Orientador: Maria Valnice Boldrin / Banca: Hideko Yamanaka / Banca: Mercedes de Moraes / Banca: Jeosadaque José de Sene / Banca: Denise Alves Fungaro / Resumo: Os estudos de degradação do corante VAT idantreno verde oliva foram realizados empregando-se solução 5x10-5 mol L-1 do corante em meio de NaCl 0,1 mol L-1 , pH=2,0 por meio do processo fotoeletrocatalítico sobre eletrodos de filmes finos de Ti/TiO2. Após 210 min de tratamento foi obtido 100% de descoloração e 86 % de mineralização. A aplicação do método fotocatalítico nas mesmas condições experimentais leva a apenas 60% de remoção do corante, indicando que o método fotoeletrocatalítico apresenta maior eficiência que a técnica de fotocatálise. A degradação do corante ácido vermelho 8 foi investigada através de processo fotoquímico empregando irradiação UV com lâmpada germicida de 4 W e lâmpada de mercúrio de 80 W. Foi observado significativa remoção da cor, porém análises de carbono orgânico total mostraram que o processo não apresenta nenhuma mineralização da matéria orgânica. Utilizando-se lâmpada de 80 W a degradação do corante ocorre segundo reação de pseudo primeira ordem com constante de velocidade de 0,0122 min-1 . A degradação do corante vermelho 8 é mais eficiente pelo processo fotocatalítico. A oxidação fotocatalítica de solução 5x10-5 mol L-1 do corante em meio de Na2SO4 0,1 mol L-1 , pH=6,0, sobre vidro/TiO2 promoveu 100 % de remoção da cor e aproximadamente 43 % de mineralização do corante. A eficiência fotocatalítica de filmes de TiO2 suportados em substrato de vidro obtidos pelo método dip-coating foi investigada testando-se a degradação do corante ácido vermelho em filmes obtidos variando-se os parâmetros: número de etapas de recobrimento, velocidade de deposição e temperatura de calcinação. O filme que mostrou maior eficiência fotocatalítica na degradação do corante ácido vermelho 8, foi construído com 1 depósito de TiO2, velocidade de recobrimento de 50 mm/min e temperatura... (resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Studies of degradation of the dye VAT Indanthrene olive green were performed using solution was 5x10-5 mol L-1 dye in NaCl 0.1 mol L-1 , pH = 2.0 through the process photoelectrocatalytic thin-film electrodes Ti/TiO2. After 210min of treatment was obtained 100% discoloration and 86% of mineralization. The application of the photocatalytic the same experimental condition leads to 60% removal of dye, indicating that the method photoelectrocatalytic is more efficient than the technique of photocatalysis. The degradation of acid red dye 8 was investigated by photochemical process using irradiation with UV germicidal lamp 4W and mercury lamp of 80W. Have been observed significant removal of color, but the analysis of carbon organic total no shows mineralization of organic matter. Using 80W lamp degradation of the dye is second reaction under pseudo first order rate constant of 0.0122 min-1 . The degradation of the red dye 8 is more efficient for the photocatalytic process. The photocatalytic oxidation of solution 5x10-5 mol L-1 dye in the midst of Na2SO4 0.1 mol L-1 , pH= 6.0 on glass/TiO2 promoted 100% removal of color and approximately 43% mineralization of the dye. The efficiency of photocatalytic TiO2 films supported on glass substrate obtained by dip-coating method was investigated by testing the degradation of acid red dye in films obtained by varying the parameters: number of steps of coating, deposition rate and temperature calcination. The film showed better photocatalytic degradation of dye Acid Red 8, was built with 1 deposit TiO2, coating speed of 50 mm/min and calcination temperature of 350°C film. Under these conditions the degradation of the dye second reaction is pseudo first-order rate constant of degradation of k = 0.121 min-1 . Therefore, it is concluded that the technique of photolysis and photocatalysis can be an excellent alternative to decolorize... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Entre os processos oxidativos avançados, a fotocatálise heterogênea tem se destacado na degradação de poluentes recalcitrantes aos tratamentos convencionais. Neste processo, a geração de espécies radicalares ocorre a partir de uma fotoreação catalisada por materiais semicondutores, sendo o dióxido de titânio um dos mais utilizados, principalmente, devido a sua estabilidade química e baixo custo. A estrutura do TiO2 possui grande influência no processo fotocatalítico. Neste trabalho buscou-se preparar, a partir do TiO2 comercial e do TiO2 sintetizado pelo método sol gel, diferentes nanoestruturas do dióxido de titânio e avaliar o desempenho fotocatalítico destes materiais na degradação de fenol. Utilizando o tratamento hidrotérmico em meio fortemente alcalino, foi possível obter materiais nanoestruturados com maior área superficial, de até 308 m2 g-1. O tratamento foi aplicado em três diferentes precursores, com diferentes morfologias inicias. Avaliou-se o efeito de diferentes temperaturas (120 e 200 ºC) e tempos de tratamento (12, 24 e 48 horas), a fim de avaliar a influência das condições de tratamento e da morfologia inicial nos materiais obtidos. As amostras obtidas foram empregadas como catalisadores na degradação do poluente fenol por fotocatalise heterogênea. Em dois dos precursores estudados foram obtidas estruturas nanotubulares quando empregou-se condições