Abstract Water contamination is a global problem and the growing utilization of limited water resources creates a need for efficient purification methods. Industrial effluents are polluting the natural waters, e.g. uncontrolled mining activities in developing countries have created numerous environmental hazards and different types of pollutants. This study focuses on novel adsorbents and photocatalytic materials in order to reach the aim of more efficient and affordable water treatment. This thesis aimed at making active, efficient, and viable adsorbents out of waste materials, as well as using photocatalysis in water treatment for organic pollutants originating from different types of industries. Local Peruvian agro-waste was used as a precursor for activated carbon that was used in adsorption studies for single (As(V) and methylene blue, MB), and multicomponent mixtures (As(V)/Pb/Cd), and real polluted river water. An industrial intermediate product, hydrous TiO2, was used for As(III)/As(V) removal. Photocatalytic materials included a commercial photoactive TiO2 (P25), and tailor-made TiO2 based nanofibers (NF) decorated with Pt/Pd. The results show that the agro-waste based activated carbons show high potential as adsorbents (e.g. ~100% As(V) removal in 2 h). With the multicomponent solution there is evidently competition for the adsorption sites; Pb was removed most efficiently. The specific surface area and pore size distribution play an important role in MB adsorption, as with As(V) the ash content is the most influential parameter. The industrial intermediate product has a high adsorption capacity towards both As(III) and As(V) (over 96% removals in 4 h), and is promising for use in natural and wastewater treatment due to its adsorption properties, availability, low cost, and non-toxicity. Photocatalysis was found to be an efficient removal method for the pollutants tested, also in the diluted industrial wastewater matrix, e.g. diuron was removed 99% in 1 h. The NFs are promising for the efficient photocatalytic degradation of organic effluents in aqueous streams such as wastewaters originating from e.g. biofuel production or fine chemicals and pharmaceutical industry. This study provides new and valuable knowledge for the purification of waters, especially when aiming at developing inexpensive water treatment materials and methods for different applications. / Tiivistelmä Puhtaan veden puute on maailman laajuinen ongelma, ja raskasmetallien ja orgaanisten haitta-aineiden päätymistä ympäristöön ja luonnonvesiin voidaan vähentää hyvällä ja tehokkaalla teollisuuden jätevesien käsittelyllä. Uusia ja tehokkaita, ympäristön kannalta suotuisia ja kestäviä vedenpuhdistustekniikoita tarvitaan erityisesti kehitysmaissa, joissa esim. kontrolloimaton kaivostoiminta aiheuttaa ympäristö- ja terveyshaittoja. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin perulaisesta maatalousjätteistä aktiivihiiltä kemiallisella aktivoinnilla, ja seurattiin niiden kykyä adsorboida haitta-aineita (As(V), Pb, Cd, metyleenisini) yksi- ja monikomponenttiliuoksista ja saastuneesta luonnonvedestä (Puyango-Tumbesjoki, Peru). Lisäksi tutkittiin teollisuuden välituotteen (TiO2) aktiivisuutta arseenin, As(III) ja As(V), adsorptiossa. Viimeisessä osiossa tutkittiin valokatalyysiä orgaanisten haitta-aineiden poistossa vesiliuoksista sekä kaupallisella TiO2 P25 -katalyytillä että kokeellisilla Pd/Pt-dopatuilla TiO2 -nanokuiduilla. Tulokset osoittavat, että paikallisesta raaka-aineesta valmistetut aktiivihiilet ovat hyvin potentiaalisia vedenpuhdistusmateriaaleja saavuttaen jopa 100% As(V) poistuman (2h). Adsorboitavien ionien välillä on nähtävissä kilpailua monikomponettiadsorptiossa; lyijyn havaittiin poistuvan tehokkaimmin tutkituissa olosuhteissa. Adsorbentin ominaispinta-ala ja huokoskokojakauma ovat tärkeitä tekijöitä metyleenisinin adsorptiossa, kun taas tuhkapitoisuudella on arseenin adsorptioon suurempi vaikutus. Teollisuuden TiO2-välituotteella havaittiin olevan korkea adsorptiokapasiteetti sekä As(III)- että As(V)-spesieksiä kohtaan saavuttaen yli 96% poistumat (4h). Se on lupaava materiaali edelleen kehitettäväksi ja käytettäväksi esimerkiksi luonnonvesien ja jätevesien puhdistuksessa johtuen sen hyvistä adsorptio-ominaisuuksista, saatavuudesta, edullisuudesta ja myrkyttömyydestä. Valokatalyysin havaittiin olevan toimiva menetelmä orgaanisten molekyylien hajottamiseen, myös laimeasta teollisuuden jätevesimatriisista, esim. diuroni poistui 99% tunnissa. Nanokuitujen tapauksessa aktiivinen metalli vaikutti merkittävämmin reaktion tehokkuuteen kuin ominaispinta-ala. Tämä työ tarjoaa uutta ja tärkeää tietoa vesien puhdistukseen kun tavoitteena on löytää tehokas ja edullinen menetelmä erityyppisiin sovelluksiin.

