Orientador: Marco-Aurelio De Paoli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituo de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-24T09:28:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nogueira_AnaFlavia_M.pdf: 3598125 bytes, checksum: b5df2408feef0b9ab4319025dff98075 (MD5) Previous issue date: 1998 / Mestrado

Moltes de les activitats industrials existents actualment presenten el problema dels residus generats i la seua gestió. Els residus líquids són una font important de contaminació dels recursos hídrics, fent-se necessari el control de les condicions de la seua eliminació. Alguns dels paràmetres estan regulats per la legislació, nacional i estatal, tanmateix, acomplint els requisits de la legislació, aquesta aigua s’elimina amb concentracions de contaminants baixes. Alguns contaminants orgànics presenten problemes de toxicitat i bioacumulació, fins i tot a concentracions baixes. En general són un problema per al tractament biològic degut a la seua toxicitat (perquè són perjudicials per als microorganismes depuradors de matèria orgànica) i per la seua baixa degradabilitat poden passar pel tractament biològic sense descompondre’s. Per als efluents que contenen contaminants orgànics s’han investigat àmpliament tractaments alternatius, com la utilització dels Processos d’Oxidació Avançada – POA. Aquests processos estan dirigits a la degradació dels compostos orgànics, inclosos els refractaris, en un curt període de temps i amb eficiència alta. En aquest treball s’investiga l’aplicació del procés d’electròlisi – EL i fotoelectrooxidació – FEO a la degradació de contaminants orgànics aromàtics refractaris en dissolucions sintètiques , per a comprendre millor els fenòmens involucrats en el procés de tractament d’efluents, al mateix temps que la seua viabilitat tècnica d’aplicació. Un altre punt estudiat ha sigut l’ús de la tècnica de voltametria cíclica com a ferramenta per avaluar el comportament electroquímic del material de l’anode i la definició dels paràmetres de treball per a investigar els processos d’oxidació avaluats. Els dos processos d’oxidació investigats han demostrat ser capaços de degradar compostos orgànics refractaris, i en el procés de FEO es va aconseguir una major eficiència de la degradació de fenol i la producció de compostos menys perjudicials per al medi ambient, com per exemple els àcids orgànics. Tant el procés d’electròlisi com de fotoelectrooxidació es presenten una alternativa tecnològica per a la degradació d’aquests compostos perillosos. / Nas mais diversas atividades industriais hoje existentes está presente a problemática dos resíduos gerados e seu gerenciamento. Os efluentes líquidos são uma grande fonte de poluição dos recursos hídricos, sendo necessário o controle das condições de seu descarte. Alguns parâmetros são regulamentados por legislação, nacional e estadual, contudo, mesmo atendendo as exigências da legislação, essa água é descartada com baixas concentrações de poluentes. Alguns poluentes orgânicos aromáticos apresentam problemas de toxicidade e bioacumulação mesmo a baixas concentrações. Em geral constituem um problema para o tratamento biológico devido a sua toxicidade, pois são nocivos aos microorganismos depuradores da matéria orgânica e sua baixa degradabilidade faz com que passem pelo processo biológico de tratamento sem se decompor. Para efluentes contendo poluentes orgânicos uma das alternativas de tratamento que vem sendo muito investigada é o uso de Processos Oxidativos Avançados - POA’s. Esses processos têm como objetivo a degradação dos compostos orgânicos presentes, inclusive os refratários, em curto intervalo de tempo e com alta eficiência. Neste trabalho se investiga a aplicação dos processos de eletrólise – EL e fotoeletrooxidação – FEO na degradação de poluentes orgânicos aromáticos refratários em soluções sintéticas, visando um maior entendimento dos fenômenos envolvidos nesses processos de tratamento de efluentes, bem como sua viabilidade técnica de aplicação. Outro ponto estudado é o uso da técnica de voltametria cíclica de varredura como ferramenta para a avaliação do comportamento eletroquímico do material anódico e definição de parâmetros de trabalho para os processos oxidativos investigados. Ambos os processos oxidativos investigados demonstraram ser capazes de degradar o composto orgânico refratário, sendo que no processo de FEO se atingiu uma maior eficiência de degradação do fenol, gerando compostos muito menos prejudiciais ao meio ambiente, como os ácidos orgânicos. Tanto o processo de eletrólise como o de fotoeletrooxidação representam ser uma alternativa tecnológica para a degradação desses perigosos compostos. / In different industrial activities existing today there is the problem of waste generated and its management. Liquid wastes are a major source of water resources pollution, being necessary the control of the disposal conditions. Some parameters are regulated by legislation, in national and in state level, however, even meeting the requirements of legislation, this water is disposed of with low concentrations of pollutants. Some aromatic organic pollutants present problems of toxicity and bioaccumulation even at low concentrations. In general they are a problem for biological treatment due to their toxicity, since they are detrimental to the microorganisms debuggers of organic matter and their low degradability make them pass through the biological treatment without decaying. For effluents containing organic pollutants an alternative treatment, that has been widely investigated, is the use of Advanced Oxidation Processes – AOP’s. These processes are aimed at the degradation of organic compounds, including refractory, in a short period of time and with high efficiency. This work investigates the application of electrolysis - EL and photoelectrooxidation – PEO in the degradation of refractory aromatic organic pollutants in synthetic solutions, in order to better understand the phenomena involved in the process of effluent treatment, as well as their technical feasibility of implementation. Another point studied is the use of of scan cyclic voltammetry technique as a tool for evaluating the