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.