Φωτοκαταλυτική οξείδωση πτητικών οργανικών ενώσεων σε απαέρια βιομηχανικών εγκαταστάσεων

Abstract

The present PhD thesis aimed at investigating the treatment of industrial flue gases, coming from facilities for the production of paints that contain Volatile Organic Compounds (VOCs), using the process of Photocatalytic Oxidation (PCO). Specifically, the effects of the type of pollutant, catalyst, residence time and water vapor presence on the PCO process were studied. PCO is an alternative method of treating gaseous pollutants, which's the most important advantage, is the mild operating conditions. The compounds selected in the present study were: benzene, toluene, ethyl benzene and m-xylene (BTEX). Although benzene was not detected in the flue gases, it was included in the study on reasons of plenitude. A TiO2 photocatalyst was prepared (TiO2-isopropoxide) and was used to cover the walls of the reactor. The experiments were conducted with a low pressure mercury lamp (λ = 254 nm, UV-C) as source of UV irradiation. The reactor operated in the CSTR mode by means of a recycle pump. Gas chromatography (GC-FID, GC-MS) was used for the analysis of the outlet of the reactor. Firstly, the photocatalytic oxidation of acetone was examined. The addition of humidity in the system resulted in a decrease in the oxidation rate of acetone. LHHW type rate expressions were used to interpret the experimental data. The next step was to study the photocatalytic oxidation of the following aromatic compounds: benzene, toluene, ethyl benzene and m-xylene (BTEX) with TiO2-isopropoxide as catalyst. The conversions achieved for all compounds were above 70%. It was found that their oxidation rate increased with the following order: benzene < toluene < ethyl benzene < m-xylene. The addition of water vapor in the system led to a great increase in the oxidation rate of all compounds studied with the exception of m-xylene. LHHW type kinetic models proved to be efficient in describing the experimental results. Finally, the oxidation of BTEX was studied over the following modified catalysts: 1) TiO2-P25, 2) TiO2-Pt, 3) TiO2-Fe, 3) TiO2-Ce. All catalysts prepared starting from TiO2-P25, with the method of wet impregnation. All catalysts were more efficient than TiO2-isopropoxide. Regarding the specific compounds, the highest oxidation rate was achieved as follows: benzene: TiO2-Ce, toluene: TiO2-P25, ethyl benzene: TiO2-Ce, m-xylene: TiO2-Pt. In general, for all catalysts tested, the oxidation rate increased with the order: TiO2-isopropoxide < TiO2-Fe < TiO2-P25 < TiO2-Pt < TiO2-Ce.

Σκοπός της διατριβής ήταν η διερεύνηση της επεξεργασίας βιομηχανικών απαερίων που προέρχονται από βιομηχανία παραγωγής χρωμάτων (ΒΙΒΕΧΡΩΜ Α.Ε.) και περιέχουν Πτητικές Οργανικές Ενώσεις (VOCs) με την εναλλακτική διεργασία της Φωτοκαταλυτικής Οξείδωσης (ΦΚΟ). Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα της ΦΚΟ είναι οι ήπιες συνθήκες διεξαγωγής της. Πιο συγκεκριμένα, στοχεύθηκε η μελέτη της επίδρασης που έχουν οι διάφοροι παράγοντες (είδος και συγκέντρωση ενώσεων, καταλύτης, παρουσία υγρασίας, κ.α.) που ελέγχουν τη διεργασία, στην απόδοση της μεθόδου. Επελέγησαν για μελέτη οι ενώσεις βενζόλιο, τολουόλιο, αιθυλοβενζόλιο και μέτα-ξυλόλιο. Το βενζόλιο δεν ανιχνεύθηκε στα απαέρια της βιομηχανίας, αλλά συμπεριλήφθηκε στη μελέτη για λόγους πληρότητας. Παρασκευάστηκε φωτοκαταλύτης από διοξείδιο του τιτανίου (TiO2-isopropoxide). Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με πηγή ακτινοβολίας λαμπτήρα UV (λ = 254 nm, UV-C). Ο αντιδραστήρας λειτουργούσε ως συνεχούς έργου πλήρους ανάδευσης με τη βοήθεια αντλίας ανακύκλωσης. Η ανάλυση του ρεύματος εξόδου έγινε με αέρια χρωματογραφία. Μελετήθηκε η φωτοκαταλυτική οξείδωση της ακετόνης. Δεν ανιχνεύθηκαν παραπροϊόντα. Η προσθήκη υγρασίας στο σύστημα επέφερε μείωση του ρυθμού οξείδωσης της ακετόνης. Χρησιμοποιήθηκαν εκφράσεις ρυθμού τύπου LHHW και από την προσαρμογή τους στα πειραματικά αποτελέσματα προσδιορίσθηκαν οι σταθερές του ρυθμού. Εξετάστηκε η φωτοκαταλυτική οξείδωση των αρωματικών ενώσεων βενζολίου, τολουολίου, αιθυλοβενζολίου και μέτα-ξυλολίου, με τον καταλύτη TiO2-isopropoxide. Οι μετατροπές όλων των ενώσεων ήταν πάνω από 70%. Βρέθηκε ότι ο ρυθμός οξείδωσής τους αυξάνεται με την ακόλουθη σειρά: βενζόλιο < τολουόλιο < αιθυλοβενζόλιο < μέτα-ξυλόλιο. Η προσθήκη υγρασίας οδήγησε σε έντονη αύξηση του ρυθμού οξείδωσης όλων των ενώσεων, πλην του μέτα-ξυλολίου. Το σύνολο των πειραματικών αποτελεσμάτων περιγράφηκε ικανοποιητικά από κινητικά μοντέλα τύπου LHHW. Έγινε μελέτη της οξείδωσης των ΒΤΕΧ με τέσσερεις τροποποιημένους καταλύτες: 1) TiO2-P25, 2) TiO2-Pt, 3) TiO2-Fe, 4) TiO2-Ce. Οι καταλύτες παρασκευάστηκαν από τον TiO2-P25 με τη μέθοδο του υγρού εμποτισμού. Όλοι οι καταλύτες βρέθηκαν ότι ήταν πιο αποδοτικοί από τον TiO2-isopropoxide. Ανάλογα με την ένωση, βρέθηκε ότι ο πιο αποδοτικός καταλύτης ήταν: βενζόλιο: TiO2-Ce, τολουόλιο: TiO2-P25, αιθυλοβενζόλιο: TiO2-Ce, μέτα-ξυλόλιο: TiO2-Pt. Η συνολική κατάταξη όλων των καταλυτών διαμορφώθηκε ως εξής: TiO2-isopropoxide < TiO2-Fe < TiO2-P25 < TiO2-Pt < TiO2-Ce