catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2024-1-69-82catal-997Research ArticleФОТО- И ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗPHOTO- AND ELECTROCATALYSISФотокаталитическое окисление модельных органических красителей в присутствии ионов Na+, NO2–, NO3–: теоретические и прикладные аспектыPhotocatalytic oxidation of model organic dyes in the presence of Na+, NO2–, NO3– ions: theoretical and applied aspectsЗайцевА. В.ZaitsevA. V.ctls@kalvis.ruШестеркинВ. П.ShesterkinV. P.ctls@kalvis.ruКириченкоЕ. А.KirichenkoE. A.ctls@kalvis.ruКругловМ. С.KruglovM. S.ctls@kalvis.ruХабаровский Федеральный исследовательский центр (ХФИЦ) ДВО РАН, Институт водных и экологических проблем (ИВЭП) ДВО РАН , ХабаровскРоссияKhabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Institute of Water and Ecology problems FEB RAS, KhabarovskRussian FederationИнститут тектоники и геофизики им. Ю. А. Косыгина (ИТиГ) ДВО РАН, ХабаровскРоссияKosygin Institute of Tectonics and Geophysics, Russian Academy of Sciences, KhabarovskRussian FederationТихоокеанский государственный университет, ХабаровскРоссияPacific National University, KhabarovskRussian Federation2024230120242416982Copyright © LLC "KALVIS", 20242024LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/997

Исследовано влияние концентрации ионов Na+, NO2–, NO3– на скорость фотокаталитического окисления модельных органических красителей: катионный – метиленовый синий (МС); анионный – метиловый оранжевый (МО). На основе исследований гидрохимических показателей загрязненных рек урбанизированных территорий (г. Хабаровск, Россия) в период с 1999 по 2019 гг. показано, что концентрация ионов варьирует в диапазонах: 0,005–0,7 мг/л для NO2–; 0,05–15 мг/л для NO3–; 13–180 мг/л для Na+. Методом оптической спектрофотометрии исследована кинетика фотоокисления МС и МО в диапазонах концентраций исследуемых ионов: 0–1–10–100–1000–10 000 мг/л с использованием в качестве фотокатализатора оксида титана марки P25. Оценено время фотоокисления (t) при различных значениях степени превращения (α) красителей на начальной – 10 %t; средней – 50 %t; завершающей – 90 %t стадиях фотокаталитического процесса. Показан эффект поглощения ионами Na+/NO2– и Na+/NO3– квантов света с длинами волн 200–350 нм в зависимости от концентраций данных ионов в фотокаталитическом растворе. Даны рекомендации для практических применений метода фотокаталитической водоочистки реальных загрязненных вод, показывающие необходимость учета концентрации исследуемых ионов. Предложено описание наблюдаемого влияния ионов на скорость фотокаталитического окисления модельных органических красителей с позиции зонного строения полупроводников, элементов теории электролитической диссоциации и рекомбинаций свободных радикалов в фотокаталитических процессах.

The influence of the concentration of Na+, NO2–, NO3– ions on the rate of photocatalytic oxidation of model organic dyes was studied in the article: cationic – methylene blue (MB); anionic – methyl orange (MO). Based on studies of hydrochemical indicators of polluted rivers in urban areas (Khabarovsk, Russia) in the period from 1999 to 2019, it was shown that the concentration of ions varies in the ranges: 0.005–0.7 mg/l for NO2–; 0.05–15 mg/l for NO3–; 13–180 mg/l for Na+. Optical spectrophotometry was used to study the kinetics of photooxidation of MC and MO in the concentration ranges of the studied ions: 0–1–10–100–1000–10000 mg/l using P25 titanium oxide as a photocatalyst. The photooxidation time (t) was estimated at various values of the degree of transformation (α) of dyes at: initial – 10 %t; medium – 50 %t; final – 90 %t stages of the photocatalytic process. The effect of absorption of light quanta with wavelengths of 200–350 nm by Na+/NO2– and Na+/NO3– ions is shown depending on the concentrations of these ions in the photocatalytic solution. Recommendations for practical applications of the method of photocatalytic water purification of real polluted waters are given, showing the need to take into account the concentration of the studied ions. A description of the observed effect of ions on the rate of photocatalytic oxidation of model organic dyes is proposed from the point of view of the band structure of semiconductors, elements of the theory of electrolytic dissociation and recombination of free radicals in photocatalytic processes.

