Abstract: Photocatalysis has been labeled for decades as a promising technique for air purification. The principle seems straightforward and requires a photocatalyst that is immobilized on a substrate, and one or more UV sources to activate the photocatalyst. No waste products are produced, the reactions occur in mild conditions and the supplies are relatively cheap. Yet it seems that the commercialization of photocatalytic systems does not break through on the global market. The aim of this thesis is to identify and tackle the bottlenecks that impede commercialization from an application-oriented approach. The problem of indoor air pollution is enhanced by the fact that people spend more and more time indoors and that ventilation is kept to a minimum as an energy-saving measure. This inevitably leads to an accumulation of volatile organic compounds (VOCs) that are emitted by e.g. building materials, paint and furniture. Human exposure to VOCs is directly related to the sick building syndrome leading to complaints such as headache, fatigue, dizziness and lack of concentration. In addition, exposure to VOCs is related to serious long-term health effects such as cancer or respiratory diseases. Therefore, significant research efforts are focused on advanced indoor air purification methods. Integration or retrofitting of a photocatalytic (PCO) air purifying unit into heating, ventilation and air conditioning (HVAC) equipment has been chosen as an interesting approach. As a starting point of this thesis, the operational conditions of a ventilation system were mapped. These systems are characterized by high flow rates and the necessity of minimal pressure losses. Pressure losses increase the energy demand and can lead to failure of the ventilation fan and thereby undermine the proper functioning of the ventilation system. A suitable substrate must allow the contaminated air to pass through with a minimal pressure drop, allow sufficient contact time between VOC and photocatalyst, have a large surface area available for coating with excellent adhesion, and be transparent to UV light. Therefore, the permeability and the available exposed surface were selected as main selection criteria. After a thorough quantitative analysis of potential substrates, borosilicate glass tubes were selected. Glass tubes can easily be stacked to constitute a transparent monolithic multi-tube reactor, with their length parallel to the air flow in order to minimize the pressure drop. Moreover, borosilicate glass is relatively inexpensive and has excellent UV-A light transmitting properties. Based on a literature study, a sol-gel coating procedure was selected that is extremely suitable for coating glass substrates. The next step was to optimize the amount of P25 (commercial titanium dioxide) in the photocatalytic sol-gel coating for its application. More P25 in the sol-gel coating results in a higher adsorption capacity and consequently a higher photocatalytic activity, but greatly reduces the transparency of the coating. After an in-depth study, the concentration of 10 g L-1 P25 was selected as the most feasible for multi-tube reactors. Since the operation of photocatalytic reactors is based on a complex interaction of physical and chemical processes, mathematical models were developed, supported by experimental data, that include all these phenomena as a tool for reactor design and optimization. By making use of such models, time-consuming and expensive experimental research can be minimized. However, the experimental validation of models is of utmost importance to prove its reliability and accuracy. Intrinsic kinetic parameters provide the fundamentals for these models as they describe the photocatalytic reaction rate, independent of fluid dynamics, reactor geometry and radiation field. In this work they were estimated by means of a Computational Fluid Dynamics (CFD) study, based on FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) experiments with a lab scale multi-tube reactor. The kinetic parameters were validated by an alternative analytic approach, emphasizing the accuracy and reliability of the simulations. Finally, the aforementioned CFD approach, based on the simultaneously modelling of airflow, mass transfer, UV light irradiation and photocatalytic reactions, was used to obtain insights for the light source configuration in upscaled multi-tube reactors. After taking all these insights and some practical implications into account, a final upscaled multi-tube reactor design was proposed and converted into a first built prototype. Subsequently, it was evaluated according the CEN-EN-16486-1 standard for VOC removal by the external scientific research center ‘CERTECH’. The scientific results, regarding the mineralization of the VOCs and photocatalytic efficiency of the reactor, demonstrated the feasibility for indoor air purification by the upscaled multi-tube reactor and the possible implementation in ventilation systems.

Abstract: Dit onderzoek presenteert een overzicht van de mogelijkheden van LA-ICP-MS als een techniek voor kwantitatieve analyse, bepalen van isotoopverhoudingen en elementaire beeldvorming. Hiervoor wordt de techniek zelf voorgesteld en worden de belangrijkste parameters die een invloed hebben op de kwaliteit van een LA-ICP-MS meting beschreven. Voor kwantitieve analyse worden de huidige calibratiestrategieën voor LA-ICP-MS toegelicht, zowel op het vlak van selectie en bereiding van standaarden als op het vlak van dataverwerking. Daarnaast werd een nieuwe calibratiestrategie voorgesteld, gebaseerd op een lineaire combinatie van standaarden. Een case study met de traditionele calibratiestrategie uit de literatuur werd uitgevoerd en vergeleken met data van SEM-EDX om een referentiekader te schetsen voor de performantie van de techniek. In een tweede case study werd onze nieuwe calibratiestrategie toegepast en werd er uitsluitend gebruik gemaakt van LA-ICP-MS, wat uitstekende resultaten opleverde. Met het oog op het bepalen van isotoopverhoudingen, werd er onderzocht wat de limieten zijn van het gebruik van een lage resolutie quadrupool massaspectrometer voor deze bepaling. Dit stelde ons in staat om de te verwachten accuraatheid en precisie in te schatten. De performantie bleek goed genoeg te zijn om weapon-grade plutonium te onderscheiden van global fall-out, zoals het werd aangetoond in de case study omtrent dit onderwerp. Uiteindelijk hebben we ook LA-ICP-MS geëvalueerd als een techniek voor elementaire beeldvorming, waarbij we tevens de meest courante multivariate data analyse hebben beschreven. Om de techniek te plaatsen tegenover andere elementaire technieken, werd een historisch verffragment geanalyseerd dat in het verleden reeds geanalyseerd was met SEM-EDX and μ-XRD. Op die manier konden we de resultaten accuraat vergelijken met de andere technieken.

