Μελέτη της Φωτοκαταλυτικής Αποικοδόμησης της χρωστικής Reactive Red 195 (RR195) με τη χρήση καταλυτών TiO2:
Creators: name: Τζήκαλος, Νικόλαος Θεοδοσίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Φωτοκατάλυση
RR195
Νανοκαταλύτες
Photocatalysis
Nanocatalysts

description: Η εντατική χρήση των συνθετικών χρωστικών ουσιών σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές έχει παράγει μεγάλους όγκους έγχρωμων υγρών αποβλήτων, που περιέχουν χρωστικές ουσίες/βαφές, οι οποίες προκαλούν σοβαρά προβλήματα ρύπανσης των υδάτων. Επιπλέον, οι χρωστικές ουσίες είναι τοξικές για ορισμένους οργανισμούς και ως εκ τούτου επιβλαβείς στα υδρόβια ζώα. Επιπρόσθετα, ορισμένες χρωστικές ουσίες και τα προϊόντα μετασχηματισμού τους, όπως οι αρωματικές αμίνες, είναι αρκετά καρκινογόνες. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων των μονάδων υφαντουργίας περιλαμβάνουν διάφορους συνδυασμούς βιολογικών, φυσικών και χημικών μεθόδων. Παρόλο που η βιολογική επεξεργασία των εν λόγω αποβλήτων είναι φτηνότερη από άλλες μεθόδους, εντούτοις δεν επιτυγχάνει τον πλήρη αποχρωματισμό των αποβλήτων. Αν και οι βαφές μπορούν να καταστραφούν αποτελεσματικά με τις προχωρημένες οξειδωτικές διεργασίες, όπως UV/H2O2 ή UV/O3, και την προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα, το κόστος αυτών των μεθόδων είναι σχετικά υψηλό για μια οικονομικά εφικτή επεξεργασία των υγρών αποβλήτων υφαντουργίας. Σε αντίθεση, η ετερογενής φωτοκατάλυση είναι μία από τις καλύτερες μεθόδους επεξεργασίας των έγχρωμων υγρών αποβλήτων. Ο πλέον χρησιμοποιούμενος καταλύτης στην ετερογενή φωτοκατάλυση είναι το TiO2, λόγω της καλής του απόδοσης, της χημικής σταθερότητάς του, της εμπορικής διαθεσιμότητάς του και επίσης είναι φθηνός. Η παρούσα έρευνα αποτελεί μία πρωτότυπη προσπάθεια μελέτης της φωτοκατάλυσης της Reactive Red 195 (RR195) παρουσία ημιαγώγιμων υλικών (TiO2-P25 και σύνθετων νανοϋλικών TiO2), τόσο με τη χρήση κλασικών μεθόδων βελτιστοποίησης, όσο και με τη χρήση του πειραματικού σχεδιασμού (Design of Experiments, DOE). Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι ένας μικρός μόνο αριθμός εργασιών έχει εστιαστεί στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων που επηρεάζουν τη διεργασία της ετερογενούς φωτοκατάλυσης με τη χρήση της μεθοδολογίας του πειραματικού σχεδιασμού. Αναλυτικότερα, η έρευνα επικεντρώθηκε: α) στην εκτίμηση της κινητικής της αποικοδόμησης της RR195, β) στην εξέταση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν τη διεργασία της διάσπασής της, όπως η αρχική συγκέντρωση της χρωστικής, η συγκέντρωση των καταλυτών, καθώς και το pH των διαλυμάτων, γ) στον προσδιορισμό και στη βελτιστοποίηση του βαθμού αποικοδόμησης της RR195, τόσο με την κλασσική μέθοδο («μεταβολή ενός παράγοντα τη φορά»), όσο και με τη χρήση του πειραματικού σχεδιασμού, δ) στον έλεγχο της προσαρμοστικότητας και καταλληλότητας του στατιστικού εργαλείου του πειραματικού σχεδιασμού, ε) στην εκτίμηση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας συντεθειμένων νανοϋλικών TiO2 και στ) στη σύγκριση της δραστικότητας του συντεθειμένoυ νανοϋλικού TiO2-Α με το TiO2-Ρ25 (το οποίο αποτελεί καταλύτη αναφοράς), μελετώντας το βαθμό αποχρωματισμού και της μείωση του ολικού οργανικού φορτίου των διαλυμάτων της χρωστικής. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης, οι βέλτιστες συνθήκες της φωτοκαταλυτικής διεργασίας με το σύστημα UV-A/TiO2 Degussa P-25 και το UV-A/TiO2-Α ήταν: CRR195 = 50 mg L-1, CTiO2-Α = 2000 mg L-1, pH=3. Επίσης, το νανοϋλικό TiO2-Α θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτικός καταλύτης του TiO2-P25 (ιδιαίτερα σε υψηλές συγκεντρώσεις καταλύτη). Τελικά, αποδείχτηκε ότι η μεθοδολογία του πειραματικού σχεδιασμού αποτελεί μία αξιόπιστη συστηματική μέθοδο βελτιστοποίησης, η οποία μπορεί να αντικαταστήσει την κλασσική μέθοδο.
