Effects of aging and transformation of anatase and rutile TiO2 nanoparticles on biological phosphorus removal in sequencing batch reactors and related toxic mechanisms



Download 5,45 Mb.
Pdf ko'rish
bet12/28
Sana22.01.2022
Hajmi5,45 Mb.
#400831
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   28
Bog'liq
Effects of aging and transformation of anatase and rutile TiO2 nanoparticles on biological phosphorus removal in sequencing batch reactors and related toxic mechanisms

3. RESULTS AND DISCUSSION

 

3.1 Characteristics of the pristine and aged TiO



2

-NPs

 

As shown in Fig. 1, after 30 days of environmental sewage aging, high-resolution 



transmission  electron  microscopy  (HRTEM;  JEM-2100F,  Japan)  and  selected  area 

electron  diffraction  (SAED)  revealed  that  the  microstructures  of  the  TiO

2

-NPs  had 



changed  markedly.  The  clear  lattice  fringes  had  almost  disappeared,  and  distinct 

concentric  circle  outlines  had  appeared,  probably  caused  by  the  inclusion  of  organic 

matter  (blue  arrows)  and  the  surface  deposition  of  inorganic  salt  crystals  from  the 

sewage.  This  was  particularly  noticeable  in  the  case  of  the  aged  TiO

2

-A  (aTiO



2

-A) 


Journal Pre-proof


12 

(Fig. 1Ab and Fig. 1Af). Table 1 shows that the trace metal basis values for aTiO

2

-A 


and  aTiO

2

-R  decreased  to  97.1%  and  98.2%,  respectively,  based  on  inductively 



coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and total organic carbon (TOC) analysis. 

Interestingly, there were more inclusions  (the general term of organics and inorganic 

salts  etc.  in  sewage)  on  the  surface  of  aTiO

2

-A,  mainly  due  to  its  large  surface  area 



with  more  adsorption  area  (namely  adsorption  sites)  (Table  1).  In  addition,  different 

crystal forms with different crystal faces and functional groups (Fig. 1A) might have 

different  affinities  for organic substances  or metal  ions  etc.  (Li  et  al., 2019a),  which 

ultimately  led  to  differences  in  the  amount  of  surface  deposition  between  the  two 

aTiO

2

-NPs.  The  EDS  images  confirmed  that  the  main  elements  in  the  surface 



inclusions were Ti, O, Cu, Si, C, and Al. X-ray diffraction analysis using a Model D8 

Advance X-ray diffractometer (Bruker, Germany; Fig. 1Ak and Fig. 1Al) proved our 

conjecture  that  both  titanium–metal  (Al,  Fe,  Cu,  Ca,  etc.)  oxides  and  halide  (NaCl, 

etc.) salt crystals formed on the surfaces of the aged TiO

2

-NPs. Both aged and pristine 



TiO

2

-A  and  TiO



2

-R  comprise  internal  monocrystalline  structures  with  dominant 

crystal  surface  indices  of  (101)  and  (110),  respectively  (the  figures  in  parentheses 

represent  the  Miller  indices).  This  significantly  affects  the  toxic  behavior  of  faceted 

TiO

2

-NPs  in  terms  of  their  distinctive  crystallographic  facets  (Liu  et  al.,  2016). 



Moreover,  the  crystallinity,  grain  size,  and  arrangement  of  the  TiO

2

-NPs  influence 



their  photocatalytic activity and selectivity  (Vance et al.,  2015), and  are not  affected 

by aging. 

Notably, diffuse reflectance spectra analysis revealed that sewage aging reduced 

the  band-gap  energy  (Eg)  of  TiO

2

-R  from  3.02  eV  (TiO



2

-R)  to  2.97  eV  (aTiO

2

-R), 


whereas  it  increased  the  Eg  of  TiO

2

-A  from  3.2  eV  (TiO



2

-A)  to  3.24  eV  (aTiO

2

-A) 


Journal Pre-proof


13 

(Fig.  1Ba).  This  might  have  been  due  to  comprehensive  regulatory  role  of 