фотокатализфоторазложение органических красителейионный составphotocatalysisphotodecomposition of organic dyesionic compositionReferencesBiao S., Chuanglin F., Xia L., Xiaomin G., Zhitao L. // Environmental Impact Assessment Review. 2023. V. 100. Art. 107092. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2023.107092Biao S., Chuanglin F., Xia L., Xiaomin G., Zhitao L. // Environmental Impact Assessment Review. 2023. V. 100. Art. 107092. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2023.107092Li C., Mingxi Z., Jingzhe W., Zhiqin Z., Chengjiao D., Xiangxiang W., Shuling Z., Xiaohan B., Zhijie L., Zimin L., Linchuan F. // Science of The Total Environment. 2022. V. 835. Art. 155441. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155441Li C., Mingxi Z., Jingzhe W., Zhiqin Z., Chengjiao D., Xiangxiang W., Shuling Z., Xiaohan B., Zhijie L., Zimin L., Linchuan F. // Science of The Total Environment. 2022. V. 835. Art. 155441. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155441Xiao C., Yi F., Ying W., Fei W., Liyuan S., Rongzhen Z. // Science of The Total Environment. 2022. V. 850. Art. 157857. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157857Xiao C., Yi F., Ying W., Fei W., Liyuan S., Rongzhen Z. // Science of The Total Environment. 2022. V. 850. Art. 157857. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157857Ostin G., Juan F.S., Luisa F.E., Miquel C., Anna S., Martin T. // Environmental Pollution. 2022. V. 315. Art. 120366. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120366Ostin G., Juan F.S., Luisa F.E., Miquel C., Anna S., Martin T. // Environmental Pollution. 2022. V. 315. Art. 120366. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120366Hassimi A.H., Mohd H.M., Nur 'Izzati I. // Journal of Water Process Engineering. 2020. V. 33. Art. 101035. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2019.101035Hassimi A.H., Mohd H.M., Nur 'Izzati I. // Journal of Water Process Engineering. 2020. V. 33. Art. 101035. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2019.101035Junjie L., Yueling Z., Yelin D., Deping X., Yajun T., Kechang X. // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2021. V. 47. Art. 101464. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101464Junjie L., Yueling Z., Yelin D., Deping X., Yajun T., Kechang X. // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2021. V. 47. Art. 101464. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101464Sabine O., Thomas S.K. // Ecological Economics. 2023. V. 208. Art. 107811. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2023.107811Sabine O., Thomas S.K. // Ecological Economics. 2023. V. 208. Art. 107811. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2023.107811Nasser M.H., Islam G., Maryam G.E. // Applied Surface Science Advances. 2023. V.15. P. 100395. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2023.100395Nasser M.H., Islam G., Maryam G.E. // Applied Surface Science Advances. 2023. V.15. P. 100395. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2023.100395Hoang Q.A., Thi P.Q.L., Nhu D.L., Xi X.L., Thi T.D., Josette G., Emma R., Shurong Z., Neung-Hwan O., Chantha O., Chaiwat E., Tien D.N., Quang T.N., Tran D.N., Trong N.N., Thi L.T., Tatsuya K., Rumi T., Shin T., Tu B.M., Thi A.H.N. // Science of The Total Environment. 2021. V. 764. Art. 142865. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142865Hoang Q.A., Thi P.Q.L., Nhu D.L., Xi X.L., Thi T.D., Josette G., Emma R., Shurong Z., Neung-Hwan O., Chantha O., Chaiwat E., Tien D.N., Quang T.N., Tran D.N., Trong N.N., Thi L.T., Tatsuya K., Rumi T., Shin T., Tu B.M., Thi A.H.N. // Science of The Total Environment. 2021. V. 764. Art. 142865. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142865Ostin G., Juan F.S., Luisa F.E., Miquel C., Anna S., Martin T. // Environmental Pollution. 2022. V. 315. Art. 120366. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120366Ostin G., Juan F.S., Luisa F.E., Miquel C., Anna S., Martin T. // Environmental Pollution. 2022. V. 315. Art. 120366. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120366Verena K., Uta P. // Environmental Pollution. 2023. V. 319. Art. 120960. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120960Verena K., Uta P. // Environmental Pollution. 2023. V. 319. Art. 120960. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120960Camilo Z., Daniela N., Freddy F., Ezequiel Z., Ming N., Frank A., Victor H.G. // Environmental Technology & Innovation. 2021. V. 22. Art. 101504. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101504Camilo Z., Daniela N., Freddy F., Ezequiel Z., Ming N., Frank A., Victor H.G. // Environmental Technology & Innovation. 2021. V. 22. Art. 101504. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101504Шестеркин В.П., Афанасьева М.И., Шестеркина Н.М. // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2019. № 3. С. 42—51.Шестеркин В.П., Афанасьева М.И., Шестеркина Н.М. // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2019. № 3. С. 42—51.Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М., Шамов В.В. // В сб.: Историко-культурное и природное наследие Дальнего Востока на рубеже веков: проблемы изучения и сохранения. Материалы вторых Гродековских чтений. Хабаровский краевой краеведческий музей им. Н.И. Гродекова; Дальневосточная государственная научная библиотека; Хабаровский государственный педагогический университет; Приамурское географическое общество. Ответственный редактор Н.И. Рубан, 1999. С. 328—330.Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М., Шамов В.В. // В сб.: Историко-культурное и природное наследие Дальнего Востока на рубеже веков: проблемы изучения и сохранения. Материалы вторых Гродековских чтений. Хабаровский краевой краеведческий музей им. Н.И. Гродекова; Дальневосточная государственная научная библиотека; Хабаровский государственный педагогический университет; Приамурское географическое общество. Ответственный редактор Н.И. Рубан, 1999. С. 328—330.Морина О.М., Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М., Иванова Е.Г. // В сб.: города Дальнего Востока: экология и жизнь человека. Материалы конференции (Дружининские чтения). 2003. С. 104—106.Морина О.М., Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М., Иванова Е.Г. // В сб.: города Дальнего Востока: экология и жизнь человека. Материалы конференции (Дружининские чтения). 2003. С. 104—106.Шестеркин В.П., Афанасьева М.И., Шестеркина Н.М. // В сб.: Экология и безопасность жизнедеятельности городов: проблемы и решения. Материалы 19-й Междунар. конф. городов-побратимов «Формирование и управление экологической политикой городов» и 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2019. С. 255—258.Шестеркин В.П., Афанасьева М.И., Шестеркина Н.М. // В сб.: Экология и безопасность жизнедеятельности городов: проблемы и решения. Материалы 19-й Междунар. конф. городов-побратимов «Формирование и управление экологической политикой городов» и 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2019. С. 255—258.Petin A.N., Lebedeva M.G., Crimean O.V. // Belgorod: Publishing House of BelSU. 2006. Art. 252Petin A.N., Lebedeva M.G., Crimean O.V. // Belgorod: Publishing House of BelSU. 2006. Art. 252Meena L., Babaji G. // Groundwater for Sustainable Development. 2023. V. 20. Art. 100888. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2022.100888Meena L., Babaji G. // Groundwater for Sustainable Development. 2023. V. 20. Art. 100888. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2022.100888Jeevanantham S., Saravanan A., Hemavathy R.V., Kumar S.P., Yaashikaa P.R., Yuvaraj D. // Environmental Technology & Innovation. 2019. V. 13. P. 264—276. https://doi.org/10.1016/j.eti.2018.12.007Jeevanantham S., Saravanan A., Hemavathy R.V., Kumar S.P., Yaashikaa P.R., Yuvaraj D. // Environmental Technology & Innovation. 2019. V. 13. P. 264—276. https://doi.org/10.1016/j.eti.2018.12.007John H., Theoni M.M., Simos M., Darem A., Inge van den B., Evina K., Balsam A., Heba G., Stefaan S., Luiz W., Hussam J. // Science of The Total Environment. 2018. V. 639.John H., Theoni M.M., Simos M., Darem A., Inge van den B., Evina K., Balsam A., Heba G., Stefaan S., Luiz W., Hussam J. // Science of The Total Environment. 2018. V. 639.Sameena N.M., Prakash C.G., Atul N.V., Sandeep N.M. // Journal of Water Process Engineering. 2020. V. 35. Art. 101193. