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 1972- prof. Akira Fujishima - titanové elektrody k čištění vody fotokatalytické jevy na polovodivých materiálech probíhá pouze při dodání energie katalyzátoru, nejčastěji UV záření odstraňování zápachů, bakterií a VOC z vody, nebo plynů nejpoužívanější fotokatalyzátor je oxid titaničitý v krystalové modifikaci anatas TiO 2 E= 3,2 ev λ< 388 nm nízká cena není toxický chemicky stabilní odolný proti fotokorozi bez účasti jiných látek Další typy fotokatalyzátorů ZnO ~ E= 3,2eV ZnS ~ E= 3,6eV WO 3 ~ 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 TiO 2, 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 TiO 2 + hν h + + e - vznik OH radikálu silné oxidační účinky OH ads + h + OH UV záření E = h ν = E CB -E VB transfer elektronu O 2,ads + e - O 2 tvorba dalších OH radikálů 2 O 2 + 2 H + 2 OH + O 2 totální oxidace polutantu OH + polutant + O 2 CO 2 + H 2 O
3. Fotokatalytická oxidace Nosič skleněné válečky 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 čedičová pletenina Tabulka 1: Složení čedičových vláken Složka SiO 2 Al 2 O 3 CaO MgO Fe 2 O 3 Na 2 O K 2 O CoO TiO 2 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 S g = 45 m 2 /g Účinná složka: TX114 připravený metodou sol-gel na ÚOT 100 % anatas Nanášení účinné složky metodou dip-coating (potahování) Kalcinace při 400 C S g = 285 m 2 /g
3. Fotokatalytická oxidace Aparatura 1 2 3 6 voda 8 7 9 aceton 10 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) 4 5 Obr.1: Blokové schéma aparatury vzduch 11 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 2,5 n ads /g kat. (10-5 ) 2 1,5 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: t r = 70 C; V c = 0,526 l/h; G ac = 0,02 g/h účinná složka - TX114; nosič - čedičová pletenina
4. Výsledky Testování účinnosti laboratorně připravených katalyzátorů pro fotokatalytickou oxidaci acetonu 1 0,8 1 x 0,6 0,4 0,2 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: t r = 70 C; V c = 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 t r = 70 C; V c = 0,5l/h; nosič-skleněné válečky x G ac (g/h) efektivní úč. aktivita složka 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 0,3 1 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, t r =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 zatížení reaktoru stupeň A- skleněné válečky V c (l/h) G ac (g/h) přeměny x 1,16 0,06 0,10 0,99 0,05 0,17 0,70 0,03 0,25 efektivní aktivita 1,00 B- čedičová pletenina zatížení reaktoru V c (l/h) G ac (g/h) 1,24 0,06 0,84 0,04 0,53 0,03 efektivní aktivita stupeň přeměny x 0,14 0,29 0,35 1,20
4. Výsledky Vliv nosiče na efektivní aktivitu katalyzátoru 1 1 0,8 3 0,8 3 0,6 0,6 x 0,4 2 x 0,4 2 0,2 0 1 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 G ac (g/h) 0,2 0 1 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 V celk. (l/h) Obr.6A,B: Vliv zatížení katalyzátoru na dosažený stupeň přeměny 1- skleněné válečky, 2- čedičová pletenina, 3- polyesterové vlákno efektivní aktivita Skleněné Čedičová Polyesterové válečky pletenina vlákno 1,00 1,20 3,16
5. Závěr Vybudováno experimentální zařízení Byla změřena intenzita záření užitého UV-zdroje 2,23 ; 1,87 resp. 0,87 mw/cm 2 Byl studován vliv způsobu přípravy účinné složky a typu nosiče na efektivní aktivitu katalyzátoru nejvyšší efektivní aktivita kat. TiO 2 /PES Byly porovnány dosažené výsledky s dostupnými literárními údaji:
5. Závěr 1 2 3 reakční objem (l) 0,11 0,027 0,059 konverze acetonu (mol/h) výkon vztažený na objem reaktoru (mol/h.l) 0,0489 0,17.10-4 1,5.10-4 44.10-3 0,64.10-3 2,54.10-3 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