Σύγχρονες τεχνολογίες αντιμετώπισης υγρών αποβλήτων - φωτοχημική οξείδωση της χρωστικής ουσίας BLUE

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η εξέταση των αρχικών βημάτων οξείδωσης του χρωστικής ουσίας, μπλε χρώματος, της κατηγορίας TRE. Τα βήματα αυτά εξετάστηκαν με τη χρήση υπεριωδών ακτινοβολιών, αλλά και χωρίς τη χρήση αυτών, για να καθοριστεί η επιρροή τους στο μηχανισμό και το ρυθμό της εν λόγω αντίδρασης. Παράλληλα μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής των τιμών διαφόρων παραμέτρων της αντίδρασης, όπως είναι η συγκέντρωση του χρώματος και του χρησιμοποιούμενου οξειδωτικού (υπεροξείδιο του υδρογόνου - Η202), η θερμοκρασία και το pH της αντίδρασης. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και η ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε φασματοφωτομετρικά. Βρέθηκε ότι στα πειράματα που διεξήχθησαν χωρίς τη χρήση ακτινοβολιών η αντίδραση είναι πολύ γρήγορη σε υψηλές θερμοκρασίες. Πάντως και σε χαμηλές τιμές της θερμοκρασίας, σε αντίθεση με άλλα συστήματα, παρατηρήθηκε σαφής αποχρωματισμός των διαλυμάτων. Ακόμη και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (21 °C), για μεγάλες τιμές της συγκέντρωσης του οξειδωτικού, είναι εμφανές ότι υφίσταται οξείδωση της ουσίας. Ήταν φανερή η εύνοια της αντίδρασης σε περιβάλλοντα αλκαλικά, ειδικότερα για τιμή του pH ίση με 9, σε όλες τις εξετασθείσες τιμές της θερμοκρασίας. Η περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η κινητική του συστήματος στους αρχικούς χρόνους αντίδρασης μπορεί να μοντελοποιηθεί με τη χρήση ενός μοντέλου κινητικής πρώτης τάξης. Για τους χρόνους αυτούς, οι ενέργειες ενεργοποίησης σε όξινο (pH = 3) και σε αλκαλικό (pH = 9) περιβάλλον υπολογίστηκαν ίσες με 17,85 και 14,85 Kcal/mol, αντίστοιχα. Δεν ισχύει το ίδιο όμως για συνολικούς χρόνους αντίδρασης, δηλαδή για τελική > διάσπαση της ουσίας μεγαλύτερη του 90% της αρχικής τιμής της στο διάλυμα, αφού με την πάροδο του χρόνου παρατηρούνται αποκλίσεις από την κινητική πρώτης τάξης. Ο λόγος στον οποίο οφείλεται η παρατηρηθείσα συμπεριφορά δεν είναι Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η εξέταση των αρχικών βημάτων οξείδωσης του χρωστικής ουσίας, μπλε χρώματος, της κατηγορίας TRE. Τα βήματα αυτά εξετάστηκαν με τη χρήση υπεριωδών ακτινοβολιών, αλλά και χωρίς τη χρήση αυτών, για να καθοριστεί η επιρροή τους στο μηχανισμό και το ρυθμό της εν λόγω αντίδρασης. Παράλληλα μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής των τιμών διαφόρων παραμέτρων της αντίδρασης, όπως είναι η συγκέντρωση του χρώματος και του χρησιμοποιούμενου οξειδωτικού (υπεροξείδιο του υδρογόνου - Η202), η θερμοκρασία και το pH της αντίδρασης. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και η ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε φασματοφωτομετρικά. Βρέθηκε ότι στα πειράματα που διεξήχθησαν χωρίς τη χρήση ακτινοβολιών η αντίδραση είναι πολύ γρήγορη σε υψηλές θερμοκρασίες. Πάντως και σε χαμηλές τιμές της θερμοκρασίας, σε αντίθεση με άλλα συστήματα, παρατηρήθηκε σαφής αποχρωματισμός των διαλυμάτων. Ακόμη και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (21 °C), για μεγάλες τιμές της συγκέντρωσης του οξειδωτικού, είναι εμφανές ότι υφίσταται οξείδωση της ουσίας. Ήταν φανερή η εύνοια της αντίδρασης σε περιβάλλοντα αλκαλικά, ειδικότερα για τιμή του pH ίση με 9, σε όλες τις εξετασθείσες τιμές της θερμοκρασίας. Η περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η κινητική του συστήματος στους αρχικούς χρόνους αντίδρασης μπορεί να μοντελοποιηθεί με τη χρήση ενός μοντέλου κινητικής πρώτης τάξης. Για τους χρόνους αυτούς, οι ενέργειες ενεργοποίησης σε όξινο (pH = 3) και σε αλκαλικό (pH = 9) περιβάλλον υπολογίστηκαν ίσες με 17,85 και 14,85 Kcal/mol, αντίστοιχα. Δεν ισχύει το ίδιο όμως για συνολικούς χρόνους αντίδρασης, δηλαδή για τελική > διάσπαση της ουσίας μεγαλύτερη του 90% της αρχικής