mais brandas de tratamento. Em temperaturas mais severas, observou-se a formação de nanobastões. As amostras nanotubulares derivadas do TiO2 comercial anatásio, quando aplicadas na degradação do fenol, permitiram porcentagens de degradação superiores ao do precursor. Quando calcinadas, as amostras apresentaram resultados ainda melhores. O material tratado por 48 horas à 120 ºC possibilitou uma degradação de cerca de 100% do poluente, após 3 horas de irradiação. Utilizando três precursores com morfologias iniciais distintos foram observados resultados diferentes quanto a formação de nanoestruturas e atividade fotocatalítica, sendo o material obtido utilizando o TiO2 comercial anatásio, o que apresentou melhores resultados na degradação do fenol. / Among the advanced oxidation processes, heterogeneous photocatalysis has attracted great attention due the degradation of pollutants recalcitrant to conventional treatments. In this process, the generation of radical species takes place from a photoreaction catalyzed by semiconductor materials. Titanium dioxide is the most used catalyst mainly because of its chemical stability and low cost. The TiO2 structure has great influence on the photocatalytic process. In this study, different nanostructures of titanium dioxide were prepared from commercial TiO2 and TiO2 synthesized by sol gel method. The performance of these materials was evaluated the on the photocatalytic degradation of phenol. Using the hydrothermal treatment in strongly alkaline media, it was possible to obtain nanostructured materials with higher surface area, up to 308 m2 g-1. The treatment was employed in three different precursors with different initial morphology. It was evaluated the effect of different temperatures (120 and 200 °C) and treatment times (12, 24 and 48 hours) to assess the influence of processing conditions and of the initial morphology. The different materials were employed as catalysts in the phenol degradation by heterogeneous photocatalysis. In two precursors studied, nanotubular structures were obtained when it was used milder conditions of treatment. In more severe temperatures, it was observed nanorods formation. Nanotubular samples were obtained from commercial TiO2 anatase. When applied to the degradation of phenol, this material allowed degradation percentages higher than the precursor. When calcined, these samples showed even better results. The material treated for 48 hours at 120 °C allowed a phenol degradation of almost 100% after 3 hours of irradiation. Using three precursors with different initial morphologies it was observed different results regarding the formation of nanostructures and photocatalytic activity. The material obtained from the commercial anatase TiO2 it was the sample which presented the best result in the degradation of phenol

La pollution actuelle des effluents hospitaliers par des médicaments, nécessite le développement de nouvelles techniques de traitement, la photocatalyse étant l’une des plus efficaces pour remédier à ce type de pollution. Cependant, les oxydes métalliques utilisés pour la photocatalyse (TiO2, ZnO, …) ne sont activables que sous irradiation UV. L’association de ces oxydes à des Quantum Dots (QDs), crée une hétérojonction qui étend la zone d’activation du photocatalyseur vers les rayonnements visibles et diminue les recombinaisons des porteurs de charges. La première partie de ce travail décrit le développement d’un photocatalyseur activable sous irradiation solaire pour la dégradation du colorant Orange II. Nous avons d’abord caractérisé l’hétérojonction créée entre ZnO et les QDs CuInS2/ZnS (ZCIS) puis étudié leur efficacité photocatalytique, en regardant notamment leurs capacités à générer des espèces réactives de l’oxygène. Dans la seconde partie, nous avons évalué la photodégradation d’un agent anticancéreux, l’Ifosfamide, présent dans les effluents hospitaliers. Pour cela, des réacteurs fermés agités et des microréacteurs ont été utilisés. Dans les deux cas, l’Ifosfamide, ainsi que ses intermédiaires de dégradation, sont photodégradés efficacement par le catalyseur ZnO/ZCIS sous une irradiation solaire de faible intensité (5 mW/cm2). Dans le cas des microréacteurs, le dépôt du catalyseur dans le microcanal a été optimisé et sa stabilité évaluée. Les résultats montrent que le catalyseur ZnO/ZCIS est réutilisable cinq fois sans perte d’activité, témoignant d’une bonne recyclabilité, ce qui en fait un bon candidat pour des applications photocatalytiques / The pollution of hospital effluents by pharmaceutical drugs, requires the development of new treatment techniques. Among these processes, photocatalysis is one of the most efficient one and allows the remediation of this kind of pollution. However, metal oxides used for photocatalysis (TiO2, ZnO, …) can only be activated by UV light. The association of these oxides with quantum dots (QDs) creates an heterojunction, which not only allows to extend the activation spectrum of the photocatalyst to the visible region but also decreases the charge carriers recombinations. The first part of this work describes the development of a catalyst responding to solar light irradiation for the degradation of the Orange II dye. First, we characterized the heterojunction created between ZnO and the CuInS2/ZnS (ZCIS) QDs and evaluated their photocatalytic efficiency. This