electrochemical behavior of anode material and the definition of working parameters for the oxidation processes investigated. Both oxidation processes investigated have proved to be capable of degrading refractory organic compound, and in the PEO process greater efficiency of phenol degradation was achieved, producing compounds far less damaging to the environment, such as organic acids. Both processes, electrolysis and photoelectrooxidation, represent a technological alternative for the degradation of these hazardous compounds. / Muchas de las actividades industriales existentes actualmente presentan el problema de los residuos generados y su gestión. Los residuos líquidos son una fuente importante de contaminación de los recursos hídricos, siendo necesario el control de las condiciones de su eliminación. Algunos parámetros están regulados por la legislación, nacional y estatal, sin embargo, incluso cumpliendo los requisitos de la legislación, este agua se elimina con concentraciones de contaminantes bajas. Algunos contaminantes orgánicos aromáticos presentan problemas de toxicidad y bioacumulación, incluso a bajas concentraciones. En general son un problema para el tratamiento biológico debido a su toxicidad (ya que son perjudiciales para los microorganismos depuradores de materia orgánica) y por su baja degradabilidad pueden pasar a través del tratamiento biológico sin descomponerse. Para los efluentes que contienen contaminantes orgánicos se han investigado ampliamente varios tratamientos alternativos, como el uso de los Procesos de Oxidación Avanzada - POA. Estos procesos están dirigidos a la degradación de los compuestos orgánicos, incluidos los refractarios, en un corto período de tiempo y con alta eficiencia. En este trabajo se investiga la aplicación de los procesos de electrólisis - EL y fotoelectrooxidation - FEO a la degradación de contaminantes orgánicos aromáticos refractarios en soluciones sintéticas, para comprender mejor los fenómenos involucrados en el proceso de tratamiento de efluentes, así como su viabilidad técnica de aplicación. Otro punto estudiado fue el uso de la técnica de voltametría cíclica de barrido como una herramienta para evaluar el comportamiento electroquímico del material del ánodo y la definición de los parámetros de trabajo para investigar los procesos de oxidación evaluados. Ambos procesos de oxidación investigados han demostrado ser capaces de degradar compuestos orgánicos refractarios, y en el proceso de FEO se logró una mayor eficiencia de la degradación de fenol y la producción de compuestos menos perjudiciales para el medio ambiente, tales como los ácidos orgánicos. Tanto el proceso de electrólisis como fotoelectrooxidación representan una alternativa tecnológica para la degradación de estos compuestos peligrosos.

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No. of bitstreams: 1 TeseRHG.pdf: 106231839 bytes, checksum: 412608665bd30b37e1d3db5a6e761974 (MD5) Previous issue date: 2016-05-24 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / An excellent and potentially efficient route towards storing solar energy is to convert light into chemical energy in the form of chemical bonds, which is a form of artificial photosynthesis. Considering the abundance of H2O on the planet, water splitting is a natural pathway for artificial photosynthesis. Hematite is an n-type semiconductor with high chemical stability in alkaline media and promising material for photoelectrochemical water splitting. This Thesis describes critical parameters involved in the Colloidal Nanocrystals Deposition (CND) process to produce hematite photoanodes with high efficiency for solar-to-hydrogen conversion. In chapter 2, a fundamental study reveals that the interface solid-solid is a parameter that has strong influence on the performance of the photoanode. The gap between the FTO substrate and hematite thin film was observed by HRTEM image and it can be overcome during a sintering stage. In the same chapter, the solid-solid interface analysis was correlated with the photoresponse and it has showed that hematite thin film treated at 1000 oC also improved the response of this photoande. This result was explained based on the grain growth and associated with the mass distribution on the FTO surface. In chapter 3, the CND process was improved using the magnet to assist the nanocrystals deposition and also oxidation of magnetite (Fe3O4) to maghemite (γ- Fe2O3) to avoid the presence of Fe2+. In this approach, Sn4+ was used as a doping element and has showed a significant improve on the photoresponse of the hematite. The STEM-EDS analysis has showed that Sn has ability to segregate on the hematite grain boundary during sintering process, blocking grain growth process. The results showed in chapter 4 were essential to understand the thickness effect on the photocurrent of thin film produced by CND process. In this case, changing the nanocrystals concentration has direct effect on the thickness of the hematite thin film. The FTO roughness also showed significant influence on the orientation of hematite grain along the direction <110>. In this study, it was possible to calculate the maximum theoretical efficiency for the hematite photoanode obtained by this method. The thickness control and homogeneity of the thin film give a great perspective for technological application of this process. The in situ heating TEM demonstrated that nanocrystals has abnormal grain growth and also a superplastic phenomenon, as revealed in chapter 5. In this chapter, Sn was deposited on γ-Fe2O3 impeding atom dislocation on the grain boundary and consequently inhibits the growth process. This experiment was an approach to simulate the sintering process performed in the CND process. The electrocatalyst described in chapter 6, showed low overpotential for OER. The strategy to use a Prussian blue analogue to deposit a thin layer of nickel-iron hexacyanoferrate and convert into oxyhydroxide achieved excellent homogeneity and low overpotential for OER. This result is comparable with IrO2 and RuO2 that are electrocatalysts with high electrochemical performance. Catalyst supports were also evaluated, such as