Templated synthesis of titanium dioxide sol-gel for water purification

Water contamination resulting from dye-polluted industrial wastewater is an increasingly concerning topic, as it endangers the aquatic ecosystem. The research has been focusing on finding clean and sustainable ways to remove the pollutants dispersed in water. A promising solution has been found in photocatalytic materials, able to transform pollutants into harmless species. Moreover, the sol-gel route for the synthesis of such photocatalysts has been proven really versatile and effective. This work aimed at testing the photocatalytic activity of sol-gel synthesized titanium dioxide thin films, in order to find high performance formulations, while keeping the synthesis as sustainable and environmentally clean as possible. In the first chapter, the state of art concerning water pollution and the usage of titanium dioxide photocatalysts to overcome this issue was summarized. The main structures, properties, and the aspects of the sol-gel synthesis of such material were presented in detail. In particular, the effect of surfactants and nanocellulosic materials on the properties of the sol-gel and the produced thin films was described and further investigated in this work. Chapter 2 presented the materials and the procedures followed for the synthesis and testing of the TiO2 sol-gels. The formulation was conducted varying different parameters such as the type of solvent, the amount of titanium precursor, the order of addition of the reagents and the type of templating agent. Three types of surfactants were used (sodium dodecyl sulfate, Lutensol ON70 and Ecosurf eh-3) and two types of nanocellulose were implemented in the sol-gel synthesis of TiO2. Each formulation was naturally aged for maximum 8 weeks while performing tests every two weeks. The samples to be tested were all deposited with the dip-coating method onto glass substrates and annealed. They were subjected to a first two hours screening photocatalytic test, measuring the degradation of a rhodamine B solution. After the best samples were determined, they, alongside other samples, were subjected to a longer photocatalytic test, lasting 6 hours. To further characterize the prepared samples, Dynamic Light Scattering analysis and Scanning Electron Microscopy were used to determine the average particles size, inside the sol-gel, and to analyze the surface morphology of the dip-coated samples, respectively. In the third chapter, these results were shown and discussed. The photocatalytic tests revealed that the water and Ecosurf eh-3 based sol-gels were the best performing ones in terms of how quickly they could degrade the dye-polluted solution. Organic solvents based formulations were quite mediocre in terms of photoactivity, while presenting better aesthetic appearance. In addition, the nanocellulose-based ones, were also not outstanding in terms of photocatalytic properties. In conclusion, this work contributed in finding new and well-performing solutions for the treatment of dye-polluted wastewater while also reducing the overall environmental impact of the materials synthesis by using non-toxic, weakly harmful and clean reagents to produce TiO2 photocatalytic thin films.

La contaminazione acquatica derivante dall’inquinamento da coloranti delle acque reflue industriali è un problema sempre più importante al quale la ricerca sta provando a trovare una soluzione che sia sostenibile e in grado di ridurne l’impatto. Promettenti in questo campo sono i materiali fotocatalitici, capaci di trasformare gli inquinanti in specie non pericolose. Questo lavoro di tesi si è posto come obiettivo il testare l’attività fotocatalitica di diversi rivestimenti contenenti biossido di titanio e sintetizzati tramite tecnologia sol-gel, con lo scopo ultimo di individuare le formulazioni migliori, mantenendo al contempo il processo di sintesi il più sostenibile possibile. Nel primo capitolo è stato riassunto lo stato dell’arte riguardante l’inquinamento delle acque e l’utilizzo di fotocatalizzatori a base di biossido di titanio per superare questo problema. Sono state presentate in dettaglio le principali strutture, le proprietà e gli aspetti della sintesi sol-gel di questi materiali. In particolare, l’effetto dei surfattanti e della nanocellulosa sulle proprietà del sol-gel e dei film sottili prodotti è stato descritto e poi successivamente approfondito in questo lavoro. Nel capitolo 2 sono stati presentati i materiali e le procedure seguite per la sintesi e la sperimentazione dei sol-gel di TiO2. La formulazione è stata condotta variando diversi parametri come il tipo di solvente, la quantità di precursore, l’ordine di aggiunta dei reagenti e il tipo di agente "template". Tre differenti surfattanti (sodio dodecil solfato, Lutensol ON70 e Ecosurf eh-3) e due tipi di nanocellulosa sono stati utilizzati nella sintesi del TiO2. Ciascuna formulazione è stata lasciata reagire per un massimo di 8 settimane, eseguendo test sui campioni ogni 2 settimane. Tutti i film sottili testati, sono stati prodotti tramite rivestimento ad immersione su substrati in vetro e successivamente ricotti. Inizialmene sono stati testati con un processo breve di degradazione fotocatalitica di una soluzione di rodamina B, della durata di 2 ore. Una volta identificati i campioni migliori, questi, assieme ad altri, sono stati testati tramite un processo di fotocatalisi più lungo, della durata di 6 ore. Per arricchire la caratterizzazione dei campioni prodotti, sono state condotte analisi con tecniche di diffusione dinamica della luce e di microscopia elettronica a scansione, per determinare, rispettivamente, il diametro medio delle particelle sintetizzate e la morfologia superficiale dei rivestimenti. Nel terzo capitolo, i risultati delle analisi sono stati riportati e discussi. I test di fotocatalisi hanno dimostrato come i sol-gel a base di acqua e Ecosurf eh-3 fossero i migliori nel degradare velocemente le soluzioni di colorante. Le formulazioni create usando solventi organici hanno mostrato risultati inferiori, nonostante i rivestimenti fossero esteticamente eccellenti. Infine, anche quelle basate sullananocellulosa hanno portato a risultati relativamente mediocri. In conclusione, questo lavoro di tesi ha contribuito a individuare nuove e performanti soluzioni per il trattamento delle acque contaminate dai coloranti, mantenendo allo stesso tempo basso l’impatto ambientale legato alla sintesi dei film sottili di TiO2, dato l’utilizzo di reagenti atossici, puri e poco pericolosi.