Development of new dual-function photocatalytic systems for hydrogen production and wastewater treatment

Abstract

Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament de fotocatalitzadors bifuncionals per a la producció simultània d’hidrogen i la degradació de contaminants orgànics en aigües residuals mitjançant processos de fotoreformació. Es van estudiar efluents reals de la indústria alimentària, la producció de tensioactius etoxilats, la indústria paperera i aigües urbanes. Els materials basats en TiO₂, C₃N₄ i els seus compostos es van avaluar en condicions de laboratori i en reactors solars a escala prepilot. Un dels resultats destacats fou el Pt/TiO₂(SA), que mostrà una elevada producció d’H₂ en aigües molt alcalines (>1.3 mmol/ (g h)), degut a la seva afinitat amb molècules amb grups hidroxil. També es van obtenir bons resultats amb C₃N₄ exfoliat per ultrasons i amb compostos TiO₂–C₃N₄, actius fins i tot en condicions extremes. En aplicacions pràctiques, els efluents amb sucres simples varen afavorir una producció superior a 2.5 mmol/ g d’H₂, i les aigües amb PEG arribaren a 4 mmol/ g. Les proves en condicions reals van demostrar la viabilitat del procés, amb una clara correlació entre irradiació solar, generació d’hidrogen i reducció de la contaminació, evidenciada per la baixada de DQO i pH.

Esta tesis doctoral aborda el desarrollo de fotocatalizadores bifuncionales capaces de generar hidrógeno y degradar contaminantes orgánicos en aguas residuales mediante procesos de fotoreformado. Se investigaron efluentes industriales reales, incluyendo aguas de la industria alimentaria, de producción de surfactantes etoxilados, del papel y aguas urbanas. Se diseñaron y evaluaron materiales basados en TiO₂, C₃N₄ y sus compuestos, tanto en condiciones controladas como en reactores solares a escala pre-piloto. Uno de los resultados más destacados fue la eficiencia del fotocatalizador Pt/TiO₂(SA), que mostró una elevada producción de H₂ en aguas muy alcalinas (>1.3 mmol/ (g h)) debido a su afinidad superficial con moléculas orgánicas ricas en grupos hidroxilo. Materiales de C₃N₄ exfoliados por ultrasonido también demostraron buen desempeño bajo luz visible. Las combinaciones TiO₂–C₃N₄, como CN-P25, mantuvieron su actividad incluso en condiciones extremas de pH y carga orgánica. En aplicaciones reales, efluentes alcalinos con azúcares simples promovieron una producción de H₂ >2.5 mmol/ g, mientras que muestras con PEG generaron hasta 4 mmol/ g. Las pruebas al aire libre validaron la viabilidad del proceso, mostrando correlación entre irradiancia solar, evolución de H₂ y reducción de contaminantes, evidenciada por disminución de la DQO y del pH.

This doctoral thesis focuses on developing bifunctional photocatalysts for the simultaneous production of hydrogen and degradation of organic pollutants in wastewater through photoreforming. Real effluents from the food industry, ethoxylated surfactant production, paper manufacturing, and urban wastewater were studied. Materials based on TiO₂, C₃N₄, and their composites were tested under lab conditions and in a pre-pilot solar reactor. One key result was the high hydrogen production of Pt/TiO₂(SA) in highly alkaline wastewater (>1.3 mmol/ (g h)), attributed to its affinity for hydroxyl-rich organic molecules. Ultrasound-exfoliated C₃N₄ also performed well under visible light, and TiO₂–C₃N₄ composites like CN-P25 remained active under harsh conditions. In real scenarios, effluents containing simple sugars boosted H₂ generation above 2.5 mmol/ g, and wastewater with PEGs reached up to 4 mmol/ g. Outdoor experiments validated the process’s feasibility, showing a strong correlation between solar irradiance, hydrogen evolution, and pollutant removal, as confirmed by decreased COD and pH levels.