New Photocatalytic Nanocomposites Layered on Building Substrates for the Abatement of Xenobiotic [PollutantsNuovi Nanocompositi Fotocatalitici Depositati su Cemento per l’Abbattimento di Inquinanti Xenobiotici]

Gli inquinanti xenobiotici derivano dalla produzione su larga scala di composti sintetici usati per scopi industriali, agricoli e domestici. Questi rappresentano alcuni degli inquinanti più insidiosi, essendo responsabili di danni alla salute umana (malattie respiratorie, alterazioni delle funzioni neuro-comportamentali, ecc.) e all'ambiente (formazione di ozono e particelle fini nell'atmosfera). Tra gli inquinanti xenobiotici, i composti aromatici, e in particolare i BTEX (benzene, toluene, etilbenzene e xilene), sono particolarmente difficili da degradare. I BTEX costituiscono oltre il 60% dei composti organici volatili (VOC) nelle aree urbane, contaminano acqua, aria e suolo e provocano cancro e malattie neurologiche. Esistono diverse tecniche per la rimozione dei VOC, molte delle quali però risultano costose, energivore e/o difficili da applicare in ambiente urbano. Ad esempio, l'ossidazione termica garantisce un'elevata efficienza nella rimozione dei VOC, ma richiede alte temperature, con la possibile formazione di inquinanti secondari che necessitano di ulteriori trattamenti. La degradazione fotocatalitica, invece, non richiede apporti energetici esterni (a eccezione della luce, solitamente solare). Tuttavia, in quest'ultimo caso, l'utilizzo di nanoparticelle di fotocatalizzatore sottoforma di polvere sospesa ne rende necessaria la successiva separazione dai fluidi depurati, richiedendo trattamenti di recupero costosi. Sebbene i trattamenti tradizionali offrano in ambito industriale un'elevata efficienza nella rimozione dei VOC, l'alto fabbisogno energetico, i costi e i tempi richiesti ne rendono difficile l'implementazione in ambiente urbano. Per affrontare il problema della qualità dell'aria in ambienti urbani e industriali, questo progetto mira a utilizzare le ampie superfici edilizie esistenti (in particolare cemento e vetro, tra i più comuni materiali da costruzione) per l'abbattimento di inquinanti in fase gas e acquosa. L’obiettivo è stato raggiunto tramite lo sviluppo e la caratterizzazione di nanocompositi fotocatalitici a base polimerica applicabili su tali superfici. L'attività fotodegradativa di questi materiali è stata valutata contro inquinanti xenobiotici modello tramite test fotocatalitici effettuati in ambiente acquoso e gassoso. Inoltre, è stato verificato che i sistemi sviluppati soddisfino le proprietà chimico-fisiche richieste per l'abbattimento degli inquinanti e la stabilità meccanica necessaria per i rivestimenti su materiali cementizi. Lo studio è iniziato analizzando l'efficacia fotochimica di diverse nanoparticelle fotocatalitiche, comuni (diossido di titanio, TiO2) e meno comuni, come il tetrossido di manganese (Mn3O4), il diossido di cerio (CeO2) e sistemi compositi come TiO2-SiC e Mn3O4-ZrO2, selezionati in base alla loro abbondanza, biocompatibilità, stabilità e capacità di generare portatori di carica per l'attività fotocatalitica. I test preliminari in ambiente acquoso, utilizzando il Blu di Metilene come inquinante modello, hanno mostrato le migliori prestazioni fotocatalitiche esercitate da TiO2 ed i suoi sistemi multi-ossido, fornendo così la base per lo sviluppo di nanocompositi a base di TiO2. Poiché i polimeri offrono diversi vantaggi come materiali di supporto, tra cui inerzia chimica e facilità di lavorazione, la fase successiva ha previsto la selezione di matrici polimeriche appropriate per i sistemi fotocatalitici. Basandosi su trasparenza, filmabilità ed economicità, tre polimeri comunemente usati – polivinilacetato (PVAc), polimetilmetacrilato (PMMA) e polistirene (PS) – sono stati scelti come matrici per i nanocatalizzatori. I nanocompositi a base polimerica sono stati sintetizzati mediante polimerizzazione radicalica in massa e in situ, garantendo la crescita delle catene polimeriche all'interno delle nanoparticelle fotocatalitiche, così da evitarne la successiva aggregazione. I test fotocatalitici contro inquinanti modello in ambiente acquoso hanno rivelato che la scelta della matrice polimerica influisce significativamente sull'efficienza fotocatalitica. In particolare, i nanocompositi a base di PMMA hanno mostrato la massima efficienza fotodegradativa, attribuibile alle proprietà ottiche del PMMA, che migliorano il trasferimento dei fotoni verso le nanoparticelle fotocatalitiche. Invece, i sistemi a base di PS hanno mostrato un'attività fotocatalitica trascurabile a causa della loro bassa bagnabilità, mentre quelli a base di PVAc hanno mostrato prestazioni intermedie. Per eseguire i test