τιμής της στο διάλυμα, αφού με την πάροδο του χρόνου παρατηρούνται αποκλίσεις από την κινητική πρώτης τάξης. Ο λόγος στον οποίο οφείλεται η παρατηρηθείσα συμπεριφορά δεν είναι Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η εξέταση των αρχικών βημάτων οξείδωσης του χρωστικής ουσίας, μπλε χρώματος, της κατηγορίας TRE. Τα βήματα αυτά εξετάστηκαν με τη χρήση υπεριωδών ακτινοβολιών, αλλά και χωρίς τη χρήση αυτών, για να καθοριστεί η επιρροή τους στο μηχανισμό και το ρυθμό της εν λόγω αντίδρασης. Παράλληλα μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής των τιμών διαφόρων παραμέτρων της αντίδρασης, όπως είναι η συγκέντρωση του χρώματος και του χρησιμοποιούμενου οξειδωτικού (υπεροξείδιο του υδρογόνου - Η202), η θερμοκρασία και το pH της αντίδρασης. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και η ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε φασματοφωτομετρικά. Βρέθηκε ότι στα πειράματα που διεξήχθησαν χωρίς τη χρήση ακτινοβολιών η αντίδραση είναι πολύ γρήγορη σε υψηλές θερμοκρασίες. Πάντως και σε χαμηλές τιμές της θερμοκρασίας, σε αντίθεση με άλλα συστήματα, παρατηρήθηκε σαφής αποχρωματισμός των διαλυμάτων. Ακόμη και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (21 °C), για μεγάλες τιμές της συγκέντρωσης του οξειδωτικού, είναι εμφανές ότι υφίσταται οξείδωση της ουσίας. Ήταν φανερή η εύνοια της αντίδρασης σε περιβάλλοντα αλκαλικά, ειδικότερα για τιμή του pH ίση με 9, σε όλες τις εξετασθείσες τιμές της θερμοκρασίας. Η περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η κινητική του συστήματος στους αρχικούς χρόνους αντίδρασης μπορεί να μοντελοποιηθεί με τη χρήση ενός μοντέλου κινητικής πρώτης τάξης. Για τους χρόνους αυτούς, οι ενέργειες ενεργοποίησης σε όξινο (pH = 3) και σε αλκαλικό (pH = 9) περιβάλλον υπολογίστηκαν ίσες με 17,85 και 14,85 Kcal/mol, αντίστοιχα. Δεν ισχύει το ίδιο όμως για συνολικούς χρόνους αντίδρασης, δηλαδή για τελική > διάσπαση της ουσίας μεγαλύτερη του 90% της αρχικής τιμής της στο διάλυμα, αφού με την πάροδο του χρόνου παρατηρούνται αποκλίσεις από την κινητική πρώτης τάξης. Ο λόγος στον οποίο οφείλεται η παρατηρηθείσα συμπεριφορά δεν είναι γνωστός. Πιθανολογείται η δημιουργία θραυσμάτων - παραπροϊόντων τα οποία, ανάλογα με τις συνθήκες κάτω από τις οποίες εξελίσσεται η κάθε αντίδραση, οδηγούν σε μεταβολές στο ρυθμό της αντίδρασης, καθώς αυτή προωθείται. Η συμπεριφορά του συστήματος στα πειράματα που έγιναν με τη χρήση υπεριωδών ακτινοβολιών, επιτρέπει τη μοντελοποίηση αυτού με τη χρήση μοντέλου κινητικής πρώτης τάξης ως προς τη συγκέντρωση του χρώματος, καθ' όλη τη διάρκεια των αντιδράσεων. Βρέθηκε ότι ο ρυθμός των συγκεκριμένων αντιδράσεων είναι μεγαλύτερος σε αλκαλικά περιβάλλοντα. Μία ακόμη σημαντική παρατήρηση που προέκυψε από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων, είναι ότι οι ρυθμοί των φωτοχημικών αντιδράσεων διέρχονται από ένα μέγιστο, αυξανόμενης της συγκέντρωσης του υπεροξειδίου. Ωστόσο, για πολύ μεγάλες τιμές της συγκέντρωσης του Η202, πέραν τις επίδρασης των υπεριωδών ακτινοβολιών, είναι σημαντική και η επίδραση της χημικής οξείδωσης στο ρυθμό των συγκεκριμένων αντιδράσεων, Για το λόγο αυτό, παρόλο που λόγω του μηχανισμού απορρόφησης θα έπρεπε να παρατηρούνται μεγάλοι χρόνοι ημίσειας ζωής, οι αντιδράσεις εμφανίζονται γρήγορες στις συγκεκριμένες συνθήκες. Πάντως οι φωτοχημικές αντιδράσεις είναι γρηγορότερες από αυτές που έγιναν στην ίδια θερμοκρασία, χωρίς τη χρήση UV ακτινοβολιών. Αυξανόμενης όμως της θερμοκρασίας, οι διαφορές στους ρυθμούς των αντιδράσεων για τις δύο αυτές μεθόδους αμβλύνονται. Για τιμές της θερμοκρασίας μεγαλύτερες των 40 °C, οι αντιδράσεις χωρίς τη χρήση ακτινοβολίας, καθίστανται πλέον αποτελεσματικότερες για την αντιμετώπιση της συγκεκριμένης ουσίας. Οι ρυθμοί των ομογενών αυτών αντιδράσεων, είναι σαφώς μεγαλύτεροι των αντίστοιχων με τη χρήση των υπεριωδών ακτινοβολιών.