Μελέτη φωτοκαταλυτικής αποικοδόμησης υγρών ρύπων με χρήση χημικά τροποποιημένων νανοσωματιδίων ZnO και TiO2

Ντενάϊ, Άγγελος; Ntenai, Angelos

dc.contributor.author	Ντενάϊ, Άγγελος	el
dc.contributor.author	Ntenai, Angelos	en
dc.date.accessioned	2022-12-09T10:12:52Z
dc.date.available	2022-12-09T10:12:52Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56385
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24083
dc.rights	Default License
dc.subject	Ετερογενής φωτοκατάλυση	el
dc.subject	Ορατή ακτινοβολία	el
dc.subject	Νανοσωματίδια	el
dc.subject	TiO2	en
dc.subject	ZnO	en
dc.subject	Nitrogen doping	en
dc.subject	Visible radiation	en
dc.subject	Nanoparticles	en
dc.subject	Ροδαμίνη 6G	el
dc.subject	Υπεριώδης ακτινοβολία	el
dc.title	Μελέτη φωτοκαταλυτικής αποικοδόμησης υγρών ρύπων με χρήση χημικά τροποποιημένων νανοσωματιδίων ZnO και TiO2	el
dc.title	Study of the photocatalytic degradation of liquid pollutants using chemically modified ZnO and TiO2 nanoparticles	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Νανοτεχνολογία	el
heal.classification	Νανοϋλικά	el
heal.classification	Nanomaterials	en
heal.classification	Nanotechnology	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-11
heal.abstract	In the present thesis, a study of heterogeneous photocatalysis as an Advanced Oxidation Process (AOPs) in terms of efficiency in the treatment of organic pollutants in wastewater was performed. More specifically, the aim of the present diploma thesis is the synthesis and efficiency examination of the photocatalytic activity of TiO2 and ZnO nanoparticles (NPs) under UV irradiation, as well as, the study of chemical modifications’ efficiency, through nitrogen doping of the aforementioned semiconductors’ structure, to degrade the liquid organic pollutant Rhodamine 6G under visible light. For this purpose, the synthesis of the ZnO and N-doped NPs was conducted through the controlled precipitation method with the use of (CH3COO2)Zn•2H2O as the precursor in conditions of Τ=50οC και pH=12.7, while the calcination temperature was 400οC. Also, TiO2 and N-doped TiO2 were obtained through the sol-gel method with the use of TBOT as precursor and calcination temperature T=450οC. The chemical modification with the nitrogen of both TiO2 and ZnO NPs was succeeded by the addition of urea during the selected synthesis method. The synthesized NPs were then characterized by instrumental chemical analysis techniques. These include spectroscopic XRD, for the evaluation of the crystallinity, dynamic light scattering method (DLS) for the size evaluation, micro-Raman and FTIR for the examination of the existing impurities, UV-Vis for the determination of the band gap, and finally the scanning electron microscopy for the surface examination. The XRD patterns and the Raman spectra demonstrated a pure, in terms of organic compounds, wurtzite structure, and the SEM images also confirmed a micro-nano crystalline structure of the produced ZnO and N-doped ZnO crystals. The DLS study proved that the sizes of the particles are 24 and 38nm, respectively. The UV-Vis analysis determined the values of the band gap of TiO2, N-doped TiO2, ZnO, and N-doped ZnO at a range of 2,88-3,32 eV. The photocatalytic properties of the powders TiO2, N-doped TiO2, ZnO and N-doped ZnO were tested by degrading a Rhodamine 6G solution of 3 ppm. The study includes the dispersion of 5 mg of the examined NPs in 5 mL of the solution of Rhodamine 6G and it is based on the measurement of the absorbance of the irradiated solution every 15 min with the use of UV-vis spectrometer until the decoloration of the solution is observed, indicating the total degradation of the pollutant. There were conducted 10 experiment cycles under UV irradiation and 10 under visible light irradiation, examining both the photolysis rate of Rhodamine 6G and the photocatalytic activity of the NPs. The results of the photocatalytic tests, showed that the NPs were successfully used for the removal of Rhodamine 6G through its photocatalytic degradation. Under UV irradiation pure NPs showed better photocatalytic performance degrading the pollutant in 75 min versus the 90 min needed for the N-doped NPs. Also, under visible irradiation nitrogen doping enhanced the photocatalytic activity by 61% and 63%, for the case of N-doped TiO2 and N-doped ZnO respectively, as the N-doped NPs fully degraded the pollutant in 105 min, in comparison with the 255 min needed for the pure NPs.	en
