Solar-driven sustainable process combined with heterogeneous photocatalysis (TiO₂): degradation of penicillin and indigo carmine blue dye

Abstract

Remediation of Contaminants of Emerging Concern (CECs) in wastewater is a global demand that cannot be ignored. In this study, heterogeneous photocatalysis using titanium dioxide (TiO2) coupled with solar radiation was applied to catalytically degrade the food indigo carmine blue dye and the antibiotic penicillin through the generation of reactive oxygen species as degradation agents. Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been widely used in wastewater treatment due to the ability of heterogeneous catalysts to promote fast and efficient degradation rates of CECs –primarily through the formation of reactive oxygen species, such as hydroxyl radicals and others. The proposed treatment was carried out using heterogeneous photocatalysis with TiO2(Degussa P25, 30 mg/L) under solar radiation (during peak UV exposure hours), with pH variations of 4, 7, and 10. Degradation kinetics were monitored for 120 minutes in a closed recirculation system with synthetic wastewater driven by an oxygen injection pump. The solutions with studied CECs made with analytical grade (each at 30 mg/L), analyzed separately. The coupling of treatments enhanced the treatment,improving degradation efficiency while reducing costs. Thus, this innovative approach -solar-driven heterogeneous photo catalysis shows promising potential for the efficient degradation of CECs from the food and pharmaceutical industries.La remediación de Contaminantes de Preocupación Emergente (CPEs) en aguas residuales es una demanda global ineludible. En este estudio, se aplicó fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio (TiO₂) acoplado a radiación solar para degradar catalíticamente el colorante azul índigo carmín alimentario y el antibiótico penicilina mediante la generación de especies reactivas de oxígeno como agentes de degradación. Los Procesos de Oxidación Avanzada (POAs) se han utilizado ampliamente en el tratamiento de aguas residuales debido a la capacidad de los catalizadores heterogéneos para promover tasas de degradación rápidas y eficientes de los CPEs, principalmente mediante la formación de especies reactivas de oxígeno, como radicales hidroxilo y otros. El tratamiento propuesto se llevó a cabo mediante fotocatálisis heterogénea con TiO₂(Degussa P25, 30 mg/L) bajo radiación solar (durante las horas de máxima exposición a rayos UV), con variaciones de pH de 4, 7 y 10. La cinética de degradación se monitoreó durante 120 minutos en un sistema cerrado de recirculación con aguas residuales sintéticas accionadas por una bomba de inyección de oxígeno. Las soluciones con CPEs estudiadas, elaboradas con grado analítico (cada una a 30 mg/L), se analizaron por separado. La combinación de tratamientos mejoró el tratamiento, mejorando la eficiencia de degradación y reduciendo los costos. Por lo tanto, este innovador enfoque, la fotocatálisis heterogénea impulsada por energía solar, muestra un potencial prometedor para la degradación eficiente de CPEs en las industrias alimentaria y farmacéutica.