Studio e sviluppo di un impianto fotocatalitico per la degradazione di inquinanti in matrice acquosa tramite applicazione e recupero di nanoparticelle di TiO2

Abstract

Questo lavoro presenta la progettazione, lo sviluppo e i test preliminari di un reattore fotocatalitico per la degradazione di inquinanti emergenti in acqua attraverso l’impiego di nanoparticelle di TiO₂ sintetizzate con metodo sol-gel. Il catalizzatore è stato caratterizzato mediante tecniche come XRD, DRS e TEM, evidenziando una struttura cristallina prevalentemente di anatasio, un band-gap medio pari a 3,14eV e dimensioni medie delle particelle di circa 6,5nm, aggregate in strutture di dimensione micrometrica. A partire da un reattore di capacità di 1L già esistente, ne è stato realizzato uno di capacità massima di 10L, e su di esso sono stati condotti test preliminari. I test preliminari di abbattimento, condotti con blu di metilene come inquinante modello in un range di concentrazioni (5–25 ppm) e con quantità variabili di catalizzatore (0,1–1,5g/L), hanno mostrato promettenti risultati; sono state però evidenziate alcune difficoltà, che potranno essere ulteriormente indagate con una raccolta dati più completa. Per il recupero del TiO₂ a fine processo, è stato studiato un metodo di sedimentazione in coni Imhoff, che ha dimostrato buone prestazioni in laboratorio. Tuttavia, l’applicazione su scala industriale richiederà soluzioni più efficienti per ridurre i tempi di recupero e l’impatto sul consumo di risorse. Un sistema alternativo, basato su un filtro a sabbia di quarzo, è stato proposto e testato per efficientare il recupero del catalizzatore. I risultati ottenuti rappresentano un passo avanti verso lo sviluppo di un reattore fotocatalitico scalabile e di interesse industriale, con potenziale applicazione nel trattamento di acque contaminate da inquinanti emergenti.

This project presents the design, development, and preliminary testing of a photocatalytic reactor for the degradation of emerging pollutants in water using TiO₂ nanoparticles synthesized via the sol-gel method. The catalyst was characterized using techniques such as XRD, DRS, and TEM, revealing a predominantly anatase crystalline structure, an average band gap of 3.14 eV, and average particle sizes of approximately 6.5 nm, aggregated into micrometric structures. Starting from an existing 1L reactor, a new reactor with a maximum capacity of 10L was developed, and preliminary tests were conducted on it. Preliminary degradation tests, carried out using methylene blue as a model pollutant in a concentration range of 5–25 ppm, with variable amounts of catalyst (0.1–1.5g/L), showed promising results. However, some challenges were identified, which will require further investigation with more comprehensive data collection. For TiO₂ recovery at the end of the process, a sedimentation method using Imhoff cones was studied and demonstrated good laboratory performance. However, industrial-scale application will require more efficient solutions to reduce recovery times and resource consumption. An alternative system, based on a quartz sand filter, was proposed and tested to improve the efficiency of catalyst recovery. The results obtained represent a step forward in developing a scalable photocatalytic reactor with industrial interest and potential applications in treating water contaminated by emerging pollutants.