A new composite of manganese-iron layered double oxides-biochar (MnFe
LDO/BC) was successfully synthesized. The as-prepared composite was
characterized using Fourier-transform infrared spectroscopy, scanning electron
microscope, X-ray diffractometer and time-resolved spectroscopy. MnFe LDO/BC
was applied for the elimination of antibiotic residues like tetracycline (TEC) and
metronidazole (MEZ) from contaminated water via adsorption and advanced
oxidation processes. The performance of MnFe LDO/BC was evaluated through
isotherm studies, reuse efficiency, photocatalytic and adsorption kinetics. The
characterization results indicated that the MnFe LDO/BC composite has a sufficient
specific surface area of 524.8 m2
/g, saturation magnetization value at 28.5 emu/g,
energy band gap of 2.85 eV and photocurrent response of 3.8 µA/cm2
. The maximum
adsorption capacity of MnFe LDO/BC for TEC and MEZ was 38.3 mg/g and 40.8
mg/g at pH 3 and 5, respectively. The adsorption behavior fits the Langmuir isotherm
and pseudo-second-order models with correlation coefficient R2 ≥ 0.98.
The composite demonstrated high photocatalytic efficiency under UV light; TEC and
MEZ degradation reached ~98.0% after 60 min of UV light illumination in the
presence of 50 mg of MnFe LDO/BC catalyst and 6 mM of H2O2. Under various
antibiotics degradation processes, UV/MnFe LDO/BC/H2O2 demonstrated the
highest degradation efficiency with a rate constant of 0.266 1/min and lowest energy
consumption cost of 0.38$ at 7.56 kWh/m3 which is ~13 times lower than the
degradation of TEC and MEZ by the photolytic process under the same conditions.
The radical trapping results revealed that the photocatalytic decomposition of TEC
iv
and MEZ followed a multistage mechanism influenced mainly by
HO
and
SO4
radicals and partially by h
+
and
O2
. The performance of the novel MnFe LDO/BC
composite for antibiotics mineralization surpassed several studied catalysts and
maintained ~88% reuse efficiency after three consecutive recycling tests.
Keywords: Layered double oxide biomass composite; antibiotics elimination;
photocatalytic mineralization; antibiotics adsorption.
ÖZ:Bu çalışmada, yeni bir manganez-demir katmanlı çift oksit-biyokömür (MnFe
LDO/BC) kompoziti başarıyla sentezlendi. Hazırlanan kompozit, Fourier dönüşümlü
kızılötesi spektroskopi, taramalı elektron mikroskobu, X-ışını difraktometresi ve
zamanla çözümlenmiş spektroskopi kullanılarak karakterize edildi. Kirlenmiş sudan
tetrasiklin (TEC) ve metronidazol (MEZ) gibi antibiyotik kalıntılarının adsorpsiyon
ve gelişmiş oksidasyon süreçleri yoluyla ortadan kaldırılması için MnFe LDO/BC
uygulandı. MnFe LDO/BC'nin performansı izoterm çalışmaları, yeniden kullanım
verimliliği, fotokatalitik ve adsorpsiyon kinetiği ile değerlendirildi.
Karakterizasyon sonuçları, MnFe LDO/BC kompozitinin 524.8 m2
/g değerinde
yeterli bir spesifik yüzey alanına, 28.5 emu/g değerinde doygunluk manyetizasyon
değerine, 2.85 eV değerinde enerji bant aralığına ve 3.8 µA/cm2
değerinde foto akım
yanıtına sahip olduğunu gösterdi. TEC ve MEZ için MnFe LDO/BC'nin maksimum
adsorpsiyon kapasitesi pH 3 ve 5'te sırasıyla 38.3 mg/g ve 40.8 mg/g olarak ölçüldü.
Adsorpsiyon davranışı, R2 ≥ 0.98 korelasyon katsayısı ile Langmuir izotermine ve
sözde ikinci dereceden modellere uyar.
Kompozit, UV ışığı altında yüksek fotokatalitik verimlilik göstermiştir; TEC ve
MEZ degradasyonu, 50 mg MnFe LDO/BC katalizörü ve 6 mM H2O2 varlığında 60
dakika UV ışık aydınlatmasından sonra ~%98.0'a ulaştı. Çeşitli antibiyotik bozunma
süreçleri altında, UV/MnFe LDO/BC/H2O2 uygulaması, 0.266 1/dak hız sabiti ve
7.56 kWh/m3
'te 0.38 $ 'lık en düşük enerji tüketim maliyeti ile en yüksek bozunma
verimliliğini göstermiş olup, TEC ve MEZ'nin aynı koşullar altında fotolitik işlemle
vi
bozunması için gerekli olan enerji tüketimine kıyasla yaklaşık 13 kat daha düşük
olduğunu göstermiştir. Radikal yakalama sonuçları, TEC ve MEZ'nin fotokatalitik
ayrışmasının, esas olarak •OH ve •SO4
¯
radikallerinden ve kısmen h
+
ve •O2
̅¯
etkisi ile
çok aşamalı bir mekanizmayı takip ettiğini ortaya çıkarmıştır. Antibiyotik
mineralizasyonu için yeni MnFe LDO/BC kompozitinin performansı, üzerinde
çalışılan birkaç farklı katalizörü geride bıraktı ve üç ardışık geri dönüşüm testinden
sonra ~%88 yeniden kullanım verimliliğini korudu.
Anahtar Kelimeler: Katmanlı çift oksit biyokütle kompoziti; fotokatalitik
mineralleşme; tetrasiklin ve metronidazol degradasyonu; antibiyotik adsorpsiyonu.
