NANOSTRUCTURED TITANIUM DIOXIDE FOR THE PHOTOCATALYTIC DEGRADATION OF ORGANIC POLLUTANTS

Environmental pollution represents a serious concern for our industrialized society, due to the discharge of several hazardous substances in natural streams and in the atmosphere. These pollutants have demonstrated to have a strong negative impact on the environment, leading to harmful effects on the biological equilibrium of the ecosystem and on human health. In the last years the adoption of strict rules, especially in the European Union, has allowed to decrease the concentration of harmful pollutants ahead their discharge by banishing many of the pollution sources or by imposing wastewater and air treatments. In this context, the research of treatments for the abatement of pollution in wastewaters and air has attracted an increasing attention from the scientific community.Among the several developed methods, heterogeneous photocatalysis, one of the most studied Advanced Oxidation Processes (AOPs), has demonstrated to be a promising technique for the removal of organic pollutants both in liquid and in gas phase, since it can lead to the complete mineralization of these substances at ambient conditions by exploiting solar energy. In particular, titanium dioxide (TiO2) has gained attention as photocatalyst due to its high stability in different pH ranges, environmental sustainability, relatively low cost, and non-toxicity; moreover, its bandgap properties and high conductivity of the photogenerated electrons and holes allow reaching a high photodegradation efficiency under UV-A exposure.The aim of this research is to utilize nanostructured TiO2 photocatalysts for the degradation of organic pollutants, by proposing testing conditions getting closer to real effluents the material would encounter in practical applications.Firstly, anodically grown TiO2 nanotubes were exploited for the photocatalytic degradation of organic dyes in multi-dye aqueous solutions, to understand whether dye mixing may affect the photocatalytic process and therefore, in perspective, the purification of real wastewaters. In this context, the effects of dye concentration, solution pH and co-presence of inorganic salts (chlorides, sulphates and carbonates) were investigated, too.Moreover, the photocatalyst was exploited for the photodegradation of gas pollutants by using an annular plug flow reactor (PFR) which was specifically designed and produced, characterized by a reaction chamber of approximatively 1200 cm3. The photocatalytic properties of this specific photocatalyst were analysed in continuous mode by using a prototypal device, as well as by simulating different air humidity contents, i.e., in a more realistic situation for the abatement of pollutants in real systems.In both liquid and gas phase, the photocatalysts demonstrated excellent stability and long-term performances.Finally, the synthesis and deposition of TiO2 films via a green sol-gel route was investigated and then tested in the degradation of dyes in water-based solutions. Results showed a good photoactivity and a strong stability, suggesting the suitability of these materials for prolonged or multiple treatments.

L'inquinamento ambientale figura come una seria minaccia per la nostra società industrializzata, a causa del rilascio di numerose sostanze pericolose nei corsi d'acqua naturali e nell'atmosfera. Questi inquinanti hanno dimostrato di avere un forte impatto negativo sull'ambiente, con effetti dannosi sia sulla salute umana che sull'equilibrio biologico dell'intero ecosistema. Negli ultimi anni l'introduzione di regole rigorose, soprattutto in Unione Europea, ha consentito di diminuire la concentrazione di inquinanti nocivi prima del loro eventuale rilascio, sia bandendo molte delle fonti di inquinamento che imponendo il trattamento delle acque reflue e dei fumi. Considerando tale contesto, la ricerca di trattamenti per l'abbattimento degli inquinanti presenti nelle acque reflue e nell’atmosfera ha attirato una crescente attenzione da parte della comunità scientifica. Tra i vari metodi sviluppati, la fotocatalisi eterogenea, uno dei più studiati processi di ossidazione avanzata (advanced oxidation processes, AOPs), si è rivelata una tecnica promettente per la rimozione di inquinanti organici sia in fase liquida che gassosa, poiché può comportare la completa mineralizzazione di queste sostanze in condizioni ambientali standard sfruttando l'energia solare. In particolare, il biossido di titanio (TiO2) ha guadagnato particolare fama nell’ambito della fotocatalisi grazie alla sua elevata stabilità in diversi intervalli di pH, alla sua sostenibilità ambientale, al suo costo relativamente basso e alla sua atossicità; inoltre, le caratteristiche del suo band gap e l’elevata conduttività delle cariche elettriche fotogenerate consentono di raggiungere un'elevata efficienza di fotodegradazione quando esposto alla radiazione UV-A. Lo scopo di questa ricerca è l’utilizzo di fotocatalizzatori nanostrutturati in biossido di titanio per la degradazione degli inquinanti organici, proponendo condizioni di prova che si avvicinassero alle reali condizioni di lavoro caratterizzanti l’applicazione finale. In una prima fase della ricerca, i nanotubi di biossido di titanio ottenuti mediante anodizzazione sono stati applicati nella degradazione fotocatalitica di coloranti organici in soluzioni acquose multi-coloranti, al fine di valutare se la miscelazione dei coloranti possa influenzare il processo fotocatalitico e quindi, in prospettiva, l’eventuale trattamento di depurazione delle acque reflue urbane o industriali. Per questo motivo sono stati studiati anche gli effetti della concentrazione del colorante, del pH della soluzione e della compresenza di sali inorganici (cloruri, solfati e carbonati) sulla cinetica del processo di degradazione fotocatalitica. Successivamente, questo fotocatalizzatore è stato impiegato nella fotodegradazione di gas inquinanti, utilizzando un reattore chimico plug-flow (PFR) anulare appositamente progettato e caratterizzato da una camera di reazione di circa 1200 cm3. Le proprietà fotocatalitiche dei nanotubi di TiO2 sono state analizzate in continuo utilizzando un dispositivo più grande rispetto a quelli normalmente utilizzati sperimentalmente in laboratorio, nonché simulando diverse condizioni di umidità ambientale, ovvero in una situazione più realistica per l'abbattimento degli inquinanti nei sistemi reali. Sia in fase liquida che in fase gas, il fotocatalizzatore ha dimostrato un’eccellente stabilità e potenziale per utilizzi di lunga durata. Infine, è stata studiata la sintesi e la deposizione di film di biossido di titanio tramite un processo sol-gel green, poi testato per la degradazione dei coloranti in soluzioni acquose. I risultati hanno rivelato una buona fotoattività e una robusta stabilità, suggerendo che questi materiali siano adatti a trattamenti prolungati o ripetuti.