background image

 

 

LABORATORIUM 

Fotodegradacja organicznych zanieczyszczeń wody   

Utlenianie  chemiczne  jest  jedną  z  metod  oczyszczania  wody  stosowaną  w  celu  utlenienia 

związków  organicznych  i  nieorganicznych  pochodzenia  antropogenicznego  i  naturalnego  np. 

prekursorów organicznych halogenopodobnych, utleniania jonów Fe(II), MN(II) i innych, oraz do 

niszczenia  patogennych  drobnoustrojów  (dezynfekcja).  Istota  tych  procesów  polega  na 

zastosowaniu  związków  chemicznych,  które  mogą  utleniać  związki  organiczne  i  nieorganiczne 

obecne  w  wodzie,  a  także  powodować  destrukcję  komórek  drobnoustrojów  lub  powodować 

zakłócenia ich procesów metabolicznych.   

Stosowane  utleniacze  powinny  powodować  mineralizację  (całkowite  utlenienie  do  CO

2

  i 

H

2

O) związków organicznych pochodzenia naturalnego i antropogenicznego. Jeśli zjawisko to nie 

zachodzi  w  pełni  mogą  powstawać  produkty  uboczne  utleniania/dezynfekcji,  które  zazwyczaj 

charakteryzują się większą odpornością na utlenianie niż związki wyjściowe.   

Coraz  większą  popularnością  cieszą  się  procesy  AOP  (Advanced  Oxidation  Processes)  do 

których należą:   

-gamma-radioliza – oparta na otrzymywaniu rodników hydroksylowych poprzez   

poddanie wody działaniu promieniowania gamma lub wysokoenergetycznej wiązki   

elektronów   

-sonoliza – polega na propagacji fali ultradźwiękowej roztworze wodnym, prowadzi   

ona do powstania pęcherzyków z rozpuszczonych w roztworze gazów. Pękanie   

pęcherzyków powoduje powstawanie wysokich temperatur i ciśnienia, które prowadzi   

do dysocjacji wody na rodniki typu: OH

, HOO

• 

i inne. Określona częstotliwość   

ultradźwięków powoduje powstawanie rodników określonego typu np. częstotliwość   

ok. 400kHZ faworyzuje powstawanie rodników OH

.   

-fotokataliza   

background image

 

 

Według IUPAC fotokataliza to: reakcja katalityczna polegająca na absorpcji światła przez 

katalizator lub substrat.   

Obszarem  zainteresowania  fotokatalizy  heterogenicznej  jest  obszar  wzajemnego 

oddziaływania  pomiędzy  ciałem  stałym  (fotokatalizatorem)  i  fazą  ciekłą  lub  gazową  zawierającą 

reagenty  i  produkty  reakcji.  W  wyniku  działania  wiązki  promieniowania  o  odpowiedniej  energii 

może  nastąpić  fotowzbudzenie  katalizatora  z  przeniesieniem  ładunku  w  kierunku  reagentów  w 

stanie  podstawowym  –  sensybilizowana  reakcja,  lub  wzbudzenie  adsorbatu  z  przeniesieniem 

ładunku do katalizatora – katalizowana fotoreakcja.   

Degradacja  fotokatalityczna  jest  procesem  cieszącym  się 

coraz  większym 

zainteresowaniem, szczególnie w przypadku oczyszczania ścieków zawierających niewielkie ilości 

substancji trudno usuwalnych.   

W porównaniu z metodami konkurencyjnymi, zaletami tego procesu są:   

-całkowita mineralizacja,   

-niewielkie koszty,   

-łagodne warunki (temperatura i ciśnienie). 

W  heterogenicznym  układzie  fotokatalitycznym,  fotoindukowane  przemiany  cząsteczkowe 

lub  reakcje  zachodzą  na  powierzchni  katalizatora.  Ogólna  stechiometria  heterogenicznego 

utleniania fotokatalitycznego może być zapisana jako: 

 

 

Fotokatalizatorami są ciała stałe, które mogą promować reakcje w obecności świtała   

i nie są przy tym zużywane. Dobry fotokatalizator powinien być:   
- fotoaktywny,   
- zdolny do wykorzystania światła widzialnego i/lub bliskiego UV,   
- biologicznie i chemicznie inertny,   
- fotostabilny (nieulegający fotokorozji),   
- niedrogi,   
- nietoksyczny.   

background image

 

 

Jesli  półprzewodnik  ma  być  fotochemicznie  aktywny  jako  sensybilizator  w  powyższej 

reakcji, potencjał redox  fotowytworzonej  na powłoce walencyjnej dziury  musi  być wystarczająco 

dodatni  by  wytworzyć  rodniki  HO

,  które  nastypnie  utleniają  zanieczyszczenia  organiczne. 

