ITMI20090545A1 - COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION - Google Patents

COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION Download PDF

Info

Publication number
ITMI20090545A1
ITMI20090545A1 IT000545A ITMI20090545A ITMI20090545A1 IT MI20090545 A1 ITMI20090545 A1 IT MI20090545A1 IT 000545 A IT000545 A IT 000545A IT MI20090545 A ITMI20090545 A IT MI20090545A IT MI20090545 A1 ITMI20090545 A1 IT MI20090545A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
anatase
rutile
liquid
reactor
carbon nanotubes
Prior art date
Application number
IT000545A
Other languages
Italian (it)
Inventor
Ivano Aglietto
Original Assignee
Envitech S R L Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Envitech S R L Sa filed Critical Envitech S R L Sa
Priority to IT000545A priority Critical patent/ITMI20090545A1/en
Priority to PCT/EP2010/054554 priority patent/WO2010115905A2/en
Publication of ITMI20090545A1 publication Critical patent/ITMI20090545A1/en

Links

Classifications

    • B01J35/39
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/18Carbon
    • B01J21/185Carbon nanotubes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/725Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation by catalytic oxidation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/30Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • C02F1/32Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/722Oxidation by peroxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/727Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation using pure oxygen or oxygen rich gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2305/00Use of specific compounds during water treatment
    • C02F2305/10Photocatalysts

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Description of the industrial invention entitled:

COMBINAZIONE DI MATERIALI PER IL TRATTAMENTO DI LIQUIDI CONTAMINATI TRAMITE OSSIDAZIONE FOTOCATALITICA. COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION.

La presente invenzione si riferisce ad una combinazione di materiali per la rimozione di contaminanti da liquidi organici o inorganici, tramite l'ossidazione fotocatalitica dei contaminanti stessi; l’invenzione si riferisce anche ad un processo di ossidazione fotocatalitica di contaminanti tramite detta combinazione di materiali, e ad un reattore in cui il processo viene condotto. The present invention refers to a combination of materials for the removal of contaminants from organic or inorganic liquids, through the photocatalytic oxidation of the contaminants themselves; the invention also refers to a photocatalytic oxidation process of contaminants through said combination of materials, and to a reactor in which the process is conducted.

La fotocatalisi è il fenomeno per cui la luce è in grado di diminuire l’energia di attivazione di una reazione chimica. Generalmente la fotocatalisi è mediata da un materiale solido, il fotocatalizzatore, che è di norma un materiale semiconduttore. In un semiconduttore i livelli energetici a disposizione degli elettroni sono divisi in una banda di valenza (VB) completamente riempita di elettroni ed una banda di conduzione (CB) vuota, separate tra loro da un intervallo di energie proibite (definito nel settore con la dicitura inglese “Energy gap”, Eg). Quando un fotone con energia hv, superiore al valore Eg di un dato semiconduttore, viene assorbito da quest’ultimo, si ha la “promozione” di un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione; si forma in questo modo una coppia di portatori di carica, l’elettrone nella banda di conduzione, e-CB, e una posizione elettronica vuota all’interno della banda di valenza, nota come “vacanza” o con la definizione inglese “hole” e indicata generalmente con h<+>vB- Tramite questo meccanismo, vengono generati nel materiale stati eccitati capaci di iniziare processi a catena come reazioni redox e trasformazioni molecolari in molecole con cui il materiale viene a contatto. Photocatalysis is the phenomenon whereby light is able to decrease the activation energy of a chemical reaction. Generally photocatalysis is mediated by a solid material, the photocatalyst, which is usually a semiconductor material. In a semiconductor the energy levels available to the electrons are divided into a valence band (VB) completely filled with electrons and an empty conduction band (CB), separated from each other by a range of prohibited energies (defined in the sector with the wording English "Energy gap", Eg). When a photon with energy hv, higher than the Eg value of a given semiconductor, is absorbed by the latter, there is the "promotion" of an electron from the valence band to the conduction band; in this way a pair of charge carriers is formed, the electron in the conduction band, e-CB, and an empty electronic position within the valence band, known as "vacancy" or with the English definition "hole" and generally indicated with h <+> vB- Through this mechanism, excited states are generated in the material capable of initiating chain processes such as redox reactions and molecular transformations into molecules with which the material comes into contact.

Un sistema fotocatalitico eterogeneo consiste di particelle del fotocatalizzatore in stretto contatto con un mezzo di reazione, in fase liquida o gassosa, in cui sono presenti i reagenti. A heterogeneous photocatalytic system consists of particles of the photocatalyst in close contact with a reaction medium, in the liquid or gas phase, in which the reactants are present.

Un materiale semiconduttore particolarmente studiato per le sue proprietà fotocatalitiche, in particolare in ambiente liquido, è il biossido di titanio, TiO2. Tra le varie forme cristalline (o quella amorfa) del biossido di titanio, quelle che presentano attività fotocatalitica sono il rutilo e l’anatasio (che sono anche le forme più diffuse in natura). Entrambe queste forme hanno un alto indice di rifrazione, n, pari a 2,52 nel caso dell’anatasio e a 2,72 nel caso del rutilo, che determina un elevato grado di “intrappolamento” della luce nella struttura del materiale, e quindi una maggior probabilità di assorbimento dei fotoni. Grazie alla combinazione di indice di rifrazione e alto grado di trasparenza nella regione dello spettro visibile, il biossido di titanio è il migliore materiale semiconduttore per la conversione chimica e l'immagazzinamento dell’energia solare, nonostante assorba solo il 5% della radiazione incidente. A semiconductor material particularly studied for its photocatalytic properties, in particular in a liquid environment, is titanium dioxide, TiO2. Among the various crystalline (or amorphous) forms of titanium dioxide, those that exhibit photocatalytic activity are rutile and anatase (which are also the most common forms in nature). Both these forms have a high refractive index, n, equal to 2.52 in the case of anatase and 2.72 in the case of rutile, which determines a high degree of "trapping" of light in the structure of the material, and therefore a higher probability of photon absorption. Thanks to the combination of refractive index and high degree of transparency in the visible spectrum region, titanium dioxide is the best semiconductor material for chemical conversion and storage of solar energy, despite absorbing only 5% of the incident radiation.

L’attivazione del TiO2richiede luce ultravioletta, che può essere quella naturalmente presente nella radiazione solare oppure può essere fornita con lampade. L’anatasio è anche sensibile alla parte più estrema dello spettro visibile corrispondenti al blu-violetto. Misure di assorbimento ottico hanno dimostrato che l’anatasio ha una soglia di assorbimento più alta del rutilo. In particolare, per il rutilo il valore di Eg è pari a 3,03 eV, mentre per l’anatasio è pari a 3,18 eV. Poiché la capacità ossidante di un foto catalizzato re è maggiore quanto più alto è il suo Eg, l’anatasio è la forma di TiO2che presenta attività fotocatalitica in misura maggiore; nel resto della descrizione con la dicitura “biossido di titanio”, o con la formula TiO2, si intenderanno anatasio, rutilo 0 loro miscele; poiché inoltre l’anatasio è la forma più attiva, si farà riferimento principalmente a questa forma cristallina. Activation of TiO2 requires ultraviolet light, which can be that naturally present in solar radiation or can be supplied with lamps. Anatase is also sensitive to the most extreme part of the visible spectrum corresponding to blue-violet. Optical absorption measurements have shown that anatase has a higher absorption threshold than rutile. In particular, for rutile the value of Eg is equal to 3.03 eV, while for anatase it is equal to 3.18 eV. Since the oxidizing capacity of a photo-catalyzed re is greater the higher its Eg is, anatase is the form of TiO2 that exhibits a greater photocatalytic activity; in the rest of the description with the wording "titanium dioxide", or with the formula TiO2, we will mean anatase, rutile or their mixtures; furthermore, since anatase is the most active form, we will mainly refer to this crystalline form.

Riassumendo le caratteristiche principali dell’anatasio sono: Summarizing, the main characteristics of anatase are:

- trasparenza nella regione del visibile; - transparency in the visible region;

- elevata porosità; - high porosity;

- alta affinità superficiale per molecole allo stato liquido; - high surface affinity for molecules in the liquid state;

- bassi costi e facile produzione in grandi quantità; - low costs and easy production in large quantities;

- inerzia chimica, non tossicità e biocompatibilità. - chemical inertness, non-toxicity and biocompatibility.

