Ceramiche avanzate: determinazione delle prestazioni di degradazione ossidativa secondo ISO 22601
La fotocatalisi è una tecnica efficace e rispettosa dell’ambiente che si è affermata come opzione valida per la degradazione di una vasta gamma di contaminanti.
Diversi metalli e composti metallici, come ossidi, solfuri e carburi, sono utilizzati come fotocatalizzatori per aumentare l’efficienza della degradazione. I comuni composti metallici, noti come ceramiche avanzate, includono ZnO, TiO2, MoS2, ZnS, Fe2O3, SiC, CdS, WO3, SrTiO3, SnO2, NiO e ZrO2. Questi materiali, conosciuti anche come ceramiche fini o ingegnerizzate, sono efficaci fotocatalizzatori utilizzati per degradare inquinanti ambientali dannosi e tossici. La ceramica avanzata è essenziale per garantire elevate prestazioni, sicurezza ed affidabilità. Le proprietà dei materiali ceramici utilizzati in queste applicazioni spaziano dalla grande resistenza all’usura e al calore alla resistenza alla corrosione, fino alla biocompatibilità, alla bagnabilità e alla idrofobicità/idrofilicità.
Proprio queste caratteristiche fanno della ceramica avanzata un’alternativa interessante per garantire una maggiore efficienza degli impianti nell’ambito delle tecnologie ambientali. I materiali ceramici consentono un buon controllo dei processi, ad esempio nel trattamento di inquinanti organici e inorganici persistenti nelle acque reflue, come composti farmaceutici, pesticidi, coloranti, petrolio, microplastiche e metalli pesanti.
La cinetica di fotodegradazione di composti organici ed inorganici in soluzione è da sempre oggetto di numerosi studi. Al variare di alcuni parametri sperimentali come la concentrazione iniziale del substrato, la concentrazione del catalizzatore, il pH iniziale, la potenza di irradiazione e la concentrazione dell’ossigeno presente, è possibile predire la fattibilità di un processo. In linea con questo, si è reso necessario sviluppare un metodo per misurare le prestazioni di un materiale fotocatalitico semiconduttore nel processo di degradazione ossidativa degli idrocarburi.
La norma ISO 22601:2019 fornisce un metodo di prova per valutare le prestazioni di degradazione ossidativa del fenolo e dei prodotti intermedi derivanti dalla fotocatalisi da parte di materiali semiconduttori fotocatalitici o di materiali assorbiti con fotocatalizzatore sulla loro superficie. Questo metodo si basa sulla determinazione del TOC (Total Organic Carbon) come parametro di valutazione delle prestazioni fotocatalitiche di un campione di prova. Il campione di prova può essere di forma planare, sferica, a fiocco o a blocco. Caratteristica del processo di fotodegradazione è il mantenimento da parte del fotocatalizzatore delle sue caratteristiche: il processo di fotocatalisi avviene solo se il supporto non subisce degradazione così da garantire efficacia continua e costante nel tempo. Sono quindi esclusi dall’ambito applicativo i campioni di prova che possono eluire idrocarburi per immersione in acqua o in soluzione acquosa di fenolo. Sono anche esclusi i materiali fotocatalitici semiconduttori che non possono mantenere la loro forma o i materiali in polvere, poiché non possono essere sottoposti a valutazione.
Dal punto di vista della dinamica del processo, la fotodegradazione ha inizio nel momento in cui la radiazione luminosa, tipicamente una radiazione UV, investe il semiconduttore e consente la creazione di una coppia lacuna-elettrone, provocando l’ossidazione e la riduzione di specie chimiche adsorbite sulla superficie del supporto.
I composti organici presenti nelle acque reflue vengono decomposti ossidativamente in CO2 e acqua mediante la fotocatalisi. Nell’ambito della degradazione fotocatalitica si ha la formazione di molti sottoprodotti e il meccanismo di scissione, comprese le modifiche della struttura molecolare e la concentrazione dei sottoprodotti, dipende dalle caratteristiche del fotocatalizzatore. Tra queste sono molto importanti la struttura superficiale, la fase cristallina e l’attività fotocatalitica. Di conseguenza, l’analisi dell’attività fotocatalitica tramite la diminuzione della concentrazione iniziale dei composti organici significa principalmente modificare la struttura originale del composto organico. Il metodo ideale per stimare l’attività fotocatalitica nel trattamento delle acque reflue sarebbe quello di decomporre ossidativamente il composto organico in CO2 e acqua. Sulla base di questo concetto, l’analisi del TOC come misura della degradazione fotocatalitica è il metodo più adatto perché non si deve tenere conto della produzione di sottoprodotti come meccanismi di reazione secondari.
La misura del TOC avviene in conformità alla norma ISO 8245, mediante combustione ossidativa. In particolare, si esegue la misura del parametro NPOC (Non Purgeable Organic Carbon).
Analityk Jena offre una soluzione avanzata e completamente automatizzata per l’analisi del TOC con la serie multiNC che permette di eseguire questo tipo di determinazione.
