Depozice fotokatalytických nanomateriálů na tkaniny a jejich využití při degradaci polutantů

Zuzana Vilamová

Disertační práce

Deposition of photocatalytic nanomaterials on fabrics and their use in the degradation of pollutants

Anotace:

Disertační práce zkoumala problematikou opakovaného používání filtrů, kdy v průběhu času dochází k nahromadění virů, bakterií a polutantů na jejich površích. To může vést k tomu, že se samotný filtr po takové kontaminaci stane zdrojem infekce nebo toxických látek. Ke zmírnění a případně k úplné eliminaci tohoto znečištění se jako efektivním nástrojem prokázalo být využití fyzikálně-chemického působení nábojů fotokatalytických částic, které jsou fixovány na vláknech filtru. V první části se práce zabývá přípravou a vlastnostmi fotokatalytického grafitického nitridu uhlíku (g-C3N4) z močoviny a melaminu, v jejich objemové formě a po následné aplikaci exfoliačních technik: tepelné, kavitační a mlecí. Fotokatalytická aktivita byla zkoumána při degradaci fenolu za viditelného záření ve spolupráci s Univerzitou v Portu, Portugalsko. Ukázalo se, že objemová forma z močoviny vykazuje vyšší fotokatalytickou aktivitu ve srovnání s objemovou formou z melaminu, nicméně v případě močoviny došlo k vysokému hmotnostnímu úbytku. Mletí se ukázalo jako nevhodné pro g-C3N4 z močoviny, protože způsobilo snížení fotokatalytické aktivity, ale pro melamin je tato technika exfoliace efektivní. Termální exfoliace vedly k nejvyšší fotokatalytické aktivitě, kdy došlo i k největším nárůstům specifického povrchu a materiály současně vykazovaly i nejvyšší hodnoty fluorescence. V následující části se práce zaměřila na přípravu polymerní vlákenné membrány z polyvinyldifluoridu (PVDF) a polyvinylbutyralu (PVB) s deponovanými fotokatalyticky aktivními částicemi g-C3N4. Ty mají prokázanou virucidní a baktericidní aktivitu při vystavení viditelnému záření a současně v testech nevykázaly žádnou cytotoxicitu. Byly připraveny a charakterizovány čisté membrány spolu s membránami, na nichž byly deponovány fotokatalyticky aktivní částice g-C3N4 blend, termální a chemickou metodou. Nejčastěji používaná blend metoda vykazovala nejvyšší plošnou hustotu deponovaných částicAvšak vedla k zapouzdření částic polymerem dovnitř vlákna a ke snížení fotokatalytického působení. Bylo prokázáno, že termální metoda není u polymeru PVDF vhodná díky tepelné stabilitě. Strukturní a chemické vlastnosti PVDF byly modifikovány hydroxidem draselným, což vedlo k navázání částic g-C3N4 na povrch vláken. Tato technika vedla k vyšší plošné hustotě částic než u termální metody a povrchové navázání částic na vlákna umožnilo jejich efektivnější fotokatalytické působení. U PVB membrán bylo navíc dokázáno, pro sérii tří PVB membrán připravených stejnými metodami, že metody přípravy jsou reprodukovatelné. Výsledky této práce ukázaly, že membrány vyrobené z obou polymerů jsou fotokatalyticky efektivní a jsou po regeneraci opakovaně použitelné. Avšak, během analýzy morfologie membrán před a po reakcích (12 hodin) byla prokázána degradace polymerních PVB vláken, zatímco u polymerních membrán z PVDF změny viditelné nebyly. Další částí práce bylo stanovení filtrační účinnosti podle Evropského standardu EN 14683:2019+AC. Odvozený semiempirický matematický model popisuje závislost účinnosti filtrace částic na průřezové rychlosti proudění vzduchu membránou. Modelový matematický tvar byl úspěšně ověřen regresí na experimentálních datech měření čtyř komerčních vlákenných filtrů. Výsledky měření ukázaly konstantní limitní účinnosti při vysokých rychlostech a současně potvrdily modelový předpoklad, že filtry nemohou dosáhnout 100 % účinnosti filtrace kvůli Brownovu pohybu částic ani při nulových rychlostech proudění.

Abstract:

This thesis deals with the problem of repeated filter usage when viruses, bacteria, and pollutants accumulate on their surfaces over time. Such accumulation poses the risk of the filter becoming a potential source of infection or toxic substances after such contamination. Using photocatalytic particles adhered to filter fibers is an effective tool to mitigate and eliminate such contamination through physicochemical actions of charges. The first part of this thesis focuses on the preparation and characterization of photocatalytic graphitic carbon nitride (g-C3N4), synthesized from urea and melamine in their bulk forms and followed by exfoliation methods: thermal, ultrasound cavitation, and mill exfoliation. The University of Porto, Portugal, collaborated to assess the photocatalytic efficacy through phenol degradation under visible light. Results indicated that the urea-derived bulk form displayed superior photocatalytic activity over its melamine-derived opposite, although with a notable mass loss. Milling was found to be ineffective from urea precursor; in contrast, for melamine, this exfoliation technique was efficient. Thermal exfoliations resulted in the highest photocatalytic activity and induced the highest increases in specific surface areas and the highest fluorescence values. The thesis then focused on preparing and characterizing polymeric fiber membranes using polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinyl butyral (PVB), onto which photocatalytic g-C3N4 were deposited. These particles have demonstrated virucidal and bactericidal properties upon exposure to visible light, with no observed toxicity in tests. Membranes were synthesized in their pure form and assessed alongside membranes featuring g-C3N4 particles deposited through blend, thermal, and chemical methods. Among these, the blend method exhibited the highest areal density of deposited particles, nevertheless, it resulted in particle encapsulation within the polymer fiber, decreasing photocatalytic effectiveness. The thermal method is unsuitable for PVDF polymer due to its high thermal stability. PVDF's structural and chemical properties were modified with potassium hydroxide allowing g-C3N4 particles deposition to the fibers surface. This method achieved a higher areal density of particles, and the surface particles binding to the fibers resulted in the highest photocatalytic activity. Moreover, the reproducibility of the preparation methods was successfully confirmed for a series of three PVB membranes prepared using the same techniques. The study revealed that membranes exhibit photocatalytic activity and are reusable. However, morphology before and after reactions (12 hours) highlighted degradation of the polymeric PVB fibers, whereas no changes were observed in the PVDF membranes. Another aspect of the research was assessing filtration efficiency according to European standard EN 14683:2019+AC. A semi-empirical mathematical model describes the dependency between particle filtration efficiency and cross-sectional airflow velocity through the membrane. This mathematical formulation was effectively validated through regression analysis on experimental data obtained from four commercial filters. The measurement indicated consistent limiting efficiencies at high velocities and affirmed the model's assumption that filters cannot attain 100% filtration efficiency due to the Brownian motion of particles, even at zero flow velocities.

Klíčová slova

fotokatalýza, g-C3N4, polymerní membrány, filtrační účinnost

Keywords

photocatalysis, g-C3N4, polymer membranes, filtration efficiency

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 27. 2. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 17. 5. 2024
• Vedoucí: Richard Dvorský
• Oponent: Ivo Kuřitka, Robert Prucek, Vlastimil Matějka

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doktorský studijní program:
Nanotechnologie