FTO, palladium and PGS. The PGS substrate showed an excellent performance as catalytic support for OER, with similar results of palladium foil. / A fotosíntese artificial é um caminho potencialmente eficiente para a converte energia solar em energia química, na forma de ligações química. Considerando a abundância de H2O no planeta, a quebra da molécula de água é o caminho natural para fotosíntese artificial. Hematita é um semicondutor tipo-n com alta estabilidade em meio alcalino e um material promissor para fotoeletroquímica da quebra da água. Esta Tese descreve os parâmetros críticos envolvidos no processo de deposição de nanocristais coloidais para produzir um fotoanodo de hematita com alta eficiência para conversão solar para energia ligação do hidrogênio. No capítulo 2, o estudo fundamental revela que a interface sólido-sólido é um parâmetro que tem forte influência na performance do fotoanodo. A lacuna entre o substrato de FTO e o filme fino de hematita foi observado por imagens de HRTEM e posteriormente eliminado no estágio de sinterização. No mesmo capítulo, a análise de interface sólido-sólido foi correlacionada com a fotoresposta e isto mostrou que o filme fino de hematita tratado a 1000 oC teve influência na resposta deste fotoanodo. Este resultado foi explicado com base no crescimento de grão e associado com a distribuição de massa na superfície do FTO. No capítulo 3, o processo CND foi aperfeiçoado usando um ímã para auxiliar a deposição de nanocristais e também a oxidação de magnetita (Fe3O4) para maghemita (γ-Fe2O3) com objetivo de evitar a presença de Fe2+. Nesta abordagem, Sn4+ foi usado como um elemento dopante e tem mostrado uma evolução significante na fotoresposta dos filme finos de hematita. A análise de STEM-EDS tem mostrado que o Sn4+ tem propensão para segregar na contorno de grão da hematita, durante o processo de sinterização, bloqueando o processo de crescimento de grão. Os resultados mostrado no capítulo 4 foram essencial para entender o efeito da espessura na fotocorrente do filme fino produzido pelo processo CND. Neste caso, a variação da concentração de nanocristais tem efeito direto nas espessuras dos filmes finos de hematita. A rugosidade do FTO também mostrou influência significante na orientação do grãos de hematita ao longo da direção <110>. Neste estudo, foi possível calcular a máxima eficiência teórica para os fotoanodos de hematita obtido por este método. O controle de espessura e homogeneidade dos filmes finos possibilitou a abertura de uma perspectiva voltada para aplicação tecnológica deste processo. A microscopia de transmissão de elétrons com estágio de aquecimento in situ demonstrou que os nanocristais tem um crescimento abnormal e também um comportamento superplástico em alta temperatura, como pode ser visto no capítulo 5. Neste experimento, também foi possível observar o efeito do Sn4+ na superfície da γ- Fe2O3, impedindo o deslocamento de átomos no contorno de grão e conseqüentemente inibindo o processo de crescimento. Este experimento foi uma abordagem para simular o processo de sinterização realizado no processo CND. O eletrocatalisador descrito no capítulo 6 mostrou baixo sobrepotencial para OER. A estratégia do uso do análogo do azul da Prússia para depositar uma camada fina de hexacianoferrato de níquel e ferro e convertê-los a oxihidróxido alcançou uma excelente homogeneidade e baixo sobrepotencial para OER. Este resultado é comparável com IrO2 e RuO2 que são os eletrocatalisadores com alta performance eletroquímica. Os suportes catalíticos também foram avaliados, tal como o FTO, folha de paládio e PGS. O substrato de PGS mostrou excelente performance com suporte catalítico para OER, com resultados similares a folha de paládio.

Moltes de les activitats industrials existents actualment presenten el problema dels residus generats i la seua gestió. Els residus líquids són una font important de contaminació dels recursos hídrics, fent-se necessari el control de les condicions de la seua eliminació. Alguns dels paràmetres estan regulats per la legislació, nacional i estatal, tanmateix, acomplint els requisits de la legislació, aquesta aigua s’elimina amb concentracions de contaminants baixes. Alguns contaminants orgànics presenten problemes de toxicitat i bioacumulació, fins i tot a concentracions baixes. En general són un problema per al tractament biològic degut a la seua toxicitat (perquè són perjudicials per als microorganismes depuradors de matèria orgànica) i per la seua baixa degradabilitat poden passar pel tractament biològic sense descompondre’s. Per als efluents que contenen contaminants orgànics s’han investigat àmpliament tractaments alternatius, com la utilització dels Processos d’Oxidació Avançada – POA. Aquests processos estan dirigits a la degradació dels compostos orgànics, inclosos els refractaris, en un curt període de temps i amb eficiència alta. En aquest treball s’investiga l’aplicació del procés d’electròlisi – EL i fotoelectrooxidació – FEO a la degradació de contaminants orgànics aromàtics refractaris en dissolucions sintètiques , per a comprendre millor els fenòmens involucrats en el procés de tractament d’efluents, al mateix temps que la seua viabilitat tècnica d’aplicació. Un altre punt estudiat ha sigut l’ús de la tècnica de voltametria cíclica com a ferramenta per avaluar el comportament electroquímic del material de l’anode i la definició dels paràmetres de treball per a investigar els processos d’oxidació avaluats. Els dos processos d’oxidació investigats han demostrat ser capaços de degradar compostos orgànics refractaris, i en el procés de FEO es va aconseguir una major eficiència de la degradació de fenol i la producció de compostos menys perjudicials per al medi ambient, com per exemple els àcids orgànics. Tant el procés d’electròlisi com de fotoelectrooxidació es presenten una alternativa tecnològica per a la degradació d’aquests compostos perillosos. / Nas mais diversas atividades industriais hoje existentes está presente a problemática dos resíduos gerados e seu gerenciamento. Os efluentes líquidos são uma grande fonte de poluição dos recursos hídricos, sendo necessário o controle das condições de seu descarte. Alguns