Φωτοκαταλυτική διάσπαση αζωχρωμάτων από βιομηχανικά απόβλητα

Abstract

The photocatalytic degradation of aqueous solutions of Acid Orange 7 (AO7), a model non-biodegradable textile azo-dye, is investigated with the use of TiO2 photocatalyst and artificial solar- or visible (>400 nm)-light irradiation. It is shown that when the full solar spectrum is utilized, the dye molecules adsorbed on TiO2 surface undergo a series of oxidation steps, which lead to rapid decolorization and formation of a number of intermediates, mainly aromatic and aliphatic acids, which are further oxidized toward compounds of progressively lower molecular weight and, eventually, to CO2 and inorganic ions. Under these conditions, complete decolorization and mineralization of the solution is achieved with appreciable reaction rates. When the solution is irradiated with visible light (λ> 400 nm), reaction intermediates are similar to those observed under artificial solar-light irradiation but decolorization takes place with much lower rates. In addition, when the solution is bleached, the COD does not further decrease with time of irradiation and reaction intermediates remain unchanged, indicating that the visible-light induced photocatalytic degradation of AO7 is governed by the “photosensitization mechanism”. Kinetic results show that the initial rate of decolorization depends on the intensity and the wavelength of incident light irradiation, the surface coverage, the initial concentration of the azo-dye, the concentration of the photocatalyst and the initial pH of the solution. From the kinetic investigation, a kinetic model is obtained which fits well the experimental data. The influence of the physicochemical properties of the photocatalyst such as crystal structure, specific surface area, average crystallite size, absorption in the UV/vis region and morphology, as well as the preparation method of TiO2 on the rate of decolorization is investigated. The improvement of the photocatalytic activity of semiconductor photocatalysts by doping with different altervalent cations and by deposition of noble metals onto the TiO2 surface is studied.

Η φωτοκαταλυτική διάσπαση υδατικών διαλυμάτων του Acid Orange 7 (ΑΟ7), ενός αζωχρώματος που αποτελεί τυπικό δείγμα των μη-βιοαποδομήσιμων χρωστικών ουσιών που απαντώνται στα υγρά απόβλητα βιομηχανιών υφαντουργίας, μελετήθηκε με χρήση καταλύτη TiO2 και τεχνητής ηλιακής ή ορατής (>400 nm) ακτινοβολίας. Βρέθηκε ότι όταν χρησιμοποιείται ηλιακή ακτινοβολία, η διάσπαση των μορίων του ΑΟ7 λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια του φωτοκαταλύτη μέσω μιας σειράς βημάτων οξείδωσης που οδηγούν στον σχηματισμό ενδιαμέσων, κυρίως αρωματικών και αλειφατικών οξέων, τα οποία στη συνέχεια οξειδώνονται περαιτέρω προς ενώσεις με προοδευτικά μικρότερο μοριακό βάρος. Τελικά, επιτυγχάνεται πλήρης αποικοδόμηση του αζωχρώματος, με σχηματισμό CO2 στην αέρια φάση και ανόργανων ιόντων στο διάλυμα. Όταν χρησιμοποιούνται φωτόνια ορατού φωτός, τα ενδιάμεσα της αντίδρασης είναι παρόμοια με αυτά που παρατηρήθηκαν με τη χρήση ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά ο αποχρωματισμός λαμβάνει χώρα με μικρότερους ρυθμούς. Επιπλέον, μετά τον αποχρωματισμό του διαλύματος, το COD δεν μειώνεται περαιτέρω και τα ενδιάμεσα της αντίδρασης μένουν σταθερά με το χρόνο ακτινοβόλησης υποδεικνύοντας ότι, στην περίπτωση αυτή, η φωτοκαταλυτική διάσπαση με χρήση ορατής ακτινοβολίας λαμβάνει χώρα μέσω του μηχανισμού “φωτοευαισθητοποίησης”. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της κινητικής μελέτης του συστήματος, ο αρχικός ρυθμός αποχρωματισμού εξαρτάται από την ένταση και το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, από την κάλυψη της επιφάνειας, από την αρχική συγκέντρωση του αζωχρώματος, από τη συγκέντρωση του TiO2 και από το αρχικό pH. Από την κινητική μελέτη προκύπτει κινητικό μοντέλο το οποίο περιγράφει ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα. Μελετάται η επίδραση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του φωτοκαταλύτη, όπως κρυσταλλογραφική δομή, ειδική επιφάνεια, μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών, απορρόφηση στη UV/vis περιοχή και μορφολογία, καθώς και της μεθόδου παρασκευής του TiO2 στον ρυθμό αποχρωματισμού. Τέλος, διερευνάται η δυνατότητα βελτίωσης των φωτοκαταλυτικών ιδιοτήτων του TiO2 με ενίσχυση με διάφορα ετεροσθενή κατιόντα και με διασπορά μετάλλου στην επιφάνειά του.