Di seguito sono riportate le principali reazioni del processo di degradazione fotocatalitica di contaminanti sulla superficie del biossido di titanio: The following are the main reactions of the photocatalytic degradation process of contaminants on the surface of titanium dioxide:

Una volta che sono generati un elettrone in banda di conduzione e una vacanza in banda di valenza ad opera di un fotone (reazione I), questi possono dare luogo a specie instabili o metastabili per contatto tra TiO2e ossigeno o acqua (reazioni da III a XI), le quali possono poi reagire con contaminanti degradandoli (es., reazione XII); alternativamente, la vacanza o l’elettrone presenti sulla superficie del materiale possono reagire direttamente con il contaminante (reazioni XIII e XIV). In sintesi, le vacanze e i radicali ossidrili così formati, entrambi fortemente ossidanti, possono essere usati per ossidare la maggior parte dei contaminanti organici. Dopo il processo di fotocatalisi, si può verificare un incremento dei valori di BOD5 (BOD è l’acronimo della definizione inglese "Biochemical Oxygen Demand”, in italiano “richiesta biochimica di ossigeno”, mentre il pedice 5 indica che la quantità di ossigeno viene misurata dopo 5 giorni; questa misura indica la quantità di ossigeno necessaria per la completa ossidazione dei composti organici presenti in un campione, ed è quindi un indice del grado di inquinamento del liquido del campione da parte di sostanze ossidabili organiche). Questo non è un segnale negativo, bensì è dovuto al fatto che la fotocatalisi promuove una efficiente rimozione dei contaminanti organici (che si può verificare con l’ulteriore abbattimento dei valori di COD, “Chemical Oxygen Demand”) trasformandoli in specie biodegradabili. I prodotti della scissione delle sostanze inquinanti organiche e inorganiche non costituiscono più un danno per l’ambiente, trattandosi, in ultima analisi, di sali solubili come carbonati, solfati e nitrati che si depositano sulle superfici ove hanno avuto luogo le reazioni sopra descritte, oltreché a biossido di carbonio e acqua. Once an electron in the conduction band and a vacancy in the valence band by a photon (reaction I) are generated, these can give rise to unstable or metastable species by contact between TiO2 and oxygen or water (reactions III to XI ), which can then react with contaminants degrading them (e.g., reaction XII); alternatively, the vacancy or the electron present on the surface of the material can react directly with the contaminant (reactions XIII and XIV). In summary, the vacancies and the hydroxyl radicals thus formed, both strongly oxidizing, can be used to oxidize most organic contaminants. After the photocatalysis process, an increase in BOD5 values may occur (BOD is the acronym of the English definition "Biochemical Oxygen Demand", in Italian "biochemical oxygen demand", while the subscript 5 indicates that the quantity of oxygen is measured after 5 days; this measure indicates the quantity of oxygen necessary for the complete oxidation of the organic compounds present in a sample, and is therefore an index of the degree of pollution of the sample liquid by organic oxidizable substances). negative signal, but it is due to the fact that photocatalysis promotes an efficient removal of organic contaminants (which can occur with the further reduction of COD values, "Chemical Oxygen Demand") transforming them into biodegradable species. organic and inorganic pollutants no longer constitute damage to the environment, being, ultimately, soluble salts such as carbonat i, sulphates and nitrates that are deposited on the surfaces where the reactions described above have taken place, as well as to carbon dioxide and water.

Il biossido di titanio mantiene inalterate le sue caratteristiche: il processo di fotocatalisi avviene senza che il supporto sia degradato, ed è garantita una efficacia continua e costante nel tempo. La molecola di TiO2infatti partecipa come catalizzatore, e non direttamente ai processi di trasformazione chimica. The titanium dioxide maintains its characteristics unaltered: the photocatalysis process takes place without the support being degraded, and a continuous and constant efficacy is guaranteed over time. The TiO2 molecule in fact participates as a catalyst, and not directly in the chemical transformation processes.

Un problema che si ha con questi sistemi fotocatalitici è la ricombinazione di elettroni e vacanze all’interno del materiale (reazione II): quando questa ricombinazione avviene, non ha luogo la catalizzazione da parte di TiO2delle reazioni che portano alla fine alla rimozione dei contaminanti, e l’unico effetto osservato è la degradazione dell’energia luminosa a calore. A problem with these photocatalytic systems is the recombination of electrons and vacancies within the material (reaction II): when this recombination occurs, the catalyzation by TiO2 of the reactions that ultimately lead to the removal of contaminants does not take place. and the only observed effect is the degradation of light energy to heat.

Per evitare la ricombinazione, è possibile impiegare particelle di TiO2di piccole dimensioni, ed in particolare nel range di 10-25 nm. È infatti noto che la distanza che compie la vacanza in una regione libera da campi in questo materiale prima di ricombinarsi con un elettrone è di circa 0,1 μm; di conseguenza, impiegando particelle con dimensioni inferiori a questa distanza, il fenomeno della ricombinazione viene parzialmente ridotto di entità. L’impiego di particelle molto fini in sospensione in fasi liquide ha però lo svantaggio di richiedere tempi molto lunghi per la rimozione delle particelle stesse dal liquido purificato alla fine del processo e l’efficienza di rimozione non è comunque elevata. To avoid recombination, it is possible to use TiO2 particles of small dimensions, and in particular in the range of 10-25 nm. It is in fact known that the distance that the holiday takes in a region free from fields in this material before recombining with an electron is about 0.1 μm; consequently, by using particles with dimensions smaller than this distance, the recombination phenomenon is partially reduced. The use of very fine particles in suspension in liquid phases, however, has the disadvantage of requiring very long times for the removal of the particles themselves from the purified liquid at the end of the process and the removal efficiency is however not high.

Alternativamente, è possibile impiegare strati di TiO2depositati su supporti. L’uso di questi strati (generalmente indicati nel settore come film) elimina il problema della rimozione a fine processo, ma comporta problemi di efficienza del processo fotochimico; infatti, strati troppo sottili hanno un basso coefficiente di assorbimento per energie vicine a quelle necessarie per il band gap, mentre strati spessi ripropongono il problema della ricombinazione tra elettroni e vacanze. Alternatively, it is possible to use TiO2 layers deposited on supports. The use of these layers (generally referred to in the industry as films) eliminates the problem of removal at the end of the process, but entails problems in the efficiency of the photochemical process; in fact, too thin layers have a low absorption coefficient for energies close to those necessary for the band gap, while thick layers re-propose the problem of recombination between electrons and vacancies.

In letteratura sono descritti tentativi di evitare la ricombinazione delle coppie e-CB/h<+>VB, basati sul drogaggio del biossido di titanio con metalli nobili (es. Ag, Pt, Au, etc.) e metalli non nobili (es. Fe<3+>); le rese di processo risultano tuttavia limitate in quanto è molto difficile il corretto dosaggio del metallo. Inoltre, si riscontrano spesso problematiche di interazione tra i contaminanti ed i metalli utilizzati che portano ad effetti competitivi sulla resa del processo e ad un graduale diminuzione di efficienza della fotocatalisi. Alcuni accoppiamenti proposti, ad esempio il biossido di titanio con il CdS portano a problematiche di natura ambientale con rilascio di cadmio in soluzione. Analogamente, di fatto inapplicabili 0 comunque non efficaci sono risultati accoppiamenti del biossido di titanio con elementi non metallici, quali fluoro, azoto, zolfo e altri composti. The literature describes attempts to avoid the recombination of the e-CB / h <+> VB pairs, based on the doping of titanium dioxide with noble metals (eg Ag, Pt, Au, etc.) and non-noble metals (eg. Fe <3+>); the process yields are however limited as the correct dosage of the metal is very difficult. Furthermore, there are often problems of interaction between the contaminants and the metals used which lead to competitive effects on the yield of the process and a gradual decrease in the efficiency of photocatalysis. Some proposed couplings, for example titanium dioxide with CdS, lead to environmental problems with the release of cadmium in solution. Similarly, couplings of titanium dioxide with non-metallic elements, such as fluorine, nitrogen, sulfur and other compounds, were in fact inapplicable or in any case not effective.

Questi problemi hanno costituito sino ad oggi il maggiore fattore limitante per l’applicazione di questa tecnologia. These problems have up to now been the major limiting factor for the application of this technology.

È quindi ancora aperta nel settore l’esigenza di trovare un modo di aumentare la resa di fotocatalisi con sistemi a base di semiconduttori, e in particolare di TiO2. Scopo della presente invenzione è quello di fornire una combinazione di materiali che porta a rese di fotocatalisi migliorate rispetto ai sistemi noti, così come di fornire un processo ed un reattore che impiegano detta combinazione di materiali. Tali scopi vengono ottenuti con la presente invenzione, che in un suo primo aspetto riguarda un fotocatalizzatore costituito da una combinazione di biossido di titanio e nanotubi di carbonio a contatto tra loro. The need to find a way to increase the yield of photocatalysis with semiconductor-based systems, and in particular TiO2, is therefore still open in the sector. The object of the present invention is to provide a combination of materials which leads to improved photocatalysis yields with respect to known systems, as well as to provide a process and a reactor which use said combination of materials. These objects are achieved with the present invention, which in its first aspect relates to a photocatalyst consisting of a combination of titanium dioxide and carbon nanotubes in contact with each other.

