Projections made by "THE WORLD BANK" database estimate in 2050 an overall world population of about 9,750,357,000 unities, leading to an exponential increase of pollutants and waste produced during everyday life. Researchers are very active in the development of new technologies allowing the regeneration of clean air and potable water, avoiding or eliminating dangerous byproducts and reducing energy consumption. In this frame, a promising technique is photocatalysis, i.e., the decomposition of harmful compounds in water or in air through the light-driven activation of a semiconductor material, which acts as catalyst. Among all the possible materials, the most interesting one, for its availability and intrinsic properties, is titanium dioxide. Since the possibility of fabricating nanostructures increases the catalysts performances by providing larger specific surface area, and thus higher number of active sites for pollutants degradation, in the present thesis work the photocatalytic degradation of AO7, an organic dye, was carried out on TiO2 nanotubes, which represent a good compromise among light harvesting capability, charge carriers mobility and specific surface area. Anodic oxidation was chosen as production technique, in order to allow the direct formation of nanotubes on a substrate, therefore avoiding a subsequent passage of catalyst immobilization or, more onerous, of catalyst recovery from the fluid. Chapter 1 introduces the subject of photocatalysis, showing the role of nanostructuring and how nanotubes are produced, in particular exploiting anodizing in organic electrolytes as in the case of this experimental work. The importance of controlling the reaction environment puts the basis of chapter 2, in which several photoreactors are analyzed. The final choice was directed towards a flat bed batch photoreactor with immobilized catalyst, offering a more scalable and simple template for experimental tests. A key task in photoreactor design is the correct modelling of the radiative path that light cross once emitted from the light source and hits the catalyst. For the development of such model we used an optical engineering software called "FRED", which allows understanding the irradiance profile of a given light source over the active catalyst surface in a determined reactor configuration: the software is also introduced and described in Chapter 2. Chapter 3 treats in details the experimental methodology adopted: the preparation of the samples, the fabrication of reactors and the photocatalysis tests, performed by following dye discoloration through absorbance variations. Absorbance data are then converted into dye concentration by using the absorbance-concentration linear correlation experimentally observed. The reactor optimizations investigated span from the choice of catalyst annealing conditions to enhance its reactivity, to the variation of the light source position inside the reactor and the effects of solution composition, i.e., presence of different salts typical of wastewaters, on the dye degradation rate. All the results of the abovementioned experimental investigations are collected in chapter 4, which also contains the irradiation simulation results generated by FRED, i.e. chart and statistical data. As a further proof of the validity of the radiative simulation, we have developed a kinetic model of the photodegradation process in Matlab environment, obtaining a good correlation with experimental data.
Proiezioni riferite all'anno 2050 effettuate dal database "The World Bank" stimano una popolazione mondiale di circa 9,750,357,000 unità. Di conseguenza l'inquinamento ed i rifiuti prodotti durante la vita quotidiana aumenteranno esponenzialmente. I ricercatori sono molti attivi nello sviluppo di nuove tecnologie rivolte alla purificazione dell'aria e alla potabilizzazione dell'acqua senza pagare il caro prezzo della generazione di prodotti di lavorazione nocivi o elevati consumi energetici. La tecnologia più promettente è sicuramente la fotocatalisi, ovvero un processo chimico attraverso il quale si verifica la decomposizione di sostanze nocive presenti nell'acqua o nell'aria grazie alla stimolazione luminosa di un semiconduttore che agisce da catalizzatore. Fra tutti i possibili materiali semiconduttori il più interessante per fruizione e proprietà intrinseche è il biossido di titanio. Dato che la possibilità di utilizzare nanostrutture incrementa le prestazioni del catalizzatore aumentando la sua superficie specifica e di conseguenza il numero di siti attivi per la degradazione degli inquinanti, nel presente progetto di tesi la fotodegradazione di un colorante organico (AO7) è stata effettuata scegliendo i nanotubi di TiO2, permettendo un buon compromesso fra capacità di raccolta della radiazione luminosa nonché il trasporto dei portatori di carica e porosità superficiale. Il capitolo 1 introduce il lettore nell'argomento della fotocatalisi, mostrando il ruolo delle nanostrutture e di come i nanotubi sono stati prodotti, ovvero sfruttando l'anodizzazione in un elettrolita organico. Nel capitolo 2 viene esplicata l'importanza di un adeguato controllo dell'ambiente di reazione, reso possibile dall'uso di opportuni reattori. La scelta del reattore è ricaduta su un fotoreattore a letto piano con catalizzatore