Potencjał  redox  wytworzonych  na  powłoce  przewodzenia  elektronów  musi  być  wystarczająco 

ujemny by były one w stanie redukować adsorbowany O

2

 do O

3

-.  

Tabela 1. Energie pasm wzbronionych różnych fotokatalizatorów 

 

 

Rysunek 1. Procesy zachodzące na powierzchni fotokatalizatora 

Utlenianie  wielu  zanieczyszczeń,  szczególnie  związków  organicznych,  wymaga  wysokich 

potencjałów,  co  skutkuje  tym,  że  położenie  pasma  walencyjnego  na  powierzchni  międzyfazowej 

półprzewodnik-elektrolit  powinno  być  raczej  dodatnie,  jak  ma  to  miejsce  np.  w  TiO

2

  i  CdS.  W 

takim  przypadku,  fotogenerowane  dziury  będą  miały  odpowiednią  energię  by  utlenić  związki 

organiczne poprzez wytwarzanie rodników hydroksylowych.   

Zakres zanieczyszczeń organicznych, które mogą być całkowicie fotomineralizowane przy 

background image

 

 

użyciu  TiO

2

  jako  sensybilizatora,  jest  bardzo  szeroki  i  zawiera  wiele  związków  alifatycznych, 

aromatycznych, detergentów, barwników, pesty- i herbicydów. W zastosowaniach środowiskowych 

najbardziej  efektywnym  jest  TiO

2

  w  formie  anatazu  EBG=3,23eV  (384nm),  jednak  niewielkie 

domieszki rutylu EBG=3,02eV (411nm) mogą mieć pozytywny wpływ na aktywność katalizatora. 

Rutyl może być aktywny lub nieaktywny w zależności od stosowanej preparatyki. Stąd dużą wagę 

przywiązuje się do stosowanych materiałów wyjściowych i metody preparatyki fotokatalizatorów. 

Wielu badaczy stwierdza, że rutyl jest katalitycznie nieaktywny lub jest mniej aktywny niż anataz. 

Fotony o odpowiedniej długości fali docierające do powierzchni fotokatalizatora powodują 

przeskok elektronów z pasm walencyjnych (HOMO) do pasm przewodzenia (LUMO) (Rys. 1). W 

wyniku  przeskoku  elektronu  w  paśmie  walencyjnym  pozostaje  dodatnio  naładowana  dziura. 

Reaguje  ona  ze  zhydrolizowaną  powierzchnią  wytwarzając  rodniki  HO

,  które  są  najsilniejszymi 

czynnikami  utleniającymi.  Względne  szybkości  reakcji  utleniania  z  ozonem  i  rodnikami  HO

• 

przedstawiono w tabeli 2.   

Tabela 2. Względne stałe szybkości (k, dm

3

/mol*s) 

 

Minimalna długość fali potrzebna do wzbudzenia elektronu zależy od energii pasma wzbronionego 
fotokatalizatora i wyraża się równaniem   

E

bg

 = 1240 /λ min 

W  wypadku  braku  obecności  odpowiedniego  elektronu  i  zmiataczy  dziur  magazynowana 

energia jest rozpraszana w przeciągu kilku nanosekund w wyniku rekombinacji. Jeśli odpowiedni 

zmiatacz dziur albo stan defektowy jest dostępny by uwięzić elektron lub dziury, zapobiega to ich 

background image

 

 

rekombinacji,  i  pozawala  na  zajście  reakcji  redox.  W  wypadku  P25  Degussa  elektrony  pasma 

przewodzenia anatazu przeskakują do mniej dodatniego rutylu, zmniejszając w ten sposób szybkość 

rekombinacji  elektronów  i  dodatnich  dziur  w  anatazie.  Jest  to  jeden  z  powodów  dla  których 

występowanie obok anatazu niewielkich domieszek rutylu może mieć pozytywny wpływ na proces 

fotodegradacji.   

