Lo scopo di questa tesi sperimentale è stata la messa a punto di una sintesi semplice e riproducibile di materiali nanostrutturati, costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio, utilizzabili come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque e la loro caratterizzazione. La titania, già nota in letteratura per le sue proprietà fotocatalitiche, è stata opportunamente modificata con la silice, usata come matrice d’incapsulamento, allo scopo di incrementare la distribuzione dei siti attivi
L’approccio scelto per la preparazione di questo materiale è stato del tipo self
assembling colloidale seguito da un processo di spray-freeze-drying. Questa
metodologia di sintesi di sistemi nanostrutturati comporta l’eterocoagulazione di sospensioni nanometriche stabili e sfrutta l’attrazione tra superfici di carica opposta. Nel nostro caso, le sospensioni di silice e titania, ottenute utilizzando prodotti commerciali, sono state opportunamente funzionalizzate con lo scopo di ottenere una struttura con un
core di titania e un coating di silice. In seguito al processo di eterocoagulazione, ottenuto
in fase acquosa, i sols sono stati trattati con uno spray-freeze-drying in modo da ottenere una polvere.
L’effetto della silice sulle proprietà strutturali e fotocatalitiche della TiO2 è stato
studiato utilizzando due diverse tipologie di titania commerciale. In particolare, si è studiato il comportamento ottenuto con la polvere TiO2P25 e un sol nanoparticellare di
TiO2 prodotto da Colorobbia denominato TACR. L’influenza della silice è stata studiata
utilizzando due diversi rapporti ponderali TiO2-SiO2 (1:3 e 1:5).
Le analisi del potenziale zeta e del punto isoelettrico dei sols singoli di partenza e delle miscele utilizzate per lo spray-freeze-drying hanno dimostrato che l’eterocoagulazione crea mix, stabili, ben miscelati con caratteristiche molto simili a quelle del sols di silice di partenza.
L’abbinamento di un processo di essicamento istantaneo come lo spray-freeze-drying ha forzato l’agglomerazione delle specie eterocoagulate, fornendo un prodotto ad alta area superficiale di morfologia sferica e con dimensioni degli agglomerati micrometriche, facilmente utilizzabili quali fotocatalizzatori. La metodologia sintetica è particolarmente attrattiva anche per lo scale up. Infatti, la facilità di assemblaggio dei vari componenti, la reperibilità commerciale delle materie prime, il limitato utilizzo di solventi-sospendenti
e l’assenza di operazioni di filtrazione/ estrazione, rendono di fatto questa tipologia di sintesi adatta ad essere applicata a livello industriale.
I granulati sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico fisico e strutturale e testati nella reazione di decomposizione della Rodamina B, utilizzata quale molecola modello. Lo studio ha dimostrato che:
• La sintesi dei compositi TiO2/SiO2 con differente rapporto titania/silice ha
portato all’ottenimento di polveri micrometriche con ottima dispersione dei due elementi presenti ed elevata area superficiale. In particolare, l’utilizzo di titanio nanoparticellare ha prodotto materiali con area superficiale superiore ai 150 m2/g.
• L’atomizzazione del sistema mediante spray-freeze-dryer ha portato ad una nanostruttura stabile in ambiente acquoso, anche sotto stress meccanico. La calcinazione delle polveri a 300°C e 400°C ha portato al consolidamento di questa struttura, favorendo inoltre l’eliminazione dei composti organici presenti nei sols quali stabilizzanti delle nanoparticelle.
• La valutazione dei nanocompositi nella degradazione fotocatalitica della Rodamina B in acqua ha mostrato un miglioramento significativo delle prestazioni per i sistemi contenenti SiO2; questo effetto è particolarmente
evidente per i campioni con un rapporto TiO2/SiO2 di 1/3. Inoltre la polvere di
TiO2 commerciale P25 ha portato ai risultati più interessanti rispetto al sols
TACR, probabilmente a causa degli stabilizzanti presenti in quest’ultimo.
Prove preliminari di aggiunta di nanoparticelle di argento al composito, effettuata con lo scopo di attivare la titania nella regione dello spettro visibile ha portato a fotocatalizzatori meno attivi nella regione dell’UV e inattivi nel regione del visibile Questo aspetto verrà comunque ulteriormente approfondito nel corso di studi successivi.
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A.L. Costa, M. B. Brevetto depositato nel 2016.
[Fig. 1]
A. Spegni, Approccio colloidale per la preparazione di fotocatalizzatori nanostrutturata a base di TiO2, 2011.
[fig. 2]
B. Domènech, J. Bastos-Arrieta, A. Alonso, J. Macanás, M. Muñoz, D.N. Muraviev, Bifunctional Polymer-Metal Nanocomposite Ion Exchange Materials, InTech, 2012.
[Fig. 3]
A. Spegni, Approccio colloidale per la preparazione di fotocatalizzatori nanostrutturata a base di TiO2, 2011.
[Fig. 4]
Physical Stability of Disperse System, Technical Brief Vol 1, Particle Science, 2009.
[Fig. 5]
M. Scatizza, Sintesi e Caratterizzazione di Film Nanoparticellari di Biossido di Titanio Drogato con Vanadio, 2014.
[Fig. 6]
www.slideshare.net/KentRundgren/freeze-granulation-of-nanomaterials.
[Fig. 7]
N.J. Zuidam, E. Shimoni, Encapsulation Technologies for Active Food Ingredients and Food Processing, Springer, 2010.
[Fig. 9]
S. Ortelli, M. Blosi, S. Albonetti, A. Vaccari, M. Dondi, A.L. Costa, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 276, 2013, 58-64.
[fig. 10]
www.google.it/search.
[fig. 11]
S. Agnihotria, S. Mukherjiabc, S. Mukherji, RSC Adv., 4, 3974, 2014.