Evaluation of different immobilization techniques of TiO2 particles in sintered glass substrate (SGS) for the degradation of Humic acid solutions

Abstract

It is well known that humic acids (HAs) have become one of the most extensively investigated organic material since they are considered one of the principal precursors of harmful compounds such as trihalomethanes (THMs). In the last few years, great efforts have focused in the development of treatment alternatives to mitigate the formation of THM’s. In spite of the considerable attention devoted to the removal of HA from raw water its continuous presence increase the potential for THMs formation above acceptable levels. To overcome this problem it is urgent to develop a practical technology for the water treatment facilities for the removal of the HAs. Hence, the present research aimed to develop an alternative to remove or destroy HAs in an aqueous medium through a TiO2 assisted photocatalytic degradation. Different techniques for the immobilization of TiO2 porous glass substrate (SGS) and its efficiency in degrading HA were evaluated. Four approaches were investigated to incorporate the TiO2 particles in the SGS: 1) TiO2 particles embedded in the SGS; 2) TiO2 immobilization by gravitational deposition and evaporation; 3) immobilization by TiO2 coating over the SGS surface; and 4) TiO2 immobilization with Polyvinyl Alcohol. The SGS optimal percolation rate, surface porosity and total porosity as function of sintering temperature and time were investigated. The effect of the thermal treatment in the polymorph structure of the TiO2 particles and GTCs was also assessed. It was found that the sintering time and temperature were critical experimental parameters since a decrease in the SGS open porosity, total porosity, and percolation was observed as these parameters increases. The thermal treatment used for the immobilization process did not affected the crystal structure of the TiO2 since the anatase phase was confirm in the XRD diffractogram. The removal efficiency was greater under acid conditions due to effect of electrostatic attraction and further adsorption that leads to a photomineralization of HA. Despite the discrepancy in the immobilization techniques, the photocatalytic degradation experiments showed that the performance and photoactivity of each GTC were very similar.

Ácidos húmicos (HAs) se han convertido en uno de los materiales orgánicos más investigados, ya que se consideran principales precursores de compuestos dañinos como los trihalometanos (THMs). En los últimos años, grandes esfuerzos se han centrado en el desarrollo de alternativas de tratamiento para mitigar la formación de THM. A pesar de la atención dedicada a la eliminación de HA del agua cruda, su continua presencia aumenta el potencial de formación de THMs por encima de los niveles aceptables. Para superar este problema es urgente desarrollar una tecnología práctica para las instalaciones de tratamiento de agua que permita eliminar los HA. Por lo tanto, la presente investigación tuvo como objetivo desarrollar una alternativa para eliminar o destruir HAs en un medio acuoso a través de una degradación fotocatalítica asistida por TiO2. Se evaluaron diferentes técnicas para la inmovilización TiO2 sobre un sustrato de vidrio poroso (SGS) y su eficiencia en la degradación de HA. Cuatro enfoques fueron investigados para incorporar las partículas de TiO2 en el SGS: 1) partículas de TiO2 incrustadas en el SGS; 2) inmovilización de TiO2 por deposición gravitatoria y evaporación; 3) inmovilización por recubrimiento de TiO2 sobre la superficie de SGS; y 4) inmovilización de TiO2 con alcohol polivinílico. Se investigaron propiedades óptima del SGS, como percolación, porosidad superficial y porosidad total en función de temperatura y tiempo de sinterizado. También se evaluó el efecto del tratamiento térmico en la estructura polimorfa de las partículas de TiO2 y los GTC. Se encontró que el tiempo y la temperatura de sinterizado son parámetros experimentales críticos ya que se observaba una disminución en la porosidad y percolación SGS a medida que estos parámetros aumentaban. El tratamiento térmico utilizado para el proceso de inmovilización no afectó a la estructura cristalina del TiO2 ya que la fase de anatasa se confirmó en el difractograma de XRD. La eficiencia de remoción fue mayor en condiciones ácidas debido al efecto de la atracción electrostática y la adsorción que conduce a una fotomineralización de HA. A pesar de la discrepancia en las técnicas de inmovilización, los experimentos de degradación fotocatalítica demostraron que el rendimiento y la fotoactividad de cada GTC eran muy similares.