parâmetros são regulamentados por legislação, nacional e estadual, contudo, mesmo atendendo as exigências da legislação, essa água é descartada com baixas concentrações de poluentes. Alguns poluentes orgânicos aromáticos apresentam problemas de toxicidade e bioacumulação mesmo a baixas concentrações. Em geral constituem um problema para o tratamento biológico devido a sua toxicidade, pois são nocivos aos microorganismos depuradores da matéria orgânica e sua baixa degradabilidade faz com que passem pelo processo biológico de tratamento sem se decompor. Para efluentes contendo poluentes orgânicos uma das alternativas de tratamento que vem sendo muito investigada é o uso de Processos Oxidativos Avançados - POA’s. Esses processos têm como objetivo a degradação dos compostos orgânicos presentes, inclusive os refratários, em curto intervalo de tempo e com alta eficiência. Neste trabalho se investiga a aplicação dos processos de eletrólise – EL e fotoeletrooxidação – FEO na degradação de poluentes orgânicos aromáticos refratários em soluções sintéticas, visando um maior entendimento dos fenômenos envolvidos nesses processos de tratamento de efluentes, bem como sua viabilidade técnica de aplicação. Outro ponto estudado é o uso da técnica de voltametria cíclica de varredura como ferramenta para a avaliação do comportamento eletroquímico do material anódico e definição de parâmetros de trabalho para os processos oxidativos investigados. Ambos os processos oxidativos investigados demonstraram ser capazes de degradar o composto orgânico refratário, sendo que no processo de FEO se atingiu uma maior eficiência de degradação do fenol, gerando compostos muito menos prejudiciais ao meio ambiente, como os ácidos orgânicos. Tanto o processo de eletrólise como o de fotoeletrooxidação representam ser uma alternativa tecnológica para a degradação desses perigosos compostos. / In different industrial activities existing today there is the problem of waste generated and its management. Liquid wastes are a major source of water resources pollution, being necessary the control of the disposal conditions. Some parameters are regulated by legislation, in national and in state level, however, even meeting the requirements of legislation, this water is disposed of with low concentrations of pollutants. Some aromatic organic pollutants present problems of toxicity and bioaccumulation even at low concentrations. In general they are a problem for biological treatment due to their toxicity, since they are detrimental to the microorganisms debuggers of organic matter and their low degradability make them pass through the biological treatment without decaying. For effluents containing organic pollutants an alternative treatment, that has been widely investigated, is the use of Advanced Oxidation Processes – AOP’s. These processes are aimed at the degradation of organic compounds, including refractory, in a short period of time and with high efficiency. This work investigates the application of electrolysis - EL and photoelectrooxidation – PEO in the degradation of refractory aromatic organic pollutants in synthetic solutions, in order to better understand the phenomena involved in the process of effluent treatment, as well as their technical feasibility of implementation. Another point studied is the use of of scan cyclic voltammetry technique as a tool for evaluating the electrochemical behavior of anode material and the definition of working parameters for the oxidation processes investigated. Both oxidation processes investigated have proved to be capable of degrading refractory organic compound, and in the PEO process greater efficiency of phenol degradation was achieved, producing compounds far less damaging to the environment, such as organic acids. Both processes, electrolysis and photoelectrooxidation, represent a technological alternative for the degradation of these hazardous compounds. / Muchas de las actividades industriales existentes actualmente presentan el problema de los residuos generados y su gestión. Los residuos líquidos son una fuente importante de contaminación de los recursos hídricos, siendo necesario el control de las condiciones de su eliminación. Algunos parámetros están regulados por la legislación, nacional y estatal, sin embargo, incluso cumpliendo los requisitos de la legislación, este agua se elimina con concentraciones de contaminantes bajas. Algunos contaminantes orgánicos aromáticos presentan problemas de toxicidad y bioacumulación, incluso a bajas concentraciones. En general son un problema para el tratamiento biológico debido a su toxicidad (ya que son perjudiciales para los microorganismos depuradores de materia orgánica) y por su baja degradabilidad pueden pasar a través del tratamiento biológico sin descomponerse. Para los efluentes que contienen contaminantes orgánicos se han investigado ampliamente varios tratamientos alternativos, como el uso de los Procesos de Oxidación Avanzada - POA. Estos procesos están dirigidos a la degradación de los compuestos orgánicos, incluidos los refractarios, en un corto período de tiempo y con alta eficiencia. En este trabajo se investiga la aplicación de los procesos de electrólisis - EL y fotoelectrooxidation - FEO a la degradación de contaminantes orgánicos aromáticos refractarios en soluciones sintéticas, para comprender mejor los fenómenos involucrados en el proceso de tratamiento de efluentes, así como su viabilidad técnica de aplicación. Otro punto estudiado fue el uso de la técnica de voltametría cíclica de barrido como una herramienta para evaluar el comportamiento electroquímico del material del ánodo y la definición de los parámetros de trabajo para investigar los procesos de oxidación evaluados. Ambos procesos de oxidación investigados han demostrado ser capaces de degradar compuestos orgánicos refractarios, y en el proceso de FEO se logró una mayor eficiencia de la degradación de fenol y la producción de compuestos menos perjudiciales para el medio ambiente, tales como los ácidos orgánicos. Tanto el proceso de electrólisis como fotoelectrooxidación representan una alternativa tecnológica para la degradación de estos compuestos peligrosos.