description: Extensive use of synthetic dyes in many industrial applications has produced large volumes of dye wastewater containing pigments/dyes, which can cause serious water pollution problems. In addition, dyes are toxic to some organisms and hence, harmful to aquatic animals. Furthermore, some dyes and their reaction products, such as aromatic amines, are highly carcinogenic. Conventional methods for dealing with textile wastewater consist of various combinations of biological, physical and chemical methods. Biological treatment of dying wastewater is cheaper than other methods, but it is less efficient for decolourization. Although the coloured materials in wastewater can be effectively destroyed by advanced chemical oxidation, such as UV/H2O2, UV/O3, and adsorption using activated carbon, the costs of these methods are relatively high for an economically feasible treatment of the textile wastewater. In contrary, the heterogeneous photocatalysis is one of the best treatment method of coloured wastewater. The catalyst commonly used is TiO2 due to its good activity, chemical stability, commercial availability and inexpensiveness. This research study for the first time the photocatalysis (UV) of the Reactive Red 195 (RR195) in aqueous suspensions, in the present of TiO2 Degussa P-25 and TiO2 synthesized nanomaterials, using the classic analytical method named Changing One Single variable or factor at a Time (COST) and the method of Design of Experiments (DOE) as well. Moreover, it desired it is marked that only a few papers have focused on optimization of removal degree using the methodology of Experimental Design. Specifically, the research was focused on: a) the kinetics of degradation of RR195 in aqueous suspensions, b) the influence of various parameters, such as initial dye concentration, catalyst amount and pH, c) the determination of optimum conditions of photocatalysis using the classic analytical method named Changing One Single variable or factor at a Time (COST) and the method of Design of Experiments (DOE), d) checking the adaptability and appropriateness of DOE, e) the photocatalytic effectiveness of TiO2 synthesized nanocatalysts and f) the comparison between the photocatalytic effectiveness of TiO2 Degussa P-25 (which is the reference catalyst) with the photocatalytic effectiveness of TiO2 synthesized nanocatalyst (TiO2-A), studying the discoloration degree and the reduction of TOC in aqueous suspensions of RR195. According to our results, the optimum conditions of heterogeneous photocatalysis using UV-A/TiO2 Degussa P-25 and UV-A/TiO2 synthesized nanomaterial was: : CRR195 = 50 mg L-1, CTiO2-Α = 2000 mg L-1, pH=3. Also, the synthesized nanocatalyst TiO2-A can use as an alternative catalyst instead of TiO2 Degussa P-25 (especially in high concentration of catalyst). Finally, it was proved that the DOE is a very reliable systematic optimization methodology, which can replay the classic method.