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101193Sameena N.M., Prakash C.G., Atul N.V., Sandeep N.M. // Journal of Water Process Engineering. 2020. V. 35. Art. 101193. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101193Karthikeyan C., Prabhakarn A., Ramachandran K., Abdullah M.A., Karuppuchamy S. // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 828. Art. 154281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154281Karthikeyan C., Prabhakarn A., Ramachandran K., Abdullah M.A., Karuppuchamy S. // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 828. Art. 154281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154281Junhua Y., Yaozu G., Rui G., Xuanwen L. // Chemical Engineering Journal. 2019. V. 373. P. 624—641. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.05.071Junhua Y., Yaozu G., Rui G., Xuanwen L. // Chemical Engineering Journal. 2019. V. 373. P. 624—641. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.05.071Shahina R., Soo-Jin P. // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2020. V. 84. P. 23—41. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.12.021Shahina R., Soo-Jin P. // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2020. V. 84. P. 23—41. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.12.021Krishna K.J., Swapnamoy D., Ishita B., Cheryl B.P., Ram K.S., Himadri T.D., Swati D., Vinod K. // Science of The Total Environment. 2022. V. 806. Part 3. Art. 151358. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151358Krishna K.J., Swapnamoy D., Ishita B., Cheryl B.P., Ram K.S., Himadri T.D., Swati D., Vinod K. // Science of The Total Environment. 2022. V. 806. Part 3. Art. 151358. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151358Zaitsev A.V., Astapov I.A. // Materials Letters. 2022. V. 310. Art. 131509. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131509Zaitsev A.V., Astapov I.A. // Materials Letters. 2022. V. 310. Art. 131509. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131509Parul, Kamalpreet K., Rahul B., Prit P.S., Sandeep K. // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. V. 8. Is. 2. Art. 103666. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103666Parul, Kamalpreet K., Rahul B., Prit P.S., Sandeep K. // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. V. 8. Is. 2. Art. 103666. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103666Kaviya P.S., Kanmani S. // Chemical Engineering Research and Design. 2020. V. 154. P. 135—150. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.11.035Kaviya P.S., Kanmani S. // Chemical Engineering Research and Design. 2020. V. 154. P. 135—150. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.11.035Шестеркин В.П. // Чтения памяти Владимира Яковлевича Леванидова. 2014. № 6. С. 748—753.Шестеркин В.П. // Чтения памяти Владимира Яковлевича Леванидова. 2014. № 6. С. 748—753.Xin Zhang, Yan Zhang, Peng Shi, Zhilei Bi, Zexuan Shan, Lijiang Ren. The deep challenge of nitrate pollution in river water of China // Science of The Total Environmen. 2021. V. 770. Art. 144674. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144674Xin Zhang, Yan Zhang, Peng Shi, Zhilei Bi, Zexuan Shan, Lijiang Ren. The deep challenge of nitrate pollution in river water of China // Science of The Total Environmen. 2021. V. 770. Art. 144674. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144674Letícya L.C., Dachamir H., Arthur S.E., Suelen M., Gianluca L., Regina F. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2019 V. 372. P. 1—10. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2018.11.048Letícya L.C., Dachamir H., Arthur S.E., Suelen M., Gianluca L., Regina F. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2019 V. 372. P. 1—10. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2018.11.048Franco B., Julián O.O., Marcelo A., Maximiliano B. // Results in Engineering. 2022. V. 16. Art. 100765. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100765Franco B., Julián O.O., Marcelo A., Maximiliano B. // Results in Engineering. 2022. V. 16. Art. 100765. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100765

The authors declare that there are no conflicts of interest present.