بررسی تخصصی سیستم های هیبریدی پلاسما/ فتوکاتالیستی

راکتورهای فوتوکاتالیستی

یک نیمه رسانا می تواند تابش نور را جذب کند تا یک الکترون را از حالت ظرفیت به نوار رسانایی هدایت کند در حالی که یک سوراخ (+h) در نوار ظرفیت به عنوان فوتوکاتالیزور ایجاد می کند. بیشتر جفت‌های الکترون‌-حفره حاصل (/e-+h) دوباره ترکیب می‌شوند، در حالی که تعدادی دیگر می‌توانند ترکیبات جذب‌شده روی سطح کاتالیزوری را اکسید یا کاهش دهند. این واکنش‌ها می‌توانند مستقیماً در حضور یک آلاینده خاص یا به‌طور غیرمستقیم با کمک اکسیژن و آب در اتمسفر برای تولید رادیکال‌های خود مانند ¯°O2 و °HO رخ دهند. این گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) برای اکسیداسیون و تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی آلاینده‌ها بسیار مطلوب هستند. متداول ترین فوتوکاتالیست مورد بررسی TiO2 است که طول موج تابش فرابنفش (UV) کمتر از 388 نانومتر را جذب می کند. جدول 1 برخی از مطالعات قابل توجه در مورد حذف ترکیبات آلی فرار مختلف (VOCs) در یک راکتور فوتوکاتالیستی، مانند آروماتیک، آلدئیدها و مرکاپتان ها را خلاصه می کند. برخی از آلاینده های معدنی (غیرآلی) مانند آمونیاک، NOX، SOX، CO و H2S، عمدتاً از بخش صنعتی نیز توسط راکتور فوتوکاتالیز حذف می شوند. با این وجود، در مقایسه با مطالعات قبلی (جدول 1)، این محدوده از مولکول ها کمتر مورد مطالعه قرار گرفته اند.

مزیت فوتوکاتالیز ناهمگن توانایی آن در تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی طیف وسیعی از ترکیبات آلی در آب و هوا است. چندین محقق به طور گسترده کارایی آن را در تجزیه مولکول های مختلف مورد مطالعه قرار داده اند. متداول‌ترین خانواده‌های ترکیبات آلی مورد مطالعه، ترکیبات کلردار، فنل‌ها، ترکیبات نیتروژن و ترکیبات گوگردی هستند. واکنش فوتوکاتالیستی را می توان با تابش فوتون فعال کرد و در دمای اتاق و فشار اتمسفر با نیازهای نصب معمول عمل کرد. با این حال، مزایای فوتوکاتالیز توسط برخی از اشکالات قابل توجه مختل شده است. فوتوکاتالیست فقط با تابش اشعه ماوراء بنفش فعال می شود و کارایی آن را در کاربردهای (با نور) مرئی و داخلی محدود می کند. بازترکیب بارهای تولیدشده نوری بین تشکیل و انتشار آنها در سطح نیمه هادی نیز می تواند بازده فرآیند را کاهش دهد.

محققان مسمومیت فوتوکاتالیز برای آلاینده های گوگرد و نیتروژن را در مقیاس آزمایشی تایید کردند. آنها نشان دادند که پس از مقدارزیادی از روند‌های خودبازسازی فوتوکاتالیستی، بازده فوتوکاتالیستی به طور قابل‌توجهی کاهش یافت. بنابراین، یک پدیده مسمومیت ممکن است در طی یک فرآیند اکسیداسیون فوتوکاتالیستی مداوم و طولانی مدت مشهود باشد. برای رفع این مشکلات و افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی، ترکیبی از فوتوکاتالیست و سایر فرآیندها مانند پلاسمای غیر حرارتی می تواند مفید باشد.