Abstract Titanium dioxide nanoparticles are used in an enormous amount of applications. Their properties are different from bulk TiO₂ and are affected by adsorbates that are unavoidably present on the surface. In this thesis, the effect of OH and SO₄ groups (the adsorbants present on the surface during manufacturing) on the properties of anatase-structured TiO₂ nanoparticles is studied. It was found that the above mentioned groups change both the geometric and electronic structure of nanoparticles, resulting in changes in the photoabsorption spectrum. Bader charges are calculated using electron density from Density Functional Theory calculations. They can be used for determination of the oxidation state of the atom. The relation between computed partial charges and oxidation states for binary oxides using data from open materials database has been demonstrated in this work using a linear regression. The applicability of the oxidation state determination by Bader charges for mixed valence compounds and surfaces is considered. / Tiivistelmä Titaanidioksidinanopartikkeleita käytetään lukuisissa sovelluksissa. Niiden ominaisuudet poikkeavat kiinteän TiO₂:n ominaisuuksista, ja niihin vaikuttavat pinnalle väistämättä absorboituvat aineet. Tässä työssä on tutkittu OH- ja SO₄-ryhmien vaikutusta anataasirakenteisten TiO₂-nanopartikkelien ominaisuuksiin. Tällaisia ryhmiä esiintyy yleisesti nanopartikkelien pinnalla valmistusprosessien aikana. Työssä havaittiin, että nämä ryhmät muuttavat nanopartikkelien rakenteellisia ja sähköisiä ominaisuuksia, ja siten vaikuttavat myös fotoabsorptiospektriin. Baderin varaukset voidaan laskea käyttäen tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvista laskuista saatavaa elektronitiheyttä. Niitä voidaan käyttää atomin hapetustilan laskemiseen. Tässä työssä on osoitettu, että binääristen oksidien tapauksessa laskettujen osittaisvarauksien ja hapetustilan välillä on yhteys. Tämä yhteys voitiin osoittaa käyttämällä lineaarista regressiota. Työssä tarkastellaan myös menetelmän soveltuvuutta hapetustilojen määrittämiseen sekavalenssiyhdisteille ja pinnoille. / Original papers Original publications are not included in the electronic version of the dissertation. Miroshnichenko O., Auvinen S., & Alatalo M. (2015). A DFT study of the effect of OH groups on the optical, electronic, and structural properties of TiO₂ nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 5321–5327. https://doi.org/10.1039/c4cp02789b Miroshnichenko O., Posysaev S., & Alatalo M. (2016). A DFT study of the effect of SO4 groups on the properties of TiO₂ nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 33068–33076. https://doi.org/10.1039/c6cp05681d http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe201707037608 Posysaev S., Miroshnichenko O., Alatalo M., Le D., & Rahman T.S. (2019). Oxidation states of binary oxides from data analytics of the electronic structure. Comput. Mater. Sci., 161, 403–414. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.01.046