Fotokatalyyttisen titaanidioksidin käyttö vedenpuhdistuksessa

Abstract

Lääkeaineiden, väriaineiden, raskasmetallien ja muiden epäpuhtauksien lisääntyvä esiintyminen vesissä aiheuttaa merkittäviä terveys- ja ympäristöriskejä, mikä edellyttää tehokkaita käsittelyratkaisuja. Perinteiset vedenkäsittelymenetelmät eivät aina ole riittävän tehokkaita ja saattavat aiheuttaa myrkyllisten sivutuotteiden muodostumisen. Fotokatalyysi on osoittautunut lupaavaksi ja ympäristöystävälliseksi lähestymistavaksi epäpuhtauksien hajottamisessa valon avulla. Titaanidioksidi on fotokatalyysissä tutkituin ja käytetyin puolijohdefotokatalyytti sen kemiallisen rakenteen, myrkyttömyyden, alhaisen hinnan sekä sähköisten ja optisten ominaisuuksien ansiosta. Tässä työssä tutkitaan titaanidioksidin rakenteen, ominaisuuksien ja sooli-geelimenetelmän merkitystä fotokatalyyttisessä vedenpuhdistuksessa. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena.

Titaanidioksidin kolmesta kidemuodosta anataasi on fotokatalyyttisesti aktiivisin, koska se on epäsuora puolijohde, kun taas rutiili ja brookiitti ovat suoria puolijohteita. Elektronien ja aukkojen rekombinaatio on hitaampi epäsuorassa puolijohteessa, jolloin ne pystyvät osallistumaan paremmin epäpuhtauksien hajottamiseen. Fotokatalyysissä valo aktivoi fotokatalyytin pinnan, jolloin epäpuhtaudet voivat hajota suoraan tai hapettumis-pelkistymisreaktioiden kautta muodostuneiden reaktiivisten superoksidi- ja hydroksyyliradikaalien ansiosta. Titaanidioksidin käyttöä fotokatalyyttinä rajoittaa kyky absorboida vain UV-säteilyä suuren energiavyön takia sekä elektronien ja aukkojen nopea rekombinaatio. Fotokatalyyttistä suorituskykyä on kuitenkin mahdollista parantaa esimerkiksi kokatalyyttien, rakenteen seostamisen sekä synteesimenetelmän optimoinnin avulla. Tässä työssä tutustutaan tarkemmin sooli-geelimenetelmään titaanidioksidin valmistuksessa.

Sooli-geelimenetelmä on märkäkemiallinen tekniikka, joka mahdollistaa alhaiset prosessointilämpötilat ja hyvän hallittavuuden rakenteen ja morfologian suhteen. Tällä synteesitekniikalla voidaan tuottaa puhtaita, huokoisia ja reaktiivisia titaanidioksidinanopartikkeleita. Lisäksi sooli-geelimenetelmällä on mahdollista prosessoida titaanidioksidi kuiduiksi ja kalvoksi. Tämä mahdollistaa titaanidioksidin monipuolisen käytön fotokatalyysissä.

Fotokatalyyttisen vedenpuhdistuksen tehokkuuteen vaikuttavat erityisesti jäteveden pH, konsentraatio ja lämpötila. Lisäksi fotokatalyytin annostuksella ja säteilyn intensiteetillä on suuri merkitys epäpuhtauksien hajottamisessa. Fotokatalyyttistä vedenpuhdistusta on mahdollista toteuttaa fotokatalyysireaktoreilla. Reaktorit voidaan yleisesti jakaa lietereaktoriin ja immobilisoituihin reaktoreihin. Lietereaktori mahdollistaa paremman epäpuhtauksien hajoamisnopeuden ja fotonien absorptionopeuden kuin immobilisoidut reaktorit.

Titaanidioksidin käyttö fotokatalyyttisessä vedenpuhdistuksessa on tehokas tapa hajottaa epäpuhtauksia ympäristöystävällisemmiksi lopputuotteiksi, kuten hiilidioksidiksi ja vedeksi. Keskeisiä kehittämiskohteita ovat kuitenkin titaanidioksidin tehokkuuden parantaminen näkyvässä valossa sekä fotokatalyysireaktoreiden integrointi teollisuuteen.