Metal oxide nanostructures for water purification

The report made by UN-WATER states that global water use has increased by a factor of six over the past 100 years and continues to grow steadily at a rate of about 1 % per year. Every day more than 2 million tons of sewage, industrial and agricultural waste are discharged into worlds water. But no more than 30% of the water is properly treated. More than 80% of the industrial wastewater is released into rivers without proper purification in developing countries. There is a need to develop sustainable water purification techniques to satisfy the growing water needs of people by eliminating the dangerous and toxic by-products with minimal energy consumption. Photocatalysis process is one of such techniques showing promising results. Photocatalysis consists of the oxidation of harmful compounds present in water or air into carbon dioxide and water, through photo-driven activation of a semiconducting material. Titanium dioxide is one of the most used semiconductors because of its availability and intrinsic properties. Due to the advancement in the nanotechnology, it is possible to increase the surface area of these semiconductors by creating nanotubular structures. The use of titanium dioxide is not completely successful due to its inability to work in the visible spectrum, so we can only exploit most of its photocatalytic properties in the UV spectrum, which is a very small portion in the solar light we are receiving. Tungsten oxide and iron oxide seems to be a successful alternative because of their lower bandgap compared to the titanium dioxide one. This thesis work is primarily focused on the synthesis of iron oxide and tungsten oxide nanotubes and comparing the photocatalytic reaction rates of these metal oxides with titanium dioxide ones. Chapter 1 introduces the topics on different wastewater treatment techniques with their advantages and limitations, introduction to the photocatalysis and synthesis of metal oxide nanotubes by electrochemical anodization. Chapter 2 deals with the structural and photocatalytic properties of titanium oxide, iron oxide and tungsten oxide along with their anodic and annealing parameters for the synthesis of nanotubes. In chapter 3, the experimental methodology is described for the preparation of samples and photocatalytic tests performed by dye discolouration through absorbance variations. The absorbance data is then converted to dye concentration by using the absorbance-concentration linear correlation provided by beer Lambert law. Tests are performed to study the effect of pH (= 6, 11) on the dye degradation rate. All the results of experimental investigations like structural characterization techniques (SEM & XRD) and numerical data of photocatalytic tests are collected in chapter 4, along with the comparison of reaction rate during photocatalysis of these metal oxide nanotubes and with some suggestions for future analyses.

Il rapporto di UN-WATER afferma che l'uso globale di acqua è aumentato di un fattore sei negli ultimi 100 anni e continua a crescere costantemente ad un tasso di circa l'1 % all'anno. Ogni giorno più di 2 milioni di tonnellate di acque reflue, rifiuti industriali e agricoli vengono scaricati nell'acqua del mondo. Ma non più del 30 % dell'acqua viene trattata adeguatamente. Oltre l'80 % delle acque reflue industriali viene rilasciato nei fiumi senza un'adeguata purificazione nei paesi in via di sviluppo. È necessario sviluppare tecniche di purificazione dell'acqua sostenibili per soddisfare il crescente fabbisogno idrico delle persone, eliminando i sottoprodotti pericolosi e tossici con un consumo energetico minimo. Il processo di fotocatalisi è una di queste tecniche che mostra risultati promettenti. La fotocatalisi consiste nell'ossidazione di composti nocivi presenti nell'acqua o nell'aria in anidride carbonica e acqua, attraverso l'attivazione foto-guidata di un materiale semiconduttore. Il biossido di titanio è uno dei semiconduttori più utilizzati a causa della sua disponibilità e delle sue proprietà intrinseche. A causa del progresso nella nanotecnologia, è possibile aumentare la superficie di questi semiconduttori creando strutture nanotubulari. L'uso del biossido di titanio non ha completamente successo a causa della sua incapacità di lavorare nello spettro visibile, quindi possiamo sfruttare solo la maggior parte delle sue proprietà fotocatalitiche nello spettro UV, che è una porzione molto piccola della luce solare che stiamo ricevendo. L'ossido di tungsteno e l'ossido di ferro sembrano essere un'alternativa di successo a causa del loro bandgap inferiore rispetto a quello del biossido di titanio. Questo lavoro di tesi si concentra principalmente sulla sintesi di nanotubi di ossido di ferro e ossido di tungsteno e confronta le velocità di reazione fotocatalitiche di questi ossidi di metallo con quelle di biossido di titanio. Il capitolo 1 introduce gli argomenti relativi alle diverse tecniche di trattamento delle acque reflue con i loro vantaggi e limiti, l'introduzione alla fotocatalisi e alla sintesi di nanotubi di ossido di metallo mediante anodizzazione elettrochimica. Il capitolo 2 riguarda le proprietà strutturali e fotocatalitiche dell'ossido di titanio, dell'ossido di ferro e dell'ossido di tungsteno insieme ai loro parametri anodici e di ricottura per la sintesi dei nanotubi. Nel capitolo 3, la metodologia sperimentale è descritta per la preparazione di campioni e test fotocatalitici eseguiti mediante colorazione del colorante attraverso variazioni di assorbanza. I dati di assorbanza vengono quindi convertiti in concentrazione di colorante utilizzando la correlazione lineare di concentrazione di assorbanza fornita dalla legge Lambert della birra. I test vengono eseguiti per studiare l'effetto del pH (= 6, 11) sulla velocità di degradazione del colorante. Tutti i risultati di indagini sperimentali come le tecniche di caratterizzazione strutturale (SEM e XRD) e i dati numerici dei test fotocatalitici sono raccolti nel capitolo 4, insieme al confronto della velocità di reazione durante la fotocatalisi di questi nanotubi di ossido di metallo e con alcuni suggerimenti per analisi future.