MECHANIZM   

Jak  zaznaczono  wcześniej  fotokataliza  należy  do  procesów  zaawansowanego  utleniania 

(Advanced Oxidation Processes – AOP). Przeprowadzono badania mające porównać dwie metody 

AOP: fotochemiczne i fotokatalityczne utlenianie. W obu metodach badano degradację fenolu. W 

wypadku degradacji fotochemicznej przy  użyciu H

2

O

2

/UV zostały wykryte związki pośrednie jak 

benzokwinon,  hydrokwinon,  katechol  i  rezorcyna.  Główną  różnicą  pomiędzy  degradacją 

fotochemiczną  i  fotokatalityczną  okazała  się  ilość  produktów  pośrednich.  W  przypadku 

fotokatalitycznego  rozkładu  ilość  ta  była  pomijalnie  mała,  gdy  w  drugim  wypadku  produkty 

pośrednie  były  obecne  w  znacznych  ilościach.  Porównanie  ekonomiki  procesu  fotochemicznego 

(H

2

O

2

/światło widzialne) i fotokatalitycznego (TiO

2

/światło widzialne) wykazało, że ten drugi jest 

bardziej ekonomiczny.  Można wnioskować, że fotokataliza jest lepszym procesem,  prowadzącym 

do całkowitej mineralizacji z mniejszymi ilościami produktów pośrednich.   

Etapem inicjującym w fotokatalizie jest wzbudzenie półprzewodnika przez promieniowanie 

o odpowiedniej energii ( < min) w celu wytworzenia pary elektron-dziura. Reakcja fotokatalizy 

półprzewodnikowej może być zapisana jako:   

Wzbudzenie 

 

Reakcja wtórna 

 

Trapping   

 

 

 

background image

 

 

Adsorpcja zanieczyszczenia organicznego (S) i fotogenerowanych produktów pośrednich (Q)   

centrum +↔ S ↔ S

ads 

 

centrum+ Q ↔ Q

ads   

 

Atak  rodnika  hydroksylowego  na  wyjściowy  związek  organiczny  z  wytworzeniem  produktów 

pośrednich 

 

 

Atak  rodnika  hydroksylowego  na  produkty  pośrednie  z  wytworzeniem  innych  produktów 

pośrednich 

 

 
Inne reakcje   

 

 

Fotodegradacja  każdej  substancji  organicznej  zachodzi  z  wytworzeniem  związków 

pośrednich  powstających  w  wyniku  ataku  HO

.  Poniżej  przedstawiono  schemat  fotodegradacji 

benzenu   

 

 

 

background image

 

 

oraz chlorofenolu   

 

W  przypadku  związków  aromatycznych  obserwuje  się  powstawanie  produktów  pośrednich 

zawierających dwie/trzy grupy OH. Przyłączenie tych grup hydroksylowych nie powoduje jednak 

rozerwania  pierścienia.  Badania  wykazują  brak  obecności  węglowodorów  alifatycznych,  co 

oznacza  że  otwarty  pierścień  ulega  bardzo  szybkiej  mineralizacji.  Badania  nad  PCD  rożnych 

związków pozwalają na stwierdzenie że zarówno grupa NO

2

 jak i COOH nie są podstawiane przez 

grupy OH dopóki pierścień nie ulegnie rozerwaniu.   

Reakcja  zachodząca  na  powierzchni  fotokatalizatora  to  reakcja  redox.  Ogólnie  można 

stwierdzić  że  utlenianie  związku  zachodzi  w  wyniku  ataku  rodnika 

OH,  w  tym  samym  czasie 

redukowany  jest  tlen  pochodzący  z  powietrza.  Badania  wykazały  że  w  przypadku  związków 

aromatycznych  atak  rodników 

OH  zachodzi  w  położeniach  meta,  orto  i  para  w  zależności  od 

istniejących grup funkcyjnych przyłączonych do pierścienia.   