سیستم های هیبریدی پلاسما/ فتوکاتالیستی

بر اساس هر فرآیندی که به تنهایی در نظر گرفته می‌شود (پلاسما یا فوتوکاتالیز)، TiO2 یک کاتالیزور است که به لطف کارایی کوانتومی و پتانسیل‌های اکسیداسیون-احیاء باندهای ظرفیت و رسانش، قادر است بسیاری از مولکول‌های آلی را با خاصیت انتخابی عالی نسبت به CO2 اکسید کند. در سال های اخیر، مطالعات بسیاری با ترکیب پلاسمای غیر حرارتی (به عنوان مثال، تخلیه سد دی الکتریک – DBD، تخلیه تاج و تخلیه سطحی) و کاتالیزورها بر روی انواع مختلف پساب انجام شده است، بنابراین وجود یک اثر هم افزایی به دلیل فرآیند جفت شدن مشهود است. TiO2 یک کاتالیزور است که قادر است بسیاری از مولکول های آلی را با گزینش پذیری عالی به CO2 اکسید کند. پلاسما DBD در هوا، شعله های یونیزه شده را تولید می کند که منابع عالی رادیکال ها و گونه های برانگیخته هستند که یک محیط اکسید کننده عمومی را حتی در دمای اتاق و انرژی ورودی کم تشکیل می دهند. پلاسمای غیر حرارتی عملکرد قابل توجهی (به عنوان مثال، راندمان تبدیل و هزینه انرژی) برای پساب های کم آلودگی ارائه می دهد. چالش اصلی با پلاسما جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی اکسیداسیون و پیگیری واکنش‌ها به سمت تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی( مینرالیزاسیون) کل است. TiO2، به دلیل ظرفیت جذب خود، تمایل دارد محصولات جانبی را در حالت جذب نگه دارد، بنابراین آنها را در معرض رادیکال های با عمر طولانی قرار می دهد تا به تجزیه کامل خود دست یابند. اصلاح عیوب ذکر شده بالادر پلاسما با تامین TiO2 صورت می گیرد..

با توجه به توانایی فوتوکاتالیز برای رسیدن به نرخ بالای تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی، تحقیقات مختلفی با ترکیب پلاسمای غیرحرارتی و فوتوکاتالیز انجام شده است تا حذف با تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی به طور مداوم کامل شود. چند مطالعه در این زمینه اخیراً کاربرد مجموعه وسیعی از تنظیمات راکتور را نشان داده‌اند که اجازه ارتباط پلاسما و فرآیندهای فوتوکاتالیستی را برای خنثی سازی و شکستن پیوندهای آلاینده‌ها می‌دهد. پیکربندی های مختلف راکتور گزارش شده در منابع در این بخش خلاصه می شود. برخی از مطالعات اخیر در مورد عملکرد کاتالیزور و ارتباط آن با تخلیه پلاسما تأثیر قابل توجهی بر میزان حذف VOCs و اثربخشی تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی دارد. با این وجود، خصوصیات همزمان این فرآیندهای ترکیبی با پلاسمای فعال، به دلیل پیکربندی‌های راکتور تجربی پیچیده برای ارتباط پلاسما، ابزارهای نظارت بر عملکرد و امکانات تحلیلی، به ندرت مورد بررسی قرار می‌گیرد.

طراحی سیستم های هیبریدی پلاسما/فتوکاتالیستی

چندین بررسی نشان می‌دهد که پیکربندی‌های جذاب راکتورها در مورد پلاسما همراه با فوتوکاتالیز در مورد DBD و کرونا هستند. مشاهده شده است که انتشار DBD در مقایسه با انتشار کرونا به دلیل یکنواختی تخلیه پلاسما در سطح کاتالیزور، نسبتاً مؤثرتر است. جفت شدن بین پلاسما توسط تخلیه سد دی الکتریک (DBD) و فوتوکاتالیز TiO2/UV، تنظیمات فوق العاده ای را از نظر هم افزایی برای از بین بردن VOC ها با مصرف انرژی کم نشان می دهد. همراه کردن یک فوتوکاتالیست در یک DBD که پلاسمای شعله‌دار در هوا تولید می‌کند، که منابع عالی رادیکال‌ها و گونه‌های برانگیخته هستند، این امکان را فراهم می‌کند که محیط اکسیدکننده با همان انرژی‌های تزریق‌شده تشدید شود. واکنش پذیری این سیستم ها بر روی تعداد زیادی مولکول آلی نشان داده شده است (شکل 2).

شکل2- نمونه ای از اثرات هم افزایی فتوکاتالیست- پلاسما برای تخریب اسید ایزووالریک، سولفید هیدروژن، آمونیاک، تری متیل آمین و ایزووالرآلدئید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.