di abbattimento degli inquinanti gassosi, è stato progettato un fotoreattore in vetro, rivestito con nanocompositi e illuminato con una lampada che simula la luce solare. I risultati sperimentali hanno confermato le migliori prestazioni del sistema PMMA@TiO2 rispetto al TiO2 in polvere, con efficienze di degradazione di circa il 43% per il toluene, il 49% per l'acetone e il 32% per l'etanolo. Questi risultati mostrano il potenziale di questi sistemi se applicati su ampie superfici vetrose, come piastrelle o facciate in vetro, ed esposti ad inquinanti reali, sfruttando la luce solare come fonte di energia sostenibile per la purificazione dell'aria. Il fulcro della ricerca è stata l'applicazione di nanocompositi fotocatalitici su superfici cementizie, che costituiscono una parte significativa delle infrastrutture urbane e, grazie alla loro natura porosa, offrono una superficie ancora più ampia per potenziali rivestimenti fotocatalitici. Spostando l'attenzione all'ambiente gassoso, sono stati effettuati test fotocatalitici in presenza di toluene in fase gas, applicando i nanocompositi su campioni di cemento per simulare le superfici edilizie. I risultati sperimentali hanno dimostrato le migliori prestazioni del sistema a base di PMMA, anche con l'incorporazione dei fotocatalizzatori meno comuni. Complessivamente, tutti i sistemi di nanocompositi studiati hanno mostrato un'attività fotochimica superiore rispetto ai sistemi fotocatalitici convenzionali a base di cemento. Poiché le condizioni ambientali come luce solare, umidità e fluttuazioni di temperatura possono interferire con la matrice polimerica, causando una perdita di prestazioni fotocatalitiche e potenziali fenomeni di rilascio di nanoparticelle, sono stati condotti test di invecchiamento in una camera climatica controllata. I test, progettati per simulare le condizioni ambientali delle regioni mediterranee per 3 mesi, hanno rivelato che il nanocomposito PMMA@TiO2 ha mantenuto la sua efficienza fotocatalitica nel tempo. Mentre, inaspettatamente, il sistema PS@TiO2 ha migliorato le sue prestazioni, probabilmente grazie all'ossidazione superficiale del PS, che aumenta la sua idrofilicità migliorando così il fisisorbimento e la degradazione degli inquinanti. Al contrario, il PVAc@TiO2 ha subito una degradazione idrolitica, influendo negativamente sulla stabilità e sulle prestazioni a lungo termine. Infine, per verificare l'applicabilità dei nuovi sistemi utilizzando metodi di deposizione convenzionali, sono stati effettuati test reologici per ottenere dati sulle caratteristiche di flusso e comportamento tixotropico. I risultati hanno dimostrato che la deposizione spray è, potenzialmente, la tecnica più promettente, garantendo una copertura uniforme su ampie superfici. Inoltre, questa tecnica è adatta per un approccio di deposizione automatizzata (ad esempio, utilizzando droni), rendendola vantaggiosa per applicare i rivestimenti fotocatalitici in aree difficili da raggiungere, come edifici alti e strutture industriali. In conclusione, questa tesi presenta i nanocompositi fotocatalitici a base polimerica come una soluzione innovativa per la bonifica ambientale in ambienti urbani. Le notevoli prestazioni fotocatalitiche dei sistemi a base di PMMA contenenti anche fotocatalizzatori poco comuni, in ambienti gassosi e acquosi, combinate con la loro durabilità e facilità di applicazione, li rendono potenzialmente idonei per un'implementazione commerciale. I risultati della ricerca potrebbero offrire benefici economici, ambientali e sociali, fornendo una tecnologia pronta all'uso che sfrutta impianti industriali già esistenti per la produzione di nanocompositi fotocatalitici. Inoltre, utilizzando le superfici edilizie già esistenti come substrati, questo sistema fornisce una soluzione immediata e conveniente per ridurre l'inquinamento di aria e acqua nell'ambito dell'Industria 4.0.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• RACITI, GIULIA

Contributors dc:contributor

• COMPAGNINI, Giuseppe Romano

• BTEX (Benzene
• Toluene
• Ethylbenzene
• Xylene)
• Xenobiotic Volatile Organic Compounds (VOCs)
• Polymer-based Photocatalytic Nanocomposite
• Environmental Remediation
• Photodegradation
• Metal oxide photocatalyst
• Sustainable air purification
• Photocatalysts for building materials
• Etilbenzene
• Xilene)
• Composti Organici Volatili (VOC) xenobiotici
• Nanocompositi fotocatalitici a base polimerica
• Bonifica ambientale
• Fotodegradazione
• Fotocatalizzatori a base di ossidi metallici
• Purificazione sostenibile dell'aria
• Fotocatalizzatori per materiali da costruzione

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/685314

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/685314