Wpływ intensywności światła i jego długości fali   

Światło UV dostarcza fotony wymagane do przeskoku elektronu z pasma walencyjnego do 

pasma  przewodzenia  fotokatalizatora.  Energia  fotonu  zależy  od  jego  długości  fali,  a  całkowita 

energia  dostarczana  procesowi  fotokatalitycznemu  zależy  od  jego  natężenia.  Wpływ  zarówno 

długości fali jak i natężenia światła są więc ważne w procesie fotokatalitycznym.   

background image

 

 

Liczne  badania  PCD  przy  użyciu  różnych  źródeł  promieniowania  doprowadziło  do 

określenia  wpływu  intensywności  promieniowania  na  PCD.  Przy  niewielkich  natężeniach  światła 

szybkość  PCD  rośnie  liniowo  wraz  ze  zwiększaniem  natężenia.  W  zakresie  środkowym  natężeń 

szybkość zależy od kwadratu natężenia. W przypadku dużych natężeń szybkość fotodegradacji jest 

niezależna  od  natężenia  padającego  światła.  Prowadzono  również  badania  przy  wykorzystaniu 

skoncentrowanego  światła  słonecznego.  Wyniki  tych  doświadczeń  wykazały,  że  układ  bez 

koncentracji  światła  wykorzystuje  je  osiem  razy  bardziej  efektywnie.  Pomimo  tego  szybkość  i 

wydajność PCD w układzie wykorzystującym światło skoncentrowane były większe.   

Ogólnie  w  przypadku  długości  fali  światła,  im  mniejsza  tym  bardziej  efektywne  PCD,  co 

wynika  z  ilości  transportowanej  energii.  Dodatkową  zaletą  jest  fakt  zmniejszenia  ilości 

powstających produktów pośrednich przy wykorzystaniu światła o krótszej fali. Jakkolwiek badania 

nad  otrzymywaniem  fotokatalizatorów  koncentrują  się  głównie  na  syntezie  fotokatalizatorów  o 

zwiększonej  aktywności  w  zakresie  światła  widzialnego.  Wykorzystanie  światła  UV  jest 

kłopotliwe,  jeśli  weźmie  się  pod  uwagę  procesy  prowadzone  w  dużej  skali,  poza  tym  nie  można 

pominąć dodatkowych kosztów, jakie są z takim źródłem promieniowania związane.   

Wpływ adsorpcji   

Skoro  degradacja  związku  zachodzi  na  powierzchni  katalizatora,  szybkość  degradacji 

związku  powinna  być  funkcją  stężenia  zaadsorbowanego  substratu.  Stopień  zaadsorbowania 

substratu  powinien,  więc  być  jednym  z  ważnych  czynników  wpływających  na  PCD.  Dostępne 

informacje  pozwalają  na  stwierdzenie,  że  degradacja  związku  zależy  od  jego  adsorpcji  na 

katalizatorze.  Związki  adsorbujące  się  mocniej  ulegają  szybszej  degradacji.  Jest  to  jeden  z 

dowodów  na  to,  że  reakcja  fotodegradacji  zachodzi  na  powierzchni  katalizatora.  Pozostałe  to 

między  innymi  zależność  szybkości  reakcji  od  powierzchni  właściwej  katalizatora,  a  także 

odbarwianie  się  fotokatalizatora  (np.  żółte  zabarwienie  pochodzi  od  zaadsorbowanego  kwasu 

salicylowego po całkowitej degradacji kwasu salicylowego).   

Wpływ pH   

pH  może  mieć  wpływ  na  ładunek  powierzchniowy  fotokatalizatora,  a  także  na  jonizację 

substratu,  a  więc  i  na  jego  adsorpcję.  Uwzględnienie  pH  jest  konieczne  szczególnie,  jeśli 

rozpatrujemy PCD ścieków przemysłowych, które mogą mieć charakter kwaśny lub zasadowy.   

background image

 

 

Zmiany  pH  powinny  wpływać  na  szybkość  adsorpcji  jako,  że  adsorpcja  zmienia  się  ze 

zmianami  pH.  Maksimum  adsorpcji  obserwowane  jest  w  pobliżu  punktu  pHPZC,  w  którym 

również  szybkość  PCD  jest  największa.  W  przypadku  substancji  o  charakterze  słabo  kwaśnym, 

PCD wzrasta przy niskim pH ze względu na zwiększoną adsorpcję. Niektóre związki mogą ulegać 

hydrolizie  w  środowisku  zasadowym,  co  jest  jedną  z  przyczyn  zwiększenia  się  PCD  w  takich 

środowiskach. W środowisku zasadowym zwiększa się również stężenie rodników OH co może być 

kolejną przyczyną zwiększenia szybkości PCD W przypadku związków, które dysocjują lub tworzą 

rodniki  w  określonym  zakresie  pH  i  są  nastypnie  adsorbowane,  obserwuje  się  zwiększenie 

szybkości specyficzne dla każdej substancji.   

