Electroactive diamond surfaces for effective removal of persistent organic pollutants from water

Abstract

The efficient treatment of water contaminated with persistent organic pollutants (POPs) is a matter of significant environmental and public health concern. These pollutants, known for their persistence and harmful effects, demand innovative solutions. In this thesis, the application of boron-doped diamond electrodes (BDD) in advanced electrochemical oxidation processes (EAOPs) was explored as a promising approach for removing POPs from water. The research began with a critical literature review, highlighting the available EAOPs methods and their superiority when used in conjunction with BDD electrodes compared to other electrode materials. A comparative analysis between laboratory made and commercial BDD electrodes was also conducted, emphasizing the differences and advantages of each approach. Additionally, a comprehensive evaluation of all parameters influencing the final properties and performance of BDD films was carried out, along with methods to assess the overall electrode performance. This critical analysis laid the foundation for the subsequent development of the thesis. Subsequently, the research focused on the development of an innovative substrate composed of Si3N4-TiN ceramics, providing durability and robustness to BDD electrodes. This substrate choice aimed to ensure high-performance pollutant removal and scalability. Furthermore, the optimization of BDD film deposition conditions was explored through the application of the Taguchi method. This study aimed to enhance the quality of BDD films and understand the effects of deposition parameters on the final film properties. To demonstrate the effectiveness of BDD/Si3N4-TiN electrodes in pollutant removal, a proof of concept was presented, focusing on the degradation of phenol, one of the most common POPs in water. This experimental phase validated the innovative approach. Additionally, the modification of BDD/Si3N4-TiN electrode surfaces through plasma treatments was investigated to improve their electrochemical performance in treating contaminated water. Finally, strategies to improve the efficiency of electrochemical oxidation processes with BDD electrodes were explored, presenting an innovative method involving a cyclic fouling and rapid reactivation process, significantly reducing the time and energy consumption associated with electrochemical oxidation processes. This study underscores the importance of addressing POPs and their widespread presence in water, emphasizing the need for effective treatment methods that meet increasingly stringent environmental requirements. EAOPs, particularly in conjunction with BDD electrodes, emerge as a promising and efficient solution to tackle this crucial environmental challenge, offering benefits such as complete pollutant degradation without the generation of toxic byproducts, energy savings, and scalability.

O tratamento eficiente da água contaminada por poluentes orgânicos persistentes (POPs) é uma questão de grande relevância ambiental e de saúde pública. Esses poluentes, conhecidos pela sua persistência e efeitos prejudiciais, exigem soluções inovadoras. Nesta tese, explorou-se a aplicação de elétrodos de diamante dopado com boro (BDD) em processos de oxidação eletroquímica avançada (EAOPs) como uma abordagem promissora para a remoção de POPs da água. O trabalho teve início com uma revisão crítica da literatura, foi sendo atualizada ao longo do tempo, destacando os métodos EAOPs disponíveis e a sua superioridade quando utilizados em conjunto com elétrodos BDD, bem como a comparação com outros materiais de elétrodo. Também foi realizada uma análise comparativa entre elétrodos BDD de fabricação em laboratório e comerciais, destacando as diferenças e vantagens de cada abordagem. Além disso, conduziu-se uma avaliação abrangente de todos os parâmetros que influenciam as propriedades finais e desempenho dos filmes BDD, bem como métodos para avaliar o desempenho final dos elétrodos. Essa análise crítica estabeleceu a base para o desenvolvimento subsequente da tese. Posteriormente, a pesquisa concentrou-se no desenvolvimento de um substrato inovador, composto por cerâmicos de Si3N4-TiN, que proporcionam durabilidade e robustez aos elétrodos BDD e são eletricamente condutores. Essa escolha de substrato visou garantir alto desempenho na remoção de poluentes e viabilidade de aplicação em larga escala. Além disso, explorou-se a otimização das condições de deposição dos filmes BDD por meio da aplicação do método Taguchi. Este estudo teve como objetivo aprimorar a qualidade dos filmes BDD e compreender os efeitos dos diferentes parâmetros de deposição nas propriedades finais dos filmes. Após a otimização dos filmes BDD, procedeu-se à demonstração da eficácia dos elétrodos BDD/Si3N4-TiN na remoção de poluentes, tendo sido apresentada uma prova de conceito, focada na degradação do fenol, um dos POPs mais comuns na água. Essa fase experimental validou a abordagem inovadora. Adicionalmente, investigou-se a modificação química das superfícies dos elétrodos BDD/Si3N4-TiN por meio de tratamentos de plasma, com o objetivo de melhorar o desempenho eletroquímico no tratamento de água contaminada. Por fim, exploraram-se estratégias para melhorar a eficiência dos processos de oxidação eletroquímica com elétrodos BDD, apresentando um método inovador que consiste num processo cíclico de eletrooxidação com obstrução/reativação rápida, reduzindo significativamente o tempo e o consumo energético associados a processos de oxidação eletroquímica, um dos aspetos mais desafiantes na implementação destes métodos à escala industrial. Em suma, este estudo destaca a importância de abordar os POPs e sua presença generalizada na água, sublinhando a necessidade de métodos de tratamento eficazes que cumpram os requisitos ambientais cada vez mais exigentes. Os EAOPs, particularmente em conjunto com os elétrodos BDD, emergem como uma solução promissora e eficiente para enfrentar esse desafio ambiental crucial, oferecendo benefícios como a degradação completa de poluentes sem a geração de produtos tóxicos, economia de energia e viabilidade de aplicação em larga escala.