immobilizzato, permettendo una buona scalabilità e un semplice utilizzo durante la procedura sperimentale. Un aspetto fondamentale nel design di un fotoreattore è la corretta modellazione del percorso che la luce effettua partendo dalla fonte emettente, arrivando sulla superficie attiva del catalizzatore. Per lo sviluppo di questo modello è stato utilizzato un software rivolto all'ingegneria ottica chiamato "FRED", che permette di determinare la distribuzione dell'irradianza sulla superficie del catalizzatore. Il capitolo 3 tratta in dettaglio le metodologie sperimentali adottate, descrivendo la preparazione dei campioni, la fabbricazione di due fotoreattori e i test di fotocatalisi, in cui la degradazione del colorante è studiata attraverso la variazione di assorbanza della soluzione. I valori di assorbanza ottenuti sono poi convertiti in concentrazioni residue sfruttando la correlazione lineare tra assorbanza e concentrazione ottenuta sperimentalmente. Vari test finalizzati ad ottimizzare i reattori sono stati effettuati, tra cui la scelta delle migliori condizioni di rinvenimento per i campioni prodotti, la variazione della posizione della fonte luminosa e l'effetto di diversi ioni introdotti nella soluzione usata nell'esperimento di fotocatalisi. Tutti i risultati sono stati elencati nel capitolo 4, contenente anche i report grafici e statistici generati dal software FRED. Come ulteriore prova della qualità del modello radiativo e della cinetica utilizzata, è stato sviluppato in ambiente Matlab un modello cinetico del processo di fotodegradazione, ottenendo una buona correlazione con i dati sperimentali.
Photocatalytic reactor for dye degradation with TiO2 nanotubes
MARCOLIN, ALESSANDRO;CASANOVA, LUCA
2016/2017
Abstract
Projections made by "THE WORLD BANK" database estimate in 2050 an overall world population of about 9,750,357,000 unities, leading to an exponential increase of pollutants and waste produced during everyday life. Researchers are very active in the development of new technologies allowing the regeneration of clean air and potable water, avoiding or eliminating dangerous byproducts and reducing energy consumption. In this frame, a promising technique is photocatalysis, i.e., the decomposition of harmful compounds in water or in air through the light-driven activation of a semiconductor material, which acts as catalyst. Among all the possible materials, the most interesting one, for its availability and intrinsic properties, is titanium dioxide. Since the possibility of fabricating nanostructures increases the catalysts performances by providing larger specific surface area, and thus higher number of active sites for pollutants degradation, in the present thesis work the photocatalytic degradation of AO7, an organic dye, was carried out on TiO2 nanotubes, which represent a good compromise among light harvesting capability, charge carriers mobility and specific surface area. Anodic oxidation was chosen as production technique, in order to allow the direct formation of nanotubes on a substrate, therefore avoiding a subsequent passage of catalyst immobilization or, more onerous, of catalyst recovery from the fluid. Chapter 1 introduces the subject of photocatalysis, showing the role of nanostructuring and how nanotubes are produced, in particular exploiting anodizing in organic electrolytes as in the case of this experimental work. The importance of controlling the reaction environment puts the basis of chapter 2, in which several photoreactors are analyzed. The final choice was directed towards a flat bed batch photoreactor with immobilized catalyst, offering a more scalable and simple template for experimental tests. A key task in photoreactor design is the correct modelling of the radiative path that light cross once emitted from the light source and hits the catalyst. For the development of such model we used an optical engineering software called "FRED", which allows understanding the irradiance profile of a given light source over the active catalyst surface in a determined reactor configuration: the software is also introduced and described in Chapter 2. Chapter 3 treats in details the experimental methodology adopted: the preparation of the samples, the fabrication of reactors and the photocatalysis tests, performed by following dye discoloration through absorbance variations. Absorbance data are then converted into dye concentration by using the absorbance-concentration linear correlation experimentally observed. The reactor optimizations investigated span from the choice of catalyst annealing conditions to enhance its reactivity, to the variation of the light source position inside the reactor and the effects of solution composition, i.e., presence of different salts typical of wastewaters, on the dye degradation rate. All the results of the abovementioned experimental investigations are collected in chapter 4, which also contains the irradiation simulation results generated by FRED, i.e. chart and statistical data. As a further proof of the validity of the radiative simulation, we have developed a kinetic model of the photodegradation process in Matlab environment, obtaining a good correlation with experimental data.| File | Dimensione | Formato | |
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