L’invenzione verrà descritta nel seguito con riferimento all’unica figura (Figura 1), che mostra in modo schematico un possibile reattore per la realizzazione del processo dell’invenzione. The invention will be described below with reference to the single figure (Figure 1), which schematically shows a possible reactor for carrying out the process of the invention.

Il biossido di titanio è preferibilmente anatasio, ma può essere impiegato anche rutilo (o una miscela delle due forme). Il biossido di titanio può essere impiegato sia sotto forma di polveri, granuli o corpi ottenuti per compressione di polveri (noti nel settore come "pellets”), sia sotto forma di film del materiale, principalmente nella forma anatasio, depositati con nanotubi di carbonio su diverse tipologie di superfici, o direttamente su superfici contenenti una discreta concentrazione di detti nanotubi. Titanium dioxide is preferably anatase, but rutile (or a mixture of the two forms) can also be used. Titanium dioxide can be used both in the form of powders, granules or bodies obtained by compression of powders (known in the sector as "pellets"), and in the form of film of the material, mainly in the anatase form, deposited with carbon nanotubes on different types of surfaces, or directly on surfaces containing a fair concentration of said nanotubes.

Nel caso di impiego del biossido di titanio sottoforma di pelletes la cinetica di reazione è più lenta e pertanto sono necessari tempi di trattamento più lunghi. Per contro viene pressoché eliminato il problema della rimozione del biossido di titanio dal liquido depurato, a valle del processo. If titanium dioxide is used in the form of pellets, the reaction kinetics are slower and therefore longer treatment times are required. On the other hand, the problem of removing titanium dioxide from the purified liquid downstream of the process is almost eliminated.

I nanotubi di carbonio sono più noti nel settore con la definizione inglese “Carbon Nanotubes" o con l'abbreviazione CNTs, che verrà usata nel resto del testo. I CNTs sono sono strutture cave, formate da atomi di carbonio che si dispongono su superfici cilindriche (una sola superficie nel caso dei nanotubi a parete singola, formando nanotubi noti nel settore con l'abbreviazione “SWNTs”, o più pareti concentriche, formando nanotubi noti come ‘<,>MWNTs<,,>). I diametri caratteristici di queste strutture possono variare tra circa 0,7 e 10 nm, mentre la loro lunghezza può arrivare a valori compresi tra 10<4>e 10<5>volte il loro diametro. Queste molecole cilindriche di dimensioni nanometriche possono condurre elettricità a temperatura ambiente con una resistenza pressoché nulla. Questo fenomeno è noto come effetto balistico, per mezzo del quale gli elettroni si muovono liberamente attraverso la struttura. Carbon nanotubes are best known in the industry with the English definition "Carbon Nanotubes" or with the abbreviation CNTs, which will be used in the rest of the text. CNTs are hollow structures, formed by carbon atoms that are arranged on cylindrical surfaces (a single surface in the case of single-walled nanotubes, forming nanotubes known in the industry with the abbreviation "SWNTs", or more concentric walls, forming nanotubes known as' <,> MWNTs <,,>). structures can vary between about 0.7 and 10 nm, while their length can reach values between 10 <4> and 10 <5> times their diameter. These cylindrical nanometer-sized molecules can conduct electricity at room temperature with a almost zero resistance This phenomenon is known as the ballistic effect, whereby electrons move freely through the structure.

L’accoppiamento di CNTs al biossido di titanio può essere fatta utilizzando direttamente CNTs oppure miscele di materiali di carbonio e grafite (grafite espansa, temografite espansa, grafene o altri materiali nanostrutturati) che contengono una concentrazione di CNTs non inferiore al 10% in peso. The coupling of CNTs to titanium dioxide can be done directly using CNTs or mixtures of carbon and graphite materials (expanded graphite, expanded temographite, graphene or other nanostructured materials) which contain a concentration of CNTs not less than 10% by weight.

Nel caso di utilizzo del biossido di titanio in granuli o pellets, le particelle del semiconduttore vengono accoppiate con CNTs che aderiscono alla superficie del biossido di titanio, formando di fatto una struttura unica. In questo modo si ottiene la massima esposizione del TiO2, ottimizzando le rese di processo. In the case of using titanium dioxide in granules or pellets, the semiconductor particles are coupled with CNTs that adhere to the surface of the titanium dioxide, forming a unique structure. In this way, maximum TiO2 exposure is obtained, optimizing process yields.

La possibilità di far coesistere e di miscelare intimamente soluzioni acquose (quelle più interessanti da trattare, perché di gran lunga la forma più abbondante di residui liquidi da decontaminare) con CNTs, notoriamente idrofobi, è dovuta ad un fenomeno che si verifica sulla superficie di TiO2in seguito all’assorbimento di radiazione luminosa (principalmente UV, ma anche visibile di bassa lunghezza d’onda nel caso di anatasio). Per irradiazione di TiO2con luce UV si verificano reazioni differenti rispetto a quelle della fotocatalisi. Gli elettroni, infatti, riducono il catione Ti<4+>a Ti<3+>, mentre le vacanze ossidano gli anioni O<2->. In questo processo viene espulso un atomo di ossigeno e si crea una cosiddetta “vacanza di ossigeno". La sequenza di reazioni può essere riassunta come segue: The possibility of coexisting and intimately mixing aqueous solutions (the most interesting to be treated, because by far the most abundant form of liquid residues to be decontaminated) with CNTs, notoriously hydrophobic, is due to a phenomenon that occurs on the surface of TiO2in following the absorption of light radiation (mainly UV, but also visible at low wavelength in the case of anatase). Different reactions occur by irradiation of TiO2 with UV light compared to those of photocatalysis. The electrons, in fact, reduce the cation Ti <4+> to Ti <3+>, while the vacancies oxidize the anions O <2->. In this process, an oxygen atom is expelled and a so-called “oxygen holiday” is created. The sequence of reactions can be summarized as follows:

Le vacanze di ossigeno vengono rimpiazzate da molecole di acqua, con il risultato di formare una superficie completamente idrofila. Nell’anatasio esposto a luce UV si ottengono angoli di contatto con acqua molto bassi (< 1°); ciò comporta la rara proprietà di attirare piuttosto che respingere l'acqua, caratteristica definita come super-idrofilicità. Quanto maggiore è l'esposizione della superficie alla radiazione UV, tanto più piccolo diventa l’angolo di contatto tra l’acqua e la superficie stessa. Dopo circa trenta minuti sotto una sorgente luminosa UV di moderata intensità, l’angolo di contatto tende a zero: l’acqua rimane piatta sulla superficie invece di formare delle goccioline. Se si interrompe l’illuminazione il comportamento superidrofilo viene mantenuto per circa due giorni. Il fenomeno non interessa uniformemente tutta la superficie del TiO2: piuttosto, si viene a formare su questa superficie una scacchiera ordinata di zone molto piccole idrofile, alternate ad analoghe zone idrofobe. In questo modo, il TiO2agisce consentendo la coesistenza di fasi idrofile ed idrofobiche, dando luogo quindi ad un ottimo accoppiamento dal punto di vista della stabilità in soluzione, del biossido di titanio con materiali idrofobi che contengano un’elevata percentuali di nanotubi. The oxygen vacancies are replaced by water molecules, resulting in a completely hydrophilic surface. In the anatase exposed to UV light, very low contact angles with water are obtained (<1 °); this results in the rare property of attracting rather than repelling water, a characteristic defined as super-hydrophilicity. The greater the exposure of the surface to UV radiation, the smaller the contact angle between the water and the surface itself becomes. After about thirty minutes under a moderate intensity UV light source, the contact angle tends to zero: the water remains flat on the surface instead of forming droplets. If the lighting is interrupted, the superhydrophilic behavior is maintained for about two days. The phenomenon does not uniformly affect the entire surface of TiO2: rather, an ordered checkerboard of very small hydrophilic areas is formed on this surface, alternating with analogous hydrophobic areas. In this way, TiO2 acts by allowing the coexistence of hydrophilic and hydrophobic phases, thus giving rise to an excellent coupling from the point of view of stability in solution, of titanium dioxide with hydrophobic materials that contain a high percentage of nanotubes.

