Αξιοποίηση των φωτοκαταλυτικών μεθόδων για τον προσδιορισμό του ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) σε υδατικά δείγματα
Creators: name: Μουράτογλου, Παναγιώτης Θεολόγου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Ολικός Οργανικός Άνθρακας
Φωτοκατάλυση
TiO2
Total Organic Carbon
Photocatalysis

description: Τα τελευταία χρόνια, η γρήγορη βιομηχανοποίηση και η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού έχουν ως συνέπεια την μείωση των αποθεμάτων πόσιμου νερού και την ποιοτική υποβάθμιση του. Ένας σημαντικός αρνητικός παράγοντας της βιομηχανικής και αστικής ανάπτυξης είναι η μόλυνση των νερών από την απελευθέρωση οργανικών ρύπων σε αυτά. Η ύπαρξη του οργανικού άνθρακα στο πόσιμο νερό προκαλεί τον υψηλό ρυθμό διάλυσης του οξυγόνου και οδηγεί στην αλλοίωση της ποιότητας των νερών. Μια από τις πιο γνωστές και αξιόπιστες παραμέτρους μετρήσεις της ρύπανσης των υδάτων είναι ο ολικός οργανικός άνθρακας (total organic carbon, TOC). Για την απομάκρυνση των οργανικών ρύπων, οι ήδη υφιστάμενες τεχνολογίες καθαρισμού που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι η πήξη, η προσρόφηση, η διήθηση με μεμβράνες, η επίπλευση, ο βιολογικός καθαρισμός και οι διεργασίες ανταλλαγής ιόντων. Πρόσφατα, έχουν αναπτυχθεί νέες τεχνολογίες επεξεργασίας και καθαρισμού των υδάτων. Οι τεχνολογίες αυτές ονομάζονται «Προχωρημένες Οξειδωτικές Μέθοδοι Αντιρρύπανσης, (ΠΟΜΑ)» και στηρίζονται στην χρήση μεθόδων όπως η φωτόλυση (UV-B, C), η οζονόλυση (O3, O3/UV-B, O3/H2O2), H2O2/UV-B, η ετερογενής φωτοκατάλυση (TiO2/UV-A), το αντιδραστήριο Fenton και photo-Fenton, η υγρή οξείδωση και η ηλεκτροχημική οξείδωση. Οι τεχνολογίες αυτές αδρανοποιούν τις τοξικές και μη βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ενώσεις στην υγρή και αέρια φάση. Η αποτελεσματικότητα τους στηρίζεται στον σχηματισμό ριζών υδροξυλίου, οι οποίες αποτελούν το ισχυρότερο οξειδωτικό μέσο, μετα το φθόριο και δεν ρυπαίνουν επιπρόσθετα το περιβάλλον. Στην παρούσα εργασία, έγινε προσπάθεια κατασκευής και λειτουργίας μιας πρότυπης πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιεί τη μέθοδο της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης παρουσία του TiO2 και της ακτινοβολίας UV-A με στόχο την ανάπτυξη μιας απλής και αποτελεσματικής μεθοδολογίας προσδιορισμού του οργανικού άνθρακα σε νερά και υγρά απόβλητα. Κατά τη διάρκεια της εργασίας, πραγματοποιήθηκε ο όσο το δυνατόν βέλτιστος σχεδιασμός της φωτοκαταλυτικής διάταξης και η βελτιστοποίηση της αντίδρασης της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης του οργανικού άνθρακα μέσω της χρήσης ποικίλων αντιδραστηρίων, όπως το υπερθειϊκό νάτριο, το H2O2, ο λευκόχρυσος, το Fe3+ και το NaCl. Ένα ακόμη σημαντικό στοιχείο της παρούσας εργασίας είναι η αξιολόγηση της ακρίβειας της. Αυτό πραγματοποιήθηκε με τη συσχέτιση των αποτελεσμάτων της πειραματικής διάταξης με τις τιμές που δίνει για τα ίδια δείγματα η συσκευή προσδιορισμού του TOC της εταιρίας Shimadzu. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η οικονομοτεχνική μελέτη της λειτουργίας της πειραματικής διάταξης έτσι ώστε οι μελλοντικοί χρήστες να είναι ενήμεροι σχετικά με το πάγιο και λειτουργικό κόστος της. Τέλος, περιγράφηκαν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της φωτοκαταλυτικής διάταξης καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της και πραγματοποιήθηκε μια συγκριτική αξιολόγηση αυτής με τις συμβατικές συσκευές προσδιορισμού του TOC.
description: Rapid industrialization and increased population are important factors that cause water resources depletion and quality degradation. A critical negative impact of industrial and agricultural developments is the contamination of water bodies by nutrients and hazardous organic matter. The presence of organic carbon in drinking water cause high rate of dissolved oxygen and leads to degradation of the quality of water. One of the most known and reliable parameter for the measurement of the quality of water is total organic carbon, TOC. There are many conventional technologies for the removal of organic compounds of domestic and industrial water. Some of this technologies are coagulation, fouling, membrane filtration, biological treatment and ion exchange processes. Recently, a series of novel technologies have been developed. This group of technologies is named «Advanced oxidation processes, AOP» and is depended on the use of different methods such as (UV-B, C), ozonolysis (O3, O3/UV-B, O3/H2O2), H2O2/UV-B, heterogeneous photocatalysis (TiO2/UV-A), Fenton’s και photo-Fenton’s reagent, wet oxidation and electrochemical oxidation. These technologies inactivate toxic and non-biodegradable organic compounds in the liquid and gas phase. Their effectiveness is based on the formation hydroxyl radicals, which are the strongest oxidizing agent, after the fluoride and do not pollute the environment. In the present work was held the construct and function of a prototype experimental setup which uses the heterogeneous photocatalytic oxidation in the presence of TiO2 and UV-A radiation in order to develop a simple and effective methodology aiming to determination of organic carbon in water and liquid waste. During the present treatise, it took place the most optimal design of the photocatalytic setup, its construction and the optimization of the photocatalytic oxidation reaction of organic carbon through the use of various reagents, such as sodium persulfate, H2O2, platinum, the Fe3+ and NaCl. Another important element of present work is the evaluation of its accuracy. This was done with the correlation of the results of the experimental setup with the values given for the same samples by the Shimadzu TOC-VCSH analyzer. Furthermore, it took place an economical evaluation of the present experimental setup aiming the capital and operating cost to be known by future clients. Finally, the particular characteristics of the photocatalytic arrangement as well as its advantages and the drawbacks were described and a comparative evaluation of it with conventional TOC analyzer was carried out.