work was undertaken by evaluating the capacity of the ZnO/ZCIS catalyst to produce reactive oxygen species (ROS). In the second part, we studied the photodegradation of the antineoplastic agent Ifosfamide commonly found in hospital effluents. For this purpose, closed and agitated reactors but also microreactors were used. In both cases, Ifosfamide, and the compounds originating from its degradation, can be fully photodegraded under simulated light of weak intensity (5 mW/cm2) using the ZnO/ZCIS catalyst. In the case of microreactors, the deposition of the catalyst was optimized and its stability evaluated. Results obtained demonstrate that the ZnO/ZCIS catalyst can be reused, at least five times, without significant loss in activity, thus demonstrating its ability to be used in real photocatalytic applications

O dióxido de titânio (TiO2) é atualmente um dos catalisadores mais utilizados para remoção de poluentes em efluentes, devido a sua alta estabilidade química, baixo custo, não toxicidade e possibilidade de ativação por radiação solar. O ferricianeto ()63− é um dos complexos cianometálicos mais estáveis gerados nos efluentes da mineração aurífera. Nesta pesquisa se apresenta o estudo de degradação deste complexo por meio de fotolise, fotocatálise com TiO2, e fotocatalise assistida com peróxido (H2O2). Para conferir a degradação do complexo foram analisados ao final do processo, parâmetros químicos como quantificação de cianeto livre, formação de amônia, nitrato, assim como precipitação de ferro metálico. Os ensaios foram feitos no Laboratório de Fotoquímica e Superfícies-LAFOS da Universidade Federal Rio Grande do Sul por meio de uma lâmpada de irradiação UV, o reagente utilizado foi o ferricianeto de potássio [K3Fe(CN)6] grau analítico, preparado como uma solução sintética em condições próximas do pH dos efluentes de mineradoras, a pesquisa foi conduzida em condições de pressão e temperatura ambiente (1 atm e 25°C), testando diferentes concentrações de TiO2 e um analise sob irradiação solar. A partir de uma solução de 100 mg L-1 o efeito da fotólise demostrou que o complexo estudado apresenta uma grande estabilidade uma vez que em condições de irradiação UV (λ>300nm) foi observada uma baixa taxa de degradação após um período de 24 h, abaixo de 20%, enquanto em um sistema de fotocatálise heterogênea com TiO2 em condições alcalinas foram obtidas degradações de até 70%. O melhor resultado se atingiu no sistema de fotocatalise assistida com peroxido, sendo usado 2.5 vezes menos peroxido do que é utilizado na indústria, alcançando 83% degradação para um dos complexos mais estáveis formado pelo cianeto, o ferricianeto. Foram avaliados diferentes parâmetros para analisar o comportamento e degradação do complexo ferricianeto, como por exemplo a adsorção em fase escura do complexo sobre o catalisador; efeito da dosagem de TiO2, ação do H2O2 em baixa concentração, incidência da radiação UV em diferentes fontes com potência de 120 e 200 W e finalmente com radiação solar. Os resultados obtidos mostraram a influência do TiO2 junto com irradiação UV para atingir a degradação do complexo e formação de produtos menos tóxicos. / Titanium dioxide (TiO2) is one of the most frequently used catalysts applied for effluent treatment by pollution removal due to its high chemical stability, low cost, non-toxicity and the solar power is capable to activated it. Ferricyanide ()63− is one of the most stable cyanometallic complexes generated in the gold mining effluents. This research presents the study degradation of this complex by means of photolysis, photocatalysis with TiO2, and photocatalysis assisted with peroxide (H2O2). In order to verify the degradation of the complex, chemical parameters such as quantification of free cyanide, formation of ammonia, nitrate, as well as precipitation of metallic iron were analyzed at the end of the process. The tests were conducted at LAFOS (Surface and Photochemistry Laboratory) at UFRGS (Federal University of Rio Grande do Sul), using a UV irradiation lamp, the reagent used was potassium ferricyanide [K3Fe(CN)6] analytical grade, prepared as a synthetic solution with pH close to what is found at mining companies effluents. The tests were performed at normal temperature and pressure (1 atm e 25°C), testing different concentrations of TiO2 and an analysis under solar irradiation. From a solution of 100 mg L-1 the photolysis effect showed that the complex studied feature a high stability since under UV irradiation conditions (λ> 300 nm) a low degradation rate was observed after a period of 24 h, below 20%, whereas in a heterogeneous photocatalysis system with TiO2 under alkaline conditions degradations of up to 70% were obtained. The best result was obtained in the peroxide assisted photocatalysis system, using 2.5 times less peroxide than is used by the industry, reaching 83% degradation to one of the most stable complexes formed by cyanide, ferricyanide. Different parameters were used to analyze the degradation of ferricyanide complex, such as adsorption in dark stage over the catalyst; low concentration of H2O2, effects from TiO2 dosage, UV radiation incidence from different sources of 120 and 200W and finally solar radiation. The results obtained show the TiO2 influence along with UV irradiation to achieve degradation of the complex and less toxic products.

