Ανάπτυξη συστήματος για τον έλεγχο της φωτοκαταλυτικής απομάκρυνσης αέριων ρύπων πάνω σε επιστρώσεις οξειδίων μετάλλων.

Abstract

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει η κοινωνία μας στη σημερινή εποχή είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος και ειδικότερα της ατμόσφαιρας. Οι μηχανές που χρησιμοποιεί στην καθημερινότητά του ο άνθρωπος απαιτούν ενέργεια, η οποία προήλθε αρχικά από την καύση του άνθρακα και αργότερα από διάφορα κλάσματα πετρελαίου και την πυρηνική ενέργεια. Στην καύση, εκτός από ενέργεια, παράγονται καυσαέρια με κύρια συστατικά το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, καθώς επίσης μονοξείδιο του άνθρακα και οξείδια του αζώτου (NOx), όπως το μονοξείδιο NO και το διοξείδιο του αζώτου NO2, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την καύση των καυσίμων και της περίσσειας του αέρα, καθώς και αιωρούμενα σωματίδια. Τα οξείδια του αζώτου (NOx) προέρχονται κυρίως από τις εκπομπές των πετρελαιοκίνητων και μη καταλυτικών βενζινοκίνητων οχημάτων και πολλών βιομηχανιών. Στα αποτελέσματα της ρύπανσης περιλαμβάνονται σοβαρά βραχυπρόθεσμα ή μακροπρόθεσμα προβλήματα τόσο στο φυσικό περιβάλλον όπως είναι π.χ. η όξινη βροχή, η αιθαλομίχλη, η τρύπα του όζοντος και η ένταση του φαινομένου του θερμοκηπίου, όσο και στην ανθρώπινη υγεία. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της ρύπανσης τόσο σε υγρή όσο και σε αέρια φάση, έχουν προταθεί αρκετές νέες τεχνολογικές μέθοδοι. Μια από αυτές είναι η ετερογενής φωτοκαταλυτική αποδόμηση / οξείδωση των ρύπων. Με τη μέθοδο αυτή, ένας φωτοκαταλύτης -συνήθως ημιαγώγιμο οξείδιο μετάλλου- ακτινοβολείται με κατάλληλου μήκους κύματος και έντασης ακτινοβολία με αποτέλεσμα όταν βρίσκεται σε επαφή με ρύπους ή μικρόβια την ολική ή μερική αποδόμηση των ρύπων, καθώς και την εξόντωση των μικροβίων. Ανάμεσα στους φωτοκαταλύτες που έχουν μελετηθεί, το διοξείδιο του τιτανίου (ΤiΟ2), παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον εξαιτίας των πολλών πλεονεκτημάτων του. Ο σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος για τον έλεγχο της φωτοκαταλυτικής αποδόμησης / οξείδωσης αέριων ρύπων σύμφωνα τις προδιαγραφές διεθνών οργανισμών τυποποίησης όπως το πρότυπο ISO 22197-1:2007(E). Τελικός στόχος της μεταπτυχιακής διατριβής είναι ο εργαστηριακός έλεγχος της μείωσης της συγκέντρωσης των οξειδίων του αζώτου κατά ISO με τη χρήση φωτοκαταλυτικών δομικών υλικών με βάση το διοξείδιο του τιτανίου (ΤiΟ2). Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια της μεταπτυχιακής διατριβής κατασκευάστηκε ένας φωτοαντιδραστήρας, ο οποίος λειτουργεί σύμφωνα με το πρότυπο ISO 22197-1:2007(E). Παράλληλα, παρασκευάστηκαν δύο ομάδες φωτοκαταλυτικών δομικών δοκιμίων, χρησιμοποιώντας ως φωτοκαταλύτη το διοξείδιο του τιτανίου (ΤiΟ2). Στην πρώτη ομάδα, τα δοκίμια παρασκευάστηκαν με την ανάμιξη εμπορικού γκρι τσιμέντου με διαφορετικές περιεκτικότητες από 0%κ.β. έως και 10%κ.β. του φωτοκαταλύτη (ΤiΟ2, Degussa P25). Στην άλλη ομάδα δοκιμίων, ψεκάστηκε αιώρημα κόνεως ΤiΟ2 Degussa P25 πάνω σε εμπορικά κεραμικά πλακάκια. Κατά την πραγματοποίηση των δοκιμών ως ρύπος χρησιμοποιήθηκε το μονοξείδιο του αζώτου, ΝΟ. Από την επεξεργασία των δεδομένων που προέκυψαν αξιολογήθηκε η φωτοκαταλυτική απόδοση του κάθε δοκιμίου σύμφωνα με το πρότυπο ISO 22197-1:2007(E). Προκειμένου να επιτευχθεί σημαντική μείωση της συγκέντρωσης του ρύπου διαπιστώθηκε η ανάγκη παρουσίας του φωτοκαταλύτη στην επιφάνεια των δοκιμίων, καθώς και η φωτοβόληση τους με υπεριώδες / ορατό φως. Διαπιστώθηκε επίσης ότι η μείωση της συγκέντρωσης του μονοξειδίου του αζώτου για τα δείγματα γκρι τσιμέντου με διάφορες %κ.β. περιεκτικότητες σε ΤiΟ2 αυξάνονταν αναλογικά με την %κ.β. περιεκτικότητα του φωτοκαταλύτη έως την τιμή 3%κ.β., όπου η μείωση της συγκέντρωσης του NO έφτασε περίπου στο 60%. Για μεγαλύτερες συγκεντρώσεις παρατηρήθηκε μικρότερη μείωση της συγκέντρωσης του NO. Στα δοκίμια που παρασκευάστηκαν με τον ψεκασμό αιωρήματος διοξειδίου του τιτανίου πάνω σε κεραμικά πλακάκια, η μείωση της συγκέντρωσης του NO ήταν σημαντικά μεγαλύτερη, της τάξης του ~83%. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής με αυτά άλλων αντίστοιχων δημοσιευμένων μελετών, προκύπτει ότι επιβεβαιώνεται η απομάκρυνση του NO τόσο στα δοκίμια τσιμέντου-φωτοκαταλύτη, όσο και πάνω στη φωτοκαταλυτική επιφάνεια κεραμικών πλακιδίων. Μάλιστα, η ειδική φωτοενεργότητα έφτασε περίπου στην τιμή των 13,8 mg/h/m2 για το δείγμα γκρι τσιμέντου-Degussa P25 με περιεκτικότητα 3%κ.β., ενώ για τη φωτοκαταλυτική επίστρωση TiO2 πάνω σε κεραμικό πλακάκι, η τιμή της ειδικής φωτοενεργότητας ήταν σημαντικά μεγαλύτερη, της τάξης των 19,2 mg/h/m2. Οι τιμές αυτές της ειδικής φωτοενεργότητας είναι αντίστοιχες, σε πολλές περιπτώσεις μάλιστα μεγαλύτερες, από τις τιμές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για δομικά φωτοκαταλυτικά υλικά που έχουν ελεγχθεί με το ίδιο πρότυπο. Τα αποτελέσματα της διατριβής είναι ενθαρρυντικά για την ανάπτυξη και την περαιτέρω μελέτη δομικών φωτοκαταλυτικών υλικών, καθώς και την προσπάθεια για τη χρήση τους σε βιομηχανικό επίπεδο.

