapide des charges, il n’a pas une stabilité structurelle suffisante. Pour améliorer l'activité photocatalytique, de nombreuses techniques ont été appliquées, telles que la substitution des cations mentaux par des ligands organiques et le dépôt de cations mentaux nobles17. BiPO4, BiVO4, Bi2WO6 et BiOX (X = Cl, Br, I) sont des semi-conducteurs contenant du bismuth qui ont été largement étudiés pour améliorer les propriétés photocatalytiques et optiques18. Parmi les photocatalyseurs, BiOI est particulièrement prometteur en raison de sa stratification anisotrope et de sa bande interdite appropriée. Une bande interdite étroite lui permet de répondre fortement à la lumière visible19. La combinaison d’une structure d’hétérojonction avec des MOF est recommandée pour surmonter les problèmes de recombinaison rapide et de stabilité. Les pores larges et confortables de la zéolite en font un excellent catalyseur ou sorbant. Une structure zéolitique contient des éléments Al et Si, qui fournissent des espaces appropriés pour piéger les polluants en phase gazeuse20. La nouveauté de cette étude était la synthèse d'un nouveau nanocomposite BiOI@NH2-MIL125(Ti)/Zéolite (BiOI@MOF/Z) et son utilisation comme catalyseur de départ dans le processus photocatalytique-proxone pour l'élimination du toluène et de l'éthylbenzène pour la première fois. Dans cette étude, les principaux objectifs étaient : (i) synthétiser un nanocomposite BiOI@MOF/Z qui améliore les performances du processus d'oxydation catalytique pour l'élimination du toluène et de l'EB de l'air pollué, et déterminer la caractérisation du nanocomposite par FESEM, FT-IR, Cartographie EDS, analyse TEM, XRD, BET et UV-Vis. (ii), les performances du procédé photocatalytique-Proxone ont été examinées en ce qui concerne des paramètres (tels que le débit, la concentration d'ozone, la concentration de H2O2 (HP), l'humidité relative (HR) et la concentration initiale de polluants), et (iii) pour déterminer l'effet du mécanisme de synergie, la stabilité et la réutilisabilité du catalyseur, l'estimation de la quantité d'ozone restant dans les processus, l'élimination simultanée du toluène et de l'éthylbenzène, l'étude de l'effet de l'oxygène et de l'azote gazeux en tant que gaz porteur, le calcul du taux de minéralisation théorique du toluène et de l'EB et la libération de CO et CO2 ainsi que sous-produits et filières probables dans des conditions optimales.