Μελέτη διατάξεων φωτοκατάλυσης για διάσπαση ρύπων

• Main Author: Γαλανοπούλου, Μαρία
• Other Authors: Λευθεριώτης, Γιώργος
• Language: gr
• Published: 2014
• Subjects: Φωτοκατάλυση; Μπλε του μεθυλενίου; 541.395; Photocatalysis; Methylene blue; WO3; TiO2
• Online Access: http://hdl.handle.net/10889/7886

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. === The present study deals with the photo electrochemical degradation of two organic compounds, namely Methylene Blue and glucose. The photocatalytic process was carried out using UV radiation (Hg lamp, 125 W). The employed photo catalysts were titanium dioxide (TiO2) and tungsten oxide (WO3) deposited in the form of thin films on SnO2:F-coated glass. The photodecomposition of organic wastes was carried out in a photo electrochemical (PEC) cell with the following components: 1) The anode electrode which carries the photo catalyst. The photo anode produces electrodes and oxidation reactions take place there. 2) The cathode electrode, which carries the electro catalyst and facilitates the transfer of electrons from the cathode to the liquid phase. Reduction reactions take place at the cathode. In this study, a noble metal, Pt was used as electro catalyst. Thin films of Pt were obtained by electrodeposition on SnO2:F-coated glass slides. 3) The electrolyte which is added to adjust the Ph in order to increase the ionic conductivity. In this study, an aqueous solution of NaOH has been used as electrolyte. The operation of such a PEC cell is as follows: The absorption of photons by the photocatalyst leads to the creation of electron-hole pairs. The photodegradable substance is oxidized by the holes, liberating hydrogen ions in the aqueous solution. Electrons are transferred through the external circuit towards the cathode, where they reduce hydrogen ions producing hydrogen molecules (in the absence of oxygen). The initial step of the photoelectrocatalytic decomposition is the adsorption of the organic waste on the surface of the photocatalyst according to the Langmuir-Hinshelwood mechanism. TiO2 is among the most successful photo catalysts for heterogeneous photo catalytic degradation of organic wastes. Thin films of nano crystalline titania were deposited on glass substrates using the Doctor Blade method. Another wide band gap semiconductor with that can be used in heterogeneous photo catalysis is WO3. It was also tested and compared with TiO2. The pH value of the electrolyte (NaOH) was found to affect strongly the process. High pH values were required to obtain high OH- concentration because efficient hole scavenging and production of hydrogen radicals is ensured, especially when an organic sacrificial agent is added. As a consequence, the apparent rate constant kapp was increased with increasing NaOH concentrations. The photodegradable substances act like “sacrificial agents” preventing the recombination of electron-hole pairs, which is the main cause for low efficiencies. Of the two organic wastes that have been studied, only MB could be successfully degraded. Finally, the photo catalytic activity of TiO2 and WO3 was compared. Although both catalysts were equally efficient, WO3 is characterized by low stability. .