Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της φωτοκαταλυτικής δράσης εμπορικών και συνθετικών νανοσκοπικών κόνεων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) και οξειδίου του ψευδαργύρου
(ΖnO), υπό ελεγχόμενες συνθήκες, σε υδατικά διαλύματα αντιπροσωπευτικών εμπορικών χρωστικών ουσιών, Methylene Blue (ΜΒ),
Methyl Orange (ΜΟ) και Rhodamine 6G (Rd6G). Χρησιμοποιήθηκε
φωτοχημικός αντιδραστήρας αδιάλειπτης ροής κάτω από την έκθεση
υπεριώδους ακτινοβολίας με μέγιστη κορυφή αυτή των 365nm για τον
αποχρωματισμό / αποδόμηση των επιλεχθέντων χρωστικών. Η
παρακολούθηση της φωτοδιάσπασης (αποχρωματισμού) έγινε
φασματοφωτομετρικά, ενώ για τον έλεγχο της μείωσης του οργανικού
άνθρακα στο διάλυμα (πλήρης οξείδωση) χρησιμοποιήθηκε αναλυτής
ολικού οργανικού άνθρακα (TOC analyzer). Οι χρωστικές-ρύποι που
επιλέχθηκαν αποτελούν συστατικές ουσίες υπολλειματικών βαφών που
ανιχνεύονται στα υγρά απόβλητα μονάδων υφαντουργίας. Για την
ολοκλήρωση της εργασίας εξετάστηκε και η εφαρμογή της φωτοκαταλυτικής μεθόδου σε πραγματικό απόβλητο βαφείου υφασμάτων.
Με σκοπό τη ρύθμιση και τον έλεγχο των συνθηκών του πειράματος,
μελετήθηκαν παράγοντες όπως η συγκέντρωση, τα δομικά
χαρακτηριστικά και η μορφολογία των καταλυτών, η παροχή αέρα
(προσθήκη οξυγόνου), ο ρυθμός ανάδευσης στον αντιδραστήρα, η επαναχρησιμοποίηση των καταλυτικών σκονών και η υπολειμματική τους δράση. Τα εργαστηριακά συνθετικά νανοσωματίδια (TiO2, ΖnO) που χρησιμοποιήθηκαν ήταν προϊόντα χημικής σύνθεσης μέσω διαλυμάτων σε χαμηλές θερμοκρασίες, ≤95°C, μιας καινοτόμου, οικονομικής και συνάμα φιλικής προς το περιβάλλον τεχνικής.
Διαπιστώθηκε ότι μετά από φωτισμό μόλις 30 λεπτών επέρχεται
αποχρωματισμός και των τριών διαλυμάτων εμπορικών χρωστικών, που
οφείλεται στη διάσπαση της χρωμοφόρου ομάδας. Ειδικότερα, το ΖnO με
σωματίδια <100nm παρουσιάσε την καλύτερη απόδοση για τη χρωστική
Rhodamine 6G και τη χρωστική Μethylene Βlue ενώ το TiO2) Degussa για τη
χρωστική Methyl Orange. Όσον αφορά τα συνθετικά οξειδία των μετάλλων ZnO και TiO2, που παρασκευάστηκαν υδροθερμικά στους 95°C, μπορούμε
να συμπεράνουμε ότι το ZnO παρουσιάζει ιδιαίτερα αξιόλογη
φωτοκαταλυτική δράση (εφάμμιλη δηλαδή εκείνης του εμπορικού ZnO που
παρασκευάζεται σε πολύ υψηλές θερμακρασίες, περίπου 1000°C) για τον
αποχρωματισμό υδατικού διαλύματος MB συγκέντρωσης 20ppm, ιδιαίτερα
στις 2h σύνθεσης. Αντίθετα, το TiO2, έδειξε πολύ μικρά ποσοστά
αποχρωματισμού του MB για χαμηλές θερμοκρασίες (95°C) και χρόνο
σύνθεσης (<40h), σε ορισμένες περιπτώσεις μικρότερα και της φωτόλυσης.
Μόνο μετά από ανόπτηση σε υψηλότερη θερμοκρασία (500°C) εμφάνισε
πολύ καλύτερη φωτοκαταλυτική δράση, λόγω της αύξησης της
κρυσταλλικότητας των δειγμάτων.