Wpływ anionów   

Ścieki przemysłowe zawierają, oprócz zanieczyszczeń, różne sole w różnych stężeniach. W 

warunkach  PCD  ulegają  one  jonizacji,  a  powstające  aniony  i  kationy  mogą  mieć  wpływ  na 

szybkość procesu. Obecność anionów takich jak chlorkowy, siarkowy czy węglanowy jest typowa 

dla ścieków przemysłowych. Jony te wpływają na adsorpcję związków degradowanych, działając 

jako hydroksylowe łapacze jonów i mogą również absorbować światło UV.   

Stwierdzono  ze  siarczany,  fosforany  i  azotany  mają  niewielki  wpływ  na  szybkość  PCD  i 

zmniejszają ją w tym samym stopniu, w jakim zmniejszają adsorpcje substratu. Wpływ chlorków 

jest już większy, szczególnie, że jony chlorkowe absorbują światło UV. Największy wpływ na PCD 

mają jony HCO

3

-

 i CO

3

2-

za względu na zmniejszanie adsorpcji oraz reakcje z •OH przedstawione 

poniżej.   

 

Stwierdzono  również, ze wpływ  chlorków jest znaczący w przypadku  związków, które adsorbują 

się  słabo,  natomiast  w  wypadku  silnie  adsorbujących  się  substancji  rośnie  negatywny  wpływ 

węglanów.   

 

Wpływ kationów   

Kationy  występujące  w  ściekach  przemysłowych  mogą  mieć  zarówno  negatywny  jak  i 

pozytywny  wpływ  na  przebieg  PCD.  W  przypadku  Fe

3+ 

zauważono  że  ilość  zdegradowanego 

fenolu  rośnie  wraz  ze  stężeniem  jonów.  Okazało  się  jednak  że  przekroczenie  stężenia  ok.  4,8 

background image

 

10 

 

mmol/dm

zmniejszało efekt katalityczny. Niewielkie ilości kationów Fe

2+ 

i Ag

również powodują 

zwiększenie szybkości PCD. Oprócz pozytywnego wpływu kationów Fe, Ag i Cu  – jeżeli obecne 

były w roztworze w bardzo niewielkich ilościach, pozostałe badane kationy takie jak: Au, Cd, Cr, 

Hg,  Ni,  miały  negatywny  wpływ  na  PCD.  Ten  negatywny  wpływ  może  wynikać  z  łączenia  się 

kationów  z  anionami  i  wpływem  powstających  soli  na  adsorpcję  związków  organicznych  na 

fotokatalizatorze.   

Wpływ temperatury reakcji   

W  przypadku  procesu  fotodegradacji  prowadzonego  w  obecności  światła  widzialnego 

temperatura  strumienia  może  wzrastać,  jako  że  światło  widzialne  zawiera  znaczące  ilości 

promieniowania IR, dlatego też określenie wpływu temperatury na PCD jest ważne.   

Badania  wykazały,  że  zwiększenie  temperatury  procesu  zwiększa  szybkość  wszystkich 

reakcji  zachodzących  w  układzie,  za  wyjątkiem  fotogenerowania  par  elektron-dziura.  Z  drugiej 

strony,  zwiększanie  temperatury  reakcji  zmniejsza  rozpuszczalność  tlenu  w  roztworze.  Niższe 

stężenie rozpuszczonego tlenu będzie powodować zmniejszenie się szybkości usuwania elektronów 

z powierzchni fotokatalizatora.   

