Μελέτη διατάξεων φωτοκατάλυσης για διάσπαση ρύπων

• Κύριος συγγραφέας: Γαλανοπούλου, Μαρία
• Άλλοι συγγραφείς: Λευθεριώτης, Γιώργος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2014
• Θέματα: Φωτοκατάλυση; Μπλε του μεθυλενίου; Photocatalysis; Methylene blue; WO3; TiO2; 541.395

Στην παρούσα ερευνητική εργασία μελετάται η φωτοηλεκτροχημική διάσπαση δύο οργανικών ενώσεων: της χρωστικής Methylene Blue (MB), και της γλυκόζης. Η φωτοκαταλυτική διεργασία πραγματοποιήθηκε με φωτοβόληση υπεριώδους ακτινοβολίας UV (λάμπα Hg, 125 W). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν δύο φωτοκαταλύτες: η νανοκρυσταλλική τιτάνια (TiO2) και το οξείδιο του βολφραμίου (WO3). Η φωτοδιάσπαση των οργανικών ρύπων πραγματοποιήθηκε σε μία φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα, η οποία αποτελείται από τα εξής μέρη: 1)Το ηλεκτρόδιο της ανόδου το οποίο φέρει το φωτοκαταλύτη. Στη φωτοάνοδο παράγονται τα ηλεκτρόνια και πραγματοποιόυνται οι αντιδράσεις οξείδωσης. 2)Το ηλεκτρόδιο της καθόδου, το οποίο φέρει τον ηλεκτροκαταλύτη, ο οποίος διευκολύνει τη μεταφορά των ηλεκτρονίων από το ηλεκτρόδιο στο διάλυμα. Στη φωτοκάθοδο πραγματοποιούνται αντιδράσεις αναγωγής. Ως ηλεκτροκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε ο λευκόχρυσος ο οποίος είναι ευγενές μέταλλο. 3)Τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος ρυθμίζει το pH του διαλύματος και αυξάνει την ιοντική αγωγιμότητα. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιήθηκε είναι το καυστικό νάτριο (NaOH). Όταν ο φωτοκαταλύτης διεγείρεται με ακτινοβολία ενέργειας ίσης ή μεγαλύτερης του ενεργειακού του χάσματος, δημιουργούνται ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων. Ένα μέρος των δημιουργούμενων ζευγών φορτίου επανασυνδέονται χάνοντας τη φωτεινή ενέργεια σε θερμότητα. Οι οπές οξειδώνουν το ρύπο απελευθερώνοντας ιόντα υδρογόνου. Τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος στην κάθοδο, όπου αντιδρούν με τα ιόντα υδρογόνου, σχηματίζοντας είτε μοριακό υδρογόνο (υπό αναερόβιες συνθήκες), είτε νερό (υπό αερόβιες συνθήκες). Το πρώτο και σημαντικότερο στάδιο της φωτοκαταλυτικής διεργασίας είναι η προσρόφηση του ρύπου στην επιφάνεια του φωτοκαταλύτη. Ο μηχανισμός προσρόφησης γίνεται σύμφωνα με το κινητικό μοντέλο Langmuir-Hinshelwood. To TiO2 αποτελεί έναν από τους πιο διαδεδομένους και αποδοτικούς φωτοκαταλύτες. Τα υμένια TiO2 εναποτέθηκαν σε υπόστρωμα γυαλιού με τη μέδοδο Doctor Blade. Το WO3 είναι ένας εξίσου αποδοτικός φωτοκαταλύτης με το TiO2, αλλά λιγότερο δημοφιλής. Η εναπόθεση των υμενίων WO3 σε γυάλινα υποστρώματα έγινε με τη μέθοδο του ψεκασμού. Η παρασκευή του αντιηλεκτροδίου, δηλαδή του ηλεκτροδίου της καθόδου, έγινε με τη μέθοδο της ηλεκτροαπόθεσης. Το υψηλό pH του ηλεκτρολύτη (NaOH) είναι απαραίτητο για τη φωτοδιάσπαση οργανικών ενώσεων. Εκτός από την ιοντική αγωγιμότητα που προσφέρει στο φωτοηλεκτροχημικό κελί, επηρεάζει και την επιφανειακή φόρτιση του φωτοκαταλύτη. Η αύξηση της συγκέντρωσης του NaOH, δηλαδή η αύξηση των ιόντων ΟΗ-, είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της σταθεράς ταχύτητας της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης kapp και επομένως ταχύτερη φωτοδιάσπαση του ρύπου. Στα διαλύματα με τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ηλεκτρολύτη ο χρόνος ημιζωής του ρύπου είναι πολύ μικρότερος συγκριτικά με τα διαλύματα χαμηλής συγκέντρωσης NaOH. Η μέτρηση της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων στα υδατικά διαλύματα έγινε με φασματοφωτομετρία απορρόφησης ορατού-υπεριώδους (UV/vis). Οι φωτοαποικοδομούμενες ουσίες, λειτουργούν ως «θυσιαστήριες ενώσεις», αφού μειώνουν το ρυθμό επανασύνδεσης ηλεκτρονίων-οπών και επομένως συμβάλλουν στην αύξηση της απόδοσης του συστήματος, ενώ παράλληλα η διάσπασή τους προσφέρει τεράστιο περιβαλλοντικό όφελος. Από τις δύο οργανικές ενωσεις που μελετήθηκαν, μόνο η χρωστική Methylene Blue λειτούργησε αποτελεσματικά ως θυσιαστήρια ένωση. Αντιθέτως η γλυκόζη, που είναι πολύπλοκο μόριο, δεν κατάφερε να διασπαστεί. Τέλος έγινε σύγκριση της δραστικότητας των δύο φωτοκαταλυτών, κατά τη φωτοαποικοδόμηση των οργανικών ρύπων που μελετήθηκαν. Παρατηρήθηκε ότι και το TiO2 και το WO3 είναι εξίσου αποδοτικοί φωτοκαταλύτες. Σε αντίθεση με το TiO2, το WO3 δεν είναι ανθεκτικό στη φωτοδιάβρωση, καθιστώντας αδύνατη την επαναχρησιμοποίησή του σε περισσότερες από δύο φωτοκαταλυτικές διεργασίες.