Water decontamination from organic micropollutants via photocatalytic solar systems based on WO3 photoanodes

Nell'ambito del trattamento delle acque è emersa la necessità di sviluppare nuovi materiali e processi al fine di consentire un'efficiente rimozione di contaminanti emergenti, quali droghe e antibiotici, attualmente presenti nei bacini idrici, sfruttando un approccio sostenibile. I metodi di fotocatalisi e di fotoelettrocatalisi innescati da luce solare sono tra i processi di ossidazione avanzata più efficaci per la decontaminazione delle acque. Tali metodi sono basati sull'interazione in acqua di luce solare con ossidi semiconduttori; questa interazione genera specie chimiche altamente reattive, capaci di ossidare i microinquinanti organici, quindi purificando l'acqua. In questo lavoro sono presentati due dispositivi solari, ossia un concentratore solare e un reattore autonomo modulare, il cui principio di funzionamento si basa sui processi di fotocatalisi e fotoelettrocatalisi. Come materiale attivo integrato all'interno dei dispositivi solari è stato studiato il triossido di tungsteno nanostrutturato. In particolare, diverse tecniche di realizzazione (solvotermale, anodizzazione elettrochimica, e sol-gel) sono state caratterizzate sfruttando substrati in vetro e metallo. Gli elettrodi basati su WO3 hanno raggiunto fotocorrenti di 1-5 mA/cm2, consistenti con quelle riportate in letteratura, e un'attivazione nella parte visibile dello spettro solare fino a 470 nm. I test di fotodegradazione, effettuati su alcuni specifici medicinali, hanno mostrato notevoli risultati, con un abbattimento pressoché totale di alcuni inquinanti, e una diminuzione di oltre il 60% del COD (Domanda Chimica di Ossigeno) in 1 ora. Entrambi i dispositivi solari possono essere ampliati in un prossimo futuro a scopi industriali per il trattamento terziario delle acque, sfruttando un processo sostenibile, senza costi energetici aggiuntivi e con una possibile produzione di idrogeno come valore aggiunto al processo di decontaminazione.

The development of new materials and processes with a sustainable approach to allow an efficient removal from water sources of emergent contaminants, such as drugs and antibiotics, currently represents the next challenging task in water decontamination field. Photocatalysis and photoelectrocatalysis processes triggered via sunlight are among the most efficient Advanced Oxidation Processes for water decontamination. These methods are based on the interaction in water of natural light with oxide semiconductors, which generate high-reactive chemical species able to oxidize the organic micropollutants. Here, the realization of two solar devices is presented, namely a parabolic concentrator and a modular stand-alone reactor. Their working principle is based on the photocatalysis and photoelectrocatalysis processes. As active material integrated within the solar devices, nanostructured tungsten trioxide was investigated via several realization techniques (solvothermal, electrochemical oxidation, and sol-gel) on glass and metal substrates. WO3-based electrodes attained photocurrents in the range of 1-5 mA/cm2, consistent with literature, and an activation in the visible part of the solar spectrum, up to 470 nm. Photodegradation tests, carried out on several specific drugs, showed outstanding results with an almost complete abatement in case of some pollutants, and a COD (Chemical Oxygen Demand) decrease of more than 60% in 1 h. Both the solar devices could be scaled up in the next future for industrial scopes within the tertiary water treatment. Most importantly, they use a sustainable process, without additional energy costs, and with a possible hydrogen production as added value to the decontamination process.