L’inventore ha osservato che l’accoppiamento di TiO2e CNTs migliora notevolmente le proprietà del primo materiale, perchè gli elettroni che si liberano a seguito dell’attivazione tramite illuminazione vengono facilmente trasferiti e trasportati nei CNTs. Ne consegue che la possibilità di ricombinazione delle coppie e-CB/h<+>VBnella struttura del biossido di titanio viene fortemente ridotta, aumentando la resa del processo. The inventor observed that the coupling of TiO2 and CNTs greatly improves the properties of the first material, because the electrons that are released as a result of activation by lighting are easily transferred and transported in the CNTs. It follows that the possibility of recombination of the e-CB / h <+> VB pairs in the titanium dioxide structure is greatly reduced, increasing the yield of the process.

Inoltre, la combinazione di nanotubi di carbonio con TiO2ne incrementa la soglia di assorbimento che passa da 3,18 (nel caso dell’anatasio) a 3,54 eV, con un aumento della capacità ossidante del fotocatalizzatore. In addition, the combination of carbon nanotubes with TiO2ne increases the absorption threshold which goes from 3.18 (in the case of anatase) to 3.54 eV, with an increase in the oxidizing capacity of the photocatalyst.

La percentuale in peso dei nanotubi che deve essere presente nella miscela dipende dalla forma in cui è presente in biossido di titanio. Nel caso di impiego del biossido di titanio in forma di nano particelle il rapporto in peso tra biossido di titanio e nanotubi di carbonio può variare tra circa 10:1 e 1:1, e preferibilmente è di circa 5:1; nel caso di biossido di titanio in pellet questo rapporto può variare tra circa 20:1 e 10:1, e preferibilmente è di circa 15:1; infine, qualora il biossidio di titanio sia sotto forma di film sottile, allora è preferibile la deposizione del film di titania su una superficie con contenuto di nanotubi di carbonio non inferiore al 30% rispetto al peso del biossido di titanio. The percentage by weight of the nanotubes that must be present in the mixture depends on the form in which it is present in titanium dioxide. In the case of using titanium dioxide in the form of nano particles, the weight ratio between titanium dioxide and carbon nanotubes can vary between about 10: 1 and 1: 1, and is preferably about 5: 1; in the case of titanium dioxide in pellets this ratio can vary between about 20: 1 and 10: 1, and is preferably about 15: 1; finally, if the titanium dioxide is in the form of a thin film, then it is preferable to deposit the titania film on a surface with a carbon nanotube content of not less than 30% with respect to the weight of the titanium dioxide.

In un suo secondo aspetto, l’invenzione riguarda un processo di trattamento di liquidi contaminati che comprende l’ossidazione fotocatalitica di questi ultimi, con rese migliorate rispetto ai processi fotocatalitici noti, reso possibile dall’impiego della combinazione di materiali precedentemente descritta. In a second aspect, the invention relates to a process of treating contaminated liquids which includes the photocatalytic oxidation of the latter, with improved yields compared to known photocatalytic processes, made possible by the use of the combination of materials previously described.

Le reazioni del meccanismo fotocatalitico alla base del processo sono le seguenti: The reactions of the photocatalytic mechanism underlying the process are as follows:

Quando un elettrone viene trasferito dal TiO2ai CNTs avvengono le reazioni da (XVIII) a (XX). When an electron is transferred from TiO2 to CNTs, reactions from (XVIII) to (XX) take place.

La radiazione utilizzata per attivare il TiO2può avere lunghezza d’onda nell’ultravioletto (UV-A, UV-B o UV-C) o anche nello spettro visibile; infatti, mentre il TiO2impiegato da solo presenta un’efficienza di assorbimento massima ad una lunghezza d’onda di 364 nm (regione UV-A), l’accoppiamento con CNTs amplia lo spettro di radiazioni assorbibili, cosi che il processo viene attivato anche nella regione del visibile a lunghezza d’onda di circa 410 nm. The radiation used to activate TiO2 can have a wavelength in the ultraviolet (UV-A, UV-B or UV-C) or even in the visible spectrum; in fact, while the TiO2 used alone has a maximum absorption efficiency at a wavelength of 364 nm (UV-A region), the coupling with CNTs broadens the spectrum of absorbable radiation, so that the process is also activated in the visible region at a wavelength of about 410 nm.

Per gli scopi del processo, la combinazione TiO2/CNTs può essere messa in contatto col liquido da trattare in vari modi. L’applicazione più semplice è l’impiego di TiO2in forma di polveri, sulla cui superficie sono presenti i CNTs, che sono addizionate all’acqua per formare una sospensione. For the purposes of the process, the TiO2 / CNTs combination can be brought into contact with the liquid to be treated in various ways. The simplest application is the use of TiO2 in the form of powders, on whose surface there are CNTs, which are added to the water to form a suspension.

Il processo funziona con quantità di combinazione TiO2/CNTs variabili entro intervalli estremamente ampi; in linea di principio, qualunque quantità di detta combinazione in un liquido da trattare dà luogo agli effetti desiderati. Per avere un processo efficiente bisogna però che detta quantità sia compresa in un intervallo ottimale. Infatti, se la combinazione TiO2/CNTs è presente in quantità troppo bassa, l’efficienza del processo è chiaramente ridotta, mentre se detta quantità è troppo elevata si ha un liquido molto torbido, che limita il passaggio della radiazione con effetto di diffusione del fascio luminoso, scarso irraggiamento delle particelle più lontane dalla superficie del liquido, che anche in questo caso porta ad una ridotta efficienza. NeH’ambito del processo in esame i quantitativi ottimali di biossido di titanio e di nanotubi che vengono utilizzati per il processo foto catalitico sono correlati alla tipologia di contaminanti da sottoporre a trattamento. Sulla base dei trattamenti a scala pilota realizzati, si è determinato che la concentrazione in granuli di biossido di titanio può variare nella maggior parte dei casi in un intervallo tra 0,1 e 2,3 g/litro, in funzione della tipologia di contaminanti da rimuovere nel liquido contaminato e dalle caratteristiche chimiche le liquido medesimo, mentre la quantità di CNTs viene derivata da quella di TiO2. Detti valori possono essere sicuramente superiori nel caso di utilizzo del biossido di titano nella forma di pellets. Inoltre, nel caso di impiego del biossido di titanio in termini di film sottile il dato di riferimento non è la quantità di biossido di titanio nel liquido da trattare, bensì la superficie del film alla radiazione. The process works with TiO2 / CNTs combination quantities varying within extremely wide ranges; in principle, any quantity of said combination in a liquid to be treated gives rise to the desired effects. To have an efficient process, however, said quantity must be included in an optimal range. In fact, if the TiO2 / CNTs combination is present in too low quantity, the efficiency of the process is clearly reduced, while if said quantity is too high there is a very turbid liquid, which limits the passage of radiation with a diffusion effect of the beam. bright, scarce irradiation of the particles farthest from the surface of the liquid, which also in this case leads to reduced efficiency. As part of the process in question, the optimal quantities of titanium dioxide and nanotubes that are used for the photo catalytic process are related to the type of contaminants to be treated. On the basis of the pilot scale treatments carried out, it has been determined that the concentration in titanium dioxide granules can vary in most cases in a range between 0.1 and 2.3 g / liter, depending on the type of contaminants to be remove in the contaminated liquid and by the chemical characteristics the liquid itself, while the quantity of CNTs is derived from that of TiO2. Said values can certainly be higher in the case of using titanium dioxide in the form of pellets. Furthermore, in the case of use of titanium dioxide in terms of thin film, the reference data is not the quantity of titanium dioxide in the liquid to be treated, but the surface of the film to radiation.

Un altro parametro che influenza notevolmente la resa del processo fotocatalitico è il pH del liquido trattato. Another parameter that greatly influences the yield of the photocatalytic process is the pH of the treated liquid.

In ambiente acido le superfici di TiO2sono caricate positivamente e viene favorito l’assorbimento delle sostanze contaminanti caricate negativamente, viceversa in ambiente basico viene favorito l’assorbimento degli ioni positivi. Inoltre, in ambiente acido viene ridotto il rischio della formazione di carbonati a seguito della formazione di anidride carbonica durante il processo. Questo aspetto ha una certa rilevanza in quanto i carbonati esercitano un’azione negativa nei confronti del biossido di titanio, pertanto la loro formazione va evitata. In an acidic environment, the TiO2 surfaces are positively charged and the absorption of negatively charged contaminants is favored, conversely in a basic environment the absorption of positive ions is favored. Furthermore, in an acidic environment the risk of carbonate formation is reduced following the formation of carbon dioxide during the process. This aspect has some relevance as carbonates exert a negative action against titanium dioxide, therefore their formation should be avoided.

