Photocatalytic degradation of organic complexants with sorption of the released metal ions on the TiO2 photocatalyst/absorber

PROCESE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE

FOTOCATALIZA HETEROGENA

Materie:Tehnologii de tratare a apelor uzate

Sef lucr. dr. ing Casen Panaitescu Ene Andreea Daniela

Grupa 31102 TAIPM

ANUL I

CUPRINS1.Photocatalytic degradation of organic complexants with sorption of the released metal ions on the TiO2 photocatalyst/absorber.12.Procese de oxidare avansata.3 2.1. Fotocataliza heterogena..3 2.2. Dioxidul de titan (TiO2)..4 2.3. Mecanismul fotocatalizei7 Concluzii11Bibliografie12Photocatalytic degradation of organic complexants with sorption of the released metal ions on the TiO2 photocatalyst/absorber

For the treatment of radioactive waste with organic complexants, such as decontamination solutions, ion exchangers, composite absorbers, etc are usually not effective.The photocatalytic degradation process, using titanium dioxide photocatalyst/absorbers, was studied at the Czech Technical University in Prague, Czech Republic. This combined process was tested for the removal of organic complexants and/or separation of radionuclides from spent decontamination solutions. The study was performed with both simulated and real liquid waste from NPPs in the Czech and Slovak Republics. These wastes were acidic spent decontamination solution from the second stage of the AP-CITROX decontamination process and liquid waste from electrochemical decontamination.

The process development was based on the results of the general study of the properties

of titanium dioxide photocatalyst/absorbers. The optimum degradation of organics was

achieved under the combined action of titanium dioxide photocatalyst and hydrogen peroxide.From the results obtained, it was inferred that a single-step process, combining

photocatalytic degradation of organic complexants with sorption of the released metal ions on the TiO2 photo-catalyst/absorber, is a possible option for treatment of certain liquid radioactive waste. However, the photo-catalytic degradation is effective in the acidic pH range, only, while the sorption of the radionuclides proceeds only in the alkaline pH range.

Thus, for the process to be effective, the photo-degradation step has to be carried out in

acidic solution and it has to be followed by pH adjustment to alkaline range, in order to

improve conditions of the radionuclides sorption on the titanium dioxide materials. However, decreasing the activity of the waste below the free discharge limit in such a process would probably be difficult to achieve.[1]Degradarea fotocatalitica cu complexanti organici cu absorbie aionilor metalici pe TiO2 fotocatalizator / absorbant

Pentru tratarea deeurilor radioactive cu complexanti organici, cum ar fi soluii de decontaminare, schimbtori de ioni,, etc nu sunt de obicei eficiente.

Procesul de degradare fotocatalitica, folosind dioxid de titan fotocatalizator / amortizoare, a fost studiat la Universitatea Tehnic Ceh n Praga, Republica Ceh. Acest proces combinat a fost testat pentru ndeprtarea complexanilor i / sau separarea radionuclizilor din soluii organice de decontaminare. Studiul a fost efectuat cu lichid i deeuri de la centralele nuclearo-electrice din Cehia si Slovacia. Aceste deeuri au fost o soluie de decontaminare acida petrecuta in a doua etap a procesului de decontaminare AP-CITROX i a deeurilor lichide de decontaminare electrochimic.