Atualmente, a nanociência e nanotecnologia são consideradas como um campo emergente onde, continuamente, as barreiras entre as disciplinas são rompidas. Seu principal foco de estudo consiste em buscar o controle estrutural ao nível molecular, arranjando os átomos de modo a se conseguir um entendimento e controle das propriedades fundamentais da matéria. Neste estudo foram propostas modificações moleculares e, consequentemente, na morfologia, propriedades ópticas e cristalinas em filmes finos de TiO2 com o objetivo de aumentar sua eficiência fotônica. Os filmes finos de TiO2 foram preparados pelo processo sol-gel avaliando a influência de diferentes ácidos e agente direcionador para a obtenção dos arranjos nanoestruturados. A seguir, os filmes que apresentaram maior eficiência fotônica foram incorporados com nanopartículas metálicas (Au, Ag, Pd e Pt) com objetivo de minimizar os processos de recombinação eletrônica do par lacuna/elétron. Das diversas rotas estudadas, os filmes finos de TiO2 preparados com ácido acético obtiveram maior eficiência fotônica devido à pouca aglomeração dos grãos de titânia, o que pode ter favorecido uma maior exposição dos sítios fotocatalíticos. A presença do agente direcionador na formulação teve pouco efeito na eficiência fotônica, possivelmente devido à maior aglomeração dos grãos nos filmes finos de TiO2. Com a adição de nanopartículas metálicas, os filmes finos de TiO2 com nanopartículas de platina e ouro apresentaram maior eficiência fotônica. A presença de hexamina nos filmes finos de TiO2 com nanopartículas metálicas teve pouca influência na eficiência fotônica, exceto com nanopartículas de platina e ouro. A melhora da eficiência fotônica, nestes casos, pode ser atribuída a uma possível diminuição da velocidade de recombinação do par lacuna/elétron. Dessa forma, com o presente trabalho pôde-se comprovar a grande influência das condições de preparação do TiO2 nas propriedades ópticas, morfológicas e na eficiência fotônica. Futuramente, com o maior entendimento do mecanismo desta influência poder-se-ão delinear de forma mais precisas a morfologia e eficiência fotônica destes filmes finos de TiO2, conforme a aplicação a qual serão destinados. / Currently, nanoscience and nanotechnology are considered an emerging field and continuously breaking the barrier among various disciplines. The main focus of study involves controlling structures at molecular level, arranging the atoms in order to achieve an understanding and controlling the fundamental properties of matter. In this study, molecular changes on the basis of morphology, optical and crystalline properties of TiO2 thin films in order to increase their photon efficiency were proposed. The TiO2 thin films were prepared by solgel process evaluating the influence of different acids and templates to obtain the nanostructured arrangements. Then, metal nanoparticles like Au, Ag, Pd and Pt were incorporated on TiO2 thin films. This incorporation might minimize the electron-hole recombination, so it could improve the photon efficiency. From the several routes studied, the TiO2 thin films prepared with acetic acid showed the best performance by the reason of low agglomeration of TiO2 grains, which favors the exposure of the photoactive sites. The presence of template in the formulation had a slightly effect on photon efficiency, possible due to the higher agglomeration of the grains on the TiO2 thin films. The addition of Pt and Au nanoparticles on TiO2 thin films showed superior photon efficiency. The TiO2 thin films with hexamine and metallic nanoparticles did not show the improvement on photon efficiency except for Pt and Au nanoparticles. On these situations, the improvement on photon efficiency is might be due to a possible decrease at the electron-hole recombinations velocity. Thus, the present work demonstrates the great influence of preparation conditions on the optical, morphological properties and the photon efficiency. In the future, with greater understanding of the mechanism of this influence, the properties of TiO2 thin films will be able tailoring depending on the application.