Il biossido di titanio presenta una carica nulla a pH 6,5, pertanto condizioni leggermente acide o vicino alla neutralità sono quelle meno convenienti per il trattamento della maggior parte dei liquidi contaminati. Titanium dioxide has a zero charge at pH 6.5, so slightly acidic or near neutral conditions are the least convenient for treating most contaminated liquids.

La temperatura durante il processo si incrementa come effetto delle reazioni di ossido-riduzione e, nel caso dell’impiego di lampade UV, soprattutto per effetto del riscaldamento indotto dall’irraggiamento di queste. L’innalzamento dei valori di temperatura che si registrano durante il trattamento è dell’ordine di 5-25 °C, e non influisce sull’efficienza di trattamento; il biossido di titanio infatti mantiene pressoché inalterate le sue proprietà fotocatalitiche fino a circa 900 °C. The temperature during the process increases as an effect of the oxidation-reduction reactions and, in the case of the use of UV lamps, especially due to the heating induced by their irradiation. The rise in temperature values that are recorded during the treatment is of the order of 5-25 ° C, and does not affect the efficiency of the treatment; in fact, titanium dioxide maintains its photocatalytic properties almost unaltered up to about 900 ° C.

Il tempo di irraggiamento durante il processo varia da un minimo di 10 minuti ad un massimo di tre ore, in funzione della tipologia di contaminanti da rimuovere e degli obiettivi di qualità delle acque allo scarico. The irradiation time during the process varies from a minimum of 10 minutes to a maximum of three hours, depending on the type of contaminants to be removed and the quality objectives of the waste water.

Al liquido da trattare è possibile aggiungere perossido di idrogeno, che è stato dimostrato essere in grado di aumentare la degradazione dei contaminanti e velocizzare la cinetica di reazione. Il perossido di idrogeno può reagire con radicali superossidi secondo le reazioni seguenti: Hydrogen peroxide can be added to the liquid to be treated, which has been shown to be able to increase the degradation of contaminants and speed up the reaction kinetics. Hydrogen peroxide can react with superoxide radicals according to the following reactions:

L’H2O2quando è presente ad elevate concentrazioni può agire come segue: When H2O2 is present at high concentrations, it can act as follows:

Concentrazioni eccessive di perossido di idrogeno possono ostacolare il processo di fotocatalisi principalmente per due motivi. Il primo è legato alla competizione in termini di assorbimento della luce tra H2O2e TiO2, il secondo è che parte dei radicali idrossìle viene distrutta dalla presenza del perossido di idrogeno e convertiti in radicali idroperossili HO2<.>che sono eliminati da altri radicali idrossili producendo H2O O2. Durante il processo di fotocatalisi II perossido di idrogeno viene consumato quasi interamente non comportando pertanto alcun problema per gli eventuali successivi stadi di trattamento. Excessive concentrations of hydrogen peroxide can hinder the photocatalysis process mainly for two reasons. The first is related to the competition in terms of light absorption between H2O2 and TiO2, the second is that part of the hydroxy radicals are destroyed by the presence of hydrogen peroxide and converted into hydroperoxyl radicals HO2 <.> Which are eliminated by other hydroxyl radicals producing H2O O2. During the photocatalysis process, the hydrogen peroxide is consumed almost entirely, thus not causing any problems for any subsequent treatment stages.

Nel processo dell’invenzione viene inoltre preferibilmente aggiunto ossigeno al liquido contenente i contaminanti durante il trattamento, preferibilmente sottoforma di micro bolle al fine di aumentare la superficie specifica di contatto. La presenza di ossigeno aumenta fortemente l’efficienza delle reazioni foto catalitiche. L’aggiunta di ossigeno riveste una certa importanza in quanto, quando assorbito sulla superficie di TiO2, reagisce con gli e-CBformando il radicale superossido O2<.->: In the process of the invention, oxygen is also preferably added to the liquid containing the contaminants during the treatment, preferably in the form of micro bubbles in order to increase the specific contact surface. The presence of oxygen strongly increases the efficiency of photo catalytic reactions. The addition of oxygen is of some importance because, when absorbed on the TiO2 surface, it reacts with the e-CBs forming the superoxide radical O2 <.->:

L’ossigeno inoltre, in qualità di elettrone accettare, contiene parzialmente la ricombinazione delle coppie e-CB/h<+>VB; una funzione analoga è svolta anche dal perossido di idrogeno. Furthermore, oxygen, as an accepting electron, partially contains the recombination of the e-CB / h <+> VB pairs; a similar function is also performed by hydrogen peroxide.

Il processo è in grado di rimuovere la maggior parte dei contaminanti organici ed inorganici. In particolare si arriva a rese di rimozione superiori al 98% per il COD, BOD5, idrocarburi petroliferi, idrocarburi clorurati, alcuni metalli pesanti, cromo esavalente, fenoli e altri composti recalcitranti. The process is able to remove most of the organic and inorganic contaminants. In particular, removal yields of over 98% are achieved for COD, BOD5, petroleum hydrocarbons, chlorinated hydrocarbons, some heavy metals, hexavalent chromium, phenols and other recalcitrant compounds.

Di particolare rilevanza è la capacità del processo di rimuovere l’MTBE (Metil-Terziar-Butil-Etere) con il raggiugimento degli standard qualitativi più restrittivi previsti dalle normative internazionali (< 5 μg/l) senza limiti di concentrazione in ingresso. Nel caso di trattamento dell’MTBE si è rilevato che il trattamento può essere condotto anche a pH neutro o basico e spesso si rileva un abbassamento dei valori di pH durante la reazione come conseguenza della formazione di acido formico e successivamente di acido acetico. La prima fase di distruzione della molecola di MTBE è l’estrazione di un α-idrogeno da parte del radicale idrossile per formare un radicale organico che reagisce con l’ossigeno disciolto in soluzione. Si noti che l’ossidazione più importante degli eteri è la conversione in esteri. Pertanto, il composto intermedio instabile viene convento rapidamente a TBF (formiato di t-butile). Sebbene i radicali idrossile si comportino come forti ossidanti, altre specie attive come gli elettroni e gli anioni superossido possono reagire con i composti organici. Come conseguenza il TBF può essere degradato in due modi. Gli esteri sono soggetti ad idrolisi sia acide che basiche producendo acido carbossilico e alcool. Nel primo caso dal TBF si produrrà TBA (alcol tbutilico) e acido formico. Quest’ultimo viene ossidato per fotocatalisi dall’ossigeno e produce anidride carbonica e acqua sulla superficie della particella di biossido di titanio-nanotubi di carbonio. In alternativa, il TBF viene ridotto con elettroni per formare 2-metil-1 -propene e acido formico. In condizioni acide ed in presenza di radicali idrossili, il TBA viene de-idratato ad alcheni, che sono fortemente ossidanti e producono acido formico e acetone. L'acido formico, come gli altri sottoprodotti, viene degradato ad acido acetico e formaldeide. Quando la reazione è completa, tutti i composti organici vengono degradati ad anidride carbonica ed acqua. Da rilevare che la reazione del TBA è molto più lenta di quella dell’MTBE e del TBF, mentre il TBF viene degradato più velocemente dell’MTBE. Of particular importance is the ability of the process to remove MTBE (Methyl-Tertiary-Butyl-Ether) with the achievement of the most restrictive quality standards required by international regulations (<5 μg / l) with no input concentration limits. In the case of MTBE treatment, it has been found that the treatment can also be conducted at neutral or basic pH and often a lowering of pH values is detected during the reaction as a result of the formation of formic acid and subsequently acetic acid. The first phase of destruction of the MTBE molecule is the extraction of an α-hydrogen by the hydroxyl radical to form an organic radical that reacts with dissolved oxygen in solution. Note that the most important oxidation of ethers is the conversion into esters. Therefore, the unstable intermediate compound is quickly convented to TBF (t-butyl formate). Although hydroxyl radicals behave as strong oxidants, other active species such as electrons and superoxide anions can react with organic compounds. As a consequence, TBF can be degraded in two ways. Esters are subject to both acidic and basic hydrolysis producing carboxylic acid and alcohol. In the first case the TBF will produce TBA (tbutyl alcohol) and formic acid. The latter is oxidized by oxygen by photocatalysis and produces carbon dioxide and water on the surface of the titanium dioxide-carbon nanotube particle. Alternatively, TBF is reduced with electrons to form 2-methyl-1-propene and formic acid. Under acidic conditions and in the presence of hydroxyl radicals, TBA is dehydrated to alkenes, which are strongly oxidizing and produce formic acid and acetone. Formic acid, like other by-products, is degraded to acetic acid and formaldehyde. When the reaction is complete, all organic compounds are degraded to carbon dioxide and water. It should be noted that the reaction of TBA is much slower than that of MTBE and TBF, while TBF is degraded faster than MTBE.

