Nanocellulose composites for degradation of organic contaminants
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2018-10-02
Department
Major/Subject
Fibre and polymer engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
55+7
Series
Abstract
The growing water pollution has increased the need for efficient and inexpensive water purification methods. In addition to contaminant adsorption, photodegradation of organic contaminants catalysed by semiconductors, such as titanium dioxide (TiO2), has been widely investigated. To reduce the amount of residual catalyst nanoparticles in the purified water, composite structures are often utilised. Nanofibrillated cellulose (NFC), also called cellulose nanofibers (CNF), is a feasible support material to bind the catalyst nanoparticles owing to its large specific surface area and thus adsorption capacity, good mechanical properties and tuneable surface chemistry. In this work, TiO2-NFC nanocomposites were prepared in situ by low temperature sol-gel synthesis, and based on commercial constituents. The resulting composites were characterised using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, tensile testing, and nitrogen adsorption to determine the surface area. The surface charges were also measured. Photodegradation of the contaminants was investigated using two model contaminants, cationic methylene blue and anionic methyl orange. The adsorption and photodegradation efficiencies of the composites were tuned by changing the ratio of TiO2 and NFC, as well as using NFCs with different charges. The contaminant adsorption was promoted on composites with an opposite charge compared to that of the contaminant. However, degradation efficiency was also improved, especially at high dye concentrations, when using composites with a similar charge to that of the contaminant. The photoactivity of the anatase crystal form of TiO2 was also extended from UV- to visible light region using calcination of the composites. The best dye removal was achieved at calcination temperature of 350°C. The results show the potential of composites produced economically with green technology processes to be used in efficient photodegradation of organic contaminants in water.Veden lisääntyvä saastuminen on kasvattanut tehokkaiden ja edullisten vedenpuhdistusmenetelmien tarvetta. Orgaanisia epäpuhtauksia voidaan poistaa vedestä adsorption lisäksi puolijohteiden katalysoimalla valohajoamisella. Titaanidioksidia (TiO2) on tutkittu laajasti tähän tarkoitukseen. Komposiittirakenteita käytetään usein minimoimaan puhdistettuun veteen jäävien TiO2-nanopartikkelien määrää. Nanofibrilloidulla selluloosalla (NFC) on monia ominaisuuksia, joiden ansiosta se soveltuu hyvin käytettäväksi komposiiteissa sitomassa katalyyttinanopartikkeleita: suuri ominaispinta-ala ja täten adsorptiokyky, hyvät mekaaniset ominaisuudet sekä muokattava pintakemia. Tässä työssä TiO2-NFC komposiitteja valmistettiin sekä syntetisoimalla TiO2 NFC-kuitujen pinnalle matalassa lämpötilassa sooli-geeli-menetelmää käyttäen, että sekoittamalla kaupallisia ainesosia. Tuotettujen materiaalien analysoinnissa käytettiin röntgendiffraktiota, pyyhkäisyelektronimikroskopiaa, vetolujuustestausta sekä typen adsorptiota ominaispinta-alan määrittämiseksi. Myös materiaalien pintavaraukset määritettiin. Epäpuhtauksien valohajoamista tutkittiin kahta malliyhdistettä, metyleenisinistä ja metyylioranssia käyttäen. Komposiittien adsorptio- ja valohajotuskykyä muokattiin muuttamalla TiO2:n ja NFC:n suhdetta sekä käyttämällä eri pintavarauksen omaavia NFC:itä. Epäpuhtauksien adsorptio oli tehokkainta komposiiteilla, joilla oli epäpuhtauteen nähden vastakkainen varaus. Erityisesti korkeissa väriainepitoisuuksissa valohajotus oli kuitenkin tehokasta myös saman varauksen omaavaa komposiittia käyttäen. TiO2-kiteiden valoaktiivisuutta laajennettiin UV-aallonpituuksilta näkyvän valon aallonpituuksille komposiitteja kalsinoimalla. Optimaalinen kalsinointilämpötila väriaineiden poistolle oli 350°C. Tulokset osoittavat edullisilla, vihreää teknologiaa käyttävillä prosesseilla tuotettujen komposiittien potentiaalin orgaanisten epäpuhtauksien puhdistamisessa vedestä.Description
Supervisor
Ikkala, OlliThesis advisor
Hassinen, JukkaLehtonen, Janika
Keywords
nanocellulose, NFC, TiO2, composite, photodegradation, water purification