Σύνθεση και μελέτη νανοσύνθετων καταλυτών οξειδίων του μαγγανίου υποστηριγμένων σε νανοδομές άνθρακα και γραφενίου και εφαρμογή στην αποδόμηση οργανικών ρύπων με τη μέθοδο της καταλυτικής οξείδωσης
Authors: Σαρογιάν Αγιαρπή 
Published: September 2021

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η καταλυτική οξείδωση χρησιμοποιώντας καταλύτες, οι οποίοι υποστηρίζουν τη συνεργιστική δράση της προσρόφησης και της οξείδωσης. Για τη μελέτη της καταλυτικής οξείδωσης οργανικών ρύπων χρησιμοποιήθηκαν ανθρακούχα υλικά, όπως ο ενεργός άνθρακας και το οξείδιο του γραφενίου, αλλά έγινε και σύνθεση νέων υλικών με βάση το οξείδιο του γραφενίου, συγκεκριμένα του τροποποιημένου με καυστικό νάτριο οξειδίου του γραφενίου. Τα νανοσύνθετα υλικά που παρασκευάσθηκαν είχαν ως στόχο τη συνεργιστική δράση του ανθρακούχου υποστηρίγματος ως προσροφητικό μέσο και του οξειδίου του μαγγανίου σαν οξειδωτικό μέσο. Ως μοντέλα οργανικών ρύπων επιλέχθηκαν ο ενδοκρινικός διαταράκτης, Δισφαινόλη Α και η χρωστική Reactive Black 5. Οι ενδοκρινικοί διαταράκτες (EDCs) είναι ενώσεις, οι οποίες μπορούν να μιμηθούν τη βιολογική δράση των φυσικών ορμονών, καταλαμβάνοντας τους υποδοχείς τους, ή παρεμβαίνοντας στη μεταφορά και τις μεταβολικές διεργασίες των ορμονών στον οργανισμό ανθρώπων και ζώων. Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σύνθεση νέων νανοσύνθετων καταλυτών οξειδίων του μαγγανίου υποστηριγμένων σε ενεργό άνθρακα, οξείδιο του γραφενίου και τροποποιημένο οξείδιο του γραφενίου και η μελέτη της εφαρμογής τους στην αποικοδόμηση οργανικών ρύπων με την τεχνολογία της καταλυτικής οξείδωσης. Κατά τη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής αρχικά πραγματοποιήθηκε η παρασκευή των νέων νανοσύνθετων καταλυτών, συγκεκριμένα του ενεργού άνθρακα-διοξειδίου του μαγγανίου (Β-MnO2), του οξειδίου του γραφενίου-διοξειδίου του μαγγανίου (GO-MnO2), και των νανοσύνθετων υλικών, τα οποία παρασκευάσθηκαν με υποστήριγμα το τροποποιημένο οξείδιο του γραφενίου (NGO) (ΝGO-Mn3O4, ΝGO-MnO2). Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι φυσικές/δομικές ιδιότητές τους, καθώς και οι επιφανειακές/χημικές τους ιδιότητες με τη βοήθεια διαφόρων μεθόδων χαρακτηρισμού (προσρόφησης αζώτου, XRD, SEM, EDS, ποτενσιομετρικής τιτλοδότησης, FTIR, DTG).Στη συνέχεια, εξετάσθηκε η αποτελεσματικότητά τους στην απομάκρυνση και την καταλυτική οξείδωσητης χρωστικής RB5 και της Δισφαινόλης Α. Μελετήθηκαν διάφορες παράμετροι όπως: η επίδραση του pH του υδατικού διαλύματος, η επίδραση της ιονικής ισχύος, η επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας, η κινητική της καταλυτικής αποικοδόμησης καθώς και η ικανότητα αναγέννησης των νανοκαταλυτών και της επαναχρησιμοποίησής τους. Σημαντικό σημείο απετέλεσε η συμμετοχή των ελευθέρων ριζών υδροξυλίου στο τελικό αποτέλεσμα της οξειδωτικής αποικοδόμησης. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα απουσία και παρουσία Η2Ο2 με διαφορετικές αναλογίες. Σημαντικό επίσης σημείο είναι και η μελέτη της συνεισφοράς της ανθρακούχας φάσης όχι μόνο στην προσρόφηση, αλλά και στη αύξηση της καταλυτικής οξείδωσης των εξεταζόμενων οργανικών ρύπων. Μελετήθηκε ακόμα ο μηχανισμός αποικοδόμησης/οξείδωσης των υπό εξέταση οργανικών ενώσεων με τη βοήθεια διαφόρων μεθόδων χαρακτηρισμού (FTIR, DTG, TG-MS, XPS).Από τα πειραματικά αποτελέσματα προέκυψε ότι παρουσία των νέων νανοσύνθετων καταλυτών επιτεύχθηκε η οξειδωτική αποικοδόμηση των υπό μελέτη οργανικών ρύπων. Η κινητική της καταλυτικής οξείδωσης έδειξε τη συνεργιστική δράση της προσρόφησης/οξείδωσης απουσία, καθώς και παρουσία Η2Ο2. Η συνεισφορά των ελευθέρων ριζών υδροξυλίου στο τελικό αποτέλεσμα της οξειδωτικής αποικοδόμησης ήταν συνάρτηση της αναλογίας του όγκου του οξειδωτικού μέσου προς τη συγκέντρωση της οργανικής ένωσης. Η παρουσία του ανθρακούχου υποστηρίγματος εκτός από την προσροφητική ικανότητα είχε συνεισφορά και στη διευκόλυνση της οξειδωτικής δράσης του οξειδίου του μαγγανίου, μέσω της ηλεκτρονιακής διακίνησης. Η χημική δομή των οργανικών ρύπων ήταν καθοριστικός παράγοντας για την αποικοδόμησή τους.