Vliv polovodičových materiálů na fotokatalytické reakce

Kateřina Zatloukalová

Doctoral thesis

Influence of semiconductor materials on photocatalytic reactions

Abstract:

Vývoj a aplikace pokročilých oxidačních procesů přispívají k ochraně životního prostředí tím, že je lze například využít pro dekontaminaci a čištění vod od nežádoucích endokrinních disruptorů a bakterií. Pozornost byla zaměřena na navržení fotokatalytického reaktoru a způsob nanesení práškového katalyzátoru vodním sklem. Katalyzátorem byl nanovlákenný NnF Ceram TiO2 vyráběný společností Pardam s.r.o. Jako srovnávací katalyzátor byl použit komerční TiO2 Evonik P25. K charakterizaci fotokatalyzátorů byla použita rentgenová difrakční analýza, UV-Vis spektrometrie, fyzikální sorpce dusíku při 77 K a analýza povrchu transmisní elektronovou mikroskopií. V rámci práce navržené a sestavené zařízení bylo testováno při odstraňování hormonů (17α-ethinylestradiol, 17α-stradiol, 17β-estradiol, estriol, estron, progesteron) a bakterií (koliformní bakterie, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus). Zdrojem záření byla UV lampa s vlnovou délkou 368 nm. K úplné degradaci vybraných bakterií došlo již po 24 hod v přítomnosti obou katalyzátorů. Odbourávání hormonů probíhá podle kinetiky pseudo- prvního řádu a jejich konverze byla vyšší u všech hormonů při použití TiO2 Evonik P25 ve srovnání s NnF Ceram TiO2 katalyzátorem. Nejsnadněji byl odbouráván progesteron a všechny typy estradiolů a to jak v přítomnosti TiO2 Evonik P25 tak NnF Ceram TiO2. Naopak nejnižší konverze bylo dosaženo v případě estronu a estriolu. Klíčovou roli v různé aktivitě testovaných fotokatalyzátorů lze přisoudit jejich rozdílnému fázovému složení. Katalyzátor TiO2-P25 je dvoufázový katalyzátor (80 hm. % anatas a 20 hm. % rutil). I když fotokatalyticky aktivnější je anatas, současná přítomnost anatasu a rutilu způsobuje synergický efekt, jehož důsledkem je potlačení rekombinace párů elektron – díra, což umožní jejich dostupnost pro fotokatalytickou reakci. Fotokatalyzátory na bázi TiO2 imobilizované vodním sklem se ukázaly nadějnými pro fotokatalytické čištění vody. Vyvinuté fotokatalytické zařízení pro degradaci hormonů a bakterií by mohlo najít uplatnění v komerční oblasti využívající vířivky či podobná zařízení, sloužící ke koupání lidí, kteří mohou vodu vybranými hormony a bakteriemi znečistit.

Abstract:

The development and use of the advanced oxidation processes leads to the environmental protection by applying them in the wastewater decontamination and purification from endocrine disruptors and bacteria. The interest was focused on designing of a photocatalytic reactor and a way of immobilization of a powder catalyst by water-glass, which was the nanofiber powder catalyst NnF Ceram TiO2 produced by company Pardam s.r.o. The commercial TiO2 Evonik P25 was used for comparison. The catalysts were characterized using XRD, UV-Vis spectrometry, physical sorption of nitrogen by 77 K and surface analysis by TEM. Design and construction of the developed device was tested during degradation of hormones (17α-ethinylestradiol, 17α-stradiol, 17β-estradiol, estriol, estrone, progesterone) and bacteria (coliform bacteria, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus). A source of the light was UV lamp with wavelength 368 nm. To the total degradation of chosen bacteria occurred after 24 hours in the presence of both catalysts. The decomposition of hormones was in accordance with pseudo-first-order law. The conversion all hormones was higher by using the TiO2 Evonik P25 catalyst in comparison with NnF Ceram catalyst. It was shown, that progesterone and all types of estradiols were decomposed in the most easiest way in the presence of both TiO2 Evonik P25 and NnF Ceram TiO2 catalysts. On the other hand the lowest conversion was reached by estrone and estriol. The crucial role in different photocatalytic activity of tested catalysts can be assigned to their various phase structure. The catalyst TiO2 -P25 is double-phase (composition 80 wt.% of anatase and 20 wt.% of rutile). Although the anatase phase is photocatalytically more active, the current presence of anatase and rutile may cause the synergic effect, which leads to reduction of recombination of electron-hole pairs. This is the reason of their better availability for photocatalytic reaction.The TiO2 based photocatalysts immobilized by water-glass seems to be promising for photocatalytic water purification. Designed photocatalytic device for hormones and bacteria degradation could find its application in commercial sphere using whirlpools or similar equipment for bathing, where people can pollute the water by hormones and bacteria.

Keywords

Endokrinní disruptory, bakterie, čištění vody, fotokatalýza, NnF Ceram TiO2, TiO2 Evonik P25

Keywords

Endocrine disruptors, bacteria, water purification, photocatalysis, NnF Ceram TiO2, TiO2 Evonik P25

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 2. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 8. 4. 2015
• Supervisor: Kamila Kočí
• Reader: Boleslav Taraba, Květuše Jirátová, Marta Valášková

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Chemická metalurgie