Anodic TiO2 nanotubes for pollutants degradation in liquid and gas phase

One of the main challenges of modern industrialized society is to seek solutions to the problem of environmental pollution whose effects are increasing at an alarming rate. In particular, the release of various pollutants into water and atmosphere, is one of the greatest problems that humanity has the duty to solve. The harmful effects of such practices have repercussions not only on human health, but also on the entire ecosystem. During the last few years many studies have been carried out to find new technologies which will allow the abatement of these substances. Particular interest has been given to advanced oxidation processes (AOPs) that allow a mineralization of the pollutant, thanks to the formation of highly oxidizing radicals. Among these processes, heterogeneous photocatalysis is one of the most promising technologies for this aim. The degradation of the harmful pollutants is obtained thanks to the activation of an appropriate photocatalytic material. Among all photocatalytic materials, the TiO_2 is one of the most promising thanks to its stability and versatility. In particular, its nanotubolar morphology allows an optimization of the photocatalytic process thanks to the perfect compromise between the surface-volume ratio, light harvesting capability and the mobility of charge. The aim of this thesis is to study the behavior of titanium dioxide nanotubes, with a view to a possible industrial application in abating organic pollution both in the gas and in the liquid phase. In particular, the photocatalytic degradation process was first tested in liquid phase on a solution of rhodamine B and various solutions of methylene blue by varying the concentration of the pollutant, the pH, and testing the effect of the addition of different salts in order to assess the effect of these parameters on the kinetics and the photodegradation percentage of the process. In addition, a photocatalytic reactor was developed for the abatement of volatile organic compounds (VOCs), and it was then tested for the abatement of toluene as well. This thesis is divided into four main chapters. Chapter 1 presents a general introduction to the problem of pollution and then analyses the process of photocatalysis. The properties of titanium dioxide and the electrochemical anodizing technique that allows the material to be obtained in its nanotubular form are then described in detail. The final part starts from a brief description of the main types of chemical reactors, to then discuss some of the main photocatalytic reactors studied for the abatement of pollutants in the gas phase. Kinetic considerations will be taken into account to describe the behavior of one these reactors. Chapter 2 will focus on the description of the experimental procedure for the production of nanostructured titanium dioxide, both on the flat plate and on the mesh. At this point some experiments of photocatalytic degradation in liquid phase are presented. Firstly, they are performed with both materials on a Rhodamine B solution, and secondly, different Methylene Blue solutions are tested. Here only the plate is used as a photocatalyst. Finally, it will be presented the design and development of a photocatalytic reactor, tested for the abatement of toluene in gas phase. In Chapter 3 will be discussed the results of the degradation of the liquid phase solutions and of the tests carried out in the gas phase. Chapter 4 focuses on presenting the conclusions of this work.

Una delle sfide principali della società moderna industrializzata è cercare soluzioni al problema dell’inquinamento ambientale i cui effetti crescono ad una rapidità allarmante. In particolare, il rilascio di diverse sostanze inquinanti in ambiente acquoso e nell’atmosfera rappresenta uno dei maggiori problemi che l’umanità ha il dovere di risolvere. Gli effetti nocivi di tali pratiche hanno ricadute non solo sulla salute dell’uomo, ma anche sull’intero ecosistema. Durante questi ultimi anni molti studi sono stati effettuati con lo scopo di sviluppare nuove tecnologie in grado di abbattere tali sostanze. Di particolare interesse sono i processi di ossidazione avanzata (AOPs) che permettono una decomposizione dell’inquinante grazie alla formazione di radicali fortemente ossidanti. Tra questi processi la fotocatalisi eterogenea costituisce una delle più promettenti tecnologie per l’abbattimento di inquinanti di varia natura. In quest’ultimo caso, la degradazione è ottenuta a seguito dell’attivazione di un opportuno materiale fotocatalitico. Tra tutti i materiali fotocatalitici il TiO_2 è uno dei più usati, grazie alla sua stabilità e versatilità. In particolare la sua morfologia nanotubolare permette un’ottimizzazione del processo fotocatalitico grazie al perfetto compromesso tra il rapporto superficie-volume, la sensibilità alla radiazione e la mobilità delle cariche. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare il comportamento dei nanotubi di biossido di titanio al fine di trovare una possibile applicazione industriale per l’abbattimento di inquinanti di natura organica sia in fase gas che liquida. In particolare è stato testato il processo di degradazione fotocatalitica, preliminarmente in fase liquida, su una soluzione di rodamina B, e successivamente su varie soluzioni di blu di metilene. La concentrazione dell’inquinante, il pH e l’effetto della aggiunta di diversi sali, sono stati analizzati allo scopo di valutarne l’effetto sulla cinetica e sulla percentuale di fotodegradazione del processo. Infine è stato sviluppato un reattore fotocatalitico per l’abbattimento di composti organici volatili (VOC) che è stato poi testato per l’abbattimento di toluene. Questa tesi è divisa in quattro capitoli principali. Il capitolo 1 presenta un’introduzione generale al problema dell’inquinamento e successivamente analizza il processo di fotocatalisi. In seguito, sono analizzate in dettaglio le proprietà del biossido di titanio e la tecnica di anodizzazione elettrochimica che permette di ottenere tale materiale nella sua forma nanotubolare. Nella parte finale si parte da una breve descrizione dei principali tipi di reattori chimici per discutere in seguito alcuni dei più importanti tipi di reattori fotocatalitici usati per l’abbattimento di inquinanti in fase gas. Saranno poi effettuate alcune considerazioni cinetiche per descrivere il comportamento di uno di questi reattori. Il capitolo 2 si focalizzerà sulla descrizione della procedura sperimentale per la produzione del biossido di titanio sia su una lastrina piana che su una rete. A questo punto saranno presentati alcuni esperimenti di degradazione fotocatalitica in fase liquida. In primo luogo, su una soluzione di rodamina B usando entrambi i materiali, in secondo luogo, diverse soluzioni di blu di metilene saranno testate. In questo ultimo caso soltanto la lastrina è utilizzata come fotocatalizzatore. In fine sarà presentato il design e lo sviluppo di un reattore fotocatalitico testato per l’abbattimento di toluene in fase gas. Nel capitolo 3 saranno discussi i risultati della degradazione delle soluzioni in fase liquida e dei test effettuati in fase gas. Il capitolo 4 si focalizza nel presentare le conclusioni di questo lavoro.