O presente trabalho objetivou estudar aspectos relacionados ao projeto de processos de tratamento de águas efluentes industriais baseados em reatores fotoquímicos. Estudou-se uma unidade de tratamento constituída por um reator solar tubular com coletores parabólicos compostos, o qual opera acoplado a um reator com lâmpadas do tipo tanque. O modelo matemático para simulação do processo foi adaptado a partir dos resultados experimentais obtidos em trabalhos anteriores da equipe de pesquisa deste Departamento, principalmente por Ribeiro (2009). O modelo matemático foi validado por meio de simulações para o sistema operando em regime transiente. O modelo matemático foi adaptado à configuração aqui estudada, de modo a poder ser aplicado ao sistema de reatores operando em regime contínuo, isto é, com alimentação e retirada de material constantes ao longo do tempo. Foi realizado, inicialmente, um estudo de sensibilidade desse modelo em relação às variáveis de processo, baseado em simulações para volumes diferentes do reator solar e reator multi-lâmpadas. A otimização do sistema teve o objetivo de selecionar as configurações do sistema que representam mínimo custo, para os diferentes cenários estudados, para uma concentração especificada de contaminante na corrente de saída. O problema de otimização foi baseado no método da função de penalidade, em que a função de restrição é inserida na função objetivo, transformando assim o problema de otimização num problema irrestrito. O procedimento de busca utiliza o Método Simplex modificado de Nelder e Mead. Para os diferentes cenários estudados, foi comprovado que o fator determinante do custo horário de tratamento fotoquímico é o custo do reagente peróxido de hidrogênio, seguido pelo custo de energia elétrica, custo de investimento do reator de lâmpadas, custo de investimento do reator e das bombas e, por último, o custo de investimento do reator solar. A imposição de limites mais rigorosos para a concentração de saída do efluente faz com que o custo de tratamento seja proibitivo. Portanto, nestes casos é mais interessante, do ponto de vista econômico, utilizar primeiro o processo foto-Fenton até o efluente atingir o limite de biodegradabilidade de 300 mgC/L e, em seguida, submeter este efluente ao tratamento biológico (de menor custo). / The aim of the present study was to investigate aspects related to the design of processes for treating industrial wastewater based on photochemical reactors. The system consisted of a solar tubular reactor with compound parabolic collectors, which operates connected to a multi-lamp stirred tank reactor. The mathematical model for simulating the process was adapted from previous results obtained by the research team of this Department, mainly by Ribeiro (2009). The model was validated by comparing simulation and experimental results obtained with a pilot plant operating in transient regime. The mathematical model was adapted to the configuration in this paper, so that it could be applied to the reactor system operating in continuous regime, i.e., with constant flow rate of the input and output streams. A sensitivity analysis of this model was carried out in relation to process variables, based on simulations for different volumes of the solar reactor and multi-lamp reactor. The optimization of the system aimed to select configurations that represent minimum cost for different scenarios studied for a specified output contaminant concentration. The optimization was based on the penalty function method, in which the restriction function was inserted in the objective function, so as to transform the optimization problem into an unconstrained one. The search procedure was based on the modified Simplex method of Nelder and Mead. For the different scenarios studied, it was verified that the determining factor affecting the treatment cost is the cost of hydrogen peroxide, followed by the electricity cost, investment cost of the lamp reactor, investment cost of pumps and of the solar reactor. The treatment cost increases significantly when lower concentration limits are specified for the output stream. Therefore, as a general recommendation, it is more advantageous from the economic point of view to use the photo-Fenton process until the pollutant concentration is decreased to the threshold of biodegradability (adopted as 300mgC/L in the present study) and then submitting it to a biological treatment.

Um dos bens mais preciosos da Humanidade é a água. Embora ela seja abundante no planeta, grande parte é imprópria para o consumo humano. E, devido ao crescimento populacional intenso, à concentração urbana e à poluição dos corpos d\'água superficiais e subterrâneos, a quantidade de água em condições para consumo vem se reduzindo em taxas alarmantes. Recentemente, um dos tipos mais comuns de contaminação dos corpos d´água tem sido a presença de cianotoxinas. Atualmente, não existe um estado brasileiro que não tenha problemas com florações excessivas de algas e os correspondentes transtornos causados às concessionárias que operam as estações de tratamento. Tem-se apontado que esse fato é devido principalmente ao aporte de nitrogênio e fósforo derivado do uso indiscriminado de detergentes e fertilizantes. O presente estudo tem como objetivo investigar a aplicação da fotocatálise heterogênea solar (TiO2 como fotocatalisador) na destruição da [D-Leu]-Microcistina-LR, potente toxina de ampla ocorrência nas florações de cianobactérias. A [D-Leu]-Microcistina-LR foi extraída de