Nella corretta conduzione del processo occorre pertanto di volta in volta, in funzione delle concentrazioni iniziali dell’MTBE nel liquido da sottoporre a trattamento, determinare correttamente i tempi del processo di fotocatalisi per assicurare non solo la rimozione completa dell’MTBE ma anche dei sottoprodotti di reazione. L’efficacia di trattamento nonché la semplicità di processo rendono questo tipo di trattamento una soluzione di assoluto interesse ed innovativa per la rimozione dell'MTBE. In the correct conduct of the process it is therefore necessary from time to time, depending on the initial concentrations of the MTBE in the liquid to be treated, to correctly determine the times of the photocatalysis process to ensure not only the complete removal of the MTBE but also of the by-products of reaction. The effectiveness of the treatment as well as the simplicity of the process make this type of treatment an extremely interesting and innovative solution for the removal of MTBE.

In un suo ultimo aspetto, l’invenzione riguarda un reattore fotocatalitico per la realizzazione del processo descritto in precedenza, mostrato in modo schematico in figura 1. In one of its last aspects, the invention relates to a photocatalytic reactor for carrying out the process described above, shown schematically in figure 1.

Il processo dell’invenzione potrebbe, in linea di principio, funzionare anche con irraggiamento naturale. Questa condizione è però poco utile dal punto di vista industriale, in quanto il processo potrebbe essere condotto solo di giorno e con condizioni climatiche favorevoli, ed inoltre solo aN’aperto. E’ palese che in questo caso i tempi di trattamento sarebbero molto elevati e non compatibili con le esigenze di un processo di trattamento industriale. Per gli scopi industriali è quindi necessario svincolarsi da queste condizioni, e avere la possibilità di operare il processo in qualunque momento e ambiente. Allo scopo, il reattore può essere dotato di sorgenti di radiazione UV (lampade); data l’importanza di questa forma di realizzazione, il reattore verrà descritta solo in questa modalità. The process of the invention could, in principle, also work with natural radiation. However, this condition is not very useful from an industrial point of view, as the process could only be conducted during the day and with favorable climatic conditions, and also only outdoors. It is clear that in this case the treatment times would be very high and not compatible with the needs of an industrial treatment process. For industrial purposes it is therefore necessary to free oneself from these conditions, and to be able to operate the process at any time and at any time. For this purpose, the reactor can be equipped with UV radiation sources (lamps); given the importance of this embodiment, the reactor will be described only in this mode.

Il liquido da trattare entra nel reattore, 10, dalla tubatura di ingresso a sinistra in figura, e lascia il reattore dopo essere stato trattato tramite la tubatura a destra in figura, secondo la direzione di flusso del liquido indicata dalle frecce. The liquid to be treated enters the reactor, 10, from the inlet pipe on the left in the figure, and leaves the reactor after being treated through the pipe on the right in the figure, according to the flow direction of the liquid indicated by the arrows.

Le pareti 11 del reattore 10 possono essere realizzate in materiali diversi, che comunque abbiano la caratteristica di essere compatibili con il grado di aggressività chimica dei contaminanti da trattare e resistenti allo spettro di lunghezza d’onda emessa dalle lampade presenti nel reattore. La superficie interna delle pareti 11 può anche essere rivestita di materiale o comunque da una pellicola riflettente la lunghezza d’onda emessa dalle lampade ai fine di ottimizzare la resa del processo. The walls 11 of the reactor 10 can be made of different materials, which in any case have the characteristic of being compatible with the degree of chemical aggressiveness of the contaminants to be treated and resistant to the wavelength spectrum emitted by the lamps present in the reactor. The internal surface of the walls 11 can also be coated with material or in any case by a film reflecting the wavelength emitted by the lamps in order to optimize the yield of the process.

il reattore 10 è dotato almeno dei seguenti componenti. Una serie di lampade 12 a bassa o alta pressione, per l'emissione dei fotoni utili ad attivare le particelle di biossido di titanio e nanotubi di carbonio. Le lampade possono avere emissioni con diverse lunghezze d’onda, è comunque importante coprire il range intorno al picco di lunghezza d’onda nel campo dei raggi UV-A e volendo anche nel visibile. Generalmente si può assumere valido un range tra 300 e 420 nm. Il numero, la geometria, l’interasse, l’orientamento e la tipologia costruttiva delle lampade può variare in funzione della geometria assunta dal reattore 10. Le lampade sono protette da tubazioni in quarzo o altro materiale trasparente alia lunghezza d’onda sopra citata. Tutte le lampade sono inoltre collegate ad un sistema alimentatore, di accensione e regolatore di intensità, 13. the reactor 10 is equipped at least with the following components. A series of low or high pressure lamps 12, for the emission of photons useful for activating the particles of titanium dioxide and carbon nanotubes. The lamps can have emissions with different wavelengths, it is however important to cover the range around the peak wavelength in the UV-A range and, if desired, also in the visible. A range between 300 and 420 nm can generally be assumed to be valid. The number, geometry, center distance, orientation and construction type of the lamps may vary according to the geometry assumed by the reactor 10. The lamps are protected by pipes in quartz or other transparent material at the aforementioned wavelength. All the lamps are also connected to a power supply, ignition and intensity regulator system, 13.

Il reattore 10 è inoltre dotato di un sistema di sfiato 14 con eventualmente annesso un filtro per il trattamento dei gas in uscita. The reactor 10 is also equipped with a venting system 14 with possibly an attached filter for the treatment of the outgoing gases.

Il biossido di titanio con nanotubi di carbonio viene preferibilmente utilizzato all’interno del reattore in forma di polveri, anche in forma di nanoparticelie, o pellets, che vengono dosati nella miscela da trattare con apposito dosatore 15. La scelta della morfologia del materiale fotocatalitico dipende principalmente dalle portate di liquido da sottoporre a trattamento e dalia tipologia e concentrazioni di contaminanti in esse presenti. Titanium dioxide with carbon nanotubes is preferably used inside the reactor in the form of powders, also in the form of nanoparticles, or pellets, which are dosed in the mixture to be treated with a special dispenser 15. The choice of the morphology of the photocatalytic material depends mainly from the flow rates of liquid to be treated and from the type and concentrations of contaminants present in them.

In alternativa la presente invenzione ha la stessa validità, ma si ritiene resa inferiore del processo, nel caso il biossido di titanio, principalmente nella forma anatasio accoppiato con CNTs, venga impiegato sotto forma di film sottile. In questo caso il TiO2può essere impiegato depositandolo miscelato con i CNTs su apposite superfici che vengono disposte all’interno del reattore 10. Si può anche prevedere una deposizione di TiO2su film di materiali nanostrutturati con sufficienti percentuali di CNTs, disposti all’interno del reattore. Alternatively, the present invention has the same validity, but it is believed that the yield of the process is lower, if the titanium dioxide, mainly in the anatase form coupled with CNTs, is used in the form of a thin film. In this case, TiO2 can be used by depositing it mixed with CNTs on special surfaces that are placed inside the reactor 10. It is also possible to provide for a deposition of TiO2 on films of nanostructured materials with sufficient percentages of CNTs, arranged inside the reactor.

Poiché, come detto nella descrizione del processo, questo ha un’efficienza più elevata se il liquido viene ossigenato durante il trattamento, è prevista una continua ossigenazione nei reattore all’interno del quale avviene il processo. A tale scopo possono essere utilizzati sistemi di ossigenazione usualmente in commercio. Si è rivelato di particolare efficacia per il trattamento in esame un sistema con diffusori a membrana, 16, con formazione di microbolle, il cui numero, geometria e corretta disposizione dipendono dalla geometria assunta dal reattore. Infine, nel caso in cui la combinazione TiO2/CNTs sia impiegata in forma di polveri e/o pellets, può risultare utile avere una costante dispersione di dette polveri nel liquido da trattare. Allo scopo, il reattore 10 può essere dotato di un qualunque sistema di miscelazione in continuo presente in commercio. In figura 1 viene esemplificato il caso di eiettori Venturi, 17, il cui numero e corretta disposizione dipende dalla geometria del reattore 10, secondo principi ben noti ai tecnici del settore. Since, as mentioned in the description of the process, this has a higher efficiency if the liquid is oxygenated during the treatment, continuous oxygenation is provided in the reactor within which the process takes place. For this purpose, oxygenation systems usually available on the market can be used. A system with membrane diffusers, 16, with the formation of microbubbles, whose number, geometry and correct arrangement depend on the geometry assumed by the reactor, proved to be particularly effective for the treatment in question. Finally, if the TiO2 / CNTs combination is used in the form of powders and / or pellets, it may be useful to have a constant dispersion of said powders in the liquid to be treated. For this purpose, the reactor 10 can be equipped with any continuous mixing system available on the market. Figure 1 illustrates the case of Venturi ejectors, 17, the number and correct arrangement of which depends on the geometry of the reactor 10, according to principles well known to those skilled in the art.

