Τρισδιάστατα σύνθετα κεραμικά και πολυμερή με περιβαλλοντικές εφαρμογές

Abstract

The subject of this thesis is the preparation of three-dimensional nano-structured photocatalytic materials and the study of their photocatalytic activity towards the degradation of organic indicator pollutants. The objectives of the research concerned the control of the basic characteristics of the samples through their growth parameters, the identification of the characteristics that lead to their optimal photocatalytic activity and the definition of the technique that can offer these characteristics, in combination of course with the possibility of its expansion for the development of photocatalytic coatings in large dimensions and at an industrial level. In the context of this thesis, the use of three-dimensional polymeric and ceramic composite materials, enriched with photocatalytic materials e.g. TiO2 and ZnO, was studied in order to study the degradation of both real pollutants and indicators that simulate typical organic pollutants found in the atmosphere. For the development of the 3D polymeric scaffolds/samples, the 3D printing technique or Fused Deposition Modeling (FDM) was used, which allows us to produce objects by selective deposition of molten material in a predetermined layer-by-layer path with thermoplastic polymers provided in filaments. For the development of the ceramic materials, an innovative, environmentally friendly technique was followed, based on heating materials with microwaves in the presence of graphite, producing porous materials resistant to high temperatures. The photocatalytic activity of the samples was studied by breaking down suitable indicator pollutants, such as Methylene Blue, which simulates the dyes found in textile mill effluent, as well as real pollutants such as drug and detergent residues.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η παρασκευή τρισδιάστατων νανο-δομιμένων φωτοκαταλυτικών υλικών και η μελέτη της φωτοκαταλυτικής δράσης τους ως προς την αποδόμηση οργανικών δεικτών-ρυπαντών. Οι στόχοι της έρευνας αφορούσαν τον έλεγχο των βασικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων μέσω των παραμέτρων ανάπτυξής τους, τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών που οδηγούν σε βέλτιστη φωτοκαταλυτική τους δράση και τον καθορισμό της τεχνικής που μπορεί να προσφέρει τα χαρακτηριστικά αυτά, σε συνδυασμό βέβαια με τη δυνατότητα επέκτασής της για την ανάπτυξη φωτοκαταλυτικών επιστρώσεων σε μεγάλες διαστάσεις και σε βιομηχανικό επίπεδο. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε η χρήση τρισδιάστατων πολυμερικών και κεραμικών σύνθετων υλικών, εμπλουτισμένων με φωτοκαταλυτικά υλικά πχ TiO2 και ZnO, προκειμένου να μελετηθεί η αποδόμηση τόσο πραγματικών ρυπαντών όσο και δεικτών που προσομοιώνουν τυπικούς οργανικούς ρύπους που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα. Για την ανάπτυξη των τρισδιάστατων πολυμερικών ικριωμάτων/δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) ή Μοντελοποίηση Συντηγμένης Εναπόθεσης (Fused Deposition Modeling, FDM) που μας δίνει τη δυνατότητα να παράγουμε αντικείμενα με επιλεκτική εναπόθεση λιωμένου υλικού σε μια προκαθορισμένη διαδρομή στρώμα προς στρώμα με θερμοπλαστικά πολυμερή που παρέχονται σε νήματα. Για την ανάπτυξη των κεραμικών υλικών ακολουθήθηκε μια καινοτόμα τεχνική, φιλική προς το περιβάλλον, που βασίζεται στη θέρμανση υλικών με μικροκύματα παρουσία γραφίτη παράγοντας πορώδη υλικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Η φωτοκαταλυτική δράση των δειγμάτων μελετήθηκε με τη διάσπαση κατάλληλων ρύπων-δεικτών, όπως το μπλε του μεθυλενίου (Methylene Blue) που προσομοιάζει τις χρωστικές που απαντώνται στην εκροή υφαντουργείων, καθώς και πραγματικών ρυπαντών όπως υπολειμμάτων φαρμάκων και απορρυπαντικών.