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η αποτελεσματικότητα των νανοσωματιδίων ZnO και TiO2 στην φωτοκαταλυτική αποδόμηση του υγρού οργανικού ρύπου ροδαμίνης 6G υπό υπεριώδη ακτινοβολία καθώς και η αποτελεσματικότητα της χημικής τροποποίησης με άζωτο της δομής των παραπάνω ημιαγωγών, με στόχο την εμφάνιση φωτοκαταλυτικής δράσης στο ορατό φως και την επίτευξη αντίστοιχης υψηλής απόδοσης αποδόμησης του ρύπου υπό ορατή ακτινοβολία. Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιείται σύνθεση των απαιτούμενων νανοσωματιδίων ZnO και N-ZnO με την μέθοδο της ελεγχόμενης καθίζησης σε θερμοκρασία Τ=50οC και pH=12.7, ενώ γίνεται χρήση του (CH3COO2)Zn•2H2O ως πρόδρομη ένωση και έψηση στους 400οC. Αντίστοιχα, γίνεται σύνθεση των νανοσωματιδίων TiO2 και N-TiO2 με την μέθοδο sol-gel με χρήση της ΤΒΟΤ ως πρόδρομη ένωση και έψηση στους 450οC. H χημική τροποποίηση και των δύο ειδών οξειδίων επιτυγχάνεται με προσθήκη κατάλληλης ποσότητας ουρίας. Στη συνέχεια, ακολουθεί ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων νανοσωματιδίων με χρήση τεχνικών ενόργανης χημικής ανάλυσης. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), για τον έλεγχο της κρυσταλλικότητας και τον υπολογισμό του μεγέθους των κρυσταλλιτών, η δυναμική σκέδαση φωτός (DLS), για τον προσδιορισμό του μέσου μεγέθους των σωματιδιών, η φασματοσκοπία Raman και FTIR για την μελέτη της καθαρότητας των σκονών, η φασματοσκοπία UV-Vis με σφαίρα ολοκλήρωσης για τον υπολογισμό του ενεργειακού χάσματος και το μικροσκόπιο SEM για την μελέτη της μορφολογίας των νανοσωματιδίων. Τέλος, ακολουθεί η μελέτη της φωτοκαταλυτικής δράσης αποδόμησης διαλύματος ρύπου ροδαμίνης 6G κοινής συγκέντρωσης 3ppm υπό την υπεριώδη και ορατή ακτινοβολία. Η μελέτη βασίζεται στην μέτρηση με την χρήση φασματόμετρου Uv-Vis ανά 15min της απορρόφησης κάθε δείγματος, η οποία αποτελεί μέτρο μείωσης της συγκέντρωσης του αρχικού διαλύματος σε οργανικό ρύπο. Διεξάγονται συνολικά 10 κύκλοι πειραμάτων υπό υπεριώδη ακτινοβολία και 10 υπό ορατή για τον προσδιορισμό της φωτόλυσης του ρύπου και της φωτοκαταλυτικής δράσης των 4 παραγόμενων νανοσωματιδίων. Τα αποτελέσματα των χαρακτηρισμών των παραγόμενων νανοσωματιδίων ZnO και Ν-ZnO απέδειξαν μια καθαρή δομή βουρτσίτη, ενώ στην περίπτωση του καθαρού TiO2 καθαρή φάση ανατάση σε σχέση με την εμφάνιση ποσοστού ρουτιλίου στο N-doped TiO2. Η μελέτη δυναμικής σκέδασης φωτός υδατικών αιωρημάτων (DLS) ανέδειξε ένα μέσο μέγεθος ~ 25 και 40 nm αντίστοιχα για το ZnO και Ν-ZnO, ενώ τα φάσματα FTIR αποδεικνύουν την καθαρότητα των παραγόμενων σκονών. Τα ενεργειακά διάκενα των TiO2, N-TiO2, ZnO και N-ZnO προσδιορίστηκαν με χρήση της φασματοσκοπίας UV-Vis και έλαβαν τιμές στην περιοχή 2,88-3,32 eV.Με βάση τις φωτοκαταλυτικές μετρήσεις προκύπτει ότι τα δίχως πρόσμιξη νανοσωματίδια ZnO και TiO2 εμφανίζουν την καλύτερη φωτοκαταλυτική δράση υπό υπεριώδη ακτινοβολία, επιτυγχάνοντας πλήρη αποδόμηση του ρύπου σε 75min σε αντίθεση με τα αντίστοιχα χημικά τροποποιημένα με άζωτο που απαιτούν 90min. Αν και η πρόσμιξη αζώτου μείωσε τη δράση των φωτοκαταλυτών υπό υπεριώδη ακτινοβολία, ωστόσο ενίσχυσε σημαντικά τη φωτοκαταλυτική δράση τους υπό ορατή ακτινοβολία εμφανίζοντας αύξηση στην απόδοση αποδόμησης κατά 61% (Ν-ΖnO) και 63% (N-TiO2), συγκριτικά με την απόδοση 39% (ΖnO) και 37% (TiO2) των μη χημικά τροποποιημένων με άζωτο καταλυτών υπό ορατή ακτινοβολία.	el
heal.advisorName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Στεφανίδης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Δέτση, Αναστασία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	115 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false