“shell-photosensitization”  effects  of  the  organic  macromolecules  (such  as  humic 

acids),  the  “sheltering  phenomenon  of  deposited  salt”  on  (core)  TiO

2

-NPs  in  the 



sewage water (He et al., 2016) and defects of both metal ion and non-metal elements 

deposition (Fig. 1A) (Asahi et al., 2001; Srinivasan et al., 2006). One of which, Qin et 

al.  (2017)  reported  that  the  presence  of  salt  crystals  reduced  the  photocatalytic 

efficiency, to an extent, depending on the nature or effects of the TiO

2

-NP structures 



(Guillard et al., 2005). Moreover, the opposite changes in Eg might be closely related 

to the thickness of the inclusion layer (even containing different compositions) (Table 

1),  and  there  is  a  threshold  of  coating  percentage  sensitivity  to  different  light 

wavelengths,  which  ultimately  affects  the  photoreactivity  and  subsequent 

phototoxicity  of  TiO

2

  (He  et  al.,  2016).  In  view  of  this,  we  used  methylene  blue 



degradation rates to indirectly characterize the changes in acellular ROS yields of the 

two  TiO


2

-NPs  before  and  after  aging,  i.e.,  to  determine  whether  natural  aging 

passivates  or  sensitizes  the  photoactivity  of  TiO

2

-NPs.  Figure  1Bb  reveals  that  the 



pristine TiO

2

-A and TiO



2

-R NPs had relatively high 



K

ox

 [h



-1

] values of methylene blue, 

i.e.,  sufficient  ROS  production,  whereas  aging  significantly  (p  <  0.05)  reduced  the 

photoactivities  of  the  two  pristine  TiO

2

-NPs  and  apparently  reduced  the  essential 



difference  in  their  photosensitivity  to  a  statistically  non-significant  level  (p  >  0.05), 

even at 50 mg/L. Intriguingly, whether at 0.1 mg/L or 10 mg/L, aTiO2-R had slightly 

greater peroxidation capability than aTiO

2

-A, but no significant difference (p > 0.05). 



This  may  have been due to  the smaller band  gap of aTiO

2

-R (Fig. 1Ba) than that of 



Journal Pre-proof


14 

aTiO


2

-A, the broader visible light absorption range, that is, electrons are more easily 

excited  to  form  electron-hole  pairs  compared  to  aTiO2-A,  making  it  relatively  more 

active  under  simulated  sunlight  irradiation  (He  et  al.,  2016).  Generally,  compared  to 

the pristine bigger bandgap being excited, the oxidizing ability produced by exciting 

the aged smaller bandgap seems to be relatively weak, under the same light. Therefore, 

here the reasons  for the decrease of the photooxidation ability of two aTiO

2

-NPs are 



that  the  electron  hole  pair  of  aTiO

2

-R  with  smaller  band  gap  is  easier  to  be  excited, 



but oxidation ability is not strong, while aTiO

2

-A is not easy to be excited due to the 



larger band gap than that of pristine particles. Therefore, the photooxidation abilities 

of two pristine TiO

2

-NPs are decreased by comprehensive effect of aging inclusions, 



and  reversing  the  oxidative  capacity  of  both.  Above  results  might  suggest  a  related 

weak and reversed biotoxicity of the two aTiO

2

-NPs in terms of photoreactivity.



 

Because  their  behavior  in  water  and  their  particle  size  retention  are  the  key 

reasons  of  the  toxicity  of  NPs  (Wang  et  al.,  2019),  we  examined  the  particle  size 

distributions  and  zeta  potentials  of  the  TiO

2

-NPs  in  Milli-Q  water  and  the  sludge 



supernatant before and after aging. Table 1 reveals that TiO

2

-NPs had a smaller initial 



particle  size,  but  aging  increased  the  negative  charge  on  the  surface  of  aTiO

2

-NPs 



since  the  large  amount  of  organic  compounds  with  negatively  charged  functional 

groups  deposited  on  the  surface  of  the  particles  (Li  &  Yu,  2014),  which  may  have 

made  it  more  stable  owing  to  the

 

electrostatic  repulsion  or  steric  hindrance  resulted 



from  organic  matter  in  the  sewage  or  sludge  (Gilbert  et  al.,  2007).  Figure  1Bc 

confirms this; smaller aTiO

2

-NPs were comparatively stable in the sludge supernatant, 



and were more uniformly dispersed. This was especially true in the case of aTiO

2

-R. 



Journal Pre-proof


15 

 


Download 5,45 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   28




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish