Fotoelettrocatalisi con ematite : progetto e realizzazione di un reattore a flusso per il trattamento delle acque

Hematite photoelectrocatalysis sets as an advanced oxidation process (AOP), i.e. based on chemical oxidation mechanisms via radicals, potentially available for wastewater treatment. In this thesis work, performances of a hematite-based immobilized photocatalyst have been investigated. Using typical electrochemical techniques, and diversifying different parameters and treatments in order to maximize the performances, two low-cost methods for hematite immobilization have been experimented. A novel laboratory-scale flow reactor has been designed to exploit the optimal hematite electrodes; this reactor is large enough to obtain measurable effects, small enough to be printed with a commercial 3D printer. Via iterated computational fluid dynamics (CFD) simulations, the internal geometry of reactor has been optimized, aiming to minimize dead zones and obtain a plug-flow reacting zone. In order to evaluate the influence of solution conductivity, reactor configuration and circulated flow on photoelectrochemical performances, experimental tests in a suitable system have been eventually performed.

La fotoelettrocatalisi su ematite è un processo di ossidazione avanzata (AOP), basato cioè su meccanismi di ossidazione chimica per via radicalica, potenzialmente applicabile nel campo del trattamento delle acque. Nella presente tesi sono state investigate le prestazioni di un fotocatalizzatore immobilizzato a base di ematite, un ossido di ferro attivabile sotto illuminazione solare. Facendo ricorso a tecniche proprie del settore elettrochimico, sono stati sperimentati due metodi a basso costo di immobilizzazione dell'ematite, variando differenti parametri e trattamenti allo scopo di massimizzare le prestazioni fotoelettrochimiche. Per utilizzare l'ematite è stato progettato un apposito reattore a flusso da laboratorio, grande a sufficienza per avere effetti misurabili, piccolo per consentire la realizzazione con una stampante 3D commerciale. La geometria interna è stata ottimizzata tramite simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) successive, cercando di ridurre le zone di ristagno e di ottenere una zona reattiva di tipo plug-flow. Sono state infine svolte prove sperimentali in un impianto, comprensivo di reattore, con l'obiettivo di valutare l'influenza della conducibilità della soluzione, della configurazione del reattore e della portata circolata sulle prestazioni fotoelettrochimiche.