|
|
|
Ministerul
Educatiei, Cercetarii, Tineretului si Sportului Universitatea
Tehnica Gheorghe Asachi din Iasi Facultatea
de Inginerie Chimica si Protectia Mediului PN-II-RU-TE-2014-4-0405, Nr.
274/1.10.2015 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Dezvoltarea și optimizarea unui sistem
inovativ foto-fenton-peroxon pentru degradarea micropoluanților din apă |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Descrierea proiectului Prezentul proiect propune
dezvoltarea și optimizarea unui sistem inovativ foto-Fenton-peroxon
pentru degradarea micropoluanților organici din apă. O nouă tehnică
integrată de tratare, care combină puterea și avantajele catalizei
eterogene (tratarea rapidă a efluenților la pH apropiat de neutru) cu
cele ale procesului peroxon (degradarea intensificată a compușilor
organici în volumul de soluție și regenerare a catalizatorilor de
tip Fenton). WHO și UNEP au atras
atenția relativ recent asupra pericolului reprezentat de compușii
de tip endocrine disruptors. Dintre
substanțele chimice în uz, în jur de 800 au fost identificate ca fiind
de tip endocrine disruptors. Unele
substanțe chimice, cunoscute ca fiind inofensive în formă pură, pot
deveni nocive în amestec. Principalele surse de compuși de tip endocrine disruptors sunt reprezentate
de stațiile de epurare a apelor uzate menajere (produse de curățenie și
îngrijire personală), ape uzate provenind de la spitale, ape pluviale,
combinate chimice, ferme agricole și de creștere a animalelor. Apare astfel necesitatea
dezvoltării de tehnologii de tratare/epurare capabile să îndepărteze un
domeniu larg de compuși organici prezenți, în general, în concentrații
scăzute. În cadrul prezentului proiect se are în vedere dezvoltarea unui
sistem fiabil pentru epurarea finală a apelor uzate în raport cu micropoluanții.
Procedeul propus, foto-Fenton-peroxon, constă în cuplarea fotocatalizei
Fenton eterogene cu oxidarea de tip peroxon, atât peroxidul de hidrogen cât și
ozonul fiind generate in situ. De asemenea, se vor
sintetiza și investiga noi matrici de cărbune activ, funcționalizate
cu grupări acide, impregnate cu oxizi de Fe și Mn, și, respectiv,
dioxid de titan dopat cu Fe. Se vor prepara aerogeluri de suprafață
mare, acoperite cu nano-oxizi Fenton. În cadrul etapei 2015 a
prezentului proiect de cercetare s-au stabilit metodele și procedurile
generale de lucru, au fost selectați compușii organici model și
s-au efectuat studii preliminare privind sinteza și caracterizarea unor
compozite de cărbune activ cu Fe imobilizat. În vederea preparării
unor compozite prin impregnare umedă au fost selectate câteva materiale de
cărbune activ (PICA și Aquasorb Jacobi, Vierzon, Franța) cu diferite
proprietăți texturale și chimice. Caracteristicile suprafeței
matricelor de cărbune activ au fost determinate cu ajutorul izotermelor de
adsorbție-desorbție cu N2.
Impregnarea umedă a fost realizată cu ajutorul
unei băi de apă termostatate, cu mișcare orbitală, de tip GFL 1092,
același aparat fiind utilizat și pentru studiul proceselor de
adsorbție. Tabel Fe imobilizat pe
cărbune activ prin impregnare umedă.
Imaginile SEM ale
matricelor de cărbune activ evidențiază schimbările de morfologie ca
urmare a impregnării cu soluții apoase ale precursorilor de Fe, fiind
afectată porozitatea matricei. S-au efectuat, de asemenea,
teste de fotoliză și fotocataliză pe micropoluanții model
folosind.fotoreactorul de laborator UV-Consulting Peschl (lampă UV de
presiune medie) utilizat pentru efectuarea testelor experimentale.
Au fost testate compozite
Fe-cărbune activ, fiind obținute randamente de degradare în raport cu
4-CP de peste 98% după 30 min de iradiere UV. În cadrul etapei 2016 au fost sintetizate si
caracterizate compozitele de cărbune activ cu fier imobilizat. Obiectivul
etapei precedente a constat în obținerea de compozite de cărbune activ
cu fier impregnat prin impregnare umedă directă, acest obiectiv fiind
completat în prezenta etapă prin obținerea de compozite de cărbune activ
impregnate cu Fe prin oxidare cu permanganat și, respectiv, prin obținerea
de compozite de cărbune activ acoperite cu TiO2 dopat cu Fe.
