Fotokatalytická oxidace acetonu Hana Žabová 5. ročník Doc. Ing. Bohumír Dvořák, CSc
Osnova 1. ÚVOD 2. CÍL PRÁCE 3. FOTOKATALYTICKÁ OXIDACE Mechanismus Katalyzátor Nosič-typy Aparatura 4. VÝSLEDKY 5. ZÁVĚR
1. Úvod
TiO2
• E= 3,2 eV • λ< 388 nm • 1972- prof. Akira Fujishima • nízká cena titanové elektrody k čištění vody • fotokatalytické jevy na polovodivých materiálech • není toxický • probíhá pouze při dodání energie katalyzátoru, • chemicky stabilní • odolný proti fotokorozi nejčastěji UV záření • bez účasti jiných látek • odstraňování zápachů, bakterií a VOC z vody, nebo plynů • nejpoužívanější fotokatalyzátor je oxid titaničitý v krystalové modifikaci anatas
Další typy fotokatalyzátorů ZnO ~ E= 3,2eV ZnS ~ E= 3,6eV WO3 ~ E= 2,8eV anatas
2. Cíl práce Postavení laboratorního zařízení pro studium fotokatalytické oxidace acetonu Výběr vhodného nosiče pro danou technickou aplikaci Testování efektivní aktivity dvou typů katalyzátorů, na bázi TiO2, pro fotokatalytickou oxidaci acetonu • aceton je běžné rozpouštědlo v mnoha průmyslových aplikacích např. kontaminovaný vzduch z lakoven (velkoobjemová výměna vzduchu)
3. Fotokatalytická oxidace
Mechanismus absorpce fotonu → excitace elektronu z VB do CB
TiO2 + hν → h+ + e-
E = h·ν = ECB - EVB
UV záření
vznik •OH radikálu – silné oxidační účinky
OH¯ads + h+ → •OH transfer elektronu
O2,ads + e- → •O2¯ tvorba dalších •OH radikálů
2 •O2¯+ 2 H+ → 2 •OH + O2 totální oxidace polutantu
•OH + polutant + O2 → CO2 + H2O
3. Fotokatalytická oxidace
Nosič • skleněné válečky
čedičová pletenina
• 3D pletenina z PES vlákna
• čedičová pletenina vysoká tepelná odolnost, až 500°C vysoký specifický povrch dobrá mechanická pevnost nízká hmotnost odolnost proti UV záření odolnost proti plísním vysoký elektrický odpor Tabulka 1: Složení čedičových vláken
Složka
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
Na2O
K2O TiO2
CoO NiO
(hmot.%)
52,0
17,2
8,6
5,2
<5
<5
<1
<0,1
3. Fotokatalytická oxidace
Katalyzátor - typy a jejich příprava Účinná složka: komerční výrobek P25 fy Degussa 70 % anatas, 30 % rutil Nanášení účinné složky z vodné suspenze na nosič Kalcinace při 350 °C Sg = 45 m2/g
Účinná složka: TX114 připravený metodou sol-gel na ÚOT 100 % anatas Nanášení účinné složky metodou dip-coating (potahování) Kalcinace při 400 °C Sg = 285 m2/g
3. Fotokatalytická oxidace
Aparatura 1
3
2
10 9
Reakční podmínky: - teplota reakce 70 °C - sycení vzduchu acetonem při 0 °C - sycení vzduchu vodou při 15 °C - průtok r.plynné směsi <0,5-1,2> (l/h) - hm. tok acetonu <0,017-0,06> (g/h)
8 6
7 voda
aceton
4
5 11 vzduch
Obr.1: Blokové schéma aparatury
1,2,3 -diferenciální průtokoměry 4,5 -chladící lázně 6,7 -tenzní dávkovače 8,9 - mísiče plynů 10 - předehřívač 11 - reaktor
4. Výsledky
Ustalování adsorpční rovnováhy 3
2
ads /g kat. (10
1,5
n
-5
)
2,5
1 0,5 0 0
50
100
150
200
250
t (min)