uma cultura de Microcystis æruginosa. Foi utilizado um reator de placa plana de vidro recoberta com TiO2 para os estudos de degradação. Além disso, a irradiância durante os experimentos solares foi medida com o uso de espectrorradiômetro. Após os ensaios de degradação, a concentração da toxina foi determinada por CLAE. A cinética de mineralização da solução tratada foi determinada através de análises de COT. A toxicidade aguda e crônica do efluente foi quantificada através de análises utilizando camundongos e ensaios in vitro de inibição da proteína fosfatase. A partir dos experimentos realizados, pôde-se observar que foi necessário um tempo de tratamento de 150 min para que a concentração da microcistina fosse reduzida aos valores exigidos por lei (de 10 para 1 μg L-1). Outra constatação muito importante que pôde ser feita é que a fotocatálise heterogênea solar foi eminente destrutiva, não só para a toxina, mas também para os demais componentes do extrato e dos compostos de degradação gerados. Obteve-se uma remoção de carbono de aproximadamente 90% com 90 min de exposição ao Sol. Além disso, os testes de toxicidade utilizando camundongos mostraram que o efeito agudo causado pela amostras iniciais foi eliminado; entretanto, os testes utilizando a enzima fosfatase indicaram que podem ter sido formados subprodutos que produzam um efeito crônico em mamíferos. Os experimentos realizados apontam para a viabilidade do uso da fotocatálise heterogênea solar para o tratamento de águas contaminadas pela [D-Leu]-Microcistina-LR, não só devido à sua destruição, mas também à grande remoção de matéria orgânica que pode ser alcançada. / One of the most precious assets of mankind is the water. Although it is abundant in the planet, the majority of it is not suited for human consumption. Due to the intense population growth, to the urban concentration, and to the pollution of surface water bodies and ground water, the amount of freshwater is decreasing at alarming rates. Recently, a common type of water bodies\' contamination is the presence of cyanotoxins. Presently, all over Brazil there are records of excessive algae blooms, with the corresponding nuisances caused to the companies that run water treatment stations. This fact is thought to be a result of nitrogen and phosphorus inputs due to the indiscriminate use of detergents and fertilizers. The purpose of the present study is to investigate the use of solar heterogeneous photocatalysis (TiO2 as the photocatalyst) for the destruction of [D-Leu]-Microcystin-LR, powerful toxin of widespread occurrence within cyanobacteria blooms. The [D-Leu]-Microcystin-LR was extracted from a culture of Microcystis æruginosa. It was used a flat plate glass reactor covered with TiO2 for the degradation studies. The irradiance was measured during the experiments with aid of a spectrum radiometer. After the degradation experiments, the toxin concentration was determined by HPLC. The mineralization kinetics was determined by TOC analyses. The acute and chronic toxicities were quantified using mice and phosphatase inhibition in vitro assays. From the performed experiments, it was determined that 150 min are necessary to reduce the toxin concentration to the value demanded by law (from 10 to 1 μg L-1). Another important finding is that the solar heterogeneous photocatalysis was really destructive process, not only for the toxin, but also for the other extract components and degradation products generated. A mineralization degree of 90% was achieved with 90 min of exposure to the sun. Moreover, toxicity tests using mice have shown that the acute effect caused by the initial sample was removed. However, tests using the phosphatase enzyme indicated that it may be formed products capable of inducing chronic effects on mammals. The performed experiments indicate the feasibility of using solar heterogeneous photocatalysis for treating contaminated with [D-Leu]-Microcystin-LR, not only due to its destruction, but also to the significant removal of organic matter that can be achieved.

Asfaltenos são constituídos de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos que fazem parte de uma das classes de compostos químicos mais poluentes e carcinogênicos. São bem conhecidos por formarem inscrutações que obstruem tubulações, podendo até levar ao fechamento do poço. Estes podem constituir até 20% do petróleo, que ainda remanesce o principal recurso de energia usado em nosso planeta. Atualmente são convertidos em asfalto e coque durante o processo de refino, através de destilação destrutiva, exigindo altas temperaturas e emitindo compostos de enxofre na atmosfera. No entanto, sua conversão em matérias-primas mais valiosas e produtos menos poluentes, por exemplo, por craqueamento fotocatalítico ou oxidativo poderia ser uma opção mais limpa e econômica. A nanotecnologia vem sendo incorporada nas pesquisas com petróleo pelas contribuições positivas que acrescenta tanto do ponto de vista econômico como ambiental, assim como através do melhoramento e recuperação de óleos pesados. Os nanomateriais em geral possuem a vantagem de ter maior grau de dispersão e propriedades diferenciadas em relação ao bulk. Neste trabalho estudaram-se as interações entre os asfaltenos e diferentes nanomateriais com propriedades magnéticas, ópticas e eletrônicas extraordinárias, como as nanopartículas de óxido de ferro (Nmag), os híbridos de nanopartículas de ouro com óxido de grafeno reduzido (RGO@AuNP) e os nanobastões de ouro (AuNRs) respectivamente. As