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TU Berlin

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Photokatalytische Oxidation von Wassserverunreinigungen mit TiO2

  • Finanzierung: Alfa Projekt INGAM B3
  • Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. M. Jekel
  • Bearbeitung: Ing. Ródny Peñafiel

Problemstellung
Biologisch schlecht abbaubare Substanzen bereiten in der Wasseraufbereitung große Sorgen. Ein relativ neuer Prozeß, um diese Verbindungen abzubauen, ist die Photokatalyse. Ein Halbleiter, üblicherweise TiO2, wird von langwelliger UV-Strahlung belichtet. Damit werden reaktionsfähige OH-Radikale erzeugt, die die Wasserverunreinigungen oxidieren. Der Vorteil des Prozesses ist, daß der Katalysator wiederverwendet werden kann, und daß die erforderliche UV-Strahlung für chemische Reaktionen aus dem Sonnenlicht stammen kann.

Vorgehensweise
Um die Photokatalyse besser zu verstehen, wird ein Modellsystem gewählt, das aus Millipore Wasser und biologisch schwer abbaubaren Substanzen besteht. TiO2 Degussa P-25 wird in Suspension oder fixiert auf einer Glassplatte eingesetzt. Das System wird von einer Xe-Lampe belichtet, dessen Licht die Sonnenstrahlung ähnelt. Die Oxidation dieser Verbindungen wird untersucht. Der Einfluß verschiedener Parameter (pH-Wert, Temperatur, Konzentration der Verunreinigung, Gehalt an HCO3- und H2O2, usw.) auf die Abbaukinetik wird ermittelt. Schließlich wird die Rolle der Adsorption der Verunreinigung an TiO2 und die Wirkung der Fixierung auf die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt.

Ergebnisse
Folgende Substanzen wurden untersucht: Naphthalin-1,5-Disulfonsäure und die Farbstoffe Neutralrot (neutral red 5 oder toluylene red) und Remazol Rot RB (reactive red 198). Aus der experimentellen Durchführung photokatalytischer Versuche wurde Folgendes festgestellt:

  • Die Abbaurate der Modellsubstanz, Naphthalin-1,5-Disulfonsäure (NDSA), nimmt zu, mit der Abnahme des pH-Werts, die Zunahme der TiO2- und NDSA-Konzentration und die Zugabe von H2O2. Die Zunahme des pH-Werts oder Zugabe HCO3- bewirkt die Verminderung der Abbaurate.
  • Im Gegensatz zu NDSA wird NR5 (neutral red 5) mit zunehmendem pH-Wert schneller abgebaut. Es wird ein Maximum der Abbaugeschwindigkeit zwischen pH = 6 und 7 erreicht. Es entsteht eine Verminderung der Abbaurate bei basischen pH-Werten.
  • Die Konkurrenz um die UV-Strahlung zwischen TiO2 und die organischen Substanzen (Filter Effekt) wird deutlich bei den Versuchen mit NR5 und RR198 (reactive red 198). Im Gegensatz zu NDSA verringert sich die Abbaurate mit hohen Konzentrationen an NR5 und RR198. Dabei wird sogar ein Maximum bei verdünnten Lösungen festgestellt.
  • Die Adsorption von Verunreinigungen an TiO2 bedingt ihre Oxidation. Parameter, wie Konzentration oder pH-Wert, die einen Einfluß auf die Adsorption haben, beeinflussen auch den Abbau. Substanzen die wenig an TiO2 adsorbiert werden, wie NDSA, verhalten sich nach dem Langmuir-Himshelwood Model (L-H), nämlich je höher die Konzentration an der Oberfläche desto schneller wird der Abbau. Bei Substanzen, die von TiO2 gut adsorbiert werden, wie NR5 oder RR198, kann andere Effekte auftretten, wie z.B. ein Abschrimungseffekt. Dieser Effekt kann dadurch erklärt werden, daß eine zu hohe adsorbierte Konzentration an TiO2 eine Abschirmung des Katalysators von der UV-Strahlung bewirkt. Solche Substanzen verhalten sich nicht wie L-H voraussagt.
  • Die Fixierung des Katalysators verursacht die Verminderung der Abbaurate im Vergleich zu suspendiertem Katalysator. Gründe für diese Abnahme sind eine verringerte Menge an erzeugten OH-Radikale, eine höhere Rekombinationsrate und eine Stofftransportlimitierung.

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