Dezvoltarea procesului a fost bazat pe rezultatele studiului general al proprietilor de dioxid de titan fotocatalizator / amortizoare.Degradarea organica optim a fost realizat sub aciunea combinat a fotocatalizatorului de dioxid de titan i peroxide.Pentru hidrogen din rezultatele obinute sa dedus c unsingurproces ,combinnd degradarea fotocatalitica de complexanti organici cu absorbie a ionilor metalici pe TiO2 foto-catalizator / absorbant, este o opiune posibil de tratare a anumitor deeuri radioactive lichide.Cu toate acestea, degradarea fotocatalitic este eficienta numai n domeniul de pH acid, n timp ce absorbia radionuclizilor este iniiat numai n domeniul de pH alcalin.Astfel, pentru ca procesul s fie eficient, etapa de foto-degradare trebuie s fie efectuat n soluie acid i trebuie s fie urmat de ajustarea pH-ului la interval alcalin, n scopul de a mbunti condiiile de absorbie a radionuclizilor asupra materialelor de dioxid de titan.2. Procese de oxidare avansatProcesele de oxidare avansat (AOPs) reprezint o tehnologie eficient pentru tratarea apelor uzate care conin compui organici. Este un proces chimic, care are loc n condiii de temperatur i presiune constante. Procesul de oxidare avansat se bazeaz pe generarea de radicali hidroxil care au scopul de a oxida compuii organici. Acetia sunt oxidani chimici puternici i neselectivi. Metodele de oxidare se aplic cu rezultate bune la ndeprtarea substanelor poluante organice: compui fenolici, colorani, unele pesticide etc [2].

Procedeele de oxidare avansat utilizeaz o gam larg de produi chimici cu proprieti oxidante, dintre care cele mai uzuale sunt: ozonul, apa oxigenat, TiO2 i lumina ultravioleta (UV) n diferite asocieri: ozon n asociere cu UV (O3/UV), ozon n asociere cu ap oxigenat (O3/H2O2), apa oxigenat n asociere cu lumina ultraviolet (UV/H2O2) i fotocataliza, care utilizeaz dioxid de titan (TiO2) n combinaie cu lumin (UV) i oxigen.

Problema principal a oxidrii avansate const n costul ridicat al reactivilor dar i a surselor de lumin ultraviolet. Cu toate acestea, utilizarea radiaiei solare ca surs de energie poate reduce costurile. Mai mult dect att, ar trebui subliniat faptul c oxidarea avansat conduce n mod normal, la obinerea celor mai bune randamente n distrugerea poluanilor atunci cnd tratamentele biologice sunt irealizabile. [3]

2.1. Fotocataliza heterogena

Cel mai important dintre procesele de oxidare avansat este oxidare fotocatalitic heterogen, adesea menionat ca fotocataliz. Aceast metod se ocup cu oxidarea moleculelor organice, cu utilizarea unui catalizator solid, TiO2 (fotocatalizatorul cel mai utilizat n momentul actual), care este activat de incidena radiaiei de o lungime de und corespunztoare. Aceasta poate avea loc att n faz apoas, ct i n faz gazoas.

n reaciile fotocatalitice din mediul apos procesul cel mai frecvent utilizat este degradarea fotocatalitic a poluanilor organici n prezena unui catalizator solid semiconductor, predominant TiO2 [3].

2.2. Dioxidul de titan (TiO2)

Dioxidul de titan (TiO2) este utilizat n vopsele, materiale plastice sau hartie pentru obinerea unui alb imaculat i opac, avd i o putere mai mare de acoperire cu abilitatea de a masca sau ascunde un substrat. Este utilizat i n indusria alimentar la fabricarea bomboanelor, pentru finisajul alb-opac sau ca baz pentru alte culori, pentru colorarea unor sortimente de brnz, creme, produse de panificaie. TiO2 are aplicaii i n alte domenii cum sunt:

Sntate:

efecte anticancerigene

stimulatori ai sistemului imunitar

stresprotectori

Protecia mediului:

purificarea aerului

tratarea apelor pentru potabilizare

Industria construciei de autoturisme:

antifungic antibacterian

autocurare

Industria sticlei:

geamuri cu autocurare

Aparatur de detecie:

