Pokročilé fotokatalytické procesy pro ochranu životního prostředí

Ing. Stanislav HEJDA

Doctoral thesis

Advanced Photocatalytic Processes for Environment Protection

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá homogenními oxidačními procesy, které byly vybrány pro porovnání dvou laboratorních a dvou poloprovozních reaktorů. V teoretické části práce jsou popsány fyzikálně-chemické vlastnosti ftalocyaninů, způsoby jejich výroby a praktického využití. Dále jsou v teoretické části popsány mikroreaktory a poloprovozní reaktory pro homogenní oxidační procesy. Praktická část se zabývá popisem syntézy fotosensitizátoru, používaných reaktorů i zvolených reakčních podmínek. Syntetizovaný fotosensitizátor byl nejprve testován v jednoduchém kyvetovém reaktoru při degradaci halogenovaného fenolu pro ověření jeho účinnosti. Poté bylo přistoupeno k optimalizaci foto mikroreaktoru pomocí dehalogenace 2,3,4,5,6-pentabromo-1-(2,3,4,5,6-pentabromofenoxy)benzenu bez sensitizátoru. Dehalogenace byla zvolena pro ověření vhodnosti použití foto mikroreaktoru pro světlem indukované reakce. Následně byl foto mikroreaktor optimalizován pomocí reakce se sensitizátorem a modelovým polutantem. Zjištěné parametry byly porovnány s hodnotami získanými při reakci vedené v identických reakčních podmínkách v jednoduchém kyvetovém reaktoru. Při porovnání foto mikroreaktoru a kyvetového reaktoru byl jako účinnější vyhodnocen foto mikroreaktor. Pro porovnání reaktorů byly vybrány dva odlišné typy výpočtů, které vycházely z rychlostních konstant provedených reakcí. V prvním případě byly rychlostní konstanty vztaženy na hodnoty intenzity záření, ve druhém byl pomocí rychlostních konstant vypočten zdánlivý kvantový výtěžek. Oba výpočty potvrdily lepší účinnost foto mikroreaktoru při modelové fotosensitizované reakci. Prvním z poloprovozních reaktorů bylo ftalocyaninové zařízení, které bylo také optimalizováno pomocí reakce fotosensitizátoru a modelového polutantu. Při optimalizaci bylo testováno pH, intenzita záření, koncentrace sensitizátoru a modelového polutantu, dále rychlost průtoku a objemu reakční směsi. Získaná data byla porovnána s experimenty vedenými v konstrukčně podobném poloprovozním zařízení, které k degradaci modelového polutantu využívalo UVC záření a H2O2. Ftalocyaninové zařízení bylo vzhledem k nižší reakční rychlosti vyhodnoceno jako méně účinné. Cena 1 m3 dekontaminované vody v UVC/H2O2 zařízení činila 55 Kč. Cena dekontaminace 1 m3 vody ve ftalocyaninovém zařízení byla 364 Kč.

Abstract:

This thesis focuses on homogeneous oxidation processes, which were selected to compare two laboratory and two semi pilot-scale reactors. The theoretical part describes the physico-chemical properties of phthalocyanines, methods for their preparation and their practical use. Furthermore, the theoretical part describes microreactors and pilot reactors for homogeneous oxidation processes. The practical part describes the synthesis of photosensitiser, used reactors and the selected reaction conditions. Photosensitiser was at first tested in a simple cuvette reactor at the degradation of the halogenated phenol to verify its efficacy. Then it was proceeded to optimise the photo microreactor with help of dehalogenation of 2,3,4,5,6-pentabromo-1-(2,3,4,5,6-pentabromophenoxy) benzene without the sensitizer. Dehalogenation was selected for testing the suitability of the photo microreactor for light-induced reactions. Subsequently, the photo microreactor was optimized in reactions with sensitizer and model pollutant. Observed parameters were compared with values obtained in the reaction led by identical reaction conditions in a simple cuvette reactor. The cuvette reactor was evaluated as more efficient compared to the photo microreactor. Two different types of calculations (based on the rate constants of performed reactions) were selected to compare both reactors. In the first case, the rate constants were related to the values of the radiation intensity. In the second case the rate constants were calculated using the apparent quantum yield. Both calculations confirmed the superior efficacy of the photo microreactor in the model photosensitist reaction. The first pilot plant reactor was the phthalocyanine device which was also optimized in the reaction of photosensitiser and model pollutant. During the optimization process pH, intensity of irradiation, sensitizers concentration, and concentration of the pollutant model, flow velocity and volume of the reaction mixture were tested. The obtained data were compared with experiments conducted in structurally similar pilot plant reaction system, which used the UVC radiation and H2O2 for degradation of pollutants. Phthalocyanine has been, due to the lower reaction rate, evaluated as less effective. The price of decontamination of 1 cubic meter of water in the UVC/H2O2 equipment was 55 CZK. The price of decontamination of one cubic meter of water in the phthalocyanine device was 364 CZK.

Keywords

foto mikroreaktor, sensitizátor, dekontaminace, UVC/H2O2, optimalizace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 12. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 9. 4. 2015
• Supervisor: doc. Ing. Petr Klusoň, Dr.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Environment

Doctoral programme / field:
Ecology and environmental protection / Environmental analytical chemistry