Příprava a charakterizace karbon-silikátových nanosorbentů s vysokým specifickým povrchem

Pavel Mančík

Doctoral thesis

Preparation and characterization of carbon-silicate nanosorbents with a high specific surface area

Abstract:

Disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací karbon-silikátových nanosorbentů s vysokým specifickým povrchem a možností jejich fotokatalytické regenerace se současnou degradaci sorbátu. Úvodem je shrnuta základní teorie, související s řešenou problematikou. Jedná se o strukturu pevných látek a vazeb, které se v nich vyskytují. Podstatná část je věnována van der Waalsovým interakcím, které se uplatňují ve fyzikální sorpci, a dále pak struktuře povrchu, která má velký význam pro sorpční kapacity a distribuci adsorpčních pozic. Dále je diskutována problematika adsorpce a matematických modelů používaných pro popis adsorpčních procesů. Jsou zde analyzovány hlavní výhody a nevýhody jednotlivých modelů. Následně je popsán proces fotokatalytických reakcí, jejich environmentální aplikace a jejich využití v odstraňování látek z nasyceného sorbentu. V sekci regeneračních procesů jsou rozebrány mechanismy a činidla jednotlivých metod. Pro měření sorpčních a fotokatalytických vlastností byl použit experimentální reaktor pro kontinuální měření fotokatalytických procesů vyvíjený v Laboratoři nanopartikulárních materiálů centra nanotechnologií. Výhodou reaktoru je měření in situ, takže není potřeba zasahovat do systému a narušovat proces. Metoda vakuového vymrazování byla použita pro převod vzorků z vodní disperze na práškovou formu z důvodu lepší manipulace a zachování vysokého specifického povrchu. Proces vývoje sorpčního materiálu se schopností fotokatalytické regenerace se skládal z několika kroků. Nejdříve byly připraveny a charakterizovány fotokatalytické materiály s vysokým specifickým povrchem na bázi síťové silikátové struktury obsahující zinek a grafen. Struktura byla deponována na sorpční vláknitou strukturu z důvodu lepší manipulace. Materiál vykazoval relativně vysoký specifický povrch s hodnotou 410 m2/g a o mnoho lepší výsledky v testech fotokatalytické aktivity než standard P25. Další testovaný materiál, modifikovaný grafitický nitrid uhlíku g-C3N4, už vykazoval schopnost fotokatalytické regenerace. Protože není komerčně dostupný žádný standard sorbentů s fotokatalytickými účinky byl pro srovnání použit oxid titaničitý. Nanokompozit vykazoval vyšší sorbované množství methylenové modři, specifický povrch a rychlostní konstanty sorpčního procesu. Podařilo se u něj provést úspěšně regeneraci sorpčního povrchu pomocí UV záření, ale následující cykly výrazně snižovaly sorpční kapacitu sorbentu. Díky vynechání procesu lyofilizace došlo ke snížení ztrát, ovšem došlo ke ztrátě možnosti kontrolovat množství použitého sorbentu. Dalším krokem bylo zvětšení sorpčních kapacit a vylepšení regeneračních vlastností vzorku úpravou metodiky přípravy. Byl připraven sorbent s vysokým specifickým povrchem a schopností opakované fotokatalytické regenerace ve dvou variantách, a to silikátová struktura s obsahem 10 hm.% g-C3N4 a 20 hm.% g-C3N4. Materiál byl testován na sorpci methylenové modři. Fotokatalytický rozklad probíhal působením LED zdrojem UV záření a přirozeným difúzním slunečním zářením. Efektivita regenerace u obou vzorků přesahovala 84 % po třetím cyklu regenerace UV zářením a 94 % po třetím cyklu regenerace přirozeným slunečním zářením. Regenerace přirozeným slunečním zářením dopadla lépe, díky zapojení grafitizovaného nitridu uhlíku do procesu fotokatalytického rozkladu. Při použití LED zdroje vyzařujícím v oblasti viditelného spektra byly výsledky fotokatalýzy a regenerace nereprodukovatelné.

Abstract:

Thesis studied preparation and characterization of carbon-silicate nanosorbents with high specific surface area and with the possibility of photocatalytic regeneration of saturated sorbent. Theoretical part begins with the structure of solids state and the bonds that occur in them. An important part is devoted to the van der Waals interactions that are present in physical sorption and the surface structure which is of great importance for the sorption capacities and the distribution of adsorption positions. The work deals with adsorption and mathematical models used for the description of adsorption processes. The main advantages and disadvantages of each model are highlighted. The process of photocatalytic reactions, their environmental applications and their use in removal of saturated sorbent materials are described next. In the regeneration process section, the mechanisms and reagents of the individual methods are analyzed. For the measurement of sorption and photocatalytic properties, an experimental reactor for the continuous measurement of photocatalytic processes developed in the Laboratory of Nanoparticulate Matter of nanotechnology center was used. The advantage of the reactor is in-situ measurement, so there is no need to interfere with the system. The vacuum freeze-drying method was used to convert samples from a water dispersion to a powder form for better handling and preservation of a high specific surface area. The developing process of sorption material with possibility of photocatalytic regeneration consisted of several steps. First, photocatalytic materials with a high specific surface based on a porous silicate structure containing zinc and graphene were prepared and characterized. The structure was deposited on the fiber structure for better handling. The material exhibited a relatively high specific surface area of 410 m2/g and much better results in photocatalytic activity than the P25 standard. Next prepared material, modified with g-C3N4, exhibited the capability of photocatalytic regeneration. Since no sorbent standard with photocatalytic regeneration effect is commercially available, titanium dioxide was used for comparison. The nanocomposite exhibited higher sorption capacities, the specific surface and rate constants of the sorption process. The sorption surface was successfully regenerated by UV irradiation, but the following cycles significantly reduced sorption capacity of the sorbent. By omitting the lyophilization process, the loss of samples was. However, the possibility of controlling the amount of used sorbent was lost. The next step was to increase the sorption capacities and to improve the regeneration properties of the sample by adjusting the preparation methodology prepared nanocomposite exhibited a high specific surface and ability of repetitive photocatalytic regeneration. Two variants were prepared, namely silicate structure containing 10 wt.% g-C3N4 and 20 wt.% g-C3N4. The material was tested for sorption of methylene blue. Photocatalytic decomposition was performed by irradiating the saturated sample with a LED source of UV radiation and natural diffuse sunlight. The regeneration efficiency for both samples exceeded 84% after the third cycle of UV regeneration and 94% after the third regeneration cycle with natural sunlight. When using a LED source emitting in the visible spectrum, the results of photocatalysis and regeneration were unproducible.

Keywords

Sorpce, Regenerace sorbentu, Fotokatalytická regenerace sorbentu, Grafitický nitrid uhlíku

Keywords

Sorption, Regeneration of sorbent, Photocatalytic regeneration of sorbent, Graphitic carbon nitride

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 10. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2018
• Supervisor: Richard Dvorský
• Reader: Libor Kvítek, Boleslav Taraba, Bruno Kostura

VŠB - Technical University of Ostrava

Univerzitní studijní programy

Doctoral programme / field:
Nanotechnologie / Nanotechnologie