Większość fotoreakcji i reakcji fotokatalitycznych nie jest w dramatyczny sposób zależna od 

niewielkich  różnic  temperatury.  Zanotowano  liniowa  zależność  szybkości  PCD  ze  wzrostem 

temperatury  w  zakresie  10-60  ºC,  brak  jest  jednak  dokładnych  danych  dotyczących  innych 

katalizatorów  i  procesów  rozkładu  różnych  związków.  Jednak  zmniejszanie  stężenia 

rozpuszczonego  tlenu  w  roztworze  a  co  za  tym  idzie  ilości  fotogenerowanych  dziur  ze 

zwiększaniem temperatury powoduje konieczność ustalania optymalnej temperatury.   

Wpływ powierzchni właściwej   

Skoro na procesy PCD ma wpływ adsorpcja substratu na katalizatorze wpływ powierzchni 

katalizatora  na  proces  musi  być  brany  pod  uwagę.  W  przypadku,  gdy  szybkość  PCD  zależy  od 

adsorpcji będzie ona rosnąć również wraz ze zwiększaniem powierzchni właściwej.   

Jednym  ze  sposobów  zwiększenia  aktywności  ditlenku  tytanu,  który  jest  najbardziej 

aktywnym  i  najbardziej  popularnym  fotokatalizatorem  procesów  PCD  jest  otrzymanie  aerożeli 

tytanowych.   
 

background image

 

11 

 

Otrzymywanie fotokatalizatorów TiO

2

   

Ditlenek  tytanu  otrzymuje  się  różnymi  metodami.  W  skali  przemysłowej  uznanie  zyskała 

hydroliza  płomieniowa  TiCl

4

  prowadzona  w  obecności  wodoru  i  tlenu  w  temperaturze 

przekraczającej 1200ºC (metoda opracowana przez firmę Degussa). TiCl

4

 jest również, obok TiCl

3

 

prekursorem  wykorzystywanym  w  tradycyjnych  metodach  strąceniowych.  Bardzo  dużą 

popularnością  cieszą  się  w  ostatnich  latach  metody  oparte  na  procesie  zol-żel.  Prekursorami 

organicznymi  ditlenku  tytanu  najczyściej  stosowanymi  w  metodzie  zol-żel  są  tetraizopropanolan 

tytanu, tetrabutanolan tytanu i tetraetanolan tytanu.   

Pierwszym etapem syntezy zol-zel jest hydroliza organicznego prekursora z wytworzeniem 

reaktywnych grup M-OH   

 

Kolejna  reakcja  to  kondensacja  prowadząca  do  powstania  mostków  tlenowych  z  wytworzeniem 

cząsteczki  alkoholu  lub  wody.  Alkoholan  metalu  jest  nierozpuszczalny  w  wodzie  przez  co  przed 

procesem hydrolizy powinien być rozpuszczony w alkoholu. Reaktywność alkoholanu w procesie 

hydrolizy zależy głównie od elektroujemności atomu metalu i od jego zdolności do podwyższenia 

liczby  koordynacyjnej,  a  więc  od  jego  wielkości.  Końcowe  produkty  procesu  zol-żel  mogą 

charakteryzować  się  różną  strukturą  chemiczną.  Oprócz  wiązań  M-O-M  obecne  w  produktach 

mogą  być  również  wiązania  –OR  a  także  grupy  hydroksylowe  i  defekty  sieci.  Proces  zol-żel 

pozwala na sterowanie właściwościami otrzymywanych materiałów praktycznie na każdym etapie 

syntezy.  Produktami  tego  procesu  mogą  być  zarówno  cienkie  powłoki,  jak  i  ceramika,  kserożele 

czy aerożele.   

Aerożele to ultralekkie materiały charakteryzujące się bardzo dużą porowatością (>5cm

3

/g) i 

powierzchnią  właściwą  (do  1600m

2

/g).  Otrzymywane  są  w  procesie  zol-żel  przy  wykorzystaniu 

alkoholanów  metali.  Najbardziej  popularnym  fotokatalizatorem  jest  TiO

2

,  dlatego  też 

wykorzystanie  aerożeli  w  procesach  fotokatalitycznych  opiera  się  głównie  na  materiałach 

zawierających ditlenek tytanu (gdzie zawartość TiO

2

 waha się od 5 do 100%)   