One of the major problems that our society faces nowadays, is the pollution of the environment. The machinery used in everyday life requires energy, which came from coal combustion at first and later from various oil derivatives as well as nuclear energy. During combustion, various gases are produced with their main constituents being water, carbon dioxide, carbon monoxide and various nitrogen oxides (NOx). Nitrogen oxides (NOx) stem mainly from diesel engine emissions, non-catalytic gasoline vehicles and many industries. Pollution has severe short and long term effects both in the natural environment such as e.g. acid rain, smog, greenhouse effect and human health. To address the problem of pollutants in liquid and gas form, several new methods have been proposed. One of them is the heterogeneous photocatalytic degradation / oxidation of pollutants. In this method, a photocatalyst, usually a metal oxide semiconductor, when irradiated with the appropriate wavelength and intensity, any pollutants and germs that come in contact with it, to be degraded and killed, respectively. Among all photocatalysts that have been studied, titanium dioxide (TiO2), presents the most advantages. In this thesis, the process of developing a system for monitoring the photocatalytic degradation/oxidation of gaseous pollutants according to ISO standard 22197-1: 2007 (E), is presented. The ultimate objective of this graduate work was the concentration reduction of nitrogen oxides, using photocatalytic structural materials based on titanium dioxide (TiO2), in laboratory conditions. More specifically: A photoreactor which operates according to the ISO standard 22197-1: 2007 (E), was constructed. In addition to that, two sets of photocatalytic welded test plates were prepared, using the photocatalyst titanium dioxide (TiO2). The first set of test plates was prepared by mixing commercial gray cement with different photocatalyst (TiO2, Degussa P25) weight percentages (ranging from 0 % up to 10 %). The second set of test plates consisted of commercial ceramic tiles that were sprayed with a suspended powder material (TiO2 Degussa P25). For these tests the selected contaminant was nitric oxide, NO. The photocatalytic performance of each specimen was derived from data processing, according to ISO 22197-1: 2007 (E). It was found that, for a significant reduction in the pollutant concentration to occur, the presence of the photocatalyst on the specimen surface as well as their irradiation with ultraviolet/visible light, is necessary. It was also found that the reduction of nitric oxide concentration in the cement samples was increased in proportion with the percentage of TiO2 content, up to a certain point (at 3 %, where concentration reduction reached its maximum, of 60 %). For higher density values the reduction in concentration, declined. In the second set of test plates concentration reduction up to 83%, was obtained. The results of this work confirm relevant published studies, indicating the removal of NO on both cement-photocatalyst plates as well as on the photocatalytic surface of ceramic tiles. As a matter of fact, the specific specific Photoactivity reached approximately the value of 13.8 mg/h/m2 for the gray cement 3% sample (Degussa P25), while in the case of photocatalytic TiO2 coating on a ceramic tile, the value of the specific specific Photoactivity came out significantly greater, at 19.2 mg/h/m2. These values of specific specific Photoactivities, are close, and in many cases are even larger than the values reported in the literature for photocatalytic materials tested according to the same ISO standard. The results of this study are encouraging as far as the development and further study of structural photocatalytic materials and their industrial applications, is concerned.