senzori i biosenzor

Figura 2.1 Gama larga de aplicatii pe care le are dioxidul de titan TiO2[4].Dioxidul de titan (TiO2) a primit o atenie deosebit n procesele de epurare datorit proprietilor sale, stabilitate chimic, non-toxicitate, bun fotocatalizator, insolubil n ap, insolubil sau doar moderat solubil n acizi concentrai. TiO2 este bine cunoscut pentru aplicaiile sale pe scar larg n vopsele, produsele de protecie solar i n scopuri de purificare. Proprietile sale oxidante s-au observat n decolorarea pereilor exteriori ai cldirilor peste timp, ca urmare a oxidrii. De exemplu, particulele TiO2 utilizate n colorani degradeaz moleculele organice prezente n colorant atunci cnd o parte a energiei solare aplicat, iradiaz stratul. Prin urmare, s-au efectuat numeroase cercetri n ceea ce privete utilizarea acestui fenomen pentru purificarea apei, aerului i a solului contaminat cu ageni toxici. ncepnd cu anii 1980, purificarea fotocatalitic a apei uzate a fost propus ca o alternativ pentru ndeprtarea poluanilor greu degradabili [5].

Dioxid de titan (TiO2) este o substan anorganic solid de culoare alb, care este stabil termic, non-inflamabil, slab solubil i nu este clasificat ca fiind periculos n conformitate cu Organizaiei Naiunilor Unite "Sistemul global armonizat de clasificare (ONU) i Etichetarea produselor chimice (GHS). Titanul este elementul cel mai comun (al noulea) n scoara terestr. TiO2, dioxidul de titan metalic, se produce n mod natural n mai multe tipuri de roc i nisipuri minerale si este considerat ca fiind inert chimic. Se gsete n natur sub form de ilmenit, rutil, anatas dupa cum se poate observa si in figura 4. Cristalizeaz n dou forme (anatas i rutil). Tetraclorura de titan se convertete la forma rutil prin oxidare n faz de vapori. Ilmenitul tratat cu acid sulfuric i cu sulfat de titan, prin procese ulterioare, se transform n anatas. Dioxidul de titan anatas, este utilizat n compozitia vopselelor n special pentru cele destinate acoperirilor exterioare, n mase plastice, fibre i fire artificiale, n productia de emailuri i acoperiri de protectie, vopsele de ap, produse de albire pentru piele, ceramic, etc. Unitatea utilizatoare: Industria lacurilor si vopselelor, materialelor de constructii,etc.

Fig. 2.2. Moduri de cristalizare ale TiO2 (a) anatas, (b) rutil si (c) brookit[6]

Primii doi polimorfi sunt cei mai studiati existnd o relaie inter-structural care este intens studiat att din punct de vedere teoretic ct i experimental, deoarece n spectrul aplicaiilor oxidului de titan modul de cristalizare anatas/rutil joac rol determinant [6].

A fost folosit de mai muli ani (cca. 90 ani) ntr-o gam larg de produse industriale i bunuri de larg consum, inclusiv vopsele utilizate la acoperiri, adezivi, hrtie i carton, materiale plastice i cauciuc, cerneluri tipografice, esturi i textile, sisteme de catalizatori, ceramica, pardoseli, materiale de acoperire, produse cosmetice i produse farmaceutice, ageni de tratare a apei, colorani alimentari i n industria auto, etc.

Principalele metode de sintez a nanostructurilor de TiO2 sunt: procesul de sulfatare, procesul de clorurare, metoda Sol-Gel, metoda Sol, metoda de sintez hidrotermal, metoda de sintez solvotermal, metoda oxidrii directe, metoda de depunere din faza de vapori CVD, metoda de depunere laser pulsat PLD, sinteza in flacr.

TiO2 pentru pigmentare este fabricat pentru a optimiza mprtierea de lumin vizibil i opacitate data de alb. Acest lucru necesit o mrime a particulelor primare de aproximativ jumtate din lungimea de und pentru a crea efectul de difuzie a luminii, adic jumtate din 400 - 700 nm pentru lumina vizibila (aprox. 200 - 350 nm). Cu toate acestea la fel ca n ntreaga producie si in obtinerea de materiale speciale, va exista o distribuie neuniforma a particulelor primare obtinandu-se dimensiuni ale particulelor n jurul valorii medii i este posibil ca o mic parte din particule sa fie