Il reattore dell’invenzione può essere impiegato in combinazione con unità di preo post-trattamento dei liquidi, a formare un impianto di trattamento di liquidi, secondo modalità note nel settore. The reactor of the invention can be used in combination with liquid pre or post-treatment units, to form a liquid treatment plant, according to methods known in the field.

Per esempio, a monte del reattore 10 può essere presente un’unità di pretrattamento e condizionamento, in cui il liquido da trattare nel reattore viene sottoposto a filtrazione per rimuovere particelle grossolane ed eventuali sostanze indesiderate che possono condizionare il processo fotocatalitico, oppure in cui viene pretrattato per diminuirne la torbidità, che influirebbe negativamente sulle prestazioni del reattore 10. L’unità di pretrattamento può servire inoltre per effettuare il dosaggio di composti chimici coadiuvanti del processo fotocatalitico, come ad esempio perossido di idrogeno ed effettuare l’eventuale correzione del pH. For example, upstream of the reactor 10 there may be a pre-treatment and conditioning unit, in which the liquid to be treated in the reactor is subjected to filtration to remove coarse particles and any unwanted substances that may affect the photocatalytic process, or in which it is pretreated to decrease its turbidity, which would negatively affect the performance of reactor 10. The pretreatment unit can also be used to perform the dosage of adjuvant chemical compounds of the photocatalytic process, such as hydrogen peroxide, and to carry out any pH correction.

A valle del reattore 10 può essere prevista un’unità di post-trattamento, per esempio comprendente sistemi di microfiltrazione, nanofiltrazione o ultrafiltrazione, oppure anche di centrifugazione o altri sistemi di decantazione e sedimentazione; questa unità è utile soprattutto nel caso di presenza della combinazione TÌO2/CNTS sottoforma di granuli e/o nano particelle, per il recupero e riutilizzo della stessa e per evitare che queste polveri vengano scaricate a valle dell'impianto. Qualora i granuli 0 pellets (0 nano particelle) della combinazione siano recuperati efficacemente si può effettuare il ricircolo all’interno dell’impianto per un numero significativo di cicli di trattamento. Downstream of the reactor 10, a post-treatment unit can be provided, for example comprising microfiltration, nanofiltration or ultrafiltration systems, or even centrifugation or other decantation and sedimentation systems; this unit is especially useful in the case of the presence of the TiO2 / CNTS combination in the form of granules and / or nano particles, for its recovery and reuse and to prevent these powders from being discharged downstream of the plant. If the granules or pellets (0 nano particles) of the combination are effectively recovered, recirculation can be carried out inside the plant for a significant number of treatment cycles.

Le unità di pre- e post-trattamento non sono necessarie per il funzionamento del reattore 10. Per esempio, nel caso in cui il liquido in entrata nel reattore non sia torbido e non contenga particolato, è possibile evitare il ricorso all’unità di pretrattamento; nel caso invece in cui il liquido in uscita dal reattore 10 non contenga particolato, come per esempio quando si impieghi biossido di titanio nella forma di pelletes (la cui separazione dal liquido risulta immediata e avviene già all’interno del reattore 10), l’unità di post-trattamento può essere evitata. The pre- and post-treatment units are not necessary for the operation of the reactor 10. For example, if the liquid entering the reactor is not turbid and does not contain particulates, it is possible to avoid the use of the pre-treatment unit ; on the other hand, in the case in which the liquid leaving the reactor 10 does not contain particulates, as for example when titanium dioxide is used in the form of pellets (whose separation from the liquid is immediate and already takes place inside the reactor 10), the post-treatment unit can be avoided.

Le unità di pre- e post-trattamento sono note nel settore, e non necessitano di ulteriori descrizioni in questa sede. Pre- and post-treatment units are known in the art, and need no further description here.

Claims (14)

Rivendicazioni 1. Materiale fotocatalizzatore costituito da una combinazione di rutilo e/o anatasio e nanotubi di carbonio a contatto tra loro. Claims 1. Photocatalyst material consisting of a combination of rutile and / or anatase and carbon nanotubes in contact with each other. 2. Materiale fotocatalizzatore secondo la rivendicazione 1 , in cui detto rutilo e/o anatasio è in forma di polveri, granuli o pellets, o di uno strato sottile depositato su un supporto. 2. Photocatalyst material according to claim 1, wherein said rutile and / or anatase is in the form of powders, granules or pellets, or of a thin layer deposited on a support. 3. Materiale fotocatalizzatore secondo la rivendicazione 1 , in cui detti nanotubi di carbonio vengono impiegati da soli o in miscela con altri materiali a base di carbonio e grafite, in cui detta miscela contiene una concentrazione di nanotubi di carbonio non inferiore al 10% in peso. 3. Photocatalyst material according to claim 1, wherein said carbon nanotubes are used alone or in a mixture with other carbon and graphite based materials, wherein said mixture contains a concentration of carbon nanotubes not lower than 10% by weight . 4. Materiale fotocatalizzatore secondo la rivendicazione 1 , in cui il rapporto in peso tra rutilo e/o anatasio e nanotubi di carbonio è compreso tra 10:1 e 1:1 quando rutilo e/o anatasio sono in forma di polveri o nanoparticelle, tra 20:1 e 10:1 quando rutilo e/o anatasio sono in forma di granuli o pellets, e in cui il contenuto di nanotubi di carbonio è non inferiore al 30% rispetto al peso di rutilo e/o anatasio quando questi ultimi sono sotto forma di uno strato depositato su un supporto. 4. Photocatalyst material according to claim 1, wherein the weight ratio between rutile and / or anatase and carbon nanotubes is between 10: 1 and 1: 1 when rutile and / or anatase are in the form of powders or nanoparticles, between 20: 1 and 10: 1 when rutile and / or anatase are in the form of granules or pellets, and in which the content of carbon nanotubes is not less than 30% with respect to the weight of rutile and / or anatase when the latter are below form of a layer deposited on a support. 5. Materiale fotocatalizzatore secondo la rivendicazione 4, in cui detto rapporto in peso è di circa 5:1 quando rutilo e/o anatasio sono in forma di polveri o nanoparticelle, e di circa 15:1 quando rutilo e/o anatasio sono in forma di granuli o pellets. 5. Photocatalyst material according to claim 4, wherein said weight ratio is about 5: 1 when rutile and / or anatase are in the form of powders or nanoparticles, and about 15: 1 when rutile and / or anatase are in the form of granules or pellets. 6. Processo per il trattamento di un liquido contenente almeno un contaminante ossidabile tramite ossidazione fotocatalitica di detto contaminante in presenza del materiale della rivendicazione 1. 6. Process for treating a liquid containing at least one oxidizable contaminant by photocatalytic oxidation of said contaminant in the presence of the material of claim 1. 7. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui il materiale fotocatalizzatore viene irradiato con luce UV-A. 7. Process according to claim 6 wherein the photocatalyst material is irradiated with UV-A light. 8. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui, quando si usa anatasio, il materiale viene irradiato con luce di lunghezza d’onda nel campo blu o viola dello spettro visibile. 8. Process according to claim 6 in which, when anatase is used, the material is irradiated with wavelength light in the blue or violet range of the visible spectrum. 9. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui il materiale fotocatalizzatore viene aggiunto a detto liquido in una quantità variabile tra 0,1 e 2,3 g di rutilo e/o anatasio per litro di liquido. 9. Process according to claim 6 wherein the photocatalyst material is added to said liquid in an amount ranging from 0.1 to 2.3 g of rutile and / or anatase per liter of liquid. 10. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui a detto liquido viene aggiunto perossido di idrogeno. 10. Process according to claim 6 wherein hydrogen peroxide is added to said liquid. 11. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui a detto liquido viene aggiunto ossigeno gassoso, preferibilmente sottoforma di bolle di dimensioni microscopiche. 11. Process according to claim 6 wherein gaseous oxygen is added to said liquid, preferably in the form of microscopic bubbles. 12. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui detto contaminante è Metil-Terziar-Butil-Etere. 12. Process according to claim 6 wherein said contaminant is Methyl-Tertiar-Butyl-Ether. 13. Reattore (10) per la realizzazione del processo della rivendicazione 6, avente pareti (11) realizzate o ricoperte con materiali compatibili con i contaminanti da trattare, con eventuali reagenti chimici aggiunti nel processo, eventualmente riflettenti ai raggi UV-A e resistenti allo spettro di lunghezza d’onda UV o visibile emessa da lampade (12) presenti nel reattore e collegate ad un sistema alimentatore, di accensione e regolatore di intensità (13), e comprendente un sistema di sfiato (14) e un dosatore (15) per l'aggiunta al liquido da trattare di materiale foto catalizzato re costituito da una combinazione di rutilo e/o anatasio e nanotubi di carbonio a contatto tra loro. 13. Reactor (10) for carrying out the process of claim 6, having walls (11) made or covered with materials compatible with the contaminants to be treated, with any chemical reagents added in the process, possibly reflecting UV-A rays and resistant to spectrum of UV or visible wavelength emitted by lamps (12) present in the reactor and connected to a power supply, ignition and intensity regulator system (13), and comprising a vent system (14) and a dispenser (15) for the addition to the liquid to be treated of photo-catalysed material consisting of a combination of rutile and / or anatase and carbon nanotubes in contact with each other. 14. Reattore secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre un filtro per il trattamento dei gas in uscita su detto sistema di sfiato, mezzi (16) per l’ossigenazione del liquido da trattare, e un sistema di miscelazione (17) in continuo del liquido in trattamento.14. Reactor according to claim 13, further comprising a filter for the treatment of the outgoing gases on said vent system, means (16) for oxygenating the liquid to be treated, and a continuous mixing system (17) of the liquid in treatment.
IT000545A 2009-04-06 2009-04-06 COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION ITMI20090545A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000545A ITMI20090545A1 (en) 2009-04-06 2009-04-06 COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION
PCT/EP2010/054554 WO2010115905A2 (en) 2009-04-06 2010-04-06 Combination of materials for the treatment of contaminated liquids by means of photocatalytic oxidation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000545A ITMI20090545A1 (en) 2009-04-06 2009-04-06 COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ITMI20090545A1 true ITMI20090545A1 (en) 2010-10-07