Moltes de les activitats industrials existents actualment presenten el problema dels residus generats i la seua gestió. Els residus líquids són una font important de contaminació dels recursos hídrics, fent-se necessari el control de les condicions de la seua eliminació. Alguns dels paràmetres estan regulats per la legislació, nacional i estatal, tanmateix, acomplint els requisits de la legislació, aquesta aigua s’elimina amb concentracions de contaminants baixes. Alguns contaminants orgànics presenten problemes de toxicitat i bioacumulació, fins i tot a concentracions baixes. En general són un problema per al tractament biològic degut a la seua toxicitat (perquè són perjudicials per als microorganismes depuradors de matèria orgànica) i per la seua baixa degradabilitat poden passar pel tractament biològic sense descompondre’s. Per als efluents que contenen contaminants orgànics s’han investigat àmpliament tractaments alternatius, com la utilització dels Processos d’Oxidació Avançada – POA. Aquests processos estan dirigits a la degradació dels compostos orgànics, inclosos els refractaris, en un curt període de temps i amb eficiència alta. En aquest treball s’investiga l’aplicació del procés d’electròlisi – EL i fotoelectrooxidació – FEO a la degradació de contaminants orgànics aromàtics refractaris en dissolucions sintètiques , per a comprendre millor els fenòmens involucrats en el procés de tractament d’efluents, al mateix temps que la seua viabilitat tècnica d’aplicació. Un altre punt estudiat ha sigut l’ús de la tècnica de voltametria cíclica com a ferramenta per avaluar el comportament electroquímic del material de l’anode i la definició dels paràmetres de treball per a investigar els processos d’oxidació avaluats. Els dos processos d’oxidació investigats han demostrat ser capaços de degradar compostos orgànics refractaris, i en el procés de FEO es va aconseguir una major eficiència de la degradació de fenol i la producció de compostos menys perjudicials per al medi ambient, com per exemple els àcids orgànics. Tant el procés d’electròlisi com de fotoelectrooxidació es presenten una alternativa tecnològica per a la degradació d’aquests compostos perillosos. / Nas mais diversas atividades industriais hoje existentes está presente a problemática dos resíduos gerados e seu gerenciamento. Os efluentes líquidos são uma grande fonte de poluição dos recursos hídricos, sendo necessário o controle das condições de seu descarte. Alguns parâmetros são regulamentados por legislação, nacional e estadual, contudo, mesmo atendendo as exigências da legislação, essa água é descartada com baixas concentrações de poluentes. Alguns poluentes orgânicos aromáticos apresentam problemas de toxicidade e bioacumulação mesmo a baixas concentrações. Em geral constituem um problema para o tratamento biológico devido a sua toxicidade, pois são nocivos aos microorganismos depuradores da matéria orgânica e sua baixa degradabilidade faz com que passem pelo processo biológico de tratamento sem se decompor. Para efluentes contendo poluentes orgânicos uma das alternativas de tratamento que vem sendo muito investigada é o uso de Processos Oxidativos Avançados - POA’s. Esses processos têm como objetivo a degradação dos compostos orgânicos presentes, inclusive os refratários, em curto intervalo de tempo e com alta eficiência. Neste trabalho se investiga a aplicação dos processos de eletrólise – EL e fotoeletrooxidação – FEO na degradação de poluentes orgânicos aromáticos refratários em soluções sintéticas, visando um maior entendimento dos fenômenos envolvidos nesses processos de tratamento de efluentes, bem como sua viabilidade técnica de aplicação. Outro ponto estudado é o uso da técnica de voltametria cíclica de varredura como ferramenta para a avaliação do comportamento eletroquímico do material anódico e definição de parâmetros de trabalho para os processos oxidativos investigados. Ambos os processos oxidativos investigados demonstraram ser capazes de degradar o composto orgânico refratário, sendo que no processo de FEO se atingiu uma maior eficiência de degradação do fenol, gerando compostos muito menos prejudiciais ao meio ambiente, como os ácidos orgânicos. Tanto o processo de eletrólise como o de fotoeletrooxidação representam ser uma alternativa tecnológica para a degradação desses perigosos compostos. / In different industrial activities existing today there is the problem of waste generated and its management. Liquid wastes are a major source of water resources pollution, being necessary the control of the disposal conditions. Some parameters are regulated by legislation, in national and in state level, however, even meeting the requirements of legislation, this water is disposed of with low concentrations of pollutants. Some aromatic organic pollutants present problems of toxicity and bioaccumulation even at low concentrations. In general they are a problem for biological treatment due to their toxicity, since they are detrimental to the microorganisms debuggers of organic matter and their low degradability make them pass through the biological treatment without decaying. For effluents containing organic pollutants an alternative treatment, that has been widely investigated, is the use of Advanced Oxidation Processes – AOP’s. These processes are aimed at the degradation of organic compounds, including refractory, in a short period of time and with high efficiency. This work investigates the application of electrolysis - EL and photoelectrooxidation – PEO in the degradation of refractory aromatic organic pollutants in synthetic solutions, in order to better understand the phenomena involved in the process of effluent treatment, as well as their technical feasibility of implementation. Another point studied is the use of of scan cyclic voltammetry technique as a tool for evaluating the electrochemical behavior of anode material and the definition of working parameters for the oxidation processes investigated. Both oxidation processes investigated have proved to be capable of degrading refractory organic compound, and in the PEO process greater efficiency of phenol degradation was achieved, producing compounds far less damaging to the environment, such as organic acids. Both processes, electrolysis and photoelectrooxidation, represent a technological alternative for the degradation of these hazardous compounds. / Muchas de las actividades industriales existentes actualmente presentan el problema de los residuos generados y su gestión. Los residuos líquidos son una fuente importante de contaminación de los recursos hídricos, siendo necesario el control de las condiciones de su eliminación. Algunos parámetros están regulados por la legislación, nacional y estatal, sin embargo, incluso cumpliendo los requisitos de la legislación, este agua se elimina con concentraciones de contaminantes bajas. Algunos contaminantes orgánicos aromáticos presentan problemas de toxicidad y bioacumulación, incluso a bajas concentraciones. En general son un problema para el tratamiento biológico debido a su toxicidad (ya que son perjudiciales para los microorganismos depuradores de materia orgánica) y por su baja degradabilidad pueden pasar a través del tratamiento biológico sin descomponerse. Para los efluentes que contienen contaminantes orgánicos se han investigado ampliamente varios tratamientos alternativos, como el uso de los Procesos de Oxidación Avanzada - POA. Estos procesos están dirigidos a la degradación de los compuestos orgánicos, incluidos los refractarios, en un corto período de tiempo y con alta eficiencia. En este trabajo se investiga la aplicación de los procesos de electrólisis - EL y fotoelectrooxidation - FEO a la degradación de contaminantes orgánicos aromáticos refractarios en soluciones sintéticas, para comprender mejor los fenómenos involucrados en el proceso de tratamiento de efluentes, así como su viabilidad técnica de aplicación. Otro punto estudiado fue el uso de la técnica de voltametría cíclica de barrido como una herramienta para evaluar el comportamiento electroquímico del material del ánodo y la definición de los parámetros de trabajo para investigar los procesos de oxidación evaluados. Ambos procesos de oxidación investigados han demostrado ser capaces de degradar compuestos orgánicos refractarios, y en el proceso de FEO se logró una mayor eficiencia de la degradación de fenol y la producción de compuestos menos perjudiciales para el medio ambiente, tales como los ácidos orgánicos. Tanto el proceso de electrólisis como fotoelectrooxidación representan una alternativa tecnológica para la degradación de estos compuestos peligrosos.

