Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The purpose of this study was to develop modi ed tract-etched membranes using nanocomposite TiO2 for advanced water treatment processes. Photocatalytic oxidation and reduction reactions take place on TiO2 surfaces under UV light irradiation, therefore sunlight and even normal indoor lighting could be utilised to achieve this effect. In membrane ltration, caking is a major problem, by enhancing the anti-fouling properties of photocatalysts to mineralise organic compounds the membrane life and e ciency can be improved upon. In this study the rst approach in nanocomposite membrane development was to directly modify the surface of polyethylenetherephthalate (PET) track-etched membranes (TMs) with titanium dioxide (TiO2) using inverted cylindrical magnetron sputtering (ICMS) for TiO2 thin lm deposition. The second approach was rst to thermally evaporate silver (Ag) over the entire TM surface, followed by sputtering TiO2 over the silver-coated TM. As a result a noble metal-titania nanocomposite thin lm layer is produced on top of the TM surface with both self-cleaning and superhydrophilic properties. Reactive inverted cylindrical magnetron sputtering is a physical vapour deposition method, where material is separated from a target using high energy ions and then re-assimilated on a substrate to grow thin lms. Argon gas is introduced simultaneously into the deposition chamber along with O2 (the reactive gas) to form TiO2. The photocatalytic activity and other lm properties, such as crystallinity can be in uenced by changing the sputtering power, chamber pressure, target-to-substrate distance, substrate temperature, sputtering gas composition and ow rate. These characteristics make sputtering the perfect tool for the preparation of di erent kinds of TiO2 lms and nanostructures for photocatalysis. In this work, the utilisation of ICMS to prepare photocatalytic TiO2 thin lms deposited on track-etched membranes was studied in detail with emphasis on bandgap reduction and TM surface regeneration. Nanostructured TiO2 photocatalysts were prepared through template directed deposition on track-etched membrane substrates by exploiting the good qualities of ICMS. The TiO2-TM as well as Ag-TiO2-TM thin lms were thoroughly characterised. ICMS prepared TiO2 lms were shown to exhibit good photocatalytic activities. However, the nanocomposite Ag-TiO2 thin lms were identi ed to be a much better choice than TiO2 thin lms on their own. Finally a clear enhancement in the photocatalytic activity was achieved by forming the Ag-TiO2 nanocomposite TMs. This was evident from the band-gap improvement from 3.05 eV of the TiO2 thin lms to the 2.76 eV of the Ag-TiO2 thin lms as well as the superior surface regenerative properties of the Ag-TiO2-TMs. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie studie was om verbeterde baan-ge etste membrane (BMe) met behulp van nano-saamgestelde titaandioksied (TiO2) vir gevorderde water behandeling prosesse te ontwikkel. Fotokatalitiese oksidasie- en reduksie reaksies vind plaas op die TiO2 oppervlaktes onder UV-lig bestraling, en dus kan sonlig en selfs gewone binnenshuise beligting gebruik word om die gewenste uitwerking te verkry. In membraan ltrasie is die aanpaksel van onsuiwerhede 'n groot probleem, maar die verbetering van die self-reinigende eienskappe van fotokatalisators deur organiese verbindings te mineraliseer, kan die membraan se leeftyd en doeltre endheid verbeter word. In hierdie studie was die eerste benadering om nano-saamgestelde membraan ontwikkeling direk te verander deur die oppervlak van polyethylenetherephthalate (PET) BMe met 'n dun lagie TiO2 te bedek, met behulp van reaktiewe omgekeerde silindriese magnetron verstuiwing (OSMV).Die tweede benadering was eers om silwer (Ag) termies te verdamp oor die hele BM oppervlak, gevolg deur TiO2 verstuiwing bo-oor die silwer bedekte BM. As gevolg hiervan is 'n edelmetaal-titanium nano-saamgestelde dun lm laag gevorm bo-op die oppervlak van die BM, met beide self-reinigende en verhoogde hidro liese eienskappe. OSMV is 'n siese damp neerslag metode, waar materiaal van 'n teiken, met behulp van ho e-energie-ione, geskei word, en dan weer opgeneem word op 'n substraat om dun lms te vorm. Argon gas word gelyktydig in die neerslag kamer, saam met O2 (die reaktiewe gas), vrygestel om TiO2 te vorm. Die fotokatalitiese aktiwiteit en ander lm eienskappe, soos kristalliniteit, kan be nvloed word deur die verandering van byvoorbeeld die verstuiwingskrag, die druk in die reaksiekamer, teiken-tot-substraat afstand, substraattemperatuur, verstuiwing gassamestelling en vloeitempo. Hierdie eienskappe maak verstuiwing die ideale hulpmiddel vir die voorbereiding van die verskillende soorte TiO2 lms en nanostrukture vir fotokatalisasie. In hierdie tesis word OSMV gebruik ter voorbereiding van fotokatalitiese TiO2 dun lms, wat gedeponeer is op BMe. Hierdie lms word dan in diepte bestudeer, met die klem op bandgaping vermindering en BM oppervlak hergenerasie. Nanogestruktureerde TiO2 fotokataliste is voorberei deur middel van sjabloongerigte neerslag op BM substrate deur die ontginning van die goeie eienskappe van OSMV. Die TiO2-BM dun lms, sowel as Ag-TiO2-BM dun lms, is deeglik gekarakteriseer. OSMV voorbereide TiO2 dun lms toon goeie fotokatalitiese aktiwiteite. Nano-saamgestelde Ag-TiO2 dun lms is egter ge denti seer as 'n veel beter keuse as TiO2 dun lms. Ten slotte is 'n duidelike verbetering in die fotokatalitiese aktiwiteit bereik deur die vorming van die Ag-TiO2 nano-saamgestelde BMe. Dit was duidelik uit die bandgapingverbetering van 3,05 eV van TiO2 dun lms in vergelyking met die 2,76 eV van Ag-TiO2 dun lms. 'n Duidelike verbetering is behaal in die fotokatalitiese aktiwiteit deur die vorming van die Ag-TiO2 nano-saamgestelde TMs.

