Synthesis and characterization of nanocomposite materials based on titanium(IV) oxide and zeolites (HEU, MFI, FAU) for the removal of selected organic pollutants from aqueous media

[S. Stojanović ]

126 str.

Fizička hemija - Fizička hemija – hemijska termodinamika, materijali, Fizička hemija – hemijska kinetika i Fizička hemija – kontrola i zaštita životne sredine / Physical chemistry - Physical Chemistry – Chemical Thermodynamics, Materials, Physical Chemistry – Chemical Kinetics and Physical Chemistry – Environmental Physical Chemistry.

Predmet istraživanja ove doktorske disertacije obuhvata sintezu nanokompozitnih materijala na bazi titan(IV)-oksida (komercijalne TiO2 P25 nanočestice i hidrotermalno sintetisane TiO2 nanocevi) i različitih zeolitskuh struktura (HEU - prirodni zeolit klinoptilolit (Cli), MFI - ZSM-5 zeolit i FAU - 13X zeolit), njihovu karakterizaciju, i primenu za uklanjanje endokrinog ometača bisfenola A (BPA), farmaceutski aktivnih supstanci atenolola (ATL-a) i ibuprofena (IBF-a), i herbicida klomazona (CLO-a) iz vodenih rastvora, kao i za tretman otpadne vode sa smešom pesticida iz fabrike pesticida. TiO2/zeolit nanokompoziti sintetisani su jednostavnom i ekonomičnom metodom dispergovanja u čvrstoj fazi potpomognutoj ultrazvukom. Nanokompozitni materijali detaljno su karakterisani primenom sledećih fizičkohemijskih tehnika: difrakcija rendgenskih zraka na prahu (XRPD), infracrvena spektroskopija sa Furijeovom transformacijom (FTIC), UV-Vis difuzna refleksiona (UV-Vis DR) spektroskopija, niskotemperaturska adsorpcija azota, skenirajuća elektronska mikroskopija sa energetski disperzionom detekcijom X-zračenja (SEM-EDS), transmisiona elektronska mikroskopija (TEM), mikroskopija atomskih sila (AFM), difrakcija laserske svetlosti i dinamičko rasejanje svetlosti. Rezultati su potvrdili uspešnu imobilizaciju TiO2 na površini zeolita bez narušavanja strukture zeolita i uz očuvanje optičkih svojstava TiO2. Ispitivana je adsorpcija kao i fotokatalitička razgradnja zagađujućih supstanci u prisustvu TiO2/zeolit nanokompozita, pri čemu su pronađeni optimalni uslovi za izvođenje fotokatalitičkih eksperimenata. Rezultati su pokazali da je u prisustvu nanokompozita sa Cli i 20 masenih % TiO2 P25 nanočestica postignuta potpuna razgradnja BPA nakon 180 min osvetljavanja simuliranim sunčevim zračenjem. Najveća efikasnost u uklanjanju ATL-a i IBF-a dobijena je u prisustvu nanokompozita sa ZSM-5 zeolitom i 20 masenih % TiO2. Hibridni materijali sa ZSM-5 zeolitom pokazali su se uspešnim u fotokatalitičkoj razgradnji CLO-a, a zatim i u uklanjanju smeše pesticida iz otpadne vode fabrike pesticida. Dobijeni rezultati su potvrdili visoku efikasnost TiO2/ZSM-5 zeolit hibridnih materijala za uklanjanje različitih zagađujućih supstanci zahvaljujući kombinovanom procesu adsorpcije i fotokatalitičke razgradnje. Prirodni zeolit Cli izdvojio se kao pogodan i ekonomičan nosač za TiO2. Ovo istraživanje dokazuje uspešnu primenu TiO2/zeolit hibridnih fotokatalizatora za efikasno uklanjanje različitih kontaminanata od rastućeg interesa iz vodenih rastvora, ističući njihov potencijal za dalji razvoj i širu primenu u tretmanu otpadnih voda.

The subject of this doctoral dissertation includes the synthesis of nanocomposite materials based on titanium (IV) oxide (commercial TiO2 P25 nanoparticles and hydrothermally synthesized TiO2 nanotubes) and various zeolitic structures (HEU - natural zeolite clinoptilolite (Cli), MFI - ZSM-5 zeolite, and FAU - 13X zeolite), their characterization, and their application for the removal of the endocrine disruptor compound bisphenol A (BPA), the pharmaceutically active substances atenolol (ATL) and ibuprofen (IBF), and the herbicide clomazone (CLO) from aqueous solutions, as well as for the treatment of pesticide-contaminated wastewater from a pesticide company. TiO2/zeolite nanocomposites were synthesized using a simple and cost-effective ultrasound assisted solid-state dispersion method. The nanocomposite materials were thoroughly characterized using the following physicochemical techniques: X-ray powder diffraction (XRPD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), UV-Vis diffuse reflectance (UV-Vis DR) spectroscopy, low-temperature nitrogen adsorption, scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEMEDS), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), laser diffraction and dynamic light scattering. The results confirmed the successful immobilization of TiO2 on the zeolite surface without altering the zeolite structure while preserving the optical properties of TiO2. The adsorption and photocatalytic degradation of pollutants in the presence of TiO2/zeolite nanocomposites were examined, and optimal conditions for photocatalytic experiments were determined. The results showed that nanocomposite based on Cli and 20 wt.% TiO2 P25 nanoparticles achieved complete BPA degradation after 180 min of simulated solar irradiation. The highest efficiency in the removal of ATL and IBF was observed in the presence of nanocomposites based on ZSM-5 zeolite with 20 wt.% TiO2 (P25 nanoparticles and nanotubes); additionaly these materials effectively degraded CLO and a mixture of pesticides from wastewater. The obtained results confirmed the high efficiency of TiO2/ZSM-5 zeolite hybrid materials in the removal of various pollutants from aquous solution because of the combined processes of adsorption and photocatalytic degradation. Natural zeolite Cli emerged as a suitable and cost-effective support for TiO2. This study demonstrates the potential application of TiO2/zeolite hybrid photocatalysts for the effective removal of different emerging pollutants from aqueous solutions, highlighting their potential for further development and broader application in wastewater treatment.

klinoptilolit, zeoliti, TiO2, fotokatalitička razgradnja, bisfenol A, atenolol, ibuprofen, klomazon, pesticidi

clinoptilolite, zeolites, TiO2, photocatalytic degradation, bisphenol A, atenolol, ibuprofen, clomazone, pesticides

Tekst