TiO2 nanotubes for the photocatalytic degradation of three organic dyes in single, binary and ternary mixtures

The purpose of this thesis is to evaluate the efficiency and the applicability of photocatalytic processes on anodized titanium used to degrade different mixtures made by organic dyes, pointing on the possible application of these techniques for the purification industrial waste waters whose actual disposal methods, like absorbance and filtration, result being extremely expensive and not so efficient. “The climate and ecological emergency is right here, right now. But it has only just begun. It will get worse.” [1]. With these words Greta Thunberg at the Assemble Nationale de Paris on the 23rd of July 2019 wants to highlight that the thematic of the global environmental crisis is one of the biggest challenges that humanity must deal with to guarantee the future of our planet. The inorganic chemicals used in textile processing include the common alkalis and inorganic acids, sodium silicate, sodium sulfide and hydrosulfite, bleaches, ammonium sulfate and sodium perborate, chloride and sulfate. An even wider range of organic materials is used which includes organic acids, soap, starch, organic sizes, olein oils, detergents, softeners, dyeing additives and dyes [2]. The experimental work will address the latter pollutants, as they are easy to recognize as well as to study. In chapter 1 a state of the art is presented about titanium dioxide properties and its production in the form of nanotubes in several ways concentrating on the electrochemical anodization method which provides a specific architecture and a large internal surface area [3]. Subsequently the photocatalysis mechanism is explained mainly for the photodegradation of organic dyes whose principal characteristics are also reported. In the end textile industries wastewaters are presented with a deepening on the problems given by their disposal and the complicated analysis of these solutions made by multiple dyes. In chapter 2 all the materials and experimental methods utilized during laboratory activities are presented, with also a detailed explanation of all the preparation methods adopted for the realization of photocatalytic experiments. In chapter 3 the data obtained in the experimental work are reported and discussed to understand which are the kinetics of reactions and what are their useful properties and limitations.

Lo scopo di questa tesi consiste nel valutare l’applicabilità e l’efficienza dei processi fotocatalitici su campioni di titanio anodizzato per degradare soluzioni contenenti diversi coloranti organici, puntando successivamente all’applicazione di queste tecniche per la purificazione di vere e proprie acque reflue industriali i cui attuali metodi di smaltimento, come adsorbimento e filtrazione, risultano essere estremamente costosi e non troppo efficaci. “The climate and ecological emergency is right here, right now. But it has only just begun. It will get worse.” [1]. Con queste parole Greta Thunberg all’Assemblee Nationale de Paris il 23 luglio 2019 vuole evidenziare come la tematica della crisi ambientale globale sia una delle più grandi sfide che l’umanità deve affrontare al fine di garantire un futuro al pianeta. Gli agenti chimici inorganici usati nella produzione tessile includono: gli alcali comuni e gli acidi inorganici, silicato di sodio, solfato di sodio e idrosolfato, candeggine, solfato d’ammonio e sodio perborato, cloriti e solfiti. Viene utilizzato anche un range più vario di materiali organici i quali includono: acidi organici, sapone, amido, oli di oleina, detergenti, ammorbidenti, additivi e agenti coloranti. Questo lavoro si concentra sul degrado dei coloranti organici, in quanto di immediata individuazione e semplice monitoraggio in laboratorio. Nel capitolo 1 viene presentato lo stato dell’arte partendo dalle proprietà del biossido di titanio e dalla sua produzione con morfologia nanotubolare tramite vari metodi specialmente il metodo dell’anodizzazione che permette di ottenere una struttura specifica con elevata area superficiale. Successivamente verrà spiegato il meccanismo della fotocatalisi specialmente per la fotodegradazione di coloranti organici di cui sono riportate le principali caratteristiche. Alla fine si parlerà di acque reflue provenienti da industrie tessili con un approfondimento sui metodi di smaltimento di quest’ultime e dei complicati metodi di analisi delle soluzioni composte da più coloranti. Nel secondo capitolo sono presentati tutti i materiali e le macchine utilizzati durante le attività di laboratorio, con una spiegazione dettagliata di tutti i metodi di preparazione e svolgimento adottati per la realizzazione degli esperimenti di fotocatalisi. Nel terzo capitolo saranno portate le conclusioni ottenute da questi esperimenti per capire quali sono i meccanismi e le cinetiche di reazione e quali sono le loro utili proprietà e quali le limitazioni.