Afin de satisfaire la demande croissante des systèmes de traitement de l'air, des procédés commerciaux basés sur la photocatalyse par TiO2 ont été commercialisés. Récemment le problème de la désactivation de ces systèmes a attiré l'attention des industriels ainsi que des chercheurs. Les Siloxanes Méthyliques Volatils (SMVs) présents dans l'air auraient été identifiés comme une source majeure contribuant à cette désactivation. Par ailleurs, dans les centres de stockage des déchets, la valorisation du biogaz nécessite de recueillir et de traiter le biogaz issu des déchets organiques en vue de produire de l'énergie renouvelable et inoffensive pour l'environnement. A nouveau, les SMVs ont été identifiés comme un frein principal au développement de cette filière, ces derniers conduisant après oxydation à des dépôts de silice abrasifs dans le moteur. Les difficultés de mesure des SMVs aussi bien dans le biogaz que dans l'air ambiant ainsi que l'évaluation de leur impact sur les systèmes photocatalytiques ou dans les procédés de valorisation du biogaz constituent par conséquent un vrai défi. Afin de répondre à ces problématiques, ce travail comporte trois volets principaux : Le premier volet est dédié à la mise au point d'une méthode de mesure des siloxanes méthyliques volatils dans le biogaz et dans l'air ambiant. Pour ce faire nous avons choisi de mettre en place un système d'échantillonnage des SMVs basé sur leur piégeage et préconcentration sur un support solide suivi d'une désorption thermique ou chimique (extraction par solvant) avant leur analyse par GC-MS. Puisqu'aucune étude systématique sur le choix des supports n'est relatée dans la littérature, nous avons comparé plusieurs types d'adsorbants en déterminant le volume de perçage pour chacun des SMVs afin de choisir le (les) meilleur(s). Le second volet est consacré à l'évaluation des teneurs en SMVs dans le biogaz ainsi que dans l'air ambiant en différents endroits. Une méthode d'analyse des SMVs fiable a été développée qui a permis de confirmer les résultats précédents obtenus au laboratoire en ce qui concerne le choix des adsorbants pouvant piéger quantitativement les SMVs. Enfin, dans le troisième volet, l'impact des SMVs sur les systèmes photocatalytiques en choisissant comme molécule modèle l'octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) a été étudié / In order to address the growing demand for indoor air treatment, many commercial systems based in the potocatalytic degradation using TiO2 have reached the market. Recently, deactivation of these systems has been observed. Some of the potentially most important deactivation pollutants are volatile methyl siloxanes (VMS), which are becoming more and more abundant indoor and in ambient air. Moreover, the increasing interest in the utilization of biogas to generate renewable energy (production of heat or electricity), has created significant concerns about the presence of VMS in the biogas. During biogas combustion, VMS are oxidized to abrasive microcrystalline silica that causes serious damage to gas engines, thus reducing the economic benefits of using biogas. Hence, it is essential to be able to measure the concentration of such VMS in ambient air and in biogas by a reliable method, as well as to study their impact on the photocatalytic systems. To address these issues, this work has three main parts: The first part is dedicated to the development of a method for measuring volatile methyl siloxanes in biogas and in ambient air. We have chosen sampling gas through sorbent tube followed by thermal desorption or chemical desorption (solvent extraction) and analysed using GC-MS. Since no systematic study on the choice of materials is related in the literature, we compared several types of adsorbents based on the determination of the VMS breakthrough volume (BV), in order to choose an appropriate adsorbent and to obtain accurate quantification of VMS. The second part is devoted to the evaluation of VMS in biogas and in ambient air at different sites. A reliable analytical method has been developed, and results are in agreement with the previous results obtained in the laboratory regarding the choice of adsorbents. Finally, in the third part, for a better understanding of the impact of VMS on photocatalytic systems, D4 was chosen as a VMS model compound as it is one of the most important VMS

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