Η εφαρμογή τέλος της φωτοκαταλυτικής διαδικασίας σε υγρό δείγμα
αποβλήτου βαφής υφάσματος NAVY έδειξε οτι ο αποχρωματισμός του
συγκριτικά με το υδατικό διάλυμα της χρωστικής ΜΒ (20ppm) είναι κατά
πολύ δυσκολότερος. Ολοκληρώθηκε σε τριπλάσιο περίπου χρόνο για τον
εμπορικό καταλύτη ZnO με σωματίδια <100nm. Είναι όμως αξιοσημείωτο
ότι για το περιβαλλοντικό αυτό δείγμα, οι συνθετικές σκόνες του
εργαστηρίου, ZnO 2h και TiO2 72h σύνθεσης ήταν πιο αποδοτικές σε σχέση
με τους αντίστοιχους εμπορικούς καταλύτες TiO2 Degussa και ZnO με
μέγεθος σωματιδίων <100nm στον αποχρωματισμό του υγρού απόβλητου.
Δεδομένου του χαμηλού κόστους, της φιλικής προς το περιβάλλον μεθόδου
σύνθεσης, οι σκόνες αυτές καθίστανται ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες για
ενδεχόμενη βιομηχανική εφαρμογή και χρήζουν περαιτέρω μελέτης και
έρευνας.
Για το σύντομο σχετικά χρονικό διάστημα μέχρι πλήρους αποχρωματισμού
δεν σημειώθηκε σημαντική μείωση του οργανικού άνθρακα, ένδειξη ότι για
την πλήρη οξείδωση (αποδόμηση) της χρωστικής προς CO2) και ανόργανα
άλατα απαιτείται πολύ περισσότερος χρόνος, σύμφωνα και με
προηγούμενες αναφορές.
(EL)
This MSc dissertation studies the photocatalytic effect of both commercial
and synthetic nanosized powders of titanium dioxides and zinc oxides,
under controlled conditions, in aqueous solutions of representative
commercial coloured organic compounds, such as Methyl Blue (MB),
Methyl Orange (MO) and Rhodhamine 6G (Rh6G). A photochemical batch
reactor was used under UV radiation with maximum wavelength at 365nm
for the decolorisation/decomposition of the dyes of choice. The study of
the photoreaction (decolorisation) procedure was made
spectrophotometrically, while the organic carbon reduction in dye solution
was checked by the use of total organic carbon analyzer (TOC analyzer).
The selected coloured substances are consituents of residual dyes found in
waste textile effluents. This study was completed with the application of
the photocatalytic procedure in industial textile effluent.
In order to set and control the experimental conditions, parameters such
as the concentration, the structural and morphological characteristics of
the catalysts, the air supply, the mixing rate, the reuse of the catalysts
and their residual activity were also under examination. The laboratory
synthetic nanostructured catalytic compounds (TiO2 and ZnO) that were
used are products of hydrothermal synthesis in low temperatures ≤95°C,
an innovative, low cost, environmentally friendly technique.
It was observed that with only 30 minutes of light exposure,
decolourisation of all three commercial dye solutions is almost complete,
due to the break down of the chromophore group of the dye molecule.
Specifically, ZnO with nanoparticles of <100nm was shown to have the
best performance in the decolorisation of dye Rhodamine 6G and
Methylene Blue, while TiO2 Degussa in the case of Methyl Orange. With
regards to the synthetic metal oxides of ZnO and TiO2, which were
synthesised hydrothermally at ≤95°C, we can conclude that ZnO presents
considerably high photocatalytic efficiency (similar to the one of the
commercial ZnO that is produced at much higher temperatures, at about
1000°C) for the decolorisation of the aqueous solution of MB, with
concentration of 20ppm, especially the sample of 2h synthesis.On the contrary, TiO2 showed low decolorisation efficiency for the MB dye solution
for < 40h time of synthesis at low temperature, in some cases it even
performed worst than photolysis. It was only after annealing in higher
temperatures (500°C) that presented much better photocatalytic results,
owing to the increase of the sample chrystallinity.
Finally, the application of the photocatalytic procedure in a textile effluent
dye, named NAVY, was shown that its decolorisation, in relation to the
aqueous solution of the MB (20ppm) is much less efficient. The
decolorisation was complete in three times more using the commercial
catalyst ZnO with nanoparticles of <100nm. However, it interesting that
for such an environmental sample the synthetic catalysts ZnO 2h and TiO2
72h of synthesis were more efficient comparing to the related commercial
catalysts ZnO <100nm and TiO2 Degussa for the decolorisation of the dye
effluent. Having in mind the low cost, environmental friendly way of
synthesis, these catalytic powders are very challenging for future
industrial application, therefore further investigation would be useful.
For the short time till complete decolorisation, no noticeable organic
carbon reduction was observed. This is an indication that for complete
dedradation of the dye compound, giving as final products CO2 and
inorganic salts, much more time is required, also in accordance to
previous reports.
(EN)