Μελέτη της επίδρασης επιφανειοδραστικών ουσιών στην παρασκευή νανοδομημένης τιτανίας ως φωτοκαταλύτη

Abstract

THE OBJECTIVE OF THE PRESENT THESIS IS THE PREPARATION OF MESOPOROUS TITANIA VIA MICROEMULSION ROUTE AND THE STUDY OF ITS PHOTOCATALYTIC APPLICATIONS. TITANIUM DIOXIDE (TIO2) IS LATELY THE MOST COMMONLY USED SEMICONDUCTING MATERIAL IN PHOTOCATALYTIC PROCESSES. ITS APPLICATIONS ARE DUE TO THE CAPABILITY OF TIO2 ON THE PRODUCTION OF VERY ACTIVE SPECIES. THESE SPECIES ARE ELECTRONS (E-) AND POSITIVE HOLES (H+) FROM WHERE THE FIRST ARE EXCITED. THE EFFECTIVENESS OF TIO2’S PHOTOCATALYTIC ACTIVITY DEPENDS ON MANY FACTORS SUCH AS CRYSTAL STRUCTURE AND SIZE, POROSITY AND THE PRESENCE OF HETEROATOMS. IN THE PRESENT THESIS THE PRODUCTION OF MESOPOROUS TIO2 VIA MICROEMULSION ROUTE, IS DESCRIBED. TIO2 PARTICLES ARE FORMED FROM AFTER HYDROLYSIS OF A SYSTEM CONTAINING METHANOL/ SURFACTANT/ DIETHANOLAMINE/ TITANIUM/ OCTANE. THIS SYSTEM REFERS TO AN O/W EMULSION WITH OCTANE THE DISPERSED ORGANIC (O) PHASE IN A POLAR (W) SOLVENT. THE SURFACTANTS USED WERE AEROSOL- OT (AOT) AND SODIUM DODECYL SULFATE (SDS) WHICH ARE BOTH ANIONIC AND SULFUR CONTAINING. TITANIUM ISOPROPOXIDE [TI(OPR)4] IN VARIOUS CONCENTRATIONS, WAS USED AS TITANIUM PROVIDER. THE DIETHANOLAMINE (DEA) WAS USED AS A BRIDGE- FORMING AGENT BETWEEN THE MICELLE AND THE TI(OPR)4. THE SIZE OF THE MICELLE IS CONTROLLED BY THE ADDITION OF OCTANE IN VARIOUS AMOUNTS. THE SAMPLES PRODUCED AFTER THE HYDROLYSIS OF THE ABOVE SYSTEM ARE STUDIED WITH XRD, FT-IR, TG/DSC, BET N2 ADSORPTION/ DESORPTION AND SEM METHODS TO INVESTIGATE THEIR TEXTURAL PROPERTIES. THE PHOTOCATALYTIC EFFECTIVENESS OF SAMPLES WAS INVESTIGATED WITH FLUORESCENCE TEREPHTHALIC ACID PROBE METHOD AND UV/ VIS DRS. THE CAPABILITY OF THE MATERIALS ON THE REMOVAL OF GAS (NO) AND LIQUID (AZO DYES) POLLUTANTS, WAS ALSO STUDIED. THE AZO- DYES WHICH WERE CHOOSED ARE AURAMINE- O (CATIONIC) AND DIRECT YELLOW- 12 (ANIONIC). THE FIRST STEP, OF THE EXPERIMENTAL PROCEDURE, WAS THE CMC EVALUATION OF BOTH SURFACTANTS IN THE METHANOL SOLUTION. AFTER THAT, WE START CONSTRUCTING THE EMULSION BY ADDING DEA AND AN AMOUNT OF TI(OPR)4. WE CONTROL THE SIZE OF THE MICELLE BY CONTROLLING THE OCTANE AMOUNT IN THE O/W SYSTEM. THE SAMPLES PRODUCED WERE AEROSOL- OT CONTAINING (AOT) AND SODIUM DODECYL SULFATE CONTAINING (SDS), WERE TESTED AND COMPARED TO AN INDUSTRIAL/ COMMERCIAL PHOTOCATALYST (DEGUSSA P25 SAMPLE) AND SAMPLES PRODUCED SIMPLY BY HYDROLYSIS OF ISOPROPOXIDE (TIP SAMPLES). TIP SAMPLES WERE BIPHASIC (ANATASE/ RUTILE) TIO2 AND PRESENTED HYSTERESIS LOOPS CHARACTERISTIC FOR NON-POROUS MATERIALS WITH SSA WERE BETWEEN 20-80 M2/G. TIP SAMPLES SHOWED LOW PHOTOCATALYTIC ACTIVITY IN LIQUID ENVIRONMENT AND MEDIOCRE IN GAS. THIS IS DUE TO THE O2 RADICAL FORMATION THAT CAN BE PRODUCED MOSTLY FROM RUTILE. AOT AND SDS SAMPLES WERE MONOPHASIC (ANATASE) TIO2 SHOWED A MESOPOROUS STRUCTURE WITH SSA BETWEEN 100-250 M2/G. SEM IMAGES SHOWED ROUGH SURFACES AND XRD ANALYSIS SHOWED MEDIUM SIZE CRYSTALLITES. AOT AND SDS SAMPLES SHOWED GOOD RESULTS ON BOTH GAS AND LIQUID POLLUTANTS DEGRADATION. ACCORDING TO THE RESULTS SAMPLES AOT AND SDS CAN REMOVE NEARLY 100% THE DYES IN 120 MINUTE TIME AND CONVERT ~70% OF NO. THEIR PHOTOCATALYTIC ACTIVITY IS ATTRIBUTED TO BIG AMOUNT OF OH RADICALS WHICH CAN BE PRODUCED AND TO THEIR GREAT SSA. THE SIZE OF THE MICELLE SEEMS TO AFFECT THE PHOTOCATALYTIC ACTIVITY I.E. HIGH MICELLE SIZE SHOWS BETTER DEGRADATION ABILITY. AOT AND SDS SAMPLES SHOW BETTER ACTIVITY THAN THE COMMERCIAL PRODUCED P25.

ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΗΤΑΝ Η ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΗΣ ΤΙΤΑΝΙΑΣ (TIO2) ΜΕ ΜΕΘΟΔΟ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ Η ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΣ ΤΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΑΕΡΙΩΝ/ΥΓΡΩΝ ΡΥΠΩΝ. ΤΟ TIO2 ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΕΥΡΕΩΣ ΤΑ ΤΕΛΕΥΤΑΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΩΣ ΕΝΑΣ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΠΙΟ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΥΣ ΚΑΙ ΦΙΛΙΚΟΥΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ. Η ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΕΓΚΕΙΤΑΙ ΣΤΟ ΓΕΓΟΝΟΣ ΟΤΙ ΜΠΟΡΕΙ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΣΗ ΝΑ ΠΑΡΑΓΕΙ ΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΡΙΖΕΣ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΕΥΟΥΝ ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ. ΠΟΛΛΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΕΠΙΔΡΟΥΝ ΣΤΗ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ TIO2. ΤΕΤΟΙΟΙ ΕΙΝΑΙ Η ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΔΟΜΗ, Η ΕΙΔΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ, Η ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΕΤΕΡΟΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ. ΣΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΑ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΓΙΝΕ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΝΑ ΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΙ ΜΕΣΟΠΟΡΩΔΗΣ ΤΙΤΑΝΙΑ ΜΕ ΑΥΞΗΜΕΝΗ ΕΙΔΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΩΝ ΠΟΥ ΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΚΑΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΘΑΝΟΛΗ/ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΟ/ ΔΙΑΙΘΑΝΟΛΑΜΙΝΗ/ ΤΙΤΑΝΙΟ/ ΟΚΤΑΝΙΟ. ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΥΤΟ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΕΙ ΣΕ ΕΝΑ Ο/W ΓΑΛΑΚΤΩΜΑ ΜΕ ΔΙΑΣΠΕΙΡΟΥΣΑ ΦΑΣΗ ΤΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗ (W) ΚΑΙ ΔΙΑΣΠΑΡΜΕΝΗ ΤΟ ΟΚΤΑΝΙΟ (O). ΤΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΗΤΑΝ ΤΑ AEROSOL -OT (ΑΟΤ) ΚΑΙ SODIUM DODECYL SULFATE (SDS), ΩΣ ΠΗΓΗ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΕ ΤΟ ΙΣΟΠΡΟΠΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ (TI(OPr)4). ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΡΟΕΚΥΨΑΝ ΜΕΛΕΤΗΘΗΚΑΝ ΚΑΙ ΣΥΓΚΡΙΘΗΚΑΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΤΙΣ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΕΣ ΤΟΥΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕ ΤΟ ΕΜΠΟΡΙΚΟ Ρ25 ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΜΕ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΡΟΕΚΥΨΑΝ ΑΠΟ ΑΠΛΗ ΥΔΡΟΛΥΣΗ (ΤΙΡ). ΑΡΧΙΚΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΚΕ Η ΚΡΙΣΙΜΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΜΙΚΥΛΛΟΠΟΙΗΣΗΣ (CMC) ΓΙΑ ΤΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΑ ΣΤΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗ ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΩΣ ΠΑΝΩ ΣΕ ΑΥΤΟ ΤΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ «ΧΤΙΣΤΗΚΕ» ΤΟ ΜΙΚΡΟΓΑΛΑΚΤΩΜΑ. ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΕ Η ΔΙΑΙΘΑΝΟΛΑΜΙΝΗ ΩΣ ΣΥΜΠΛΕΚΤΙΚΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΜΕ ΤΟ TI(OPr)4 ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΩΣ ΠΡΟΣΤΕΘΗΚΕ ΟΚΤΑΝΙΟ, ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ, ΣΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΕΝΟΣ Ο/W ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΣ. ΤΑ ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΕΚΥΨΑΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΑΥΤΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΛΕΤΗΘΗΚΑΝ ΜΕ ΜΕΘΟΔΟΥΣ XRD, FT-IR, TG-DSC, SEM, N2 ADSORPTION/ DESORPTION ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΕ ΦΘΟΡΙΣΜΟΜΕΤΡΙΑ ΤΕΡΕΦΘΑΛΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ, UV/VIS DRS ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΑ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥΣ. ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΔΟΚΙΜΑΣΤΗΚΑΝ ΚΑΙ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΑΕΡΙΩΝ (ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΝΟ) ΚΑΙ ΥΓΡΩΝ ΡΥΠΩΝ(ΑΖΩΧΡΩΜΑΤΑ AURAMINE- O, DIRECT YELLOW -12). ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΤΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΤΙΡ ΑΠΟΤΕΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΔΙΦΑΣΙΚΟ (ΑΝΑΤΑΣΗΣ/ ΡΟΥΤΙΛΙΟ) TIO2 ΜΕ ΜΕΓΑΛΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΚΑΙ ΜΙΚΡΕΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΤΗΣ ΤΑΞΗΣ ΤΩΝ 20-80 m2/g. ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΥΤΑ ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΝΑ ΕΙΝΑΙ ΜΗ ΠΟΡΩΔΗ ΚΑΙ ΕΧΟΥΝ ΧΑΜΗΛΗ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ Η ΟΠΟΙΑ ΟΦΕΙΛΕΤΑΙ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΟ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ .Ο2 ΑΠΟ ΤΟ ΡΟΥΤΙΛΙΟ. ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΟΤ ΚΑΙ SDS ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΑ (ΑΝΑΤΑΣΗΣ) ΜΕΣΟΠΟΡΩΔΗ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ (SSA) ΑΠΟ ~100-250 m2/g. ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΑΥΤΑ ΕΜΦΑΝΙΖΟΥΝ ΜΕΣΑΙΑ ΜΕΓΕΘΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ. Η ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΤΟΥΣ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΜΦΑΝΙΖΕΤΑΙ ΑΥΞΗΜΕΝΗ ΚΑΙ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΟΥΝ ΥΨΗΛΟΥΣ ΒΑΘΜΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΕ ΑΕΡΙΟΥΣ ΚΑΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΣΕ ΥΓΡΟΥΣ ΡΥΠΟΥΣ. Η ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥΣ ΑΥΤΗ ΒΑΣΙΖΕΤΑΙ ΣΤΗΝ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΝΑ ΠΑΡΑΓΟΥΝ ΥΨΗΛΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ .ΟΗ ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΙΔΙΑΙΤΕΡΑ ΑΥΞΗΜΕΝΕΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΤΟΥΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ. ΤΑ ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΥΤΑ ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΝΑ ΑΥΞΑΝΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥΣ ΟΣΟ ΑΥΞΑΝΕΙ ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΑ ΜΙΚΡΟΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΑