Intensyfikacja fotokatalitycznego procesu dezynfekcji wody z zastosowaniem wirującego pola magnetycznego
Ładowanie...
Data
2025
Tytuł czasopisma
ISSN czasopisma
Tytuł tomu
Wydawca
Abstrakt
Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy intensyfikacji fotokatalitycznego procesu dezynfekcji wody z zastosowaniem fotokatalizatorów na bazie ditlenku tytanu dostępnych komercyjne lub modyfikowanych metalami (miedzią, platyną, srebrem i złotem)) aktywowanych światłem LED/Vis i wirującym polem magnetycznym (RMF). Głównym celem niniejszej pracy było zbadanie w jaki sposób zastosowanie wirującego pola magnetycznego (RMF) może wpłynąć na proces fotokatalitycznej dezynfekcji wody. W badaniach wykorzystano modelowe szczepy bakterii Gram-ujemnych Escherichia coli K12 (ATCC 25922) oraz Gram-dodatnich Staphylococcus epidermidis (ATCC 49461). W części literaturowej skupiono się na przedstawieniu obecnego stanu wiedzy na temat wykorzystania procesu fotokatalizy i pól magnetycznych do dezynfekcji wody, mechanizmów fotokatalitycznej dezynfekcji wody, wpływem pól magnetycznych na mikroorganizmy oraz rozwiązaniami konstrukcyjnymi reaktorów stosowanych do procesów dezynfekcji. W części doświadczalnej zawarto charakterystykę stosowanych fotokatalizatorów komercyjnych i modyfikowanych metalami, a także szczegółowy opis konstrukcji zaprojektowanego fotokatalitycznego reaktora hybrydowego, wyposażonego w generator RMF. Skuteczność prowadzonego procesu dezynfekcji wody określono metodą posiewów powierzchniowych. Wykorzystując analizę statystyczną ANOVA oraz metodę powierzchni odpowiedzi RSM określono wpływ parametrów procesu i optymalne warunki prowadzenia fotokatalitycznej dezynfekcji wody wspomaganej wirującym polem magnetycznym w zależności od zastosowanego fotokatalizatora. Ponadto w rozprawie zaproponowano mechanizm fotokatalitycznej dezynfekcji wody wspomaganej wirującym polem magnetycznym (RMF). W tym celu dla wybranego fotokatalizatora przeprowadzono dodatkowe badania w tym: ilości generowanych rodników hydroksylowych «OH, aktywności katalazy oraz ustalenie stopnia uszkodzenia struktur komórkowych bakterii metodą cytometrii przepływowej i spektroskopii z użyciem błękitu metylenowego. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że skuteczność procesu fotokatalitycznej dezynfekcji wody prowadzonej w reaktorze hybrydowym wyposażonym w generator wirującego poła magnetycznego zależy od rodzaju fotokatalizatora oraz parametrów procesu (stężenie fotokatalizatora, częstotliwość pola i czas prowadzenia procesu). Dostępne fotokatalizatory komercyjne, aktywowane światłem LED/Vis i wirującym polem magnetycznym charakteryzują się małą skutecznością dezynfekcyjną wobec Gram-ujemnych bakterii Escherichia coli i Gram-dodatnich bakterii Staphylococcus epidermidis. Najwyższą skuteczność dezynfekcji wody, zawierającej bakterie Escherichia coli i Staphylococcus epidermidis uzyskano stosując fotokatalizator otrzymany w wyniku modyfikacji 5% miedzią (5.0CuHomoP25), który aktywowano światłem LED/Vis oraz RMF o częstotliwości 50 Hz. Zaproponowany mechanizm śmierci bakterii polega na utracie integralności ścian komórkowych przez reaktywne formy tlenu (głównie *OH) generowane w procesie fotokatalitycznym i wypływ cytozolu. Wirujące pole magnetyczne zwiększa szybkość ruchu jonów i przyspiesza zakłócenie homeostazy wewnątrz komórek. Zbudowany hybrydowy reaktor fotokatalityczny, wyposażony w generator wirującego pola magnetycznego i źródła światła LED/Vis, stanowi innowacyjne rozwiązanie w dziedzinie oczyszczania wody z mikroorganizmów.
This dissertation focuses on the intensification of the photocatalytic water disinfection process with commercially available titanium dioxide and titania modified with metals (copper, platinum, silver, and gold) activated under LED/Vis light and rotating magnetic field (RMF). The primary objective of the research was to investigate the impact of the rotating magnetic field (RMF) on the process of photocatalytic water disinfection. The model strains of Gram- negative bacteria Escherichia coli KI 2 (ATCC 25922) and Gram-positive Staphylococcus epidermidis (ATCC 49461) were used. The literature review section presents the current state of knowledge on the use of photocatalysis and magnetic fields for water disinfection, the mechanisms of photocatalytic water disinfection, the effects of magnetic fields on microorganisms, and the reactor design solutions for water treatment. The characterization of commercial and metal- modified photocatalysts, was presented in experimental section. The detailed description own designed hybrid photoreactor with the generator of RMF was depicted. Statistical analysis, including ANOVA and response surface methodology (RSM), was employed to determine the influence of process parameters and to identify the optimal conditions for photocatalytic water disinfection enhanced by the rotating magnetic field, depending on the applied photocatalyst. Additionally, the mechanism for RMF-assisted photocatalytic water disinfection, was proposed. For this purpose additionally study for selected photocatalyst were conducted. The amount of hydroxyl radicals (*OH) generated on the surface of the activated photocatalyst, the activity of catalase, and the assessment of bacterial cell structure damage was examined It was found that efficiency of photocatalytic disinfection process in hybrid reactor depends on type of photocatalyst and process parameters e.g. photocatalyst concentration, frequency of RMF and duration of the process. Commercially available photocatalyst activated under LED/Vis light and RMF had demonstrated low-level disinfection against Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis bacteria in water. The highest disinfection efficiency was achieved using 5.0CuHomoP25 activated under LED/Vis and RMF of frequency 50 Hz. The proposed mechanism of bacterial cell death during the RMF-assisted photocatalytic process begins with loss of cell wall integrity trigger by reactive oxygen species (mainly «OH). The flowing of cytosol occurs and that cause a disruption of homeostasis. The rotating magnetic field increases the speed of this process and the movement of ions. The new patented hybrid photocatalytic reactor, equipped with an rotating magnetic field generator and LED/Vis light sources, represents an innovative solution for water disinfection.
This dissertation focuses on the intensification of the photocatalytic water disinfection process with commercially available titanium dioxide and titania modified with metals (copper, platinum, silver, and gold) activated under LED/Vis light and rotating magnetic field (RMF). The primary objective of the research was to investigate the impact of the rotating magnetic field (RMF) on the process of photocatalytic water disinfection. The model strains of Gram- negative bacteria Escherichia coli KI 2 (ATCC 25922) and Gram-positive Staphylococcus epidermidis (ATCC 49461) were used. The literature review section presents the current state of knowledge on the use of photocatalysis and magnetic fields for water disinfection, the mechanisms of photocatalytic water disinfection, the effects of magnetic fields on microorganisms, and the reactor design solutions for water treatment. The characterization of commercial and metal- modified photocatalysts, was presented in experimental section. The detailed description own designed hybrid photoreactor with the generator of RMF was depicted. Statistical analysis, including ANOVA and response surface methodology (RSM), was employed to determine the influence of process parameters and to identify the optimal conditions for photocatalytic water disinfection enhanced by the rotating magnetic field, depending on the applied photocatalyst. Additionally, the mechanism for RMF-assisted photocatalytic water disinfection, was proposed. For this purpose additionally study for selected photocatalyst were conducted. The amount of hydroxyl radicals (*OH) generated on the surface of the activated photocatalyst, the activity of catalase, and the assessment of bacterial cell structure damage was examined It was found that efficiency of photocatalytic disinfection process in hybrid reactor depends on type of photocatalyst and process parameters e.g. photocatalyst concentration, frequency of RMF and duration of the process. Commercially available photocatalyst activated under LED/Vis light and RMF had demonstrated low-level disinfection against Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis bacteria in water. The highest disinfection efficiency was achieved using 5.0CuHomoP25 activated under LED/Vis and RMF of frequency 50 Hz. The proposed mechanism of bacterial cell death during the RMF-assisted photocatalytic process begins with loss of cell wall integrity trigger by reactive oxygen species (mainly «OH). The flowing of cytosol occurs and that cause a disruption of homeostasis. The rotating magnetic field increases the speed of this process and the movement of ions. The new patented hybrid photocatalytic reactor, equipped with an rotating magnetic field generator and LED/Vis light sources, represents an innovative solution for water disinfection.
Opis
Słowa kluczowe
fotokataliza, fotokatalizatory plazmowe, ditlenek tytanu, wirujace pole magnetyczne (RMF), dezynfekcja wody
Cytowanie
Paszkiewicz, O. (2025). Intensyfikacja fotokatalitycznego procesu dezynfekcji wody z zastosowaniem wirującego pola magnetycznego : rozprawa doktorska, 190 k. Szczecin, 2025.
https://hdl.handle.net/20.500.12539/4290