Photocatalysis in environmental protection and energy production

Fotokatalitički procesi u posljednjim desetljećima imaju sve veću ulogu u zaštiti okoliša. Iako je fotokataliza relativno nova metoda i još uvijek je u razvoju, njen velik potencijal potiče znanstvenike na daljnja intenzivna istraživanja. Heterogena fotokataliza posebno je zanimljiva zbog brojnih prednosti vezanih uz primjenu u realnim sustavima. Cilj ovog rada bio je pregled osnovnih značajki fotokatalitičkih procesa koji imaju potencijalnu primjenu u zaštiti okoliša i proizvodnji energije. U uvodnom dijelu rada objašnjeni su mehanizam i kinetika heterogenih fotokatalitičkih reakcija te je opisan utjecaj različitih procesnih varijabli na ukupnu brzinu reakcije. Iako se u praksi još uvijek najviše primjenjuje TiO2 kao fotokatalizator, u radu su navedeni i drugi potencijalni fotokatalizatori. Osim kemijskog sastava fotokatalizatora, izuzetno je važna i izvedba fotokatalizatora odnosno njegov smještaj u fotoreaktoru, o čemu ovisi i ukupna učinkovitost fotokatalitičkog procesa. Zbog toga je u radu detaljno opisana imobilizacija fotokatalizatora na odgovarajući nosač primjenom sol-gel metode. Također je dan pregled fotokatalitičkih reaktora i navedene su njihove specifične značajke s obzirom na potencijalnu primjenu. Fotokataliza se najčešće primjenjuje za pročišćavanje voda i otpadnih voda te pročišćavanje zraka i obradu otpadnih plinova. Stoga su ta područja primjene detaljno opisana i analizirana na odabranim primjerima. Također je objašnjeno fotokatalitičko razdvajanje vode kao primjer primjene fotokatalize pri proizvodnji energije te druga područja primjene čije mogućnosti se još istražuju. U raspravi i perspektivnom dijelu prikazana su dosadašnja postignuća u istraživanju fotokatalitičkih procesa vezana uz povećanje ukupne učinkovitosti, a poseban naglasak dan je na dopiranje fotokatalizatora. Kao napredna vrsta fotokatalizatora navedeni su nanokompozitni fotokatalitički materijali, namijenjeni razgradnji farmaceutika u otpadnim vodama. U završnom dijelu rada opisani su solarni fotoreaktori. U radu su analizirani i nedostaci fotokatalitičkih procesa koji otežavaju njihovu komercijalizaciju, primjerice relativno mala učinkovitost procesa u određenim uvjetima primjene koja je najčešće izazvana deaktivacijom fotokatalizatora, rekombinacijom parova elektron-šupljina i dr. čimbenicima. Prema očekivanjima, daljnji razvoj i detaljna analiza fotokatalitičkih procesa u budućnosti će značajno utjecati na kvalitetu ljudskoga života i stanje okoliša.In the last few decades the role of photocatalysis in environment protection has grown significantly. Although photocatalysis is a relatively new method and still developing, its great potential encourages scientists to intensively research it. Heterogeneous photocatalysis is especially interesting, due to many advantages for application in real systems. Aim of this work is to review basic features of photocalytic processes with potential application in environment protection and energy production. Introduction part of this work explaines mechanism and kinetics of heterogeneous photocatalysis, as well as the impact of different variables of process on total reaction speed. Even though TiO2 photocatalyst still has the biggest usage in industry, there are also other potential photocatalysts named in this work. Besides chemical composition of photocatalyst that impacts the effectiveness of process significantly, photocatalyst design and its position in photoreactor are also very important. Therefore, the immobilization of photocatalyst on adequate support with the help of sol-gel method is described in detail in this work. The review of photocatalytic reactors and its specific features based on their potential application is also given in this work. Photocatalysis is most frequently used for purification of water and waste water, and also for air and waste gases purification, therefore these aspects are elaborated in detail and explained with examples. Photocatalytic water splitting is also explained as an example of application of photocatalysis for energy production. Besides these methods, there are also many more applications of photocatalysis that are still researched, shown in this work. Present achievements in the field of photocatalysis that increase effectiveness are discussed, while special accent is given on doping mechanism. As an advanced type of photocatalysts there are nanocomposites mentioned, purposed to degrade pharmaceutical medication in waste water. In the final part of work there are solar photoreactors described. Disadvantages of photocalytic processes that complicate their commercial application are also discussed, for example low effectiveness rate, caused by deactivation of photocatalyst, recombination of electron-hole pairs and other factors. It is expected that further development and a detailed analysis of photocatalysis will have a significant impact on life quality and environment condition