Obr. 2: Časová závislost adsorbovaného množství acetonu vztaženého na hmotnostní jednotku účinné složky katalyzátoru. Experimentální podmínky: tr= 70 °C; Vc= 0,526 l/h; Gac= 0,02 g/h účinná složka - TX114; nosič - čedičová pletenina
4. Výsledky
Testování účinnosti laboratorně připravených katalyzátorů pro fotokatalytickou oxidaci acetonu 1
1 0,8 0,6 x 0,4
2
0,2 0 0,015
0,02
0,025
0,03
G ac (g/h)
Obr.3: Vliv zatížení katalyzátoru při fotokatalytické oxidaci acetonu na dosažený stupeň přeměny. Experimentální podmínky: tr = 70 °C; Vc = 0,5 l/h, nosič-skleněné válečky, účinná složka 1 - P25, 2 - TX114
4. Výsledky
Testování účinnosti laboratorně připravených katalyzátorů pro fotokatalytickou oxidaci acetonu Tabulka 2: Vliv zatížení katalyzátorů na dosažený stupeň přeměny a efektivní aktivita katalyzátorů při fotokatalytické oxidaci acetonu tr= 70°C; Vc= 0,5l/h; nosič-skleněné válečky
Gac (g/h)
x úč. složka
efektivní aktivita
0,017
0,02
0,025
P25
0,98
0,83
0,71
1,00
TX114
0,86
0,64
0,45
0,79
4. Výsledky
Vliv nosiče na efektivní aktivitu katalyzátoru s účinnou složkou TX114 0,4
1
0,3 x 0,2 0,1
2 0 0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
G ac (g/h)
Obr.4: Vliv zatížení katalyzátoru při fotokatalytické oxidaci acetonu na dosažený stupeň přeměny, tr=70 °C 1- čedičová pletenina, 2- skleněné válečky
4. Výsledky
Tabulka 3 A,B: Vliv nosiče na efektivní aktivitu katalyzátoru s účinnou složkou TX114 A- skleněné válečky, B- čedičová pletenina
Vc(l/h)
Gac(g/h)
stupeň přeměny x
1,16
0,06
0,10 zatížení reaktoru
0,99 0,70
0,05 0,03
efektivní aktivita
Vc(l/h)
Gac(g/h)
stupeň přeměny x
1,24
0,06
0,14
0,84
0,04
0,29
0,53
0,03
0,35
0,17 0,25 1,00
B- čedičová pletenina
A- skleněné válečky
zatížení reaktoru
efektivní aktivita
1,20
4. Výsledky
Vliv nosiče na efektivní aktivitu katalyzátoru 1
1 0,8
3
0,8
3
0,6
0,6
x
x
0,4 0,2 0 0,02
2
0,4
2
0,2
1 0,03
0,04
1
0
0,05
0,06
0,07
0,5
0,6
0,7
0,8
G ac (g/h)
0,9 V
celk.
1 (l/h)
Obr.6A,B: Vliv zatížení katalyzátoru na dosažený stupeň přeměny 1- skleněné válečky, 2- čedičová pletenina, 3- polyesterové vlákno
efektivní aktivita Skleněné válečky
Čedičová pletenina
Polyesterové vlákno
1,00
1,20
3,16
1,1
1,2
1,3
1,4
5. Závěr Vybudováno experimentální zařízení Byla změřena intenzita záření užitého UV-zdroje 2,23 ; 1,87 resp. 0,87 mW/cm2 Byl studován vliv způsobu přípravy účinné složky a typu nosiče na efektivní aktivitu katalyzátoru • nejvyšší efektivní aktivita – kat. TiO2/PES Byly porovnány dosažené výsledky s dostupnými literárními údaji:
5. Závěr 1
2
3
0,11
0,027
0,059
konverze acetonu (mol/h)
0,0489
0,17.10-4
1,5.10-4
výkon vztažený na objem reaktoru (mol/h.l)
44.10-3
0,64.10-3
2,54.10-3
reakční objem (l)
1.Vorontsov, A.V.; Savinov, E.N.; Catalysis Today, 39, 207, (1997)
2.Zorn, M.E.; Tompkins, D.T.; Applied Catalysis B:Env, 23,1, (1999)
3. experiment s čedičovou pleteninou
Děkuji za pozornost