Najbardziej  popularnym  prekursorem  tytanowym  jest  tetraizopropanolan  tytanu,  który  w 

pierwszym  etapie  syntezy  zol-żel  jest  rozpuszczany  w  alkoholu  (w  wodzie  nie  rozpuszcza  się, 

błyskawicznie hydrolizując), a nastypnie dodawana jest niewielka ilość wody pozwalająca na jego 

hydrolizę. Po etapie hydrolizy następuje kondensacja, kiedy to tworzy się zol. Zol w odpowiednich 

warunkach  przekształca  się  w  żel,  który  w  swojej  strukturze  ma  uwieziony  rozpuszczalnik 

background image

 

12 

 

(alkohol).  Jednym  z  najważniejszych  etapów  preparatyki  aerożeli  jest  suszenie  żelu.  W  wyniku 

tradycyjnego  suszenia  rozpuszczalnik  jest  usuwany  z  żelu  w  wyniku  parowania,  powoduje  to 

powstawanie  naprężeń  w  matrycy  materiału,  delikatna  matryca  ulega  wtedy  zniszczeniu  lub 

odkształceniu. W warunkach nadkrytycznych, jak wiadomo, zanika różnica pomiędzy fazą ciekłą i 

gazową,  pozwala  to  na  usunięcie  rozpuszczalnika  z  matrycy  żelu  bez  jej  zniszczenia.  Otrzymany 

aerożel poddaje się nastypnie obróbce termicznej w celu usunięcia resztek substancji organicznej, 

ale przede wszystkim w celu uformowania kryształów ditlenku tytanu.   

 

Przeprowadzone  badania  wskazują  na  zwiększoną  aktywność  aerożeli  tytanowych 

(zbudowanych z usieciowanego TiO

2

) w stosunku do klasycznie otrzymywanego ditlenku tytanu. 

Możliwe jest dalsze zwiększenie aktywności fotokatalizatora tytanowego poprzez jego dyspersję na 

materiale  pozwalającym  na  swobodną  propagację  światła  o  pożądanej  długości  fali,  w  tym  celu 

otrzymuje się aerożele tytanowo-krzemowe (TiO

2

-SiO

2

).   

 

background image

 

13 

 

Celem  ćwiczenia  jest  określenie  aktywności  fotokatalitycznej  katalizatora  P25  (TiO

2

  firmy 

Degussa) w procesie fotodegradacji organicznego związku modelowego.   

Ćwiczenie  polega  na  naświetlaniu  promieniowaniem  UV  wodnego  roztworu  błękitu 

metylenowego  w  obecności  katalizatorów  zawierających  ditlenek  tytanu.  W  trakcie  oznaczenia  z 

fotoreaktora wyposażonego w średniociśnieniową lampy rtęciową o mocy 450 W pobierane będą 

próbki  roztworu  w  15  minutowych  odstępach  czasu.  Po  oddzieleniu  katalizatora  próbki  będą 

poddawane  analizie  na  spektrofotometrze  UV/Vis.  Na  podstawie  otrzymanych  widm  UV/Vis 

określony zostanie stopień konwersji związku modelowego

.   

Przebieg ćwiczenia   

1. 

Odważyć 0,400 g katalizatora i przenieść do reaktora   

2. 

Reaktor napełnić 400 ml roztworu wodnego związku modelowego o znanym stężeniu   

3. 

Po włączeniu mieszadła magnetycznego umieścić układ reakcyjny w ciemni   

4. 

Pozwolić na ustalenie się równowagi adsorpcyjnej w układzie poprzez mieszanie roztworu 

zawierającego katalizator w ciemni   
5. 

Po ustaleniu równowagi włączyć kriostat oraz umieścić w reaktorze lampę rtęciową 

6. 

Utrzymując stała temperatury w reaktorze pobierać próbki co 15 min   

7. 

Próbki po oddzieleniu katalizatora poddać analizie UV/Vis   

8. 

Z otrzymanych widm roztworów (w tym roztworu wyjściowego) określić stężenie błękitu 

metylenowego oraz stopień jego konwersji   
 

Aparatura   

Fotorekator kwarcowy   

Chłodnica kwarcowa   

Średniociśnieniowa lampa rtęciowa o mocy 450W   

Kriostat   

Mieszadło magnetyczne   

Analizy UV/Vis przeprowadzane będą na spektrofotometrze firmy Hitachi