Abstract: Het gebruik van plasmon-actieve nanodeeltjes heeft de laatste 10 jaar zeer veel interesse gewekt bij onderzoekers in verschillende toepassingsdomeinen zoals fotokatalyse of oppervlakte versterkte Raman spectroscopie. Er is echter een grote limiterende factor bij het gebruik van edelmetaal nanodeeltjes zoals goud en zilver en dat is de stabiliteit. Deze oxideren en aggregeren snel, zeker in oxidatieve omgeving zoals in lucht. Een interessante aanpak om plasmon-actieve nanodeeltjes te stabiliseren, is om ze te omgeven in een schil, met andere woorden om een kern-schil nanodeeltje te vormen. Er zijn een heel aantal verschillende manieren waarop kern-schil nanodeeltjes gesynthetiseerd kunnen worden. In eerste instantie werden metaal nanodeeltjes omgeven door een (dunne) TiO2 laag. Afhankelijk van de hoeveelheid TiO2 precursor kon de dikte van de laag gecontroleerd worden tot enkele nanometers dik. De stalen werden getest voor de fotokatalytische afbraak van een vaste laag stearinezuur waarbij toevoeging van 2 wt% metaal@TiO2 op P25 leidde tot een significante verbetering in afbraakefficiëntie in vergelijking met zuiver P25. Een andere manier voor het stabiliseren van metaal nanodeeltjes is door ze te omgeven met een polymeerschil. Op deze manier kon de laagdikte gecontroleerd worden met sub-nanometer controle wat een zeer belangrijke factor is voor de hoeveelheid near-field versterking dat buiten de polymeer schil kan gaan. Een XTT test werd uitgevoerd om te bepalen wat de zuurstofactivatie snelheid was van goud en zilver (en goud-zilver bimetallische) nanodeeltjes, al dan niet omgeven door een (niet-)geleidende polymeer laag. Wanneer de stalen gecoat werden met vier niet-geleidende polymeerlagen zakte de zuurstofactivatie nagenoeg tot nul. Aan de andere kant, als goud nanodeeltjes werden omgeven door een geleidende schil was er nog steeds zuurstofactivatie, hoewel lager dan in het geval van goud zonder laag. Het laatste deel van deze thesis focuste meer op mogelijke toepassingen in luchtzuivering. In dit werk werd een glazen buis, gecoat aan de binnenkant met (Ag@polymer gemodificeerd) TiO2, als een spiraal rond een UVA lamp gewikkeld. De geoptimaliseerde spiraalreactor werd dan vergeleken met een conventionele cilindervormige fotoreactor, met dezelfde dimensies en totale katalysatorbelading, over een grote range aan experimentele condities. Uit de resultaten bleek dat de spiraalreactor significant betere afbraakefficiënties vertoonde in vergelijking met de conventionele cilindervormige reactor over een grote range aan debieten. Een adsorptiestap in combinatie met de geoptimaliseerde spiraalreactor zou kunnen leiden tot een zeer krachtige luchtzuiveringstechnologie.

Abstract: ​Food production is a cornerstone in contemporary industrial societies. Its production requires land, water and enormous amounts of fertilizers. These precious fertilizers enter the linear food chain and suffer from a cascade of inefficiencies, resulting in detrimental effects to the environment. A radical transforming of the current food production chain is, therefore, essential to guarantee a sustainable future for humanity. ​This thesis has studied the production of microbial protein (i.e. single-cell protein), which is the use of microorganisms such as yeast, fungi, algae and bacteria as protein ingredient for animal feed. The type of microorganisms targeted in this thesis were purple non-sulfur bacteria (PNSB). These bacteria are an extremely heterogenic group that contain photosynthetic pigments and are able to perform anoxygenic photosynthesis. The core focus of the thesis was technology development for the production of PNSB as a source of microbial protein on wastewater and fresh fertilizers. In the final stage of this research, it was the objective to explore the potential of PNSB as a nutritious feed ingredient for shrimp. ​Overall, this work has provided the building blocks to transform the conventional food production chain. The findings show that PNSB production and biomass valorization is within reach. Further pilot implementation and cost reduction will facilitate the introduction of PNSB production in future’s wastewater treatment plants and the valorization of the biomass as nutritious animal feed ingredient.​

Abstract: abstract not available