TiO2 anodic nanotubes for gas and liquid phase photocatalysis

Modern industry society faces the growing problem of pollution in the environment. One of the most pressing challenges facing humanity is the discharge of numerous pollutants into waterways and the atmosphere. Industrial pollution affects not only human beings but also the entire ecosystem. Many techniques have been demonstrated to abate these hazardous pollutions. In particular, attention has been paid to advanced oxidation processes (AOPs) that produce highly oxidizing radicals that can mineralize the contaminants. This project investigates the photodegradation of contaminants in both liquid and gas phases using nanotubular TiO2 as a photocatalyst. In this work, an industrial condition was simulated by studying the degradation of a model pollutant, methylene blue, not in its pure form in distilled water but in presence of tap water or other specific salts, to understand the effect of different salts in the methylene blue solution. Moreover, the obtaining of rhodamine B degradation under visible light instead of ultraviolet light was attempted by nitrogen doping of TiO2. In general, salts decrease the reaction rates of experiments. Moreover, nitrogen doping increases an apparent degradation rate by de-ethylation phenomenon, while complete mineralization is not achieved. Then, to evaluate the abatement of volatile organic compounds (VOCs), the degradation of low concentration toluene and isopropanol was investigated by a plug flow reactor designed on purpose. This work is divided into four main chapters: Chapter 1 presents definitions and fundamental concepts of photodegradation and technique of anodizing to end up with nanotubular TiO2 and provides a summary of gas reactors and a kinetic model to demonstrate the adsorption behaviour. Chapter 2 provides the general description of the experimental procedure, including instruction of anodizing, preparing solutions, and assembling the reactor in more detail. Chapter 3 presents the results related to the experimental campaign (photodegradation in liquid and gas phase) and XRD and SEM analysis. Chapter 4 focuses on the conclusion of this project.

La moderna società industriale si trova a dover affrontare il crescente problema dell'inquinamento ambientale. Una delle sfide più urgenti che l'umanità deve affrontare è lo sversamento di numerosi inquinanti nei corsi d'acqua e nell'atmosfera. L'inquinamento industriale colpisce non solo gli esseri umani ma anche l'intero ecosistema. Esistono molte tecniche adatte a ridurre l’impatto di questi pericolosi inquinamenti sull’ambiente. In particolare, in questo lavoro di tesi è stata prestata attenzione ai processi di ossidazione avanzata (AOP) che producono radicali altamente reattivi in grado di degradare i contaminanti. Questo progetto studia la fotodegradazione di contaminanti in fase liquida e gassosa utilizzando TiO2 nanotubulare come fotocatalizzatore. In questo lavoro si è cercato di simulare una condizione industriale, lavorando non con inquinante puro in acqua distillata ma in acqua di rubinetto o in presenza di sali specifici, per comprendere l'effetto di diversi sali nella soluzione di inquinanti modello (blu di metilene). Si è inoltre cercato di ottenere la degradazione di un altro inquinante organico, la rodamina B, sotto luce visibile anziché ultravioletta mediante drogaggio con azoto del TiO2. In generale, i sali diminuiscono le velocità di reazione degli esperimenti. Inoltre, il drogaggio con azoto aumenta una velocità di degradazione apparente per fenomeno di deetilazione, ma non porta a mineralizzazione totale. In seguito, per valutare l'abbattimento dei composti organici volatili (VOC), si è studiata la degradazione del toluene e dell'isopropanolo a bassa concentrazione in un reattore a flusso progettato appositamente. Questo lavoro è suddiviso in quattro capitoli principali: Il capitolo 1 presenta definizioni e concetti fondamentali di fotodegradazione e tecnica di anodizzazione per ottenere TiO2 nanotubulare e fornisce un riepilogo dei reattori a gas e un modello cinetico per dimostrare il comportamento di adsorbimento. Il capitolo 2 fornisce la descrizione generale della procedura sperimentale, comprese le istruzioni per l'anodizzazione, la preparazione delle soluzioni e l’assemblaggio del reattore in modo più dettagliato. Il capitolo 3 presenta i risultati relativi alla sperimentazione (prove di fotocatalisi in fase liquida e gas) e le analisi XRD e SEM. Il capitolo 4 presenta la conclusione di questo progetto.