interações entre asfaltenos e Nmags com diferentes ligantes passivantes (C8H20O4Si e C6H17NO3Si) foram feitas através da construção de isotermas e experimentos de adsorção,revelando os tipos de ligação que ocorrem entre esses materiais, cobertura e a capacidade adsortiva. O recobrimento da nanopartícula e a concentração de asfalteno influenciam na adsorção, sendo a interação mais forte com as Nmags livres, indicando coordenação do ferro nos substituintes dos anéis aromáticos do asfalteno, tendo cobertura por monocamada. As Nmags funcionalizadas interagem por forças intermoleculares com os asfaltenos, apresentando cobertura por multicamadas. Em altas concentrações de asfalteno em tolueno, a adsorção foi mais efetiva para as Nmags funcionalizadas, pois a coordenação com o ferro é dificultada devido a formação de micela reversa, prevalecendo as interações hidrofóbicas. Houve uma drástica redução na temperatura de craqueamento dos asfaltenos na presença das Nmags, em mais de 100ºC, demonstrando seu potencial na catálise oxidativa de asfaltenos. As interações dos materiais RGO@AuNP e AuNR em filmes com asfalteno foram investigadas por microscopia hiperespectral de campo escuro. Como resultado observou-se o deslocamento e o alargamento da banda de espalhamento no espectro eletrônico, indicando a ocorrência de transferência de carga entre as espécies. A partir disso, realizaram-se fotocatálises com o RGO@AuNP à temperatura ambiente sob luz visível, utilizando o 9-antraldeído como composto modelo para o asfalteno. A reação levou à formação de endoperóxidos cíclicos, que sofreram clivagens com 90% de rendimento. Por ultimo, realizou-se um estudo mecanístico utilizando um sensor fluorogênico de espécies reativas de oxigênio (ROS) para avaliar a atividade fotocatalítica do RGO@AuNP. Mostrou-se que ocorrem transferências de elétrons fotoinduzidas da AuNP para o RGO em uma escala de tempo de ~11 fs, com eficiência quântica de ~35% e que radicais superóxidos (O2•-) podem ser gerados pelos efeitos sinérgicos da fotoexcitação do híbrido. / Asphaltenes are composed by polycyclic aromatic hydrocarbons that belong to one of the most polluting and carcinogenic chemical classes. They are well known for forming hard scales that obstruct pipelines and may even lead to the well shut down. They can constitute up to 20% of petroleum, which still remains the main source of energy used in our planet. At the present time, asphaltenes are converted into asphalt and coke by destructive distillation, in spite of the high cost and polluting technology involved, which employs high temperatures and releases sulfur compounds into the atmosphere. However, their conversion into more valuable raw materials, for instance, by photocatalytic or oxidative cracking using suitable catalysts, would be a better, more economic option. In recent years, nanotechnology has been incorporated into oil research, opening new economic and environmental perspectives, including the improvement and recovery of heavy oils. In general, nanomaterials have the advantage of being better dispersed and exhibiting differentiated properties in relation to the bulk. In this study the interactions between asphaltenes and different nanomaterials exhibiting remarkable magnetic, optical, and electronic properties, such as iron oxide nanoparticles (Nmag), hybrids of gold nanoparticles with reduced graphene oxide (RGO@AuNP) and the gold nanorods (AuNRs) respectively were investigated. The interactions between asphaltenes and Nmags with different surface-passivating ligands (C8H20O4Si and C6H17NO3Si) were made by performing isotherms curves and adsorption tests, revealing the types of binding between these materials, their coverage and the adsorptive capacity. The nanoparticle coating and the asphaltene concentration influence the adsorption. Theinteraction was stronger using the free Nmag, indicating coordination of the iron with the aromatic rings of the asphaltene, having a monolayer cover. Functionalized Nmags interact by intermolecular forces with asphaltenes, having a multilayer coverage. At high concentrations of asphaltene in toluene, the adsorption was more effective for the functionalized Nmags, since the coordination with the iron was hampered due to the formation of reverse micelle, prevailing the hydrophobic interactions. There was a drastic reduction in the asphaltene cracking temperature in the presence of Nmags, bigger than 100ºC, showing its potential on the oxidative catalysis of asphaltenes. The interactions of RGO@AuNP and AuNR materials with asphaltene films were investigated by dark field hyperspectral microscopy. As a result there was a shift and a broadening of the band in the electronic spectrum, indicating the occurrence of charge transfer between the species. From this, photocatalysis were performed with the RGO@AuNP, at room temperature, under visible light, using 9-antraldehyde (9-ATA) as a model compound for asphaltene. The reaction leads to the formation of cyclic endoperoxides that undergo further reactions, resulting in their cleavage, with 90% yield for the 9-ATA degradation. Finally, a mechanistic study was carried out using a fluorogenic sensor of reactive oxygen species to evaluate the photocatalytic activity of RGO@AuNP. It was showed that photoinduced electron transfer from AuNP to RGO can occur in ~11 fs time scale, with a quantum yield of ~35%, and superoxide radicals anions (O2•-) can be generated by synergistic effects after the hybrid photoexcitation.