Suplimentar, au fost preparate compozite bazate pe cărbune activ prin metoda
coprecipitării de Fe în mediu alcalin. Au fost obținute compozite tip monolit și
particule de aerogel conținând grafen dopat cu TiO2. S-au studiat performanțele catalitice ale
acestor materiale în privința degradării unor molecule model de
micropoluanți, precum ibuprofen, diclofenac sau para-clorofenol. Aceste
performanțe au fost comparate cu cele ale unor noi tipuri de
catalizatori Fenton de tip hidoxizi dublu lamelari.
În cadrul etapei 2017 s-au obținut și
caracterizat o serie de noi compozite Fenton și s-au alcătuit programele
experimentale necesare evaluării influenței principalilor parametri
asupra performanțelor procesului foto-Fenton-peroxon și, respectiv,
modelării matematice și optimizării acestui proces condus în regim
discontinuu și, respectiv, continuu. Mai întâi s-a alcătuit un program factorial fracțional
pentru procesul de fotodegradare a moleculei de Ibuprofen în vederea
stabilirii semnificației statistice a dozei de catalizator Fe-L27 (550 °C), a tipului de lampă (Non-O3
și, respectiv, generatoare de O3), a concentrației de H2O2,
precum și a valorii inițiale a pH-ului soluției de Ibuprofen. În vederea evaluării semnificației
factorilor și interacțiunilor dintre variabilele independente, s-au
reprezentat diagramele Pareto și normale (probabilitatea funcție de
efect standardizat) pentru cele două răspunsuri considerate în cadrul
programului experimental.
Pentru factorii categorici și pentru
intervalele de variație a factorilor numerici considerați în cadrul
programului experimental, ordinea semnificației efectelor principale
asupra gradului de tratare este: concentrație H2O2>
valoare pH>doză Fe-L27>tip lampă. Dacă importanța efectului
datorat concentrației de H2O2 poate fi pusă în
special pe seama unui interval de variație relativ larg, ceilalți
trei factori prezintă efecte de mărimi comparabile, evidențiind
superioritatea procesului foto-Fenton-peroxon în comparație cu procesele
de oxidare componente. În vederea efectuării testelor experimentale
privind degradarea micropoluanților prin proces foto-Fenton-peroxon în
regim continuu, s-a realizat instalație la scară micro-pilot. Este exemplificată evoluția degradării
moleculei de Ibuprofen în prezența Fe-L27 prin proces
foto-Fenton-peroxon condus în regim continuu.
În cazul moleculei de ibuprofen se poate observa
o scădere mai lentă a concentrației când peroxidul de hidrogen este
adăugat continuu, după 150 min fiind atins un grad de tratare în raport cu
molecula de IBP de aproximativ 93%, această valoare fiind relativ constantă
odată cu acumularea unei concentrații critice de H2O2.
În cazul dozării inițiale a H2O2, procesul de
degradare foto-Fenton-peroxon atinge randamentul maxim (grad de tratare 100%)
după 80 min însă, după 110 min, procesul de generare a radicalilor hidroxil
scade în intensitate ceea ce conduce la o ușoară scădere a valorii
gradului de tratare, după 260 minute de operare înregistrându-se un grad de
tratare de 83%. Modelarea procesului foto-Fenton-peroxon, operat
în regim continuu, s-a realizat prin metodologia suprafeței de răspuns.
S-a stabilit un program experimental compozit central fracțional pentru
trei variabile independente, doza de catalizator, interval de variație
de la 0,1 la 0,4 g/L, concentrația de H2O2,
interval de variație de la 100 la 500 mg/L, și debitul de influent
(100 mg/L IBP), interval de variație de la 0,3 la 3 L/h. Variabilele
dependente (răspunsurile de proces) sunt gradul de tratare și constanta
de viteză de ordinul întâi. Optimizarea economică a procesului
foto-Fenton-peroxon s-a bazat pe metoda multi-obiectiv, urmărindu-se
maximizarea celor două funcții scop în condițiile minimizării
valorilor variabilelor independente: concentrație H2O2
și doza de catalizator. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
17.10.2017 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