Family

ID=41265485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
IT000545A ITMI20090545A1 (en) 2009-04-06 2009-04-06 COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION

Country Status (2)

Country Link
IT (1) ITMI20090545A1 (en)
WO (1) WO2010115905A2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102350334B (en) * 2011-08-08 2013-08-21 江苏大学 Graphene/mesoporous titanium dioxide visible light catalyst and preparation method
MA34204B1 (en) * 2011-10-26 2013-05-02 Moroccan Foundation For Advanced Science Innovation & Res Mascir SYNTHESIS OF MATERIALS FOR DECOLORATION AND DEGRADATION OF ORGANIC POLLUTANTS IN WATER: GRAPHENE ALONE AND GRAPHENE NANO COMPOSITE (GRAPHENE / TITANIUM DIOXIDE)
KR101416711B1 (en) * 2012-05-29 2014-07-14 제주대학교 산학협력단 Device of treating hazardous air pollutant using dielectric barrier discharge plasma reactor with graphene oxide photocatalyst
CN103028387B (en) * 2012-12-28 2014-07-30 聊城大学 Preparation method of graphene/titanium dioxide photocatalyst

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1167300A1 (en) * 2000-06-22 2002-01-02 Enitechnologie S.p.A. Photodegradative process for the purification of contaminated water
WO2007005038A1 (en) * 2004-08-31 2007-01-11 University Of Florida Research Foundation, Inc. Photocatalytic nanocomposites and applications thereof
JP2007054694A (en) * 2005-08-22 2007-03-08 Tokyo Institute Of Technology Method for decomposing hardly decomposable chlorinated organic compound, and carbon nanotube composite material

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8257867B2 (en) * 2008-07-28 2012-09-04 Battelle Memorial Institute Nanocomposite of graphene and metal oxide materials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1167300A1 (en) * 2000-06-22 2002-01-02 Enitechnologie S.p.A. Photodegradative process for the purification of contaminated water
WO2007005038A1 (en) * 2004-08-31 2007-01-11 University Of Florida Research Foundation, Inc. Photocatalytic nanocomposites and applications thereof
JP2007054694A (en) * 2005-08-22 2007-03-08 Tokyo Institute Of Technology Method for decomposing hardly decomposable chlorinated organic compound, and carbon nanotube composite material

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG ET AL: "Preparation and characterization of nanostructured MWCNT-TiO2 composite materials for photocatalytic water treatment applications", MATERIALS RESEARCH BULLETIN, ELSEVIER, KIDLINGTON, GB, vol. 43, no. 4, 25 February 2008 (2008-02-25), pages 958 - 967, XP022498109, ISSN: 0025-5408 *
WANG H ET AL: "Solar photocatalytic degradation of 2,6-dinitro-p-cresol (DNPC) using multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)-TiO2 composite photocatalysts", CHEMOSPHERE, PERGAMON PRESS, OXFORD, GB, vol. 75, no. 8, 7 February 2009 (2009-02-07), pages 1105 - 1111, XP026057377, ISSN: 0045-6535, [retrieved on 20090207] *
WAN-LING HUANG: "The photocatalytic reaction characteristics of MtBE assisted by TiO2/CNTs composite photocatalysts", 10 September 2008 (2008-09-10), XP002556211, Retrieved from the Internet <URL:http://ethesys.nuk.edu.tw/ETD-db/ETD-search/getfile?URN=etd-0910108-013956&filename=etd-0910108-013956.pdf> [retrieved on 20091113] *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010115905A3 (en) 2010-12-02
WO2010115905A2 (en) 2010-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Bioinspired synthesis of photocatalytic nanocomposite membranes based on synergy of Au-TiO2 and polydopamine for degradation of tetracycline under visible light
Xiao et al. Organic pollutants removal in wastewater by heterogeneous photocatalytic ozonation
Petronella et al. Nanocomposite materials for photocatalytic degradation of pollutants
Zhong et al. A novel photocatalytic optical hollow-fiber with high photocatalytic activity for enhancement of 4-chlorophenol degradation
Ehrampoosh et al. Removal of methylene blue dye from textile simulated sample using tubular reactor and TiO2/UV-C photocatalytic process
Qin et al. One-step fabrication of TiO2/Ti foil annular photoreactor for photocatalytic degradation of formaldehyde
US6524447B1 (en) Apparatus and method for photocatalytic purification and disinfection of water and ultrapure water
Wang et al. Photocatalytic degradation of Acid Red 4 using a titanium dioxide membrane supported on a porous ceramic tube
Acuña-Bedoya et al. Boosting visible-light photocatalytic degradation of polystyrene nanoplastics with immobilized CuxO obtained by anodization
WO2002083570A1 (en) Apparatus and method for phtocatalytic purification and disinfection of water and ultrapure water
El-Salamony et al. Zn+ 2-doped x-Ti–SiO 2 tricomposites for enhancement the photo-catalytic degradation of phenol under UV irradiation
Vatanpour et al. A comprehensive investigation of effective parameters in continuous submerged photocatalytic membrane reactors by RSM
JP5897251B2 (en) Water purification system
ITMI20090545A1 (en) COMBINATION OF MATERIALS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED LIQUIDS THROUGH PHOTOCATALYTIC OXIDATION
Pillai et al. Photocatalysis as an effective advanced oxidation process
Hosseini et al. Enhanced visible photocatalytic performance of un-doped TiO2 nanoparticles thin films through modifying the substrate surface roughness
Han et al. Effect of thickness of photocatalyst film immobilized on a buoyant substrate on the degradation of methyl orange dye in aqueous solutions under different light irradiations
Khader et al. Current trends for wastewater treatment technologies with typical configurations of photocatalytic membrane reactor hybrid systems: A review
Hadi et al. Visible light photocatalytic decolourization of methyl orange using N-doped TiO2 nanoparticles
Ravikumar et al. Development of highly efficient cost-effective CdS/Ag nanocomposite for removal of azo dyes under UV and solar light
Akbarzadeh et al. Highly efficient visible-driven reduction of Cr (VI) by a novel black TiO 2 photocatalyst
Sawut et al. Reduced graphene oxide-TiO2/sodium alginate/polyacrylamide composite hydrogel for enhanced adsorption-photocatalytic degradation of methylene blue
Zhang et al. Photocatalysis coupling with membrane technology for sustainable and continuous purification of wastewater
Ali et al. One-step electrochemical synthesis of graphene oxide-TiO 2 nanotubes for improved visible light activity
Khani et al. Simultaneous synthesis-immobilization of nano ZnO on perlite for photocatalytic degradation of an azo dye in semi batch packed bed photoreactor