Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/5959
Title: Ανάπτυξη και σχεδιασμός καινοτόμων φωτοκαταλυτικών αντιδραστήρων για ενεργειακές και περιβαλλοντικές εφαρμογές
Authors: Νομικός, Γιώργος
Issue Date: 2013-04-17
Keywords: Σχεδιασμός φωτοκαταλυτικών αντιδραστήρων
Φωτοκατάλυση
Keywords (translated): Photocatalytic reactor design
Photocatalysis
Abstract: Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η κινητική μελέτη της αντίδρασης παραγωγής υδρογόνου μέσω φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης της μεθανόλης και η ανάπτυξη μοντέλου για την περιγραφή του πεδίου της ακτινοβολίας στον πειραματικό φωτοαντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των κινητικών παραμέτρων της αντίδρασης και τον προσδιορισμό των σχεδιαστικών παραμέτρων που απαιτούνται για την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση κατάλληλου φωτοαντιδραστήρα. Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού με χρήση ημιαγωγών και ηλιακής ακτινοβολίας αποτελεί μια από τις πλέον υποσχόμενες διεργασίες για τη φωτοχημική μετατροπή και αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. Η αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα μέσω διέγερσης ενός ημιαγωγού (π.χ. TiO2) από φωτόνια με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό του χάσμα. Το αποτέλεσμα είναι η προώθηση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους (VB) στη ζώνη αγωγιμότητας (CB) του υλικού και η δημιουργία μιας οπής στην ζώνη αγωγιμότητας: (1) Η συνήθης τύχη των φωτοπαραγόμενων φορέων φορτίου είναι η (μη επιθυμητή) επανασύνδεσή τους, που συνοδεύεται από έκλυση της αποθηκευμένης ενέργειας με τη μορφή θερμότητας: (2) Οι φωτοπαραγόμενες οπές και τα ηλεκτρόνια που καταφέρνουν να φθάσουν στην επιφάνεια του ημιαγωγού μπορούν, υπό ορισμένες προϋποθέσεις, να εκκινήσουν αντιδράσεις για την παραγωγή οξυγόνου και υδρογόνου μέσω οξείδωσης και αναγωγής του νερού, αντίστοιχα: (3) (4) Το πρόβλημα είναι ότι ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ μικρός, κυρίως λόγω της εγγενώς μικρής κβαντικής απόδοσης της διεργασίας, η οποία καθορίζεται από την αντίδραση επανασύνδεσης ηλεκτρονίου-οπής (Εξ.2). Η αντίδραση επανασύνδεσης μπορεί να κατασταλεί παρουσία κατάλληλων “θυσιαζόμενων” ενώσεων στο διάλυμα, οι οποίες αντιδρούν ταχέως και μη αντιστρεπτά με τις φωτοπαραγόμενες οπές. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται ο χρόνος ζωής των ηλεκτρονίων και, επομένως, ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου μέσω της Εξ. 4. Ως θυσιαζόμενες ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν χαμηλού ή “αρνητικού” κόστους οργανικές ενώσεις, όπως παραπροϊόντα και παράγωγα βιομάζας. Οι ενώσεις αυτές οξειδώνονται προοδευτικά από τις οπές προς CO2, με αποτέλεσμα τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια να ανάγουν αποδοτικά το νερό προς παραγωγή Η2. Η συνολική διεργασία μπορεί να περιγραφεί από την ακόλουθη γενική αντίδραση αναμόρφωσης: (5) Χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα της μεθόδου αποτελούν ο σχετικά υψηλός ρυθμός παραγωγής υδρογόνου και το γεγονός ότι, σε αντίθεση με τις συνήθεις θερμοκαταλυτικές αντιδράσεις αναμόρφωσης, η αντίδραση πραγματοποιείται σε συνθήκες περιβάλλοντος. Επιπροσθέτως, η παραγωγή υδρογόνου μπορεί να λάβει χώρα με ταυτόχρονη αποικοδόμηση οργανικών ρύπων, με προφανή περιβαλλοντικά οφέλη. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα που σχετίζεται με τις περιορισμένες εφαρμογές των φωτοκαταλυτικών μεθόδων σε πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα οφείλεται στη δυσκολία σχεδιασμού και ανάπτυξης αποδοτικών φωτοαντιδραστήρων. Το πρόβλημα του σχεδιασμού έγκειται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση με τους συμβατικούς καταλύτες, η ενεργοποίηση ενός φωτοκαταλύτη δε γίνεται θερμικά αλλά μέσω απορρόφησης φωτονίων κατάλληλης ενέργειας. Επομένως, για την μοντελοποίηση ενός φωτοαντιδραστήρα απαιτείται, εκτός από τη χρήση των συνήθων εξισώσεων για τα ισοζύγια μάζας, θερμότητας και ορμής, μια επιπλέον εξίσωση για την περιγραφή του ισοζυγίου της ενέργειας της ακτινοβολίας στο σύστημα. Η εξίσωση αυτή χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του “τοπικού ογκομετρικού ρυθμού απορρόφησης ενέργειας” (local volumetric rate of energy absorption, LVREA), ο οποίος αποτελεί μια από τις σημαντικότερες σχεδιαστικές παραμέτρους ενός φωτοαντιδραστήρα διότι περιγράφει την ποσότητα των φωτονίων που απορροφούνται ανά μονάδα όγκου σε κάθε σημείο του αντιδραστήρα. Για τον σχεδιασμό του αντιδραστήρα είναι επίσης απαραίτητη και μία έκφραση του ρυθμού της αντίδρασης. Για την εξαγωγή αυτής της έκφρασης απαιτείται η εύρεση του ρυθμού του βήματος ενεργοποίησης μέσω ακτινοβολίας, ο οποίος εκφράζεται συναρτήσει του LVREA. Εφόσον ο ρυθμός αυτός είναι γνωστός μπορεί να εισαχθεί στο κινητικό μοντέλο της αντίδρασης ενώ οι διάφορες κινητικές παράμετροι μπορούν να υπολογιστούν πειραματικά. Μεταξύ των προσεγγίσεων που έχουν προταθεί για τον υπολογισμό του LVRΕA, οι πιο ακριβείς περιλαμβάνουν την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης μεταφοράς ακτινοβολίας (radiation transfer equation, RTE). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται η μέθοδος των “φασματικών στοιχείων” (spectral elements) για την επίλυση ενός μονοδιάστατου μοντέλου για την περιγραφή του πεδίου της ακτινοβολίας και τον υπολογισμό του LVREA σε έναν πειραματικό αντιδραστήρα, στον οποίο περιέχεται ο φωτοκαταλύτης σε μορφή αιωρήματος. Η αντίδραση που μελετάται είναι η παραγωγή υδρογόνου μέσω της φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης της μεθανόλης (Εξ. 6) σε αιώρημα καταλύτη 0.5%Pt/TiO2, το οποίο ακτινοβολείται με φως στη περιοχή που απορροφά το TiO2. (6) Σύμφωνα με το μοντέλο που αναπτύχθηκε, ο ρυθμός της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης εξαρτάται από τη συγκέντρωση του καταλύτη στο αιώρημα, την ειδική ένταση ακτινοβολίας και τη συγκέντρωση του αντιδρώντος στο διάλυμα. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε στην παρούσα εργασία η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων της αντίδρασης, όπως η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (Ι0), η συγκέντρωση του φωτοκαταλύτη (Ccat) και η συγκέντρωση της μεθανόλης, (CMeOH) στο ρυθμό παραγωγής Η2 (rH2). Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου εξαρτάται ισχυρά από τη συγκέντρωση του οργανικού υποστρώματος και αυξάνει κατά σχεδόν δύο τάξεις μεγέθους με αύξηση της CMeOH από 0 σε 1 mol L-1. Επιπλέον, αύξηση του ρυθμού επιτυγχάνεται με αύξηση του Ι0. Τα αποτελέσματα των φωτοκαταλυτικών πειραμάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μοντελοποίηση του συστήματος και το σχεδιασμό φωτοκαταλυτικού αντιδραστήρα για την παραγωγή υδρογόνου.
Abstract (translated): Heterogeneous photocatalytic reactions occurring at the surface of illuminated semiconductors, especially TiO2, have been the subject of extensive investigation in the last few years. This is because of the high potential of photocatalytic processes for a wide range of applications, which include mineralization of organic pollutants, disinfection of water and air, production of renewable fuels, and organic syntheses. Although remarkable progress has been made in fundamental research, applications in pilot and industrial scale are still in their infancy. This is mainly due to the lack of efficient solar photocatalysts and the difficulty of designing photoreactors able to integrate maximum light efficiency and mass transfer within one piece of equipment. Regarding photoreactor design, complications arise from the mode of photocatalyst activation, which involves excitation of the semiconductor photocatalyst by photons of appropriate energy. Thus, in addition to the usual equations for mass, heat and momentum balances, photoreactor modelling requires an additional equation to describe the balance of radiation energy in the system. This equation is used to calculate the "local volumetric rate of energy absorption" (LVREA) which describes the amount of photons absorbed per unit volume at each point of the reactor and provides one of the major photoreactor design parameters. The LVREA depends on the characteristics of the incident radiation, the optical properties of the system, the type and concentration of the photocatalyst and the geometry of the reactor. Therefore, calculation of the LVREA requires knowledge of the distribution of the radiation field inside the reactor. Among the various approaches proposed to calculate the LVREA, the most accurate ones are those that solve numerically the “radiation transfer equation” (RTE). This requires the development of a mathematical model that describes the emission model of the radiation source and the radiation field inside the reactor. In the present work, we have developed a one-dimensional spectral element algorithm for the description of the radiation field and the calculation of the LVREA in an experimental photoreactor containing the photocatalyst (Pt/TiO2) in suspension. The target reaction investigated was the photocatalytic reforming of methanol for hydrogen production (CH3OH+H2O→3H2+CO2). The radiation source used was a light emitting diode (LED), which emits radiation at wavelengths (λmax=390 nm) corresponding to the bandgap of TiO2 (3.2 eV). Our results refer to the effect of operating parameters such as incident light intensity (I0), photocatalyst content (CTiO2), and methanol concentration (CMeOH) on the rate of H2 production (rH2). They show that rH2 depends strongly on methanol concentration and increases by almost 2 orders of magnitude when CMeOH is increased from 0 to 1 mol L-1. A substantial enhancement of rH2 is also observed with increasing I0 or CTiO2. Results of photocatalytic experiments and photoreactor modelling are used to extract kinetic parameters for the methanol photoreforming reaction.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nimertis_Nomikos(ch.eng).pdf24.13 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.