Συνδυασμός ψυχρού πλάσματος και TiO2/ZnO καταλυτών για την αποδόμηση οργανικών ρύπων σε υδατικά διαλύματα
Loading...
Date
2023-11-16
Authors
Ντολίνσκι, Οξάνα
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η απομάκρυνση των οργανικών ρύπων από τα λύματα στις σύγχρονες μονάδες
επεξεργασίας είναι συχνά ατελής. Ως εκ τούτου, απαιτείται η ανάπτυξη τεχνολογιών
ικανών να αποδομήσουν αποτελεσματικά τους οργανικούς ρύπους πριν από τη χρήση
του νερού.
Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν ο συνδυασμός των διεργασιών προηγμένης
οξείδωσης ψυχρού πλάσματος και φωτοκατάλυσης (πλασμα-κατάλυση) για την
αποδόμηση κατιονικών και ανιονικών χρωστικών ουσιών στο νερό. Τα πειράματα
έλαβαν χώρα σε ομοαξονικό αντιδραστήρα που παράγει πλάσμα μέσω εκκένωσης
διηλεκτρικού φράγματος (DBD) και στη συνέχεια διοχετεύει μικροφυσαλίδες πλάσματος
απευθείας μέσα στην υδατική φάση. Οι καταλύτες που χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό
των πειραμάτων ήταν το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) και το διοξείδιο του τιτανίου
(TiO2).
Συγκεκριμένα, ο αντιδραστήρας μικροφυσαλίδων πλάσματος τροφοδοτήθηκε
από νανοπαλμούς υψηλής τάσης και οι δύο φωτοκαταλύτες συγκρίθηκαν μεταξύ τους,
κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες, για την αποδόμηση μέσα στο νερό των
χρωστικών ουσιών methylene blue (MB) και orange II (OII). Ο πλασμα-καταλυτικός
μηχανισμός διερευνήθηκε μέσω της επίδρασης της ποσότητας του καταλύτη, της ισχύος
της εκκένωσης και του αερίου πλάσματος στην αποδόμηση των χρωστικών. Επιπλέον,
ποσοτικοποιήθηκαν τα δραστικά είδη πλάσματος (·OH, O3, H2O2), το χημικά
απαιτούμενου οξυγόνο (COD) και ο ολικός οργανικός άνθρακας (TOC) παρουσία και
απουσία καταλυτών, ενώ ο ρόλος των ειδών πλάσματος στην αποδόμηση των ρύπων
έγινε γνωστός μέσω πειραμάτων παρουσία συλλεκτών (scavengers).
Σε σύγκριση με τη διεργασία πλάσματος απουσία καταλυτών, το H2O2
ενισχύθηκε σημαντικά παρουσία TiO2 και μειώθηκε παρουσία ZnO, ενώ η συγκέντρωση
·OH ήταν υψηλότερη στο σύστημα πλάσμα-ZnO αλλά χαμηλότερη στο σύστημα
πλάσμα-TiO2. Παρατηρήθηκε ότι παρουσία και των δύο καταλυτών, η συγκέντρωση του
O3 μειώθηκε, πιθανώς λόγω της μετατροπής του σε ·O2− το οποίο βρέθηκε να παίζει τον
κυρίαρχο ρόλο στην αποδόμηση των ρύπων, ακολουθούμενο από τις ρίζες υδροξυλίου
(·OH) και το H2O2, ενώ τα ενυδατωμένα ηλεκτρόνια δεν φάνηκε να συμμετέχουν άμεσα
στην αποδόμηση των ρύπων. Το ZnO αποδείχθηκε συνολικά καλύτερος καταλύτης σε
σύγκριση με το TiO2 με την συνέργεια πλάσματος-καταλύτη να είναι υψηλότερη υπό
ατμόσφαιρα αέρα και οξυγόνου σε σύγκριση με την ατμόσφαιρα αργού. Η συνέργεια της
διεργασίας πλάσματος-ZnO ήταν ~2.4 και ~1.5 φορές υψηλότερη σε σύγκριση με εκείνη
του πλάσματος-TiO2 για το OII και το MB, αντίστοιχα. Η μείωση του COD και του TOC
στο νερό λόγω επεξεργασίας πλάσματος ενισχύθηκε παρουσία ZnO. Υπό τις βέλτιστες
συνθήκες, η ενεργειακή απόδοση και η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την
αποδόμηση (Energy per order, EEO) για το OII ήταν 23.0 g/kWh και 1.4 kWh/m3
,
αντίστοιχα. Η υψηλή αυτή ενεργειακή απόδοση υποδεικνύει ότι ο συνδυασμός ZnO με
τον αντιδραστήρα φυσαλίδων πλάσματος που οδηγείται από νανοπαλμούς υψηλής τάσης
είναι ένα από τα πιο οικονομικά συστήματα καθαρισμού νερού. Τέλος, η σταθερότητα
των καταλυτών, όπως φάνηκε μέσω του χαρακτηρισμού τους από φασματοσκοπία
IR/Raman, περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και ποροσιμετρίας αζώτου (BET), υπογραμμίζει
τη βιωσιμότητα της πλασμα-καταλυτικής προσέγγισης για τον καθαρισμό του νερού.
Η παρούσα προσπάθεια συμβάλλει στην παροχή θεμελιωδών γνώσεων και στην
περαιτέρω επέκταση της πλασμα-κατάλυσης για τον καθαρισμό του νερού.
Description
Keywords
Πλασμα-κατάλυση, Φυσαλίδες πλάσματος, Εκκένωση διηλεκτρικού φράγματος, Επεξεργασία λυμάτων