Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση φωτοκαταλυτικού αντιδραστήρα οπτικών ινών και μεβράνης για καθαρισμό νερού

Abstract

Οι μέθοδοι επεξεργασίας του νερού είναι ένα πεδίο ερευνών, με τεράστιες δυνατότητες, κυρίως λόγω των μεγάλων αναγκών των σύγχρονων ανθρώπινων κοινωνιών για πόσιμο νερό. Πολλές τεχνικές έχουν αναπτυχθεί για καθαρισμό του νερού, και δύο από τις πιο συνηθισμένες είναι η διήθηση μέσω μεμβρανών και η φωτοκατάλυση. Ο πιθανός συνδυασμός αυτών των δύο μεθόδων θα ανοίξει νέους και ελπιδοφόρους ορίζοντες τις μεθόδους επεξεργασίας νερού. Ένας καινοτομικός, συνεχούς ροής, φωτοκαταλυτικός αντιδραστήρας μεμβράνης, ο οποίος εκμεταλλεύεται τόσο την υπερδιήθηση όσο και την ετερογενή φωτοκατάλυση, έχει κατασκευαστεί και είναι διαθέσιμος προς χρήση στο εργαστήριο «Φωτοοξειδοαναγωγικής Μετατροπής και Αποθήκευσης της Ηλιακής Ενέργειας», στον τομέα Φυσικοχημείας στο Ε.Κ.Ε.Φ.Ε «Δημόκριτος». Ο στόχος αυτής της διπλωματικής ήταν η αναβάθμιση αυτού του –μόνο για εργαστηριακή χρήση- αντιδραστήρα, σε έναν νέο μεγαλύτερης κλίμακας, ενεργειακά αυτόνομου, που θα έχει την ικανότητα να λειτουργεί υπό ηψηλή ροή ώστε να μπορεί να εγκατασταθεί σε απομακρυσμένες περιοχές. Η διπλωματική μπορεί να χωριστεί σε τρία επιμέρους τμήματα. Τα πρώτα τρία κεφάλαια είναι το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο. Δίνεται έμφαση στο φαινόμενο της ετερογενούς φωτοκατάλυσης και της λειτουργίας του διοξειδίου του τιτανίου ως φωτοκαταλύτη. Η τιτανία είναι ένας από τους πιο διαδεδομένους φωτοκαταλύτες, τόσο για εμπορική όσο και για ερευνητική χρήση, και μελετώνται εις βάθος οι ιδιότητές της, οι τεχνικές παρασκευής ή εμπλουτισμού της και ο ρόλος της στο μηχανισμό της ετερογενούς φωτοκατάλυσης. Το πρώτο μέρος ολοκληρώνεται με αναφορά στις διάφορες κατηγορίες φωτοκαταλυτικών αντιδραστήρων και στις αρχές λειτουργίας τους. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται η σύνθεση εξαιρετικά δραστικών φωτοκαταλυτών τιτανίας, καθώς και οι συνθετικές διαδικασίες εμπλουτισμού της με ανιόντα (N, F, S, C), για την ανάπτυξη προηγμένων νανοσυνθετικών του TiO2 με νανοϋλικά άνθρακα (νανοσωλήνες άνθρακα και οξείδιο του γραφενίου) και τελικώς η παρασκευή μεμβρανών υπερδιήθησης με διπλή φωτοκαταλυτικά ενεργή επιφάνεια. Το κεφάλαιο 5 περιλαμβάνει το σχεδιασμό του αναβαθμισμένου καινοτομικού αντιδραστήρα. Στη διαδικασία της αναβάθμισης, το αποτύπωμα της συσκευής δεν άλλαξε, λόγω της χρήσης πολυκάναλων μονολιθικών μεμβρανών. Ειδικά χημικά επεξεργασμένες οπτικές ίνες, που θα μπορούν να δέχονται το ηλιακό φως από ηλιακούς συλλέκτες, θα είναι υπεύθυνες για την ακτινοβολία στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, κάνοντας τη συσκευή ενεργειακά αυτόνομη. Μία μελέτη ρευστομηχανικής οδήγησε στη δημιουργία ενός προγραμματιστικού κώδικα για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης κατά μήκος της μεμβράνης, ώστε να μπορούμε να ελέγξουμε τις συνθήκες λειτουργίας της μεμβράνης, την ποσότητα του νερού που καθαρίζεται και την ποιότητα της φωτοκατάλυσης, και σαν αποτέλεσμα να μπορούμε να βελτιστοποιησουμε τον φωτοκαταλυτικό αντιδραστήρα οπτικών ινών και μεμβράνης. Στο τέλος, αναφέρονται οι προοπτικές και οι ιδέες για περεταίρω ανάπτυξη. Ιδέες που βρήσκουν εφαρμογή όχι μόνο στο πεδίο των ερευνών αλλά και στην αγορά τεχνολογιών επεξεργασίας νερού, η οποία δείχνει τεράστιο ενδιαφέρον σε τέτοιες καινοτομικές και περιβαντολλογικές λύσεις.

Water treatment methods are currently a field of research, with tremendous potential, because of the big needs of modern human societies for drinking water. Many techniques have been developed for water purification, and two of the most commonly used are membrane filtration and photocatalysis. It is strongly believed that an innovative combination of these two methods will open new and promising horizons in water treatment research. An innovative, continuous flow, photocatalytic membrane reactor, which takes advantage of both ultrafiltration and heterogeneous photocatalysis, has been constructed and is available for use in the laboratory of “Photooxeidation Conversion and Storage of Solar Energy” at the Institute of Physical Chemistry, NCSR “Demokritos”. The aim of this thesis was to upscale this –available only for laboratory use- reactor, to a new one at larger scale that will be energy independent and will have the capacity to operate at high flux, so that it can be installed in remote areas. As a result, this work could be divided in three different parts. The first three chapters are the necessary theoretical background. Emphasis is given to the phenomenon of heterogeneous photocatalysis and the function of titanium dioxide as a photocatalyst. Titania is one of the most widespread photocatalysts, for both commercial or research use, and its properties, fabrication or doping techniques and role in the mechanism of heterogeneous photocatalysis are already studied in depth. The first part ends with reference to the categories of photocatalytic reactors and their operating principles. In Chapter 4 the synthesis of the highly reactive TiO2 photocatalysts is described, as well as the synthetic procedures for anion doping (N, F, S, C), for the development of advanced nanocomposites of TiO2 with carbon nanomaterials (carbon nanotubes and grapheme oxide) and finally the challenging fabrication of double sided photocatalytically active ultrafiltration membranes. Chapter 5 includes the desing of the upscaled innovative reactor. In the process of upscaling, the device’s footprint didn’t change, due to the use of multichannel monolith membranes. Chemical etched optical fibers, which will be able to receive sunlight from solar collectors, would be responsible for the irradiation inside the reactor, making the device energy independent. A fluid mechanics study, led to the creation of a computer code for calculating the pressure drop along the membrane, so that we can supervise the membrane’s operation conditions, the amount of water that is purified and the quality of photocatalysis, and as a result optimize our photocatalytic optical fiber membrane reactor. Finally, potential impact and ideas for future development are discussed. This is possible not only in the field of research, but also in the market of water treatment technologies, which is showing great interest in such innovative and environmental solutions.