Orientador: Maria Valnice Boldrin Zanoni / Coorientador: Guilherme Garcia Bessegato / Banca: Maria Angelica Martins Costa / Banca: Luis Augusto Martins Ruotolo / Resumo: O uso de protetores solares para abrandar os efeitos danosos da radiação solar à pele humana leva à contaminação da água de piscinas, o que pode ser prejudicial à saúde humana e ao ambiente. O presente trabalho investiga uma alternativa para o tratamento de piscinas usando a fotoeletrocatálise combinada à ozonização (FEC+O3). A técnica baseia-se na geração de radicais hidroxila (•OH) que podem mineralizar os compostos orgânicos a CO¬2 e H¬¬2O. Neste trabalho, a 3-benzofenona, substância amplamente utilizada em protetores solares comerciais, foi usada como composto modelo para investigação da eficiência de tratamento por FEC+O3. Monitorou-se também a degradação de ureia e a desinfecção da água usando o fungo Candida parapsilosis. Inicialmente, foram desenvolvidos reatores fotoeletrocatalíticos anulares de bolhas, onde os corantes Amarelo Ácido 1 e Azul de Metileno fora utilizados como modelos de poluentes coloridos. A melhor configuração do reator foi aquela utilizando fotoânodo de nanotubos de TiO2, contra eletrodo de DSA com grande área geométrica, lâmpada UV-B de 36 W, borbulhador de vidro sinterizado e aplicação de 2,0 V no sistema fotoeletrocatalítico. A utilização deste reator promoveu a remoção de 100 % de 3-benzofenona após 20 min de tratamento de solução contendo 30,0 mg L−1 em 0,01 mol L−1 de sulfato de sódio sob irradiação UVB de 36 W, voltagem de 2,0 V e vazão de 3,85 × 10−4 mol min−1 ¬de O¬3. Os resultados indicam que a remoção de carbono orgânico total atinge 90%... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The sunscreen used to minimise the harmful effects from solar radiation to the human skin leads to swimming pool water contamination, which can be harmful to human health and to the environment. The present work investigates an alternative for swimming pool treatment using photoelectrocatalysis coupled with ozonation. The technique is based on hydroxil radical generation (•OH) that can mineralize organic compounds to CO2 and H2O. Assays were done in this work with fortified water with benzophenone-3 used as model compound of sunscreens widely used in commercial sun blockers. The method yet monitored the urea degradation and the water disinfection using the fungus Candida parapsilosis. Firstly, photoelectrocatalytic reactors coupled with ozonation process were developed and for this, Yellow Acid 1 and Methylene Blue dye were used as colorful pollutant models. The best reactor configuration was the one using TiO2 nanotubes as photoanode in tube format with holes, auxiliary electrode made of DSA® with high geometric area, 36 W UVB emission lamp, sintered glass bubbler and 2,0 V applied voltage in the photoelectrocatalytic system. The reactor usage shows 100% removal of 3-benzophenone after 20 min treatment of solution containing 30.0 mg L−1 in 0.01 mol L−1 of sodium sulfate under UVB radiation, 2,0 V applied voltage and 3.85x10-4 mol min−1 O3 flow rate. The results indicate the removal of total organic carbon reach 90% after 120 minutes treatment. Likewise, the technique reached... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Inserido no contexto de fontes de energia renováveis, este trabalho consiste na síntese e caracterização de filmes de bastões de ZnO modificados com quantum dots de CdTe a fim de serem aplicados em células fotoeletroquímicas. Bastões de ZnO são materiais interessantes, porque este tipo de estrutura facilita o transporte de portadores de carga, minimizando a perda destes nos contornos de grão, sua recombinação e aniquilação. A modificação do filme de ZnO com nanocristais de CdTe deve aumentar a eficiência da fotoconversão, facilitando a separação de carga e transferência de elétrons, e isso aumenta a estabilidade dos nanocristais, impedindo a corrosão anódica e a decomposição destes. O filme de ZnO foi eletrodepositado potenciostaticamente sobre a superfície de ITO. As análises de MEV e EDX indicaram que filme de ZnO obtido é homogêneo e consiste de bastões com razão atômica de Zn e O de acordo com a estequiometria 1:1. O resultado de DRX apresentou três planos característicos do ZnO na forma cristalina wurtzita. O plano (002) foi o predominante, indicando a orientação dos bastões no eixo c vertical ao substrato. O filme de ZnO tem espessura de 550 nm, bandgap 3,27 eV, potencial de banda plana de 0,4 V e densidade de portadores de carga de 8,9 x 1019 cm-3. O procedimento sintético dos pontos quânticos de CdTe ocorreu a partir da dissolução de óxido de cádmio em ácido tetradecilfosfônico e octadeceno (ODE) a 300 &deg;C. Subsequentemente, a solução precursora de cádmio foi resfriada a 260 &deg;C e então a solução precursora de telúrio, preparada pela dissolução de telúrio e tributilfosfina em ODE, foi injetada. Os nanocristais obtidos foram dispersos em hexano, precitados com etanol e finalmente os quantum dots foram armazenados em tolueno. A partir das análises de UV-Vis