Prezentacja programu PowerPoint - Photo-catalysis · 2017. 11. 28. · e-+ Ti4+ Ti3+ TiO 2 + hv...
Transcript of Prezentacja programu PowerPoint - Photo-catalysis · 2017. 11. 28. · e-+ Ti4+ Ti3+ TiO 2 + hv...
FOTOKATALITYCZNY PROCES OCZYSZCZANIA WODY
1
4 2
3
Zanieczyszczony roztwór wodny przed
reakcją
ZANIECZYSZCZENIA ORGANICZNE Zanieczyszczenia wód to zwykle związki organiczne, których głównym źródłem są ścieki przemysłowe, rolnicze i komunalne, występujące w przyrodzie ze względu na wzmożoną działalność człowieka. Najczęściej spotykaną grupą zanieczyszczeń są związki fenolowe. Wykorzystanym przez nas związkiem modelowym jest wodny roztwór fioletu gencjanowego, który ma działanie antyseptyczne i wykorzystywany jest w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym.
ŚWIATŁO JAKO ŹRÓDŁO CZYSTEJ ENERGII Energia słoneczna uważana jest za najbogatsze i jedno z najbardziej obiecujących źródeł energii odnawialnej na Ziemi. Jej wykorzystanie przynosi znaczne korzyści ekonomiczne i ekologiczne.
(d)
Wykorzystywane w laboratorium sztuczne źródło światła: lampy emitujące promieniowanie w zakresie widzialnym (a,b) oraz promieniowanie ultrafioletowe UV (c,d).
(c)
(b)
(a)
Roztwór wodny po reakcji
Układ reakcyjny: (1)Katalizator: tlenek tytanu (2) Promiennik nadfioletu: „Domowe Słoneczko” (3) Mieszadło magnetyczne (4) Reaktor
FOTOKATALIZATOR Rolę katalizatora w procesach fotochemicznych spełniają głównie światłoczułe półprzewodniki, spośród których największym zainteresowaniem cieszy się tlenek tytanu (IV) ze względu na wysoką stabilność, niską toksyczność i łatwą dostępność. Tlenek tytanu (IV) ma jednak jedną poważną wadę absorbuje on tylko promieniowanie ultrafioletowe. W związku z tym w laboratorium IChF PAN prowadzone są badania nad preparatyką fotokatalizatorów na bazie TiO2 absorbującego światło w zakresie widzialnym.
Tlenek tytanu (IV) (b) występuje w przyrodzie w postaci trzech form krystalicznych: (a) anatazu (c) rutylu (d) brukitu.
(a) (b)
(c) (d)
N
N N+
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Cl-
Fotokatalityczny rozkład zanieczyszczeń, występujących w środowisku naturalnym pozwala na eliminację szkodliwych substancji poprzez ich kompletną mineralizację (tj. całkowity proces utlenienia związków organicznych do dwutlenku węgla i wody). Metoda ta jest przyjazna środowisku i nie wymaga stosowania toksycznych materiałów, dodatkowo nie korzysta z konwencjonalnych, nieodnawialnych źródeł energii. Czynnikiem, który szczególnie warunkuje proces fotokatalizy jest substancja zwana fotokatalizatorem. Aktywowana światłem słonecznym, przyśpiesza przebieg reakcji choć sama nie zużywa się w jej trakcie. W prowadzonym przez nas procesie wykorzystujemy tlenek tytanu, czyli potocznie zwaną biel tytanową, w reakcji odbarwienia wodnego roztworu fioletu gencjanowego (gencjany) pod wpływem działania światła.
Przerwa energetyczna:
Anataz ~ 3.2 eV Rutyl ~ 3.02 eV Brukit ~ 2.96 eV
Powłoka walencyjna
Powłoka przewodząca
h+ + OH- ・OH
hv (λ≲ 380 nm)
e- + Ti4+ Ti3+
TiO2 + hv e- + h+
Dziura (h+)
Elektron (e-)
Rutyl
Anataz
-
+
a
a
c
a
a
c
: Ti
: O
Reakcja redukcji
Reakcja utleniania
O2
O2-
H2O lub OH-
・OH
Światło o długości fali w zakresie poniżej 400 nm powoduje wybijanie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Dzięki temu na powierzchni TiO2 powstają elektrony (e-), które łączą się z tlenem z powietrza formując aktywny tlen (O2
-) oraz dziury elektronowe (h+), które łączą się z parą otaczającego powietrza lub wodą i tworzą rodniki wodorotlenowe (.OH) z wody. Uformowany rodnik wodorotlenowy jest silnym utleniaczem i jest dostatecznie mocny, aby utleniać i rozkładać różnego rodzaju zabrudzenia organiczne, np.: tłuszcze, oleje, spaliny, gazy zapachowe, bakterie. Część zanieczyszczeń w kolejnych reakcjach przekształci się w wodę i dwutlenek węgla. Aktywny tlen (O2
-) wyzwala zaś reakcje redukcji. Fotokataliza heterogeniczna wykorzystywana w procesie oczyszczania wód posiada szereg zalet : • Korzysta z odnawialnych źródeł energii - światła słonecznego. • Powszechnie dostępnych i tanich fotokatalizatorów bazujących na tlenku tytanu (IV). • Umożliwia łatwy odzysk katalizatorów i ponowne wykorzystanie w kolejnych procesach.