by Hei Yuk Kwan. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1999. / Includes bibliographical references (leaves 81-87). / Abstract also in Chinese. / ABSTRACT --- p.i / DECLARATION --- p.ii / ACKNOWLEDGEMENT --- p.iii / TABLE OF CONTENTS --- p.iv / LIST OF TABLES --- p.vi / LIST OF FIGURES --- p.vii / Chapter CHAPTER ONE : --- INTRODUCTION --- p.1 / Chapter 1.1 --- Background --- p.1 / Chapter 1.1.1. --- Volatile Organic Compounds --- p.1 / Chapter 1.1.2. --- Photocatalytic Oxidation --- p.2 / Chapter 1.1.3. --- Adsorption --- p.4 / Chapter 1.2. --- Scope of Work --- p.8 / Chapter CHAPTER TWO : --- PHOTOCATALYSIS --- p.10 / Chapter 2.1 --- Fundamental --- p.10 / Chapter 2.2. --- Experimental --- p.14 / Chapter 2.2.1. --- Materials --- p.14 / Chapter 2.2.2. --- Instruments --- p.14 / Chapter 2.2.3. --- Experimental Conditions --- p.19 / Chapter 2.2.4. --- Procedure --- p.20 / Chapter 2.3. --- Results and Discussion --- p.28 / Chapter 2.3.1. --- Photocatalytic Degradation of DCE --- p.28 / Chapter 2.3.2. --- Photocatalytic Degradation of TCE --- p.31 / Chapter 2.3.3. --- Photocatalytic Degradation of DCE and TCE Binary System --- p.34 / Chapter 2.3.4. --- Photocatalytic Degradation of Ethyl Acetate --- p.39 / Chapter 2.3.5. --- Photocatalytic Degradation of Methyl Isopropyl Ketone --- p.41 / Chapter 2.3.6. --- Photocatalytic Degradation of Ethyl Acetate and Methyl Isopropyl Ketone Binary System --- p.43 / Chapter CHAPTER THREE : --- ADSORPTION --- p.47 / Chapter 3.1. --- Fundamental --- p.47 / Chapter 3.1.1. --- Mordenite --- p.51 / Chapter 3.1.2. --- Activated Carbon --- p.55 / Chapter 3.2. --- Experimental --- p.58 / Chapter 3.2.1. --- Materials --- p.58 / Chapter 3.2.2. --- Instrument --- p.59 / Chapter 3.2.3. --- Procedure --- p.60 / Chapter 3.3. --- Results and Discussion --- p.65 / Chapter 3.4. --- "Adsorption Isotherm of 1,3,5-trimethylbenzene on Mordenite in Aqueous Phase" --- p.70 / Chapter 3.5. --- "Thermal Regeneration of 1,3,5-trimethylbenzene on Mordenite in Aqueous Phase" --- p.72 / Chapter CHAPTER FOUR : --- CONCLUSION --- p.79 / REFERENCES --- p.81

This work investigates the use of the novel electric field assisted chemical vapour deposition (EACVD) process in the production of titanium dioxide thin films for photocatalytic applications on glass substrate. This work looks into the interaction of applied electric fields with the precursor species during the aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD) and atmospheric pressure chemical vapour deposition (APCVD) reaction of Titanium isopropoxide (TTIP) and Titanium (IV) Chloride (TiCl4) with different solvents. The electric field was generated by applying a potential difference between two fluorine-doped tin oxide glass sheets. The electric field was varied between 0 – 3000 Vm-1. The deposited films were analysed and characterized using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, atomic force microscopy, UV-vis spectroscopy, water-contact angles and resazurin photcatalytic testing. It was observed that the application of electric fields produced changes in the morphology, particle size, growth rate, crystal orientation and crystal phases. Generally, films produced under the influence of the electric fields showed higher photo-activity than films produced in absence of electric fields. The deposited films produced from the electric field assisted aerosol chemical vapour deposition (EAACVD) showed higher photo-activity with applied AC electric fields than with applied DC electric fields. Likewise, they showed higher photo-activity than the deposited films produced from the electric field assisted atmospheric pressure chemical vapour deposition (EAAPCVD) with applied AC electric fields. The results obtained were explained by the interaction mechanisms between the electric fields and the precursor species, which differ depending on the CVD technique used. Although titanium dioxide photo-activity is comprised by a combination of factors, it was observed that an optimum can be obtained by varying both experimental conditions and field strength. In particular, optimum results were obtained for deposited films which showed long-shaped particles, reduced particle size and high preferential orientation in the anatase (004) plane. Electric field assisted chemical vapour deposition (EACVD) shows a great potential for the improvement of commercial products available in the market such as self-cleaning and antibacterial surfaces.