e TEM foi possível estimar o tamanho dos pontos quânticos de CdTe com aproximadamente 4 nm. O DRX dos nanocristais de CdTe apresentou os planos característicos principais da estrutura da blenda de zinco. O eletrodo de ZnO modificado com os quantum dots de CdTe (ZnO/CdTe) foi obtido após 24 h de imersão em uma solução de acetonitrila contendo ácido mercaptopropiônico e ácido propiônico. Subsequentemente, o filme de ZnO modificado com o ligante foi imerso por 48 h na dispersão de pontos quânticos de CdTe. O espectro de FTIR revelou a ausência do estiramento simétrico de C=O em 1700 cm-1. Por outro lado o espectro revelou a presença dos modos assimétrico e simétrico vas(CO2-) e vs(CO2-) que foram observados em 1631 e 1417 cm-1, respectivamente. A transformação de Kulbeka-Munk do espectro de reflectância do eletrodo ZnO/CdTe apresentou a banda relativa ao CdTe no mesmo comprimento de onda observado quando este encontrava-se na dispersão. O eletrodo ZnO/CdTe mostrou um valor de fotocorrente de 138 &micro;A, um valor 10 vezes maior que o obtido para o ZnO. Nos experimentos de IPCE (eficiência de conversão do fóton incidente à corrente) um aumento de aproximadamente cinco vezes também foi observado para o eletrodo de ZnO/CdTe. A dinâmica dos portadores de carga foi investigada por TAS (Espectroscopia de Absorção Transiente) nas escalas de tempo fs e &micro;s para os eletrodos de ZnO e de ZnO/CdTe. A análise TAS indicou um tempo de vida menor para o filme ZnO/CdTe em comparação com filme ZnO. A medidas com o eletrodo de Clark demonstraram uma produção de oxigênio pelo eletrodo de ZnO/CdTe. Assim, o filme de ZnO/CdTe proposto apresenta-se como um material promissor para aplicações fotoeletroquímicas. / Placed in the context of renewable energy sources, this work consists of the synthesis and characterization of ZnO films modified CdTe quantum dots to be applied in photoelectrochemical cells. ZnO rods are interesting materials because this kind of structure facilitates the charge carriers transport, minimizing the loss of these at grain boundaries and their recombination and annihilation. The ZnO film modification with CdTe nanocrystals should increase the photoconversion efficiency by facilitating charge separation and electron transfer, and it increases the nanocrystals stability, preventing it from anodic corrosion and decomposition. The ZnO film was electrodeposited potenciostatically on ITO surface. SEM and EDX analysis indicated that the ZnO film obtained is homogeneous and it consists of rods with atomic ratio of Zn and O according to 1:1 stoichiometry. XRD result showed three characteristic planes of ZnO in wurtzite crystalline form. The (002) plane is the predominant, indicating the rods orientation in the c-axis vertical to the substrate. The ZnO film also has a thickness of 550 nm, bandgap of 3.27 eV, flat band potential of 0.4 V and density of charge carriers 8,9 x 1019 cm-3. The synthetic procedure of CdTe quantum dots occurred from the dissolution cadmium oxide in tetradecylphosphonic acid and octadecene (ODE) to 300 &deg;C. Subsequently, cadmium precursor solution of was cooled to 260 &deg;C and then the tellurium precursor solution, prepared by dissolving tellurium in tributylphosphine and in ODE was injected. The obtained nanocrystals were dispersed in hexane, precipitated with ethanol and finally the quantum dots were stored in toluene. From UV-Vis and TEM analysis was possible to estimate the quantum dots size of CdTe as 4 nm. The XRD of CdTe nanocrystals presented the main characteristic planes of zinc blend structure. ZnO electrode modified with CdTe quantum dots (ZnO/CdTe) was obtained by 24 h immersion in a solution of acetonitrile containing mecaptopropionic acid and propionic acid. Subsequently, the ZnO film modified with the linker was immersed for 48 h in CdTe quantum dots dispersion. FTIR spectrum reveals the absence of a symmetrical C=O stretching mode at approximately 1700 cm-1. Instead, the spectrum shows the presence of the asymmetric and symmetric vas(CO2-) and vs(CO2-) modes were observed at 1631 and 1417 cm-1, respectively. Kulbeka-Munk transformation of the reflectance spectrum of the ZnO/CdTe electrode presented the band related to CdTe in the same wavelength observed when this was in the dispersion. The ZnO/CdTe electrode showed a photocurrent value of 138 &micro;A, a value 10 times greater than that obtained for ZnO. At IPCE experiments (incident photon-to-current efficiency) an increase of approximately five times was also noticed to the electrode of ZnO/CdTe. Dynamics of charge carriers was investigated by fs and &micro;s TAS (Transient Absorption Spectroscopy) for ZnO and ZnO/CdTe electrodes. TAS analyses indicate a short life time to ZnO/CdTe electrode compared to ZnO film. Clark electrode measurements showed oxygen production by ZnO/CdTe electrode. Thus, ZnO/CdTe proposed electrode is presented as promising material for photoelectrochemical applications.

Orientador: Flávio Leandro de Souza / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2013.

Neste trabalho serão apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização de materiais híbridos constituídos de nanotubos de TiO2 e clusters de CdSe (Nt-TiO2/CdSe), além de sua aplicação em células fotoeletroquímicas utilizadas na produção de hidrogênio (H2). A primeira etapa do trabalho envolveu a síntese e caracterização dos nanotubos de TiO2. Inicialmente foram encontradas as condições ótimas para síntese e tratamento térmico dos nanotubos. Foi observado que nanotubos de TiO2 apresentam melhor resposta fotoeletroquímica quando obtidos com cerca de 1 μm de comprimento, no entando a temperaturas de tratamento termico estudas neste trabalho não afetaram sifnificativamente seu comportamento fotoeletroquímica. A segunda etapa envolveu a utilização da técnica de RF Magnetron Sputtering para deposição de nanoparticulas e clusters de CdSe sobre os nanotubos. Primeiramente foi realizado um estudo sobre a dependência das propriedades fotoeletroquímicas com a concentração de CdSe sendo a concentração ótima para este sistema de 3,18x1017 at.cm-2 de Cd e Se. Para avaliar o efeito da cristalinidade do TiO2 sobre a resposta fotoeletroquímica do sistema híbrido (Nt-TiO2/CdSe) antes da deposição de CdSe os nanotubos de TiO2 foram submetidos a tratamentos térmicos em diferentes temperaturas. Nesta etapa foi verificado um efeito significativo da temperatura de tratamento térmico dos nanotubos de TiO2 na formação do hibrido, o qual influenciou suas propriedades morfológicas, ópticas e fotoeletroquímicas. Adicionalmente, as amostras de nanotubos recobertos com CdSe foram submetidas a tratamentos térmicos em vácuo resultando em uma melhora significativa das suas propriedades fotoeletroquímicas. A maior fotocorrente foi obtida de uma amostra de nanotubos de TiO2 tratada termicamente a 400°C por 3h seguido da deposição de CdSe e tratamento térmico a 400°C por 30 min em vácuo, gerando uma densidade de corrente de 1,9 mA.cm-2 sob irradiação do espectro solar terrestre ou somente do espectro visível. Os resultados obtidos neste trabalho sugerem que o comportamento sinérgico do material híbrido produzido está relacionado a diminuição da resistência eletrica na interface CdSe/TiO2 e o consequente aumento da transferência de cargas do CdSe para TiO2 após o tratamento de térmico em uma condição específica. De acordo com os resultados indiretos de produção de hidrogênio através de medidas de fotocorrente, podemos concluir que o material hibrido desenvolvido neste trabalho apresenta um grande potencial para geração de hidrogênio. / In this work we present the results obtained from the synthesis and characterization of a hybrid materials consisting of TiO2 nanotubes and CdSe clusters (CdSe/Nt-TiO2) as well as its application in photoelectrochemical cells used to produce hydrogen (H2). The primary step of this work was the synthesis and characterization of the TiO2 nanotubes. At first, the ideal parameters for the synthesis and thermal treatment of the nanotubes were found. The best photoelectrochemical results were obtained from 1 micrometer long nanotubes, however the temperatures studied in this work are not found to have an effect on the photoelectrochemical behavior. The second part of this work concerned the use of RF Magnetron Sputtering to deposit CdSe nanoparticles and agglomerates on the TiO2 nanotubes. From the study of the photoelectrochemical dependence on the CdSe concentration we have found the best concentration to be 3.18x1017 at.cm-2 of Cd and Se. In order to evaluate the effect of TiO2 crystallinity on the photoelectrochemical response of Nt-TiO2/CdSe, CdSe was deposited on TiO2 nanotubes previously treated at different temperatures. The effect of the thermal treatment on the TiO2 nanotubes before CdSe deposition resulted in improved optical, morphological and photoelectrochemical behavior. In addition the CdSe covered TiO2 nanotubes were thermally treated under vacuum resulting in significant improvement of the photoelectrochemical properties. The highest photocurrent density was obtained from the samples thermally treated at 400°C before and after CdSe deposition, generating a photocurrent density of 1.9 mA/cm-2 under simulated sun or visible light irradiation. The results obtained in this work strongly suggest a synergistic behavior in the hybrid material related to a decrease of the electrical resistance at the CdSe/TiO2 interface, hence to an improvement of charge transfer from the CdSe to the TiO2 after thermal annealing at specific conditions. According to the results obtained from indirect measurements of hydrogen production by measuring photocurrent, we conclude that the hybrid material developed in this work presents potential for hydrogen generation.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:34:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1950.pdf: 7192146 bytes, checksum: 68b89ea2608351b8183463ad5baf024e (MD5) Previous issue date: 2008-05-27 / Universidade Federal de Minas Gerais / Studies on the influence of the nature of the growth electrolyte on the properties of oxide films grown on the Ti-50Zr at.% alloy were carried out. The results obtained through the different measurements done (chronoamperometry, open circuit potentials, and reconstruction rates) showed that phosphate incorporation into the matrix of oxide films grown in H3PO4 make them unstable, bringing a greater dissolution compared to the ones grown in CH3SO3H, H2SO4, and HNO3. The electrochemical impedance spectroscopy measurements showed that the phosphate incorporation into the oxide films grown on the Ti-50Zr at.% alloy by different methods and thickenesses lead to high values of electrical resistance when compared with the ones of films grown in CH3SO3H, H2SO4, and HNO3. The nature of the growth electrolyte was observed to also affect the semiconducting properties of the different oxide films grown on the alloy, leading to different voltammetric profiles of these films when illuminated with radiation of energy greater than that of the band gap. The studies on the effect of the exchange of the electrolyte solution in the galvanostatic growth of anodic films in two steps showed that the breakdown potentials are dependent on the nature of the electrolyte. On the other hand, these measurements also revealed that the initial electrical breakdown of the film or the nature of the electrolyte in which it was initially grown do not alter the film growth kinetics during the second step, carried out in another electrolyte. / Foram realizados estudos da influência da natureza do eletrólito de crescimento nas propriedades de filmes de óxido crescidos sobre a liga Ti-50Zr at.%. Os resultados obtidos por meio das diferentes medidas realizadas (cronoamperometria, potencial de circuito aberto e taxas de reconstrução) mostraram que a incorporação de fosfato na matriz dos filmes de óxido crescidos em H3PO4 provoca instabilidade dos mesmos, fazendo com que haja maior dissolução em relação aos crescidos em CH3SO3H, H2SO4 e HNO3. As medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica mostraram que a incorporação de fosfato na matriz dos filmes de óxido crescidos sobre a liga Ti- 50Zr at.% por diferentes métodos e espessuras proporciona elevados valores de resistência elétrica quando comparados com os de filmes crescidos em CH3SO3H, H2SO4 e HNO3. Foi observado que a natureza do eletrólito de crescimento afeta também as propriedades semicondutoras dos diferentes filmes de óxido crescidos sobre a liga, proporcionando diferentes perfis voltamétricos destes filmes quando iluminados com radiação de energia maior que a da banda proibida. Os estudos do efeito da troca da solução eletrolítica no crescimento por via galvanostática de filmes anódicos em duas etapas mostraram que os potenciais de ruptura são dependentes da natureza do eletrólito. Por outro lado, estas medidas também revelaram que a ruptura elétrica inicial do filme de óxido ou a natureza do eletrólito em que ele foi inicialmente crescido não alteraram a